DE102016015266A1

DE102016015266A1 - Luftversorgungsvorrichtung und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102016015266A1
Application number: DE102016015266.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Knoop; Benjamin Pieck; Holger Gödeke; Rudolf Löffler
Original assignee: G and L Innotec GmbH; G L Innotec GmbH; Daimler AG
Current assignee: G and L Innotec De GmbH; Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungsvorrichtung (20) für eine Brennstoffzelle (3) mit einem Verdichter und einer weiteren Strömungsenergieumwandlungsvorrichtung auf einer gemeinsamen Welle (21) mit einem elektrischen Antrieb (11) für die gemeinsame Welle (21). Die erfindungsgemäße Luftversorgungsvorrichtung (20) ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (11) zwei an den gegenüberliegenden Enden der Welle (21) angeordnete elektrische Maschinen (32, 33) umfasst. Außerdem ist ein Brennstoffzellensystem (2) mit einer derartigen Luftversorgungsvorrichtung (20) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Luftversorgungsvorrichtung. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem die Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellensysteme, insbesondere Brennstoffzellensysteme, welche zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug dienen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Derartige Brennstoffzellensysteme werden typischerweise mit PEM-Brennstoffzellen in Form eines sogenannten Brennstoffzellenstapels oder -stacks betrieben. Einem solchen Brennstoffzellenstack aus Einzelzellen in PEM-Technologie wird dabei einerseits Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt und andererseits Luft als Lieferant für den kathodenseitig benötigten Sauerstoff. Der Aufbau von kompakten und effizienten Brennstoffzellensystemen sieht dabei häufig die Verwendung eines Strömungsverdichters zur Zufuhr von Luft vor. Um thermische Energie und Druckenergie aus dem Abgas zurückzugewinnen, wird dieses häufig über einen Expander, insbesondere eine Turbine, geleitet. Das Abgas umfasst dabei typischerweise zumindest die Abluft, welche einen vergleichsweise großen Volumenanteil ausmacht. Außerdem können Gase der Anodenseite, welche diese kontinuierlich verlassen, oder aus dieser von Zeit zu Zeit abgelassen werden, Teil dieses Abgases sein.
Häufig werden die Turbine und der Verdichter dann in der Art eines Turboladers, wie er aus dem Bereich der herkömmlichen Fahrzeuge bekannt ist, kombiniert. Um die erforderliche Verdichtungsleistung für die Brennstoffzelle aufzubringen, welche in den allermeisten Betriebssituationen nicht durch die Turbine alleine bereitgestellt werden kann, ist typischerweise eine elektrische Maschine vorhanden, welche zusätzlich zu der Turbine und dem Verdichter zumeist auf derselben gemeinsamen Welle, und hier häufig mittig zwischen der Turbine und dem Verdichter, angeordnet ist. Dieser Aufbau ist soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird auch als elektrischer Turbolader bzw. gemäß des englischen Begriffs Electric Turbo Charger als ETC bezeichnet. Weitere Bezeichnungen sind beispielsweise auch motorunterstützter bzw. elektromotorisch unterstützter Turbolader. Der Aufbau ist dabei vergleichsweise komplex und erfordert spezielle Entwicklungen für Brennstoffzellenfahrzeuge, um den Anforderungen zu genügen und die elektrische Maschine entsprechend unterzubringen, da eine solche bei herkömmlichen Fahrzeugen heutzutage zumeist noch nicht zur Anwendung kommt. Ferner sind die Temperaturverhältnisse bei einer Brennstoffzelle anders.
Aus dem Stand der Technik bei herkömmlichen Turboladern für Kraftfahrzeuge ist nun ein Aufbau mit einer elektromotorischen Unterstützung bekannt, bei welchem die elektrische Maschine gut abgeschirmt von der Hitze der Turbine auf der der Turbine abgewandten Seite des Verdichters mit der Welle gekoppelt wird. Insbesondere kann dieser Aufbau, so wie es beispielsweise in der EP 1 995 429 A1 oder in der recht ähnlichen US 2013/0239568 A1 beschrieben ist, als sogenannter Medienspaltmotor ausgebildet sein, bei welchem die angesaugte Luft zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine durchströmt und diese kühlt. Außerdem kann der Aufbau so entsprechend kompakt realisiert werden.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, den Aufbau eines elektrischen Turboladers als Luftversorgungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle weiter zu verbessern und diesen insbesondere kompakt und kostengünstig zu realisieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Luftversorgungsvorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Luftversorgungsvorrichtung die Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich auch hier aus den abhängigen Unteransprüchen. Letztlich ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung für das Brennstoffzellensystem angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Luftversorgungsvorrichtung ist ein Verdichter und eine weitere Strömungsenergieumwandlungsvorrichtung auf einer gemeinsamen Welle zusammen mit einem elektrischen Antrieb für die gemeinsame Welle angeordnet. Hierbei kann die weitere Strömungsenergieumwandlungsvorrichtung als Turbine zur Realisierung eines elektrischer Turbolader ausgeformt sein, wie als Ausführungsbeispiel näher beschrieben, oder auch als ein zweiter Verdichter ausgeführt sein, zur Realisierung einer zweistufigen elektrischen Aufladung.
In der Ausführung als elektrischer Turbolader kann die Luftversorgungsvorrichtung mit einem Verdichter und einer Turbine als Strömungsenergieumwandlungsvorrichtung Energie aus dem Abgasstrom über die Turbine zum Antrieb der gemeinsamen Welle nutzen, wobei der Antrieb noch elektrisch unterstützt oder auch zum Anlauf alleine elektrisch erfolgen kann. Die angetrieben Welle liefert über den Verdichter dann einen Medienstrom, so dass die Luftversorgungsvorrichtung zumindest eine einstufige Aufladung darstellt.
Alternativ kann in der Ausführung der Luftversorgungsvorrichtung mit Verdichter und einem zweiten Verdichter als Strömungsenergieumwandlungsvorrichtung auf einer gemeinsamen Welle als elektrisch angetriebene zweistufige Aufladungsvorrichtung eine Luftversorgungsvorrichtung mit zweistufiger Aufladung realisieren. Hierzu ist der Ausgang eines Verdichters mit dem Eingang des anderen Verdichters strömungstechnisch verbunden, so dass die vorverdichtete Luft eines Verdichters nach dem anderen Verdichter weiter verdichtet ist. Die Luftversorgungsvorrichtung ist hierbei elektrisch angetrieben.
Die folgende Beschreibung und Merkmale der erfindungsgemäßen Idee für einen elektrischer Turbolader mit einem Verdichter und einer Turbine gilt daher auch analog für eine zweistufige Luftversorgungsvorrichtung mit einem Verdichter und einem weiteren Verdichter. So können beispielsweise beide Verdichter über ein gemeinsames Lagersystem verfügen und auf einer gemeinsamen Läuferwelle montiert sein, welche dabei von den Ausführungen der erfindungsgemäßen Idee profitieren und einen Medienspaltmotor verwenden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass der elektrische Antrieb für die gemeinsame Welle, auf welcher die Turbine und der Verdichter angeordnet sind, durch zwei elektrische Maschinen ausgebildet wird. Diese beiden elektrischen Maschinen sind dabei an den gegenüberliegenden Enden der Welle angeordnet. Eine solche Anordnung von zwei elektrischen Maschinen an den jeweils gegenüberliegenden Enden der Welle des Turboladers ermöglicht einen sehr einfachen und kompakten Aufbau. Der Turbolader selbst kann insbesondere so designt werden, wie es aus dem Bereich der herkömmlichen Abgas-Turbolader bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor bekannt ist. Diese werden in entsprechend hoher Stückzahl hergestellt und sind am Markt kostengünstig verfügbar. Diese Aufbauten lassen sich nun durch eine Veränderung der Welle in der Art, dass an den beiden Wellenenden elektrische Maschinen anschließbar sind, einfach und effizient modifizieren, um als Luftversorgungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle genutzt zu werden. Darüber hinaus kann gegebenenfalls die Modifikation der Geometrie des Turbinen- und/oder Verdichterrades notwendig sein, dies kann jedoch typischerweise einfach und zumeist innerhalb der gleichen Gehäusekontur, beispielsweise durch eine Anpassung der Schaufelzahl und der Schaufelgeometrie, erfolgen. Die erfindungsgemäße Luftversorgungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle lässt sich dementsprechend günstig realisieren. Sie kann darüber hinaus vergleichsweise kompakt aufgebaut werden, da durch den Einsatz von zwei Elektromotoren an den jeweiligen Enden der Welle diese ihrerseits kleiner, leichter und kostengünstiger realisiert werden können. Darüber hinaus ermöglicht dieser Aufbau kleinere Trägheitsmomente des Rotors der beiden Elektromotoren gemeinsam im Vergleich zu dem Rotor eines einzigen dieselbe Leistung aufweisenden Elektromotors. Damit lässt sich die Luftversorgungsvorrichtung schneller beschleunigen und abbremsen und kann so weitaus dynamischer betrieben werden.
Gemäß einer weiteren außerordentlich günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäße Luftversorgungsvorrichtung kann es nun ferner vorgesehen sein, dass zumindest eine der elektrischen Maschinen als Medienspaltmotor ausgebildet ist, bei welchem das angesaugte oder expandierte Medium zwischen Rotor und Stator zu- oder abströmt.
Diese Ausgestaltung als Medienspaltmotor ermöglicht die Verwendung einer elektrischen Maschine, welche selbstverständlich sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden kann, in der Art, dass diese in den Ansaugkanal auf der Verdichterseite und/oder den Expansionskanal auf der Turbinenseite integriert werden kann. Dies schafft einen extrem kompakten, leichten und einfachen Aufbau. Darüber hinaus dient zumindest auf der Verdichterseite das zwischen Rotor und Stator strömende Medium einer effizienten Kühlung der Maschine. Auf der Turbinenseite ist dieser Aufbau insbesondere durch die Verwendung der Luftversorgungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle ebenfalls möglich. Eine solche Brennstoffzelle, welche vorzugsweise in PEM-Technologie ausgebildet ist, hat eine maximale Ablufttemperatur von bis zu 90° C. Diese im Vergleich zum Abgas eines Verbrennungsmotors sehr moderate Temperatur der Abluft ermöglicht auch hier den Einsatz einer elektrischen Maschine unmittelbar im Bereich, in dem das expandierte Gas abströmt, sodass ein hinsichtlich der elektrischen Maschinen und der Ansaug- bzw. Abströmkanäle sehr einfacher symmetrischer Aufbau gewählt werden kann.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dementsprechend vorgesehen, dass nicht nur eine der elektrischen Maschinen sondern beide als derartige Medienspaltmotoren ausgebildet sind.
Eine weitere Anforderung, welche durch die Verwendung der Luftversorgungsvorrichtung als Luftversorgungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle wichtig wird, liegt im Bereich der Lagerung. Es ist in jedem Fall zu vermeiden, dass Öl mit der Zuluft in den Bereich der Brennstoffzelle gelangt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es deshalb vorgesehen, die Welle über eine Luftlagerung in einem Gehäuse zu lagern. Eine solche Lagerung der Welle über eine Luftlagerung, insbesondere eine Luftlagerung, welche einen Teil der verdichteten Zuluft zu der Brennstoffzelle abzweigt und durch die Lagerung leitet, ist besonders einfach und hinsichtlich der Gefahr einer Kontamination der Brennstoffzelle außerordentlich zuverlässig.
Darüber hinaus ist die Verwendung von ölgeschmierten Gleit- und/oder Kugellagern ebenso denkbar. Insbesondere unter Berücksichtigung der Tatsache, dass Luftlager bei Abgas-Turboladern für verbrennungsmotorische Antriebe eher selten anzutreffen sind, kann auch diese Variante, welche dort häufig anzutreffen ist, eingesetzt werden. In diesem Fall kann es dann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee vorgesehen werden, dass zwischen der Lagerung und dem Verdichter wenigstens eine Labyrinthdichtung und/oder wenigstens ein Sperrluftsystem vorgesehen ist. über eine solche Labyrinthdichtung kann bereits eine sehr gute Abdichtung erreicht werden. Die Gefahr, dass Öl in den Bereich des Verdichters und damit in die Zuluft zu der Brennstoffzelle gelangt, kann so bereits deutlich minimiert werden. Ergänzend kann zur Verbesserung der Abdichtung, oder prinzipiell auch alternativ anstelle einer Labyrinthdichtung, ein sogenanntes Sperrluftsystem vorgesehen werden. Ein solches Sperrluftsystem ist aus dem Bereich der Dichtungstechnik allgemein bekannt. Durch eine entsprechende Einleitung von Luft und einem Druckgefälle in die Richtung gegenüber der abgedichtet werden soll, kann der Übertritt von Öl in die verdichtete Zuluft sicher ausgeschlossen werden.
Eine erfindungsgemäße Luftversorgungsvorrichtung kann dabei sowohl die Verwendung der Idee bei einer einstufige Aufladung als elektrischer Turbolader als auch bei einer mehrstufigen, insbesondere zweistufigen, Aufladung mit einem Verdichter und einem weiteren Verdichter umfassen. Weiterhin kann eine erfindungsgemäße Luftversorgungsvorrichtung auch Teil eines weiteren Aufladungssystems sein, welches die Luft für die erfindungsgemäße Luftversorgungsvorrichtung vorverdichtet oder die verdichtete Luft der erfindungsgemäßen Luftversorgungsvorrichtung nachträglich noch weiter verdichtet. Entsprechen können weitere Verdichtungsstufen ebenfalls aus einer solchen erfindungsgemäßen Luftversorgungsvorrichtung gebildet sein.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst nun wenigstens eine Brennstoffzelle, wiederum bevorzugt in PEM-Technologie, mit einer Zuluftleitung für Zuluft zu der Brennstoffzelle und einer Abgasleitung, zumindest für Abluft von der Brennstoffzelle. Darüber hinaus umfasst sie eine Luftfördereinrichtung, wie sie oben beschrieben worden ist. Auch hier ist der Aufbau so, dass der elektrische Antrieb zwei an den gegenüberliegenden Enden der Welle angeordnete elektrische Maschinen umfasst. Die Vorteile ergeben sich analog zur obigen Beschreibung. Auch hier können die vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen, wie beispielsweise die Verwendung eines oder zweier Medienspaltmotoren als elektrische Maschine mit vorgesehen sein.
Der Aufbau eignet sich wie bereits angesprochen insbesondere zur Verwendung mit Bauteilen, welche aus dem Bereich von herkömmlichen Abgas-Turboladern aus der Fahrzeugtechnik allgemein bekannt sind. Durch die Vorteile hinsichtlich eines sehr dynamischen Betriebs, wie oben beschrieben worden ist, und der Tatsache, dass der Aufbau der Luftversorgungsvorrichtung klein und leicht erfolgen kann, eignet sich ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Luftversorgungsvorrichtung nun insbesondere für Einsatzgebiete, in denen einerseits eine hochdynamische Bereitstellung von Luft notwendig ist, und in denen andererseits einfache, kompakte und kostengünstige Systeme einen entscheidenden Vorteil darstellen. Eine besonders bevorzugte Verwendung des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung findet deshalb im Bereich von Fahrzeugen statt. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug genutzt werden, da hier die besonderen Vorteile seiner Luftversorgungsvorrichtung ideal zu Geltung kommen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Idee ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:

1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug;
2 eine schematische Darstellung einer möglichen Luftversorgungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
3 eine Prinzipdarstellung einer Labyrinthdichtung; und
4 eine Prinzipdarstellung einer Sperrluftdichtung.

In der 1 ist ein Fahrzeug 1 prinzipmäßig angedeutet. In dem Fahrzeug 1 befindet sich ein Brennstoffzellensystem 2, welches zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für das Fahrzeug 1 genutzt werden soll. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet dabei eine mit 3 bezeichnete Brennstoffzelle, welche als Stapel von Einzelzellen beispielsweise in PEM-Technologie aufgebaut sein soll. Dieser Brennstoffzelle 3 wird über eine Luftfördereinrichtung 4, welche vorzugsweise als Strömungsverdichter ausgebildet sein kann, Luft über eine Zuluftleitung 5 zugeführt. Die Luft gelangt in einen Kathodenraum 6 der Brennstoffzelle 3, welcher innerhalb der Brennstoffzelle 3 beispielhaft angedeutet ist. Über eine Abluftleitung 7 gelangt die Abluft dann in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zu einer mit 8 bezeichneten Abluftturbine und von dort in die Umgebung. Zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung kann dabei ein Gas/Gas-Befeuchter 20 in an sich bekannter Art und Weise angeordnet sein. Die heiße und trockene Zuluft in der Zuluftleitung 5 wird in diesem Befeuchter 20 durch die feuchte Abluft in der Abluftleitung 7 befeuchtet. Die Zuluftleitung 5 lässt sich außerdem mit der Abluftleitung 7 über eine Bypassleitung 9 mit einem Bypassventil 10 verbinden. Dieser Aufbau aus Bypassleitung 9 und Bypassventil 10 wird auch als Systembypass bezeichnet und ist so aus dem Stand der Technik ebenfalls grundlegend bekannt.
Die Luftfördereinrichtung 4 ist Teil einer Luftversorgungsvorrichtung 20, welche später noch näher dargestellt und beschrieben wird. Die eigentliche Luftfördereinrichtung 4 ist dabei ein Strömungsverdichter, dessen Verdichterrad über eine gemeinsame Welle 21 mit der Abluftturbine 8 und einer elektrischen Maschine 11 verbunden ist. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader (ETC) oder motorunterstützter Turbolader bezeichnet. Die Funktionalität ist die, dass die Luftfördereinrichtung 4 die Luft als Sauerstofflieferant für die Brennstoffzelle 3 zur Verfügung stellt. Bei vorliegender Abluft in der Abluftleitung 7 kann durch ein Entspannen der Abluft in der Abluftturbine 8 ein Teil der Energie aus der Abluft zurückgewonnen werden. Diese kann zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 4 unterstützend verwendet werden. Die restliche notwendige Antriebsleistung liefert typischerweise die elektrische Maschine 11. Kommt es in bestimmten Situationen dazu, dass im Bereich der Abluftturbine 8 mehr Leistung zurückgewonnen wird als von der Luftfördereinrichtung 4 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 11 auch generatorisch betrieben werden.
Die Anodenseite der Brennstoffzelle 3 mit einem angedeuteten Anodenraum 12 wird mit Wasserstoff versorgt. Dieser stammt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem mit 13 bezeichneten Druckgasspeicher und wird über ein Regel- und Dosierventil 14 sowie eine später noch näher erläuterte Gasstrahlpumpe 15 dem Anodenraum 12 zugeführt. Nicht verbrauchter Restwasserstoff gelangt zusammen mit inerten Gasen, welche in dem gespeicherten Wasserstoff vorhanden waren oder welche vom Kathodenraum 6 in den Anodenraum 12 diffundiert sind, sowie zusammen mit entstandenem Produktwasser aus dem Kathodenraum 12 über eine Rezirkulationsleitung 16 zurück zu der Gasstrahlpumpe 15. In der Gasstrahlpumpe 15 sorgt der frische über das Dosierventil 14 zugeführte Wasserstoff dafür, dass durch Unterdruckeffekte und durch Impulsaustausch das Gasgemisch in der Rezirkulationsleitung 16 angesaugt und vermischt mit dem frischen Wasserstoff wieder zurück zum Anodenraum 12 gefördert wird. Dieser Aufbau ist soweit ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt und wird als Anodenkreislauf bezeichnet.
In der Rezirkulationsleitung 16, und hier insbesondere an der im bestimmungsgemäßen Einsatz tiefsten Stelle der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 2 befindet sich ein mit 17 bezeichneter Wasserabscheider. Dieser Wasserabscheider dient dazu, flüssiges Wasser aus dem in der Rezirkulationsleitung 16 strömenden Gasstrom abzuscheiden und zu sammeln. Während des regulären Betriebs des Brennstoffzellensystems 2 wird dieses Wasser von Zeit zu Zeit durch ein Öffnen eines Ablassventils 18 über eine Ablassleitung 19 abgelassen. Da immer auch eine gewisse Menge an Wasserstoff und inerten Gasen mit abgelassen werden, mündet die Ablassleitung 19 in die Abluftleitung 7. Sie kann dabei vor oder nach der Abluftturbine 8 in die Abluftleitung 7 münden. Um die Abluftturbine 8 vor Tröpfchen, welche die schnell laufende Turbine sehr leicht beschädigen könnten, zu schützen, kann sie in idealer Weise, so wie es in dem Ausführungsbeispiel auch dargestellt ist, in Strömungsrichtung der Abluft nach der Abluftturbine 8 in die Abluftleitung 7 münden. Ferner könnte in der Abluftleitung 7 ein weiterer Wasserabscheider in Strömungsrichtung der Abluft vor der Abluftturbine 8 vorgesehen sein. Dieser ist dem Fachmann jedoch allgemein bekannt, sodass auf eine Darstellung entsprechend verzichtet worden ist.
In der Darstellung der 2 ist nun die Luftversorgungsvorrichtung 20 in einer möglichen beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Der Aufbau der Luftversorgungsvorrichtung 20 umfasst insbesondere ein Gehäuse 22, welches hier als massives Bauteil beispielhaft angedeutet ist. In der Praxis wird es sich bei dem Gehäuse 22 dabei nicht um ein massives Bauteil handeln. Dies ist dem Fachmann, welcher beispielweise mit der Herstellung von Turboladern für Kraftfahrzeuge befasst ist, jedoch klar, sodass für die schematische Darstellung die hier gewählte Variante ausreicht.
In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist auf der gemeinsamen Welle 21 auf gegenüberliegenden Seiten die Abluftturbine 8 und die Luftfördereinrichtung 4 mit ihrem Verdichterrad dargestellt.
Ebenso ist auch eine alternative Ausführung möglich, welche nicht näher in den Figuren dargestellt ist. Hierbei weist die alternative, nicht dargestellte Ausführung an Stelle der dargestellten Abluftturbine 8 anstatt dessen einen weiteren Verdichter auf, der entgegengesetzt zu den dargestellten Pfeilen 24 der Abluftturbine 8 einen Eingang aufweist und die verdichtete Luft über den dargestellten Ringkanal 23, nach außen abgibt. Dabei ist der Ausgang der Luftfördereinrichtung 4 mit ihrem Verdichterrad strömungstechnisch mit dem Eingang des nicht dargestellten weiteren Verdichters verbunden. Durch die beiden Verdichter und die serielle Verschaltung der beiden nacheinander kann mit der nicht dargestellten Ausführungsform der Luftversorgungsvorrichtung eine zweistufige Aufladung dargestellt werden, die ebenfalls die Merkmale der erfinderischen Idee aufweist und davon profitiert. Die folgende Beschreibung für die dargestellte Luftversorgungsvorrichtung 20 mit einem elektrischen Turbolader ist daher analog ebenfalls für die nicht dargestellte Ausführungsform mit zwei Verdichtern gültig.
In der Darstellung der 2 auf der linken Seite findet sich die Abluftturbine 8, in welche über einen sich spiralförmig verjüngenden Ringkanal 23 die Abluft aus der Abluftleitung 7 einströmt. Diese wird dann in der Abluftturbine 8 entspannt und verlässt den Aufbau, wie durch die beiden mit 24 bezeichneten Pfeile angedeutet, in der Darstellung der 2 nach links. Die Luftfördereinrichtung 4 mit ihrem Verdichterrad ist auf der gemeinsamen Welle 21 auf der gegenüberliegenden Seite wie die Abluftturbine 8 angeordnet. Dieser Aufbau kann soweit identisch zu einem herkömmlichen Abgas-Turbolader aus dem Bereich der Automobiltechnik verwendet werden. Um hinsichtlich der Drücke und Temperaturen an die Verwendung in dem Brennstoffzellensystem 2 angepasst zu sein, bietet sich eine Veränderung der Geometrie der Abluftturbine 8 und des Verdichterrads der Luftfördereinrichtung 4 an. Dies fällt aber in das Fachkönnen eines entsprechenden Fachmanns. Dennoch bleibt der Aufbau aufgrund der hohen Stückzahl, welche insbesondere für komplexe Teile wie das Gehäuse 22 durch die hohen Stückzahlen im Automobilbereich zu erzielen sind, ein entsprechender Kostenvorteil.
Die Luft für die Luftfördereinrichtung 4 wird in der Darstellung der 2 von links gemäß den mit 25 bezeichneten Pfeilen angesaugt, vom Verdichterrad der Luftfördereinrichtung 4 entsprechend verdichtet und gelangt in den sich spiralförmig verjüngenden Ringkanal 26 des Verdichters. Von diesem aus strömt die Luft dann in die hier nicht dargestellte Zuluftleitung 5 zu der Brennstoffzelle 3. Ein Teil der Luft wird in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Lagerluftleitung 27 abgezweigt und zwei beispielhaft dargestellten Luftlagern 28 zugeführt. Die Luftlager 28 können dabei sowohl radiale als auch axiale Lageraufgaben übernehmen. In der Praxis kann die Anordnung der Lager sowie eine Aufteilung von Axiallagern und Radiallagern erfolgen. All dies ist dem Fachmann beim Aufbau von Abgas-Turboladern geläufig, sodass hierauf nicht in weiterer Detailierung eingegangen werden muss. Die Verwendung der Luftlager hat dabei den Vorteil, dass eine Kontamination der in die Zuluftleitung 5 zu der Brennstoffzelle 3 einströmenden Zuluft mit Schmierstoffen sicher und zuverlässig verhindert wird. Ist dies nicht der Fall, könnte die Brennstoffzelle 3 Schaden nehmen.
Anstelle der Luftlager 28 sind auch andere Lagerkonzepte denkbar, beispielsweise ölgeschmierte Gleit- und/oder Kugellager. Im Falle derartiger ölgeschmierter Lager ist ein besonderes Augenmerk auf die Abdichtung, vor allem in Richtung der Luftfördereinrichtung 4 hin, zu richten. Beispielhaft sind in der Darstellung der 3 und 4 zwei alternativ oder ergänzend zueinander einsetzbare Dichtkonzepte gezeigt. So ist in der Darstellung der 3 auf der gemeinsamen Welle 21 zwischen der gemeinsamen Welle 21 und dem Gehäuse 22 eine sogenannte Labyrinthdichtung 29 angeordnet, welche für den Fachmann der Dichtungstechnik bei schnelllaufenden Wellen allgemein bekannt und üblich ist.
In der Darstellung der 4 ist eine sogenannte Sperrluftdichtung beschrieben. Über einen Kanal 30 in dem Gehäuse 22 strömt unter Druck stehende Luft, beispielsweise über die Lagerluftleitung 27 vergleichbar zur Verwendung bei den Luftlagern in der Darstellung der 2, ein. Die Luft strömt dann durch die beiden Dichtspalte zwischen dem Gehäuse 22 und der Welle 21 seitlich ab und verhindert so das Eindringen von Schmieröl in den Bereich der Luftfördereinrichtung 4, weil anstehendes Schmieröl, welches in der Darstellung der 4 mit den beiden mit 31 bezeichneten Pfeilen angedeutet ist, durch die durch den Lagerspalt strömende Luft zurückgehalten wird.
In der Darstellung der 2 ist nun außerdem die Besonderheit der hier dargestellten Luftversorgungsvorrichtung 20 zu erkennen. Wie es beim Einsatz in Brennstoffzellensystemen 2 üblich ist, weist diese eine Möglichkeit für einen elektrischen Antrieb auf, welcher in der Darstellung der 1 beispielhaft mit der elektrischen Maschine 11 symbolisiert ist. Bei der Luftversorgungsvorrichtung 20 ist dieser Aufbau nun so ausgestaltet, dass an den jeweils gegenüberliegenden Enden der gemeinsamen Welle 21, also jeweils „außerhalb“ der Abluftturbine 8 und des Verdichterrads der Luftfördereinrichtung 4, zwei elektrische Maschinen angeordnet sind. Diese sind in der Darstellung der Figuren mit 32 auf der Seite der Abluftturbine 8 und 33 auf der Seite des Verdichterrads der Luftfördereinrichtung 4 bezeichnet. Beide elektrischen Maschinen sind dabei als sogenannte Spaltrohrmotoren ausgebildet. Ihre Statoren 34 bzw. 35 sind jeweils mit dem Gehäuse 22 fest verbunden. Die Rotoren 36 und 37 sind jeweils mit den entsprechenden Enden der gemeinsamen Welle 21 fest verbunden. Die Ausgestaltung als Spaltrohr oder Medienspaltmotor ist nun so, dass ein vergleichsweise großer Spalt 38, 39 zwischen dem jeweiligen Rotor 36, 37 und dem jeweiligen Stator 34, 35 verbleibt. Durch diesen sogenannten Medienspalt 38, 39 strömt nun, wie es in der Darstellung der 2 durch die Abluftpfeile 24 und die Zuluftpfeile angedeutet ist, die zu verdichtende Zuluft bzw. das expandierte Abgas. Der Aufbau mit den beiden Spaltrohrmotoren 32, 33, welche sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden können, lässt sich kompakt, klein und leicht aufbauen. Hierdurch ist eine hohe Dynamik der Luftversorgungsvorrichtung 20 möglich. Gleichzeitig kann diese kompakt und leicht realisiert werden, was insbesondere für den Einsatz in dem Fahrzeug 1 einen entscheidenden Vorteil darstellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1995429 A1 [0004]
US 2013/0239568 A1 [0004]

Claims

Luftversorgungsvorrichtung (20) für eine Brennstoffzelle (3) mit einem Verdichter (4) und einer weiteren Strömungsenergieumwandlungsvorrichtung auf einer gemeinsamen Welle (21) und mit einem elektrischen Antrieb (11) für die gemeinsame Welle, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (11) zwei an den gegenüberliegenden Enden der Welle (21) angeordnete elektrische Maschinen (32, 33) umfasst.
Luftversorgungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der elektrischen Maschinen (32, 33) als Medienspaltmotor ausgebildet ist, bei welchem das angesaugte oder expandierte Medium zwischen Rotor (36, 37) und Stator (34, 35) zu- oder abströmt.
Luftversorgungsvorrichtung (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide der elektrischen Maschinen (32, 33) als Medienspaltmotoren ausgebildet sind.
Luftversorgungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (21) über eine Luftlagerung (28) in einem Gehäuse (22) gelagert ist.
Luftversorgungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (21) über ölgeschmierte Gleit- und/oder Kugellager gelagert ist.
Luftversorgungsvorrichtung (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwischen der Lagerung und dem ersten Verdichter (4) wenigstens eine Labyrinthdichtung (29) und/oder wenigstens ein Sperrluftsystem vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem (2) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), mit einer Zuluftleitung (5) für Zuluft zu der Brennstoffzelle (3) einer Abgasleitung (7), zumindest für Abluft von der Brennstoffzelle (3) sowie mit einer Luftversorgungsvorrichtung, mit einem Verdichter (4) und einer weiteren Strömungsenergieumwandlungsvorrichtung auf einer gemeinsamen Welle (21) mit einem elektrischen Antrieb (11) für die gemeinsame Welle (21), dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (11) zwei an den gegenüberliegenden Enden der Welle (21) angeordnete elektrische Maschinen (32, 33) umfasst.
Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der elektrischen Maschinen (32, 33) als Medienspaltmotor ausgebildet ist, bei welchem das angesaugte oder expandierte Medium zwischen Rotor (36, 37) und Stator (34, 35) zu- oder abströmt.
Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beide der elektrischen Maschinen (32, 33) als Medienspaltmotoren ausgebildet sind.
Verwendung eines Brennstoffzellensystems (2) nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug (1).