DE102014223519A1

DE102014223519A1 - Luftkompressor und Brennstoffzellensystem mit demselben

Info

Publication number: DE102014223519A1
Application number: DE102014223519.7A
Authority: DE
Inventors: Chang Ha Lee; Kyoung Ku HA
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2015-09-24
Also published as: US20150270566A1; KR101610100B1; CN104948503A; KR20150110200A

Abstract

Es werden ein Luftkompressor und ein Brennstoffzellensystem mit demselben bereitgestellt. Der Luftkompressor ist eingerichtet, um Luft durch Drehen eines Laufrades anzusaugen und zu komprimieren, und umfasst ein Spiralgehäuse mit einem Lufteinlass, durch den Luft angesaugt wird, und einen Luftauslass, durch den Druckluft abgeführt wird. Insbesondere ist in dem Luftauslass ein Kühlmittelströmungsweg gebildet, so dass ein Kühlmittel dort hindurch strömt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug und eine Luftkühlungsstruktur eines Luftkompressors, der bei einem Brennstoffzellensystem des Brennstoffzellenfahrzeugs eine Anwendung findet.
HINTERGRUND
Im Allgemeinen ist in einem Brennstoffzellenfahrzeug ein Brennstoffzellensystem, das elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft unter Verwendung von Brennstoffzellen erzeugt, als eine Energieversorgungsquelle zum Antreiben eines Antriebsmotors vorgesehen.
Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Stapel mit darin gestapelten Brennstoffzellen, ein Wasserstoffversorgungssystem, das Wasserstoff an den Stapel zuführt, ein Luftversorgungssystem, das Luft an den Stapel zuführt, und ein Kühlsystem, das von dem Stapel erzeugte Wärme abführt. Das Luftversorgungssystem kann typsicherweise umfassen einen Luftkompressor, der Luft komprimiert und die komprimierte Luft (Druckluft) an den Stapel zuführt, und eine Befeuchtungsvorrichtung/Befeuchter, der die komprimierte Luft unter Verwendung von Feuchtigkeit, die an dem Stapel erzeugt wird, befeuchtet.
Jedoch kann eine Temperatur der durch den Luftkompressor komprimierten Luft unter einem Hochleistungs-Betriebszustand des Stapels auf etwa 100 bis 150°C aufgrund einer hohen Verdichtung und einer beträchtlichen Luftmenge ansteigen. Die Temperatur der komprimierten Luft kann größer als eine normale Betriebstemperatur des Stapels sein, beispielsweise ungefähr 60 bis 80°C, und kann somit für die Befeuchtungseffizienz der Befeuchtungsvorrichtung und die Betriebseffizienz des Stapels nachteilig sein. Demzufolge ist es erforderlich, dass das Brennstoffzellensystem die Hochtemperatur-Druckluft, die an die Befeuchtungsvorrichtung durch den Luftkompressor zugeführt wird, kühlt.
Die obigen Informationen, die in diesem Hintergrundabschnitt offenbart werden, dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und demzufolge können sie Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Luftkompressor, der eine an einen Brennstoffzellenstapel zugeführte Hochtemperatur-Druckluft unter Verwendung einer einfachen Konfiguration kühlen kann, und ein Brennstoffzellensystem mit dem Luftkompressor bereit.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Luftkompressor, der Luft durch Drehen/Rotieren eines Laufrades/Flügelrades ansaugt und komprimiert, vorgesehen. Der Luftkompressor kann umfassen: ein Spiralgehäuse mit einem Lufteinlass, durch den Luft angesaugt werden kann, und einem Luftauslass, durch den Druckluft abgeführt werden kann. Insbesondere kann ein Kühlmittelströmungsweg in dem Luftauslass gebildet sein, so dass ein Kühlmittel dort hindurch strömen kann.
Zusätzlich kann in dem Luftkompressor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Spiralgehäuse ein Kühlmittelzirkulationsgehäuse mit einem Kühlmitteleinlass, in den das Kühlmittel strömen kann, und einen Kühlmittelauslass, durch den das Kühlmittel abgeführt werden kann, umfassen und kann an einem äußeren Umfang des Luftauslasses angebracht sein. Darüber hinaus kann in dem Luftkompressor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der Kühlmittelströmungsweg zwischen dem Kühlmittelzirkulationsgehäuse und dem äußeren Umfang des Luftauslasses in dem Spiralgehäuse gebildet sein.
Ferner kann in dem Luftkompressor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von Kühlrippen an einem inneren Umfang des Luftauslasses, die dem Kühlmittelzirkulationsgehäuse entsprechen können, gebildet sein. Die Kühlrippen können derart angeordnet sein, so dass sie in vorbestimmten Abständen in einer inneren Umfangsrichtung des Luftauslasses voneinander beabstandet sind, und können derart gebildet sein, so dass sie in einer Strömungsrichtung der Druckluft verlängert sind.
In einer weiteren Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem bereit, das umfassen kann: einen Stapel, in dem Brennstoffzellen gestapelt sind; eine Wasserstoffversorgungseinheit, die eingerichtet ist, um Wasserstoff an den Stapel zuzuführen; und eine Luftversorgungseinheit, die eingerichtet ist, um Luft an den Stapel zuzuführen, wobei die Luftversorgungseinheit den zuvor genannten Luftkompressor umfassen kann. Zusätzlich kann in dem Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Luftversorgungseinheit eine Befeuchtungsvorrichtung umfassen, die mit dem Stapel und dem Luftkompressor verbunden ist.
Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem umfassen: einen Stapel, in dem Brennstoffzellen gestapelt werden können; einen Wasserstofftank, der eingerichtet ist, um Wasserstoff an den Stapel zuzuführen; einen Luftkompressor, der eingerichtet ist, um Luft anzusaugen und zu verdichten/komprimieren, um die Druckluft an den Stapel durch eine Befeuchtungsvorrichtung zuzuführen und um einen Kühlmittelströmungsweg an einer Luftaustrittsseite zu bilden; und einen Luftkühlkreislauf, der eingerichtet ist, um zu ermöglichen, dass ein Kühlmittel zu dem Kühlmittelströmungsweg durch ein elektrisches Kühlsystem fließt/strömt.
Der Luftkompressor kann ein Spiralgehäuse mit einem Lufteinlass, durch den Luft angesaugt werden kann, und einem Luftauslass, durch den die Druckluft abgeführt werden kann, umfassen. Außerdem kann der Kühlmittelströmungsweg an dem Luftauslass angeordnet sein. Das Spiralgehäuse kann umfassen: ein Kühlmittelzirkulationsgehäuse mit einem Kühlmitteleinlass, in den das Kühlmittel fließen/strömen kann; und einen Kühlmittelauslass, durch den das Kühlmittel abgeführt werden kann. Das Spiralgehäuse kann an einem äußeren Umfang des Luftauslasses angebracht sein.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Kühlmittelströmungsweg zwischen dem Kühlmittelzirkulationsgehäuse und dem äußeren Umfang des Luftauslasses gebildet sein. Der Luftkühlkreislauf kann das elektrische Kühlsystem mit dem Kühlmittelströmungsweg durch eine Kühlmittelleitung verbinden. Darüber hinaus kann der Luftkühlkreislauf das elektrische Kühlsystem mit dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass durch die Kühlmittelleitung verbinden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher.
1 zeigt ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem, bei dem ein beispielhafter Luftkompressor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Anwendung findet.
2 zeigt einen beispielhaften Luftkompressor für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine Vorderansicht eines beispielhaften Luftkompressors für ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Luftkompressors entlang der Linie IV-IV von 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Luftkompressors entlang der Linie V-V von 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt einen beispielhaften Arbeitsvorgang eines beispielhaften Brennstoffzellensystems, bei dem ein beispielhafter Luftkompressor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Anwendung findet.
Die in den 1–6 dargelegten Bezugszeichen umfassen eine Bezugnahme auf die folgenden Elemente, wie sie weiter unten erläutert werden:
Bezugszeichenliste

10: Stapel
20: Wasserstoffversorgungseinheit
21: Wasserstofftank
30: Luftversorgungseinheit
31: Befeuchtungsvorrichtung
100: Luftkompressor
110: Laufrad/Flügelrad
130: Spiralgehäuse
131: Lufteinlass
133: Luftauslass
151: Kühlmittelströmungsweg
160: Kühlmittelzirkulationsgehäuse
161: Kühlmitteleinlass
163: Kühlmittelauslass
171: Kühlrippe
180: Luftkühlkreislauf
181: Kühlmittelleitung
190: Elektrisches Kühlsystem
191: Kühlmittelbehälter
193: Kühlmittelpumpe
200: Brennstoffzellensystem

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Offenbarung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Offenbarung gezeigt sind, ausführlicher beschrieben. Wie der Fachmann auf dem Gebiet erkennen würde, können die beschriebenen Ausführungsformen auf verschiedene Art und Weise geändert werden, und zwar ohne von der Lehre oder dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Ein für die Beschreibung irrelevanter Teil wird weggelassen, um die vorliegende Offenbarung klar zu beschreiben, und die gleichen oder ähnlichen Bestandteile werden durchgängig durch die gleichen Bezugszeichen in der Beschreibung bezeichnet. Die Größe und Dicke von jeder in den Zeichnungen dargestellten Anordnung/Konfiguration sind für das Verständnis und die Vereinfachung der Beschreibung willkürlich dargestellt, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Dicken von mehreren Abschnitten und Bereichen sind für eine klare Ausdrucksweise vergrößert dargestellt. Ferner werden in der folgenden Beschreibung die Benennungen von Bestandteilen, die in der gleichen Beziehung stehen, in ”der/die/das erste”, ”der/die/das zweite” und dergleichen unterteilt, aber die vorliegende Erfindung ist nicht notwendigerweise auf diese Reigenfolge in der folgenden Beschreibung beschränkt.
Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff ”ungefähr”, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. ”Ungefähr” kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff ”ungefähr” verändert.
Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
Außerdem bedeutet ”Einheit”, ”Mittel”, ”Teil”, ”Element” oder dergleichen, das in der Beschreibung beschrieben wird, eine Einheit einer umfassenden/umfangreichen Konfiguration/Anordnung, die zumindest eine Funktion oder Operation durchführt.
1 zeigt ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem, bei dem ein beispielhafter Luftkompressor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Anwendung findet. Unter Bezugnahme auf 1 kann ein Luftkompressor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem 200, das elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Luft erzeugt, verwendet werden.
Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einem Brennstoffzellenfahrzeug, das einen Antriebsmotor unter Verwendung von elektrischer Energie betreibt und Räder unter Verwendung der Antriebsleistung des Antriebsmotors antreibt, angewendet werden. Das Brennstoffzellensystem 200 kann umfassen: einen Stapel 10; eine Wasserstoffversorgungseinheit 20 und eine Luftversorgungseinheit 30. Der Stapel 10, die Wasserstoffversorgungseinheit 20 und die Luftversorgungseinheit 30 können durch eine Steuerung ausgeführt werden. Der Stapel 10 ist eine Strom erzeugende Anordnung von Brennstoffzellen mit Luftelektroden und Brennstoffelektroden. Der Stapel 10 kann mit Wasserstoff von der Wasserstoffversorgungseinheit 20 und Luft (z. B. Sauerstoff) von der Luftversorgungseinheit 30 versorgt werden, um elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen.
Ferner kann die Wasserstoffversorgungseinheit 20 einen Wasserstofftank 21 umfassen, der eingerichtet ist, um Wasserstoffgas zu speichern und um das Wasserstoffgas an den Stapel 10 zuzuführen. Die Luftversorgungseinheit 30 kann den Luftkompressor 100 umfassen, der eingerichtet ist, um Luft anzusaugen und zu komprimieren, und um die komprimierte Luft (Druckluft) an den Stapel 10 zuzuführen. Ferner kann die Luftversorgungseinheit 30 eine Befeuchtungsvorrichtung 31 umfassen, die eingerichtet ist, um die von dem Luftkompressor 100 zugeführte Druckluft unter Verwendung von Feuchtigkeit, die von der Luftelektrode des Stapels 10 abgeführt wird, zu befeuchten und um die befeuchtete Luft an die Luftelektrode des Stapels 10 zuzuführen. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Luftkompressor 100 eingerichtet sein, um Luft anzusaugen und zu komprimieren, und um die Druckluft an die Befeuchtungsvorrichtung 31 durch Drehen/Rotieren eines Laufrades 110 zuzuführen. Der Luftkompressor 100 kann bei einem gewöhnlichen Fahrzeug, einem Hybridfahrzeug, einem Elektrofahrzeug und dergleichen angewendet werden.
Nachfolgend wird der in einem beispielhaften Brennstoffzellensystem 200 eines beispielhaften Brennstoffzellenfahrzeugs umfasste Luftkompressor als ein Beispiel beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise darauf beschränkt ist, und die technische Lehre der vorliegenden Erfindung kann bei Luftkompressoren eine Anwendung finden, die für verschiedene Arten/Typen von Luftversorgungsanordnungen für verschiedene Verwendungen übernommen werden. Im Folgenden wird eine Konfiguration des Luftkompressors 100 für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 2 und 3 ausführlich beschrieben.
Der Luftkompressor 100 kann eine Struktur aufweisen, in der die komprimierte Luft (Druckluft) an einer Seite gekühlt werden kann, wo die Luft unter Verwendung einer einfachen Konfiguration abgeführt wird, um zu verhindern, dass die Druckluft, die bei einer erhöhten Temperatur (z. B. eine vorgegebene Temperatur) komprimiert wird, in die Befeuchtungsvorrichtung 31 strömt. Insbesondere kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der Luftkompressor 100 für ein Brennstoffzellensystem eingerichtet sein, um eine Austrittstemperatur der Druckluft zu verringern, um zu verhindern, dass sich die Befeuchtungsleistung der Befeuchtungsvorrichtung 31 und die Betriebsleistung des Stapels 10 verschlechtern.
2 zeigt einen beispielhaften Luftkompressor für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 3 zeigt eine Vorderansicht eines beispielhaften Luftkompressors für ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 2 und 3 kann der Luftkompressor 100 ein Spiralgehäuse 130 mit einer Spiralform oder alternativ einer Wirbelform oder einer Schraubenform umfassen.
Das Spiralgehäuse 130 kann einen Lufteinlass 131, durch den Luft angesaugt werden kann, und einen Luftauslass 133, durch den die Druckluft abgeführt werden kann, umfassen. Das zuvor erwähnte Laufrad 110 kann innerhalb des Spiralgehäuses 130 angebracht sein. Das Laufrad 110 kann innerhalb des Spiralgehäuses 130 durch eine Antriebswelle (nicht dargestellt) drehbar angebracht sein und zwischen einem Ansaugweg von Luft und einem Austrittsweg der Druckluft angebracht sein.
4 zeigt eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Luftkompressors entlang der Linie IV-IV von 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und 5 zeigt eine Schnittdarstellung eines beispielhaften Luftkompressors entlang der Linie V-V von 3. Unter Bezugnahme auf 2 bis 4 kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der Luftauslass 133 des Spiralgehäuses 130 einen Kühlmittelströmungsweg 151, der ermöglicht, dass ein Kühlmittel strömen kann, um eine Austrittstemperatur der Druckluft zu verringern, aufweisen.
Wenn der Kühlmittelströmungsweg 151 um den Luftauslass 133 gebildet ist, kann das Spiralgehäuse 130 ein Kühlmittelzirkulationsgehäuse 160 umfassen, das an einer äußeren Umfangsseite des Luftauslasses 133 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angebracht sein kann. Das Kühlmittelzirkulationsgehäuse 160 kann einen Innendurchmesser aufweisen, der größer als ein Außendurchmesser des Luftauslasses 133 ist, und kann an dem äußeren Umfang des Luftauslasses 133 befestigt sein. Das Kühlmittelzirkulationsgehäuse 160 kann eine Durchführung mit einem vorbestimmten Zwischenraum zwischen einer Innendurchmesser-Oberfläche des Kühlmittelzirkulationsgehäuses 160 und einer Außendurchmesser-Oberfläche des Luftauslasses 133 bilden.
Zum Beispiel kann das Kühlmittelzirkulationsgehäuse 160 eine Form mit einer Wand, die von beiden Enden eines zylindrischen Körpers davon in Richtung des äußeren Umfangs des Luftauslasses 133 gebogen sein kann, aufweisen und kann die Durchführung zwischen der Innendurchmesser-Oberfläche des Kühlmittelzirkulationsgehäuses 160 und der Außendurchmesser-Oberfläche des Luftauslasses 133 bilden. Demzufolge kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Kühlmittelströmungsweg 151 zwischen der Innendurchmesser-Oberfläche des Kühlmittelzirkulationsgehäuses 160 und der Außendurchmesser-Oberfläche des Luftauslasses 133 innerhalb des Spiralgehäuses 130 gebildet sein. Insbesondere kann der Kühlmittelströmungsweg 151 eine Durchführung sein, durch die das Kühlmittel strömt/fließt.
Darüber hinaus kann ein Kühlmitteleinlass 161, in den das Kühlmittel strömen kann und ein Kühlmittelauslass 163, durch den das Kühlmittel abgeführt werden kann, in dem Kühlmittelzirkulationsgehäuse 160 gebildet sein. Das Kühlmittel kann durch den Kühlmitteleinlass 161 einströmen und kann entlang des Kühlmittelströmungsweges 151 strömen und kann dann durch den Kühlmittelauslass 163 abgeführt werden. Demzufolge kann der Luftkompressor 100 den Kühlmittelströmungsweg 151 aufweisen, der durch das Kühlmittelzirkulationsgehäuse 160 hindurchgehen kann. Ferner kann der Kühlmittelströmungsweg 151 um den Luftauslass 133, durch den die Druckluft abgeführt wird, gebildet sein, um eine Austrittstemperatur der Druckluft durch das Kühlmittel zu verringern, das entlang des Kühlmittelströmungsweges 151 zirkuliert.
Außerdem kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, um die Kühlleistung der durch den Luftauslass 133 abgeführten Druckluft weiter zu verbessern, eine Mehrzahl von Kühlrippen 171 an einem inneren Umfang des Luftauslasses 133 gebildet sein, die dem Kühlmittelzirkulationsgehäuse 160 entsprechen. Die Kühlrippen 171 können einen Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel, das entlang des Kühlmittelströmungsweges 151 strömt, und der durch den Luftauslass 133 abgeführten Druckluft erzielen. Die Kühlrippen 171 können derart gebildet sein, um an dem inneren Umfang des Luftauslasses 133 hervorzuragen. Insbesondere können die Kühlrippen 171 derart angeordnet sein, so dass sie in vorbestimmten Abständen in einer inneren Umfangsrichtung des Luftauslasses 133 voneinander beabstandet sind, und können derart gebildet sein, so dass sie in einer Strömungsrichtung der Druckluft verlängert sind.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können eine Durchflussrate des Kühlmittels, das entlang des Kühlmittelströmungsweges 151 strömt, und die Anzahl, Größe und Länge der Kühlrippen 171 in Abhängigkeit von einer Temperatur und einem Druck der Druckluft variieren und sind nicht auf bestimmte Werte beschränkt. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem 200, bei dem der Luftkompressor 100 verwendet wird, einen Luftkühlkreislauf 180 umfassen, der ermöglicht, dass das Kühlmittel in dem Kühlmittelströmungsweg 151 des Luftauslasses 133 strömen kann, um die durch den Luftauslass 133 abgeführte Druckluft des Luftkompressors 100 zu kühlen.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Luftkühlkreislauf 180 durch ein elektrisches Kühlsystem 190 zum Kühlen von exothermen Komponenten, wie beispielsweise elektrische Komponenten des Brennstoffzellenfahrzeugs, beispielweise eines Motors und eines Inverters/Wechselrichters gebildet sein. Das elektrische Kühlsystem 190 kann einen Kühlmittelbehälter 191, der eingerichtet ist, um das Kühlmittel zu speichern/zu bevorraten, und eine Kühlmittelpumpe 193, die eingerichtet ist, um das in dem Kühlmittelbehälter 191 bevorratete Kühlmittel an die elektrischen Komponenten des Brennstoffzellenfahrzeugs zuzuführen, umfassen. Das elektrische Kühlsystem 190 kann als ein elektrisches Kühlsystem in dem Brennstoffzellenfahrzeug gebildet sein, wie es im Stand der Technik beschrieben wird.
Der Luftkühlkreislauf 180 kann den Kühlmittelbehälter 191 des elektrischen Kühlsystems 190 mit dem zuvor erwähnten Kühlmittelströmungsweg 151 durch eine Kühlmittelleitung 181 verbinden. Mit anderen Worten kann der Luftkühlkreislauf 180 den Kühlmittelbehälter 191 mit dem Kühlmitteleinlass 161 und dem Kühlmittelauslass 163 des Kühlmittelzirkulationsgehäuses 160 durch die Kühlmittelleitung 181 verbinden.
Nachstehend wird ein beispielhafter Betriebsprozess/Betriebsvorgang des Brennstoffzellensystems 200, bei dem der Luftkompressor 100 in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Anwendung findet, unter Bezugnahme auf die zuvor offenbarten Zeichnungen und die folgende Zeichnung ausführlich beschrieben. 6 zeigt einen beispielhaften Arbeitsvorgang eines beispielhaften Brennstoffzellensystems, bei dem ein beispielhafter Luftkompressor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Anwendung findet.
Wie in den oben beschriebenen Zeichnungen und 6 gezeigt, kann zunächst in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wenn das Brennstoffzellensystem 200 betrieben wird, in dem Wasserstofftank 21 der Wasserstoffversorgungseinheit 20 bevorrateter Wasserstoff an den Stapel 10 zugeführt werden und die Druckluft kann an den Stapel 10 durch den Luftkompressor 100 der Luftversorgungseinheit 30 zugeführt werden. Der Luftkompressor 100 kann eingerichtet sein, um Luft durch den Lufteinlass 131 des Spiralgehäuses 130 durch Drehen/Rotieren des Laufrades 110 anzusaugen, um die Ansaugluft zu komprimieren und um die Druckluft durch den Luftauslass 133 abzuführen. Insbesondere kann die durch den Luftkompressor 100 komprimierte Luft an die Befeuchtungsvorrichtung 31 der Luftversorgungseinheit 30 durch die Luftversorgungsleistung zugeführt werden und die Befeuchtungsvorrichtung 31 kann eingerichtet sein, um die Druckluft unter Verwendung von Feuchtigkeit, die an der Luftelektrode des Stapels 10 erzeugt wird, zu befeuchten und um die befeuchtete Luft an die Luftelektrode des Stapels 10 zuzuführen.
Unterdessen kann eine Temperatur der durch den Luftkompressor 100 komprimierten Luft unter einem Hochleistungs-Betriebszustand des Stapels 10 auf ungefähr 100 bis 150°C aufgrund einer erhöhten Verdichtung und einer beträchtlichen Menge an Luft ansteigen. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Temperatur der durch den Luftauslass 133 des Spiralgehäuses 130 abgeführten Druckluft verringert werden.
Demzufolge kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Kühlmittel des elektrischen Kühlsystems 190 zu dem vorher erwähnten Kühlmittelströmungsweg 151 des Luftauslasses 133 durch den Luftkühlkreislauf 180 zirkulieren. Mit anderen Worten kann das von dem Kühlmittelbehälter 191 des elektrischen Kühlsystems 190 zugeführte Kühlmittel entlang des Kühlmittelströmungsweges 151 des Luftauslasses 133 durch die Kühlmittelleitung 181 des Luftkühlkreislaufes 180 strömen und zirkulieren.
Insbesondere kann das Kühlmittel in den Kühlmittelströmungsweg 151 durch den Kühlmitteleinlass 161 des Kühlmittelzirkulationsgehäuses 160 strömen, kann entlang des Kühlmittelströmungsweges 151 strömen und kann durch den Kühlmittelauslass 163 abgeführt werden. Demzufolge kann das Kühlmittel durch den Kühlmittelströmungsweg 151 an dem Luftauslass 133, durch den die Hochtemperatur-Druckluft abgeführt werden kann, zirkulieren, um die Austrittstemperatur des Druckluft durch einen Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der Druckluft zu verringern.
Ferner kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Mehrzahl von Kühlrippen 171 an dem inneren Umfang des Luftauslasses 133 gebildet sein, um eine Kontaktfläche der Druckluft zu dem Luftauslass 133 zu erhöhen. Demzufolge kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Kontaktfläche der Druckluft zu dem Luftauslass 133 durch die Kühlrippen 171 zunehmen, wodurch die Wärmeaustauschleistung zwischen dem entlang des Kühlmittelströmungsweges 151 strömenden Kühlmittel und der durch den Luftauslass 133 abgeführten Druckluft weiter verbbessert wird.
Die Druckluft, die durch den Luftauslass 133 des Luftkompressors 100 abgeführt wird und die verringerte Temperatur durch den Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel wie oben beschrieben aufweist, kann an die Befeuchtungsvorrichtung 31 durch die Luftversorgungsleitung zugeführt werden. Aufgrund des Luftkompressors 100 und des Brennstoffzellensystems 200 mit dem Luftkompressor 100, wie oben beschrieben, kann das Kühlmittel durch den Kühlmittelströmungsweg 151 an dem Luftauslass 133 des Luftkompressors 100 zirkulieren, wodurch die Temperatur der durch den Luftauslass 133 abgeführten Druckluft verringert wird.
Daher kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verhindert werden, dass die Hochtemperatur-Druckluft an die Befeuchtungsvorrichtung 31 zugeführt wird, um die Befeuchtungsleistung und die Haltbarkeit der Befeuchtungsvorrichtung 31 zu erhöhen, indem Schäden an einem Material der Befeuchtungsvorrichtung 31 verhindert werden und die relative Feuchtigkeit der Druckluft erhöht wird. Darüber hinaus kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Temperatur der Druckluft für einen normalen Betrieb des Stapels 10 (z. B. ein Betrieb ohne Fehler) optimiert werden, wodurch die Betriebsleistung des Stapels 10 verbessert wird.
Ferner kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung der Kühlmittelströmungsweg 151 zum Kühlen der Druckluft um den Luftauslass 133 des Luftkompressors 100 gebildet sein und infolgedessen kann ein separater Wärmetauscher oder ein Luftkühler zum Kühlen der Druckluft weggelassen werden. Demzufolge kann die vorliegende Erfindung eine vereinfachte Konfiguration des gesamten Brennstoffzellensystems 200 bereitstellen und Kosten können reduziert werden, und kann ferner einen Vorteil im Hinblick auf ein Layout-Design eines Fahrzeugs durch Sicherstellen eines zusätzlichen Raums liefern.
Während diese Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als verschiedene Ausführungsbeispiele erachtet werden, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern im Gegensatz dazu vorgesehen ist, um verschiedene Abänderungen/Modifikationen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb der Lehre und des Umfangs der beigefügten Ansprüche umfasst sind.

Claims

Luftkompressor, der eingerichtet ist, um Luft durch Drehen eines Laufrades anzusaugen und zu komprimieren, aufweisend: ein Spiralgehäuse mit einem Lufteinlass, durch den Luft ansaugbar ist und einem Luftauslass, durch den Druckluft abgeführt wird, wobei ein Kühlmittelströmungsweg in dem Luftauslass gebildet ist, so dass ein Kühlmittel dort hindurch strömt.
Luftkompressor nach Anspruch 1, wobei das Spiralgehäuse umfasst: ein Kühlmittelzirkulationsgehäuse mit einem Kühlmitteleinlass, in den das Kühlmittel strömt; und ein Kühlmittelauslass, durch den das Kühlmittel abgeführt wird und der an einem äußeren Umfang des Luftauslasses angebracht ist.
Luftkompressor nach Anspruch 2, wobei der Kühlmittelströmungsweg zwischen dem Kühlmittelzirkulationsgehäuse und dem äußeren Umfang des Luftauslasses in dem Spiralgehäuse gebildet ist.
Luftkompressor nach Anspruch 3, wobei eine Mehrzahl von Kühlrippen an einem inneren Umfang des Luftauslasses gebildet ist, um dem Kühlmittelzirkulationsgehäuse zu entsprechen.
Luftkompressor nach Anspruch 4, wobei die Kühlrippen derart angeordnet sind, so dass sie in vorbestimmten Intervallen in einer inneren Umfangsrichtung des Luftauslasses voneinander beabstandet sind, und derart gebildet sind, so dass sie in einer Strömungsrichtung der Druckluft verlängert sind.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Stapel mit darin gestapelten Brennstoffzellen; eine Wasserstoffversorgungseinheit, die eingerichtet ist, um Wasserstoff an den Stapel zuzuführen; und eine Luftversorgungseinheit, die eingerichtet ist, um Luft an den Stapel zuzuführen, wobei die Luftversorgungseinheit den Luftkompressor nach Anspruch 1 umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Luftversorgungseinheit eine Befeuchtungsvorrichtung umfasst, die mit dem Stapel und dem Luftkompressor verbunden ist.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Stapel, in dem Brennstoffzellen gestapelt sind; einen Wasserstofftank, der eingerichtet ist, um Wasserstoff an den Stapel zuzuführen; einen Luftkompressor, der eingerichtet ist, um Luft anzusaugen und zu komprimieren, um die Druckluft an den Stapel durch eine Befeuchtungsvorrichtung zuzuführen und um einen Kühlmittelströmungsweg an einer Luftaustrittsseite zu bilden; und einen Luftkühlkreislauf, der ermöglicht, dass ein Kühlmittel zu dem Kühlmittelströmungsweg durch ein elektrisches Kühlsystem zirkuliert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei der Luftkompressor ein Spiralgehäuse mit einem Lufteinlass, durch den Luft angesaugt wird, und einem Luftauslass, durch den die Druckluft abgeführt wird, umfasst, und der Kühlmittelströmungsweg an dem Luftauslass angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei das Spiralgehäuse ein Kühlmittelzirkulationsgehäuse umfasst, das einen Kühlmitteleinlass, in den das Kühlmittel strömt, und einen Kühlmittelauslass, durch den das Kühlmittel abgeführt wird, umfasst, und das Spiralgehäuse an einem äußeren Umfang des Luftauslasses angebracht ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei der Kühlmittelströmungsweg zwischen dem Kühlmittelzirkulationsgehäuse und dem äußeren Umfang des Luftauslasses gebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei der Luftkühlkreislauf das elektrische Kühlsystem mit dem Kühlmittelströmungsweg durch eine Kühlmittelleitung verbindet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei der Luftkühlkreislauf das elektrische Kühlsystem mit dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass durch eine Kühlmittelleitung verbindet.