DE102013215327A1

DE102013215327A1 - Verdichter für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102013215327A1
Application number: DE102013215327.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Haase; Simon Grilc; Johannes Schmid
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-02-05

Abstract

Verdichter für eine Brennstoffzelle, mit einem Verdichtergehäuse, in dem ein Verdichterrad mit einer Welle drehbar gelagert ist, wobei bei drehendem Verdichterrad ein Fluid von dem Verdichterrad in einen Strömungsbereich angesaugt wird und in einem radial das Verdichterrad verdichtet und weiter gefördert wird, wobei der Verdichter über eine Einrichtung zum Einbringen einer Flüssigkeit in den Strömungsbereich verfügt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können ein Ladeluftkühler und/oder ein Befeuchtungssystem in der Brennstoffzellenanordnung in vorteilhafter Weise entfallen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter für eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein gattungsgemäßer Verdichter in Form eines Turboverdichters für eine Brennstoffzelle oder einen Verbrennungsmotor ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010 064 061 A1 bekannt. Diese Offenlegungsschrift offenbart einen Turboverdichter, der wenigstens eine Antriebseinheit umfasst und mindestens ein erstes und ein zweites von der Antriebseinheit antreibbares, in jeweils einem ersten und einem zweiten Verdichtergehäuse montierbar angeordnetes Verdichterrad aufweist. Das erste und das zweite Verdichterrad sind im wesentlichen achssymmetrisch zueinander ausgerichtet und auf einer gemeinsamen Welle angeordnet und das erste Verdichtergehäuse ist wenigstens mit einer Gasleitung strömungstechnisch mit dem zweiten Verdichtergehäuse verbunden, zur Leitung des von dem ersten Verdichterrad komprimierten Gases an das zweite Verdichterrad. Der Turboverdichter ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasleitung wärmetechnisch gekoppelt wenigstens ein Zwischenkühler angeordnet ist, mit dem das von dem ersten Verdichterrad verdichtete und zum zweiten Verdichterrad strömende Gas kühlbar ist.
Ein weiterer gattungsgemäßer Verdichter ist darüber hinaus beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 103 06 234 B4 bekannt. Aus diesem Patent ist ein Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle mit einem Expander und einem zumindest teilweise davon angetriebenen Verdichter bekannt. Der Expander wird zumindest zeitweise von den heißen Abgasen einer Verbrennung in einem Brenner durchströmt, wobei die Abgase nach dem Durchströmen des Expanders zumindest einen Teil der in ihnen verbleibenden thermischen Restenergie an die zu der Verbrennung strömende Luft, bevor sie in den Brenner einströmt, abgeben.
Eine weitere Möglichkeit das verdichtete Oxidationsgas, üblicher Weise Luft, zu kühlen besteht darin, dass der Verdichter oder Kompressor für eine Brennstoffzelle durch ein Kühlmedium gekühlt wird und die, durch den Kompressor komprimierte Verbrennungsluft oder Oxidationsgas durch einen Wärmetauscher oder durch eine flüssige Wassereinspritzung gekühlt wird.
Das geförderte Oxidationsgas hat nach dem Verdichter in bestimmten Betriebspunkten eine so hohe Temperatur, dass in nachteiliger Weise eine zusätzliche Kühlungseinheit für das geförderte Oxidationsgas vorgesehen werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Methode aufzuzeigen, wie das verdichtete Oxidationsgas für eine Brennstoffzelle effektiv gekühlt und gleichzeitig befeuchtet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
In bevorzugter Weise wird als Flüssigkeit ein vom Abgassystem ausgeschiedenes Wasser als Fluid für die Befeuchtung und Kühlung des Oxidationsgases verwendet, auch eine externe Fluidzugabe ist möglich. Der latente Wärmeübergang von flüssig auf gasförmig und/oder durch Erwärmung des Wassers (flüssig/gasförmig) wird für die Kühlung des Verdichterrades und das Oxidationsgas verwendet. Eine indirekte Kühlung beispielsweise einer E-Maschine im Verdichter über das gekühlte Verdichterrad kann ebenfalls realisiert werden. Eine Kühlung der E-Maschine mit dem einzubringenden Wasser vor der Einbringung in den Verdichter ist eine Alternative. In vorteilhafter Weise kann das Wasser durch die Wirkung der Zentrifugalkraft des Verdichterrades gefördert werden.
Forteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante. Die Bohrung kann hierbei im Verdichterrad entweder nur durch die Welle oder durch die Welle und die Verdichterschaufeln verlaufen.
Die Ausgestaltungen gemäß Patentanspruch 3 sind zwei besonders bevorzugte Ausführungsvarianten. Am Ende des Verdichterrades ist das Oxidationsgas bereits erwärmt, was schnelles Verdampfen des Fluids bewirkt. Die Kühlwirkung findet am Ende bzw. außerhalb des Verdichters statt (Variante 1). Bei der Eindüsung am Anfang des Verdichterrades wird das Fluid mit dem Oxidationsgas verdichtet, erwärmt und dabei verdampft. Die Kühlwirkung findet innerhalb des Verdichters statt (Variante 2).
Bei der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 sind im Gehäuse des Verdichters über den Umfang eine oder mehrere Bohrungen angeordnet. Mit dieser Variante 3 können die Effekte der zuvor genannten Varianten 1 oder 2 realisiert werden. Eine Pumpe für die Beförderung des Wassers oder Fluids ist zwingend notwendig.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 kann die Eindüsrichtung des Fluids oder Wassers an die lokalen Strömungsverhältnisse des Oxidationsgases angepasst werden.
Bevorzugt ist zumindest ein Oberflächenabschnitt im Strömungsbereich gemäß Patentanspruch 6 hydrophil ausgebildet. Wasseransammlungen auf der Oberfläche sind somit in diesem hydrophilen Bereich sicher vermieden.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 7 lässt sich eine exakte Wasser- oder Fluiddosierung realisieren. In einer weiteren Ausführungsform ist die Fluidpumpe 15 steuerbar.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen in sechs Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Verdichter.
2 zeigt einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Verdichter.
3 zeigt einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Verdichter.
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die Verwendung des erfindungsgemäßen Verdichters für eine Brennstoffzelle.
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verdichters für eine Brennstoffzelle.
6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verdichters für eine Brennstoffzelle.
Im Folgenden gelten für gleiche Bauelemente in den 1 bis 6 die gleichen Bezugsziffern.
1 zeigt einen Schnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Verdichter 1. Dargestellt ist eine Hälfte des Verdichters 1, von einer Drehachse 3' bis radial außen. Geschnittene Bauelemente sind schraffiert dargestellt. Der Verdichter 1 ist bevorzugt für eine Brennstoffzelle vorgesehen und weist ein Verdichtergehäuse 2 auf, in dem ein Verdichterrad 3 mit einer Welle 4 drehbar gelagert ist. Radial außen weist das Verdichterrad 3 Verdichterschaufeln auf damit bei drehendem Verdichterrad 3 ein Fluid, vorzugsweise Luft, von dem Verdichterrad 3 in einen Strömungsbereich 5 angesaugt wird und in einem radial das Verdichterrad 3 umgreifenden Spiralkanal 6 verdichtet und weitergefördert wird. Unter einem Strömungsbereich 5 werden alle Hohlräume verstanden, durch die das Fluid, bzw. die Luft strömt.
Erfindungsgemäß verfügt der Verdichter 1 über eine Einrichtung zum Einbringen einer Flüssigkeit in den Strömungsbereich 5. Bevorzugt lässt sich die Flüssigkeit durch eine Bohrung in der Welle 4 und in dem Verdichterrad 3 in den Strömungsbereich 5 einbringen. In diesem ersten Ausführungsbeispiel mündet die Bohrung 7 in einer Strömungsrichtung des Fluids am Anfang des Verdichterrades 3 in den Strömungsbereich 5. Die Strömungsrichtung ist durch einen Pfeil dargestellt und gilt für die 1 bis 3.
2 zeigt den gleichen Verdichter 1 aus 1, jedoch mündet bei diesem Ausführungsbeispiel die Bohrung 7 in Strömungsrichtung des Fluids am Ende des Verdichterrades 3 in den Strömungsbereich 5.
3 zeigt nochmals den Verdichter 1 aus den 1 und 2, für ein drittes Ausführungsbeispiel. In diesem dritten Ausführungsbeispiel ist der Strömungsbereich 5 zumindest abschnittsweise von einem Flüssigkeit führenden Raum 8 radial umschlungen, wobei die Flüssigkeit durch eine Öffnung, bzw. Zuleitung 9 zwischen dem Raum 8 und dem Strömungsbereich 5 in den Strömungsbereich 5 einbringbar ist.
Für alle Ausführungsbeispiele gilt, dass die Bohrung 7 und/oder die Öffnung 8 einen Eintrittswinkel zwischen 10° und 90° zu der Drehachse 3' des Verdichterrades 3 in den Strömungsbereich 5 bildet. Durch diese bevorzugte Ausführungsvariante kann das Einbringen der Flüssigkeit bzw. des Wassers optimal an die örtlichen Strömungsverhältnisse des Oxidationsgases angepasst werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein Oberflächenabschnitt im Strömungsbereich 5 für alle Ausführungsbeispiele hydrophil ausgebildet. Eine Benetzung mit Flüssigkeit bzw. Wasser ist somit weitgehend vermieden. Es kann sich hierbei um Teile des Verdichtergehäuses 2 und/oder das Verdichterrad handeln.
In einer wiederum weiteren Ausführung können die Bohrung 7 und/oder die Öffnung 8 verschließbar sein, wodurch eine exakte Dosierung von zugeführter Flüssigkeit bzw. Wasser möglich ist.
Der Antrieb des Verdichterrades 3 kann beispielsweise mechanisch als Kompressor oder elektrisch oder auch durch Abgas erfolgen.
Bevorzugt wird ausgeschiedenes Wasser vom Abgassystem für die Befeuchtung und Kühlung des Oxidationsgases verwendet. Der latente Wärmeübergang von flüssig auf gasförmig wird für die Kühlung des Verdichterrades 3 und des Oxidationsgases verwendet. Eine indirekte Kühlung einer möglichen E-Maschine für den Verdichter 1 über das gekühlte Verdichterrad 3 kann ebenso realisiert sein. Eine Kühlung der E-Maschine über das eingespritzte Wasser vor der Einspritzung in den Verdichter 1 ist eine Alternative. Das Wasser kann in vorteilhafter Weise durch die Wirkung der Zentrifugalkraft des Verdichterrades 3 gefördert werden.
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verdichters 1 für eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus einer Kathode 10 und einer Anode 11. Die Anode 11 wird in diesem Ausführungsbeispiel mit Wasserstoff (H₂) als Brenngas gespeist, dargestellt durch einen Pfeil. Die Kathode 10 wird mit Luft gespeist, die von dem erfindungsgemäßen Verdichter 1 gefördert wird. Abgase der Kathode 10 werden in einem Kondensator 12 auskondensiert und das Fluid, das Wasser, einem Fluidbehälter 13 zugeführt, der dann zur Speisung des Verdichters 1 dient. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Abgas mit einem Expander 14 entspannt.
Da der prinzipielle Aufbau einer Brennstoffzellenanordnung dem Fachmann bekannt ist, wird dieser nicht näher erläutert.
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verdichters 1 für eine Brennstoffzelle. 5 entspricht weitestgehend 4, jedoch mit dem Unterschied, dass nun zur Förderung des Fluids in den Verdichter 1 zusätzlich eine Fluidpumpe 15 vorgesehen ist.
6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verdichters 1 für eine Brennstoffzelle. 6 entspricht ebenfalls weitgehend den Ausführungsbeispielen in 4 und 5, mit dem Unterschied, dass zwischen dem Fluidbehälter 13 und dem Verdichter 1 ein Ventil 16 angeordnet ist. Mit dieser Ausführungsform lässt sich eine sehr exakte Zudosierung von Fluid in den Verdichter 1 realisieren.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verdichters 1 werden folgende Vorteile erzielt:

– Es ist kein extra Befeuchter für das Oxidationsgas notwendig oder ein deutlich verkleinerter, was die Kosten, das Gewicht und das Volumen reduziert;
– Abhängig vom Aufladegrad des Verbrennungsluft wird kein zusätzlicher Ladeluftkühler notwendig, dies spart ebenfalls Kosten, Gewicht, Volumen und Druckverlust;
– Aufgrund der Kühlwirkung kann ein kostengünstigeres Verdichterschaufel- und Verdichtergehäusematerial verwendet werden, die Verrohrung der Luftführung ist thermisch unkritisch;
– Zusätzliche Kühlmaßnahmen für den Verdichter 1 entfallen;
– Es ist ein funktional einfacheres System dargestellt durch weniger zu regelnde Komponenten;
– Die Energieaufwendung des Verdichters 1 wird reduziert, durch die geringere Temperatur am Auslass des Verdichters 1 ist die Dichte der Luft höher, deswegen ist die Volumenförderrate am Ausgang effektiv kleiner.

Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Verdichtergehäuse
3: Verdichterrad
3': Drehachse
4: Welle
5: Strömungsbereich
6: Spiralkanal
7: Bohrung
8: Flüssigkeit führender Raum
9: Öffnung/Zuleitung
10: Kathode
11: Anode
12: Kondensator
13: Fluidbehälter
14: Expander
15: Fluidpumpe
16: Ventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010064061 A1 [0002]
DE 10306234 B4 [0003]

Claims

Verdichter (1) für eine Brennstoffzelle, mit einem Verdichtergehäuse (2), in dem ein Verdichterrad (3) mit einer Welle (4) drehbar gelagert ist, wobei bei drehendem Verdichterrad (3) mit Verdichterschaufeln ein Fluid von dem Verdichterrad (3) in einen Strömungsbereich (5) angesaugt wird und in einem radial das Verdichterrad (3) verdichtet und weiter gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1) über eine Einrichtung zum Einbringen einer Flüssigkeit in den Strömungsbereich (5) verfügt.
Verdichter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit durch eine Bohrung (7) in der Welle (4) und in dem Verdichterrad (3) in den Strömungsbereich (5) einbringbar ist.
Verdichter nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung/Zuleitung (7) in Strömungsrichtung des Fluids am Anfang und/oder am Ende des Verdichterrades (3) in den Strömungsbereich (5) mündet.
Verdichter nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsbereich (5) zumindest abschnittsweise von einem Flüssigkeit führenden Raum (8) radial umschlungen ist wobei die Flüssigkeit durch eine Öffnung (9) zwischen dem Raum (8) und dem Strömungsbereich (5) in den Strömungsbereich (5) einbringbar ist.
Verdichter nach einem der Patentansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (7) und/oder die Öffnung/Zuleitung (9) einen Eintrittswinkel zwischen 10° und 90° zu einer Drehachse des Verdichterrades (3) in den Strömungsbereich (5) bildet.
Verdichter nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Oberflächenabschnitt im Strömungsbereich (5) hydrophil ausgebildet sind.
Verdichter nach einem der Patentansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (7) und/oder die Öffnung/Zuleitung (9) verschließbar ist.