DE102015210574A1

DE102015210574A1 - Oxidationsmittelförderer zur Förderung eines Oxidationsmittels zu mindestens einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102015210574A1
Application number: DE102015210574.1A
Authority: DE
Inventors: Max Eschenbach; Norbert Frisch; Simon Grilc
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Eschenbach Technologie Ug (haftungsbeschraenkt De
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2016-12-15

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Oxidationsmittelförderer 120 zur Förderung eines Oxidationsmittels O zu mindestens einer Brennstoffzelle 110. Der Oxidationsmittelförderer 120 umfasst eine Fördereinheit 128, einen elektrischen Antrieb 122 und mindestens einen Luftkanal A1. Die Fördereinheit 128 ist ausgebildet, das Oxidationsmittel O zu fördern. Der elektrische Antrieb 122 umfasst einen Rotor 123 und einen Stator 124, wobei der Rotor 123 mit der Fördereinheit 124 mechanisch gekoppelt ist. Der mindestens eine Luftkanal A1 zur Kühlung des Rotors 123 führt Luft zumindest bereichsweise an und/oder durch den Rotor 123.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Oxidationsmittelförderer zur Förderung eines Oxidationsmittels zu mindestens einer Brennstoffzelle sowie ein Brennstoffzellensystem.
Aus dem Stand der Technik bekannt sind Turbokompressoren, die Oxidationsmittel zu einer Brennstoffzelle fördern. Die Kompressoren müssen große Luftströme auf vergleichsweise hohe Druckverhältnisse verdichten. Die dazu notwendige Energie stellen Elektromotoren bereit, deren Verlustenergie in Form von Wärme abgeführt werden muss. Da die Kompressoren leicht sein sollten und der Bauraum begrenzt ist, werden flüssigkeitsgekühlte Kompressoren eingesetzt. Ferner ist bekannt, Turbokompressoren mit Luftlagern auszustatten.
Aus der DE 10 2012 221 303 A1 ist eine Antriebseinrichtung mit einem Abgasturbolader bekannt, der einen Verdichter zum Verdichten von der Brennstoffzelle zugeführter Luft und eine mit dem Verdichter wirkverbundene Turbine aufweist, der Brennstoffzellenabgas zuführbar ist. Wenigstens ein Luftlager ist durch einen Kühlmittelstrom konvektiv kühlbar. Der dem Lager zugeführte Kühlmittelstrom ist zwischen der Brennstoffzelle und der Turbine des Abgasturboladers dem Abgas entnommen.
Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Oxidationsmittelförderer zur Förderung eines Oxidationsmittels zu mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Der Oxidationsmittelförderer ist ausgebildet und angeordnet, über mindestens eine Zuleitung Oxidationsmittel zur mindestens einen Brennstoffzelle zu fördern. Ein hier offenbartes Brennstoffzellensystem umfasst die mindestens eine Brennstoffzelle und den hier offenbarten Oxidationsmittelförderer.
Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion^®, Flemion^® und Aciplex^®.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
Der Oxidationsmittelförderer (auch Fluidfördereinrichtung genannt) kann beispielsweise als Kompressor bzw. Verdichter ausgebildet sein, besonders bevorzugt als luftgelagerter Turbokompressor, Turboverdichter, bzw. Kreiselverdichter. Bevorzugt weist der Oxidationsmittelförderer einen Arbeits-Drehzahlbereich von ca. 15.000 U/min bis ca. 170.000 U/min, und besonders bevorzugt von ca. 25.000 U/min bis ca. 130.000 U/min auf.
Der Oxidationsmittelförderer weist ferner eine Fördereinheit auf, die ausgebildet ist, das Oxidationsmittel zu fördern. Die Fördereinheit umfasst ein Laufrad, welches das Oxidationsmittel fördert und verdichtet.
Der Oxidationsmittelförderer weist ferner einen elektrischen Antrieb mit einem Rotor und einem Stator auf. Besonders bevorzugt kommen permanenterregte Antriebsmaschinen zum Einsatz. Der Rotor kann mit der Fördereinheit, insbesondere mit dem Laufrad, mechanisch gekoppelt sein. Bevorzugt sind die elektrische Antriebsmaschine und die Fördereinheit über eine Welle miteinander verbunden.
Der Oxidationsmittelförderer umfasst mindestens einen Luftkanal zur unmittelbaren Kühlung des Rotors. Der Luftkanal führt die (Kühl)Luft zumindest bereichsweise direkt an und/oder durch den Rotor. Dabei kann der Luftkanal selbst jede Gestalt aufweisen, die es ermöglicht, direkt in bzw. an den Rotor Luft zu führen, damit im Rotor bzw. an der Rotoroberfläche (z. B. an der Umfangsfläche des Rotors) Konvektionskühlung stattfinden kann, insbesondere mit von außen, d. h. von außerhalb des Oxidationsmittelförderers, zuführbarer Luft. Bevorzugt bildet der Rotor einen Teil der Luftkanals bzw. der Luftkanalwandfläche aus.
Der Luftkanal kann besonders bevorzugt zwischen dem Rotor und dem Stator verlaufen. Es könnte dazu beispielsweise der Rotor, aber zusätzlich auch der Stator, einen Teil des Luftkanals bzw. der Luftkanalwandung ausbilden. Bevorzugt strömt also die Luft direkt am Rotor entlang oder durch ihn hindurch und bewirkt eine Konvektionskühlung.
Ferner kann der Luftkanal im bzw. innerhalb vom Rotor verlaufen. Hierzu können beispielsweise im Rotor selbst Kanäle vorgesehen sein, die sich von einem seitlichen Ende zum anderen seitlichen Ende des Rotors hin erstrecken. Besonders bevorzugt sind Luftkanal und Rotor derart ausgebildet, dass die Rotortemperatur nicht über 200°C ansteigt. Wäre der Rotor höhere Temperaturen ausgesetzt, würden die Permanentmagnete beschädigt.
Der Oxidationsmittelförderer kann mindestens ein aerodynamisches Lager bzw. Luftlager aufweisen. Der Luftkanal verläuft bevorzugt durch das mindestens eine aerodynamische Lager. Das mindestens eine aerodynamische Lager lagert die Welle, die den Rotor mit der Fördereinheit mechanisch koppelt. Ein solches Luftlager eignet sich besonders für den hier offenbarten Oxidationsmittelförderer. Die Lager sind auch im Vergleich zu flüssigkeitsbetriebene Lager vergleichsweise klein, weisen einen geringen mechanischen Widerstand auf und lassen sich gut kühlen. Ferner sind sie ölfrei. Ölfreiheit ist insbesondere für Brennstoffzellensysteme wichtig, da ansonsten die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle durch etwaigen Öleintrag degradieren könnte.
Der Oxidationsmittelförderer umfasst bevorzugt zwei aerodynamische Radiallager. Ferner bevorzugt kann der Oxidationsmittelförderer ferner zwei aerodynamische Axiallager aufweisen, durch die ebenfalls der Luftkanal verläuft.
Der Luftkanal kann bevorzugt als Abluftkanal ausgebildet sein. Die durch den Abluftkanal geführte Luft ist besonders bevorzugt die Abluft der Brennstoffzelle bzw. ein Teil davon. Die Abluft der Brennstoffzelle ist dabei die Luft, die nach der elektrochemischen Reaktion die Brennstoffzelle verlässt. Die Abluft enthält neben in der Brennstoffzelle nicht umgewandelten Bestandteilen ebenfalls die Reaktionsprodukte der elektrochemischen Reaktion.
Der Stator kann vorteilhaft flüssigkeitsgekühlt ausgebildet sein. Eine solche Flüssigkeitskühlung ist einfach zu realisieren und besonders effizient.
Ferner kann der Oxidationsmittelförderer einen Expander zur Expansion der Abluft der Brennstoffzelle aufweisen. Der Expander, der elektrische Antrieb und die Fördereinheit sind bevorzugt über eine Welle mechanisch gekoppelt.
Der Oxidationsmittelförderer kann an einer Abluftleitung angeschlossen sein, die stromabwärts von einem Kondenser ausgebildet ist. Die Abluftleitung dient zum Abführen der Abluft in die Umgebung.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100; und
2 eine schematische Darstellung eines Oxidationsmittelförderers.
Die 1 zeigt das hier offenbarte Brennstoffzellensystem 100. Das Oxidationsmittel O strömt in den Oxidationsmittelförderer 120 hinein. In dem Oxidationsmittelförderer 120 wird das Oxidationsmittel O auf einen Druck von ca. 1 bis 3 barü verdichtet. Über eine Zuleitung 140 gelangt das verdichtete Oxidationsmittel O zu einem Brennstoffzellen-Stack, der mehrere Brennstoffzellen 110 aufweisen kann. Zwischen dem Stack und dem Oxidationsmittelförderer 120 kann in der Zuleitung 140 ferner ein Wärmetauscher 130 angeordnet sein, der oft auch als Ladeluftkühler bezeichnet wird. Der Ladeluftkühler kann beispielsweise dann eingesetzt werden, wenn die Temperatur der Zuluft reduziert werden muss. Das Brennstoffzellensystem 100 kann stromab der Brennstoffzelle(n) 110 in einer bevorzugten Ausgestaltung einen Kondenser (Wasserabscheider) 170 aufweisen, der das in der Abluft A vorhandene Wasser abtrennt. Ebenso wie der Wärmetauscher 130 ist auch der Kondenser 170 nicht zwingend notwendig.
Die Abluft A kann ferner zumindest teilweise durch eine Abluftleitung 150 wieder in den Oxidationsmittelförderer 120 strömen. Besonders bevorzugt strömt ein Teil der Abluft durch den Abluftkanal A1 wohingegen ein anderer Teil der Abluft durch einen Expander 127 strömen kann (vgl. 2). Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Oxidationsmittelförderer 120 einen Luftkanal A1 aufweist, durch den andere Luft strömt, beispielsweise nach dem Wärmetauscher 130 abgezweigte Luft. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführung, bei der hinter einem Kondenser 170 dem Oxidationsmittelförderer 120 die Abluft A zugeführt wird, damit diese sich in einem Strömungspfad innerhalb des Oxidationsmittelförderers 120 entspannt, wobei der Strömungspfad verschieden ist vom Strömungspfad des Oxidationsmittels O. Somit wird die in der Abluft A vorhandene Energie effizient genutzt. Je nach Auslegung kann diese Abluft-Energie bis zu 75% der elektrische Energie betragen, die zur Kompression des Oxidationsmittels aufgebracht wurde. Das vorhandene Druckniveau der Abluft reicht aus, um die Luftlager 125, 126 (vgl. 2) zu betreiben. Die Abluft A der Brennstoffzelle weist überdies ein Temperaturniveau auf, das eine effiziente Kühlung der Lager 125, 126 und/oder des Rotors 124 ermöglicht. Wird vor der Brennstoffzelle 110 die Luft zur Kühlung/Lagerung der Komponenten des Oxidationsmittelförderers 120 entnommen, so muss mehr Luft für die Brennstoffzelle 110 komprimiert werden, was den Energiebedarf erhöht. Wird indes die Abluft A genutzt, steigt der Gesamtwirkungsgrad des Systems 100.
2 zeigt schematisch den Aufbau des Oxidationsmittelförderers 120. Der Stator 123 bildet zusammen mit dem Rotor 124 die elektrische Antriebsmaschine 122 des Oxidationsmittelförderers 120 aus. Über eine Welle 121 ist der Rotor 124 mit einer Fördereinheit 128 zur Oxidationsmittelförderung 128 verbunden. Die Welle 121 kann beispielsweise ein Laufrad (nicht gezeigt) der Fördereinheit 128 antreiben. Seitlich der Antriebsmaschine 122 sind hier jeweils zwei Luftager 125, 126 angeordnet, jeweils ein Radiallager 125 und ein Axiallager 126. Fakultativ kann der Oxidationsmittelförderer 120 ferner einen Expander 127 (strichpunktiert gezeigt) aufweisen, der ebenfalls mit der Welle 121 mechanisch gekoppelt ist. Über diese nicht näher beschriebene mechanische Kopplung kann die durch die Expansion im Expander 127 zurückgewonnene Energie der Abluft A auf die Fördereinheit 128 übertragen werden. Zumindest ein Teil der Abluft A kann den Expander 127 durchströmen.
Ferner gestrichelt gezeigt ist der Luft bzw. Abluftkanal A1. Dieser Kanal A1 kann durch mehrere Komponenten ausgebildet werden, die hier nicht näher beschrieben werden. Bevorzugt ist dieser Abluftkanal A1 mit der Abluftleitung 150 verbunden (hier nicht gezeigt), so dass Abluft A der Brennstoffzelle 110 durch diesen Abluftkanal A1 strömt. Die Abluft A im Abluftkanal A1 strömt hier zunächst durch die Luftlager 125, 126, die auf einer Seite der elektrischen Antriebsmaschine 122 angeordnet sind. Anschließend strömt die Abluft A durch einen Abschnitt des Abluftkanals A1, der durch die Statorinnenwand und der Rotoraußenwand zumindest bereichsweise ausgebildet wird. Dadurch ist eine besonders effiziente Rotorkühlung möglich, die einfach und kostengünstig realisiert werden kann, wenig Bauraum beansprucht und die Energie der Abluft A effizient nutzt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Antriebsmaschine 122 sind ebenfalls Luftlager 125, 126 angeordnet, die ebenfalls einen Abschnitt des Abluftkanals A1 ausbilden. Die Abluft A verlässt danach den Oxidationsmittelförderer 120. Sie kann beispielsweise zusammen mit der expandierten Abluft des Expanders 127 ausgetragen werden. Insbesondere wird die Abluft A derart durch die Luftlager 125, 126 geführt, dass durch diese Abluft A die Lager die zu lagernden Komponenten tragen. Die Luft könnte den Abluftkanal A auch in entgegengesetzter Richtung durchströmen. Anstatt der seriellen Durchströmung der Lager und des Rotors könnten die Lager und der Rotor auch parallel, d. h. durch separate Abluftkanäle A, durchströmt werden.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012221303 A1 [0003]

Claims

Oxidationsmittelförderer (120) zur Förderung eines Oxidationsmittels (O) zu mindestens einer Brennstoffzelle (110), umfassend: – eine Fördereinheit (128), die ausgebildet ist, das Oxidationsmittel (O) zu fördern; – einen elektrischen Antrieb (122) mit einem Rotor (123) und einem Stator (124), wobei der Rotor (123) mit der Fördereinheit (124) mechanisch gekoppelt ist; – mindestens einen Luftkanal (A1) zur Kühlung des Rotors (123); wobei der Luftkanal (A1) Luft zumindest bereichsweise an und/oder durch den Rotor (123) führt.
Oxidationsmittelförderer (120) nach Anspruch 1, wobei der Luftkanal (A1) zwischen dem Rotor (124) und dem Stator (123) und/oder innerhalb des Rotors (124) verläuft.
Oxidationsmittelförderer /120) nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit mindestens einem aerodynamischen Lager (125, 126), wobei der Luftkanal (A1) durch das mindestens eine aerodynamischen Lager (125, 126) verläuft.
Oxidationsmittelförderer /120) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Luftkanal (A1) als Abluftkanal (A1) ausgebildet ist, und wobei die durch den Abluftkanal (A1) geführte Luft Abluft der Brennstoffzelle (110) ist.
Oxidationsmittelförderer /120) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Stator (123) flüssigkeitsgekühlt ausgebildet ist.
Oxidationsmittelförderer /120) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend einen Expander (127) zur Expansion der Abluft der Brennstoffzelle (110), wobei der Expander (127), der elektrische Antrieb (122) und die Fördereinheit (128) über eine Welle (121) mechanisch gekoppelt sind.
Brennstoffzellensystem (100), umfassend: – mindestens eine Brennstoffzelle (110) und – einen Oxidationsmittelförderer (120) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Oxidationsmittelförderer (120) ausgebildet und angeordnet ist, über mindestens eine Zuleitung (140) Oxidationsmittel (O) zur mindestens einen Brennstoffzelle (110) zu fördern.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7, wobei der Oxidationsmittelförderer (120) an einer Abluftleitung (150) angeschlossen ist, und wobei die Abluftleitung (150) stromabwärts von einem Kondenser (170) ausgebildet ist.