DE102017205704A1 - Turbocompressor, in particular for a fuel cell system - Google Patents

Turbocompressor, in particular for a fuel cell system Download PDF

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Abstract

Turbokompressor (10), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (1). Der Turbokompressor (10) weist eine von einer Antriebsvorrichtung (20) antreibbare Welle (14) auf. Auf der Welle (14) sind ein Verdichter (11) und eine Abgasturbine (13) angeordnet. Weiterhin ist auf der Welle (14) ein weiterer Verdichter (12) angeordnet.Turbo compressor (10), in particular for a fuel cell system (1). The turbocompressor (10) has a shaft (14) which can be driven by a drive device (20). On the shaft (14), a compressor (11) and an exhaust gas turbine (13) are arranged. Furthermore, a further compressor (12) is arranged on the shaft (14).

Description

Stand der TechnikState of the art

Turbokompressoren für ein Brennstoffzellensystem sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 224 052 A1 . Der bekannte Turbokompressor weist eine von einer Antriebsvorrichtung antreibbare Welle auf. Auf der Welle sind ein Verdichter und eine Abgasturbine angeordnet.Turbocompressors for a fuel cell system are known from the prior art, for example from the published patent application DE 10 2012 224 052 A1 , The known turbo-compressor has a shaft drivable by a drive device. On the shaft, a compressor and an exhaust gas turbine are arranged.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der erfindungsgemäße Turbokompressor weist demgegenüber eine höhere Effizienz auf, insbesondere wenn er in einem Brennstoffzellensystem verwendet wird. Weiterhin kann er eine Verringerung der Lagerbelastung und eine Verbesserung des Temperaturhaushalts erzielen.In contrast, the turbocompressor according to the invention has a higher efficiency, in particular if it is used in a fuel cell system. Furthermore, it can achieve a reduction of the bearing load and an improvement of the temperature balance.

Dazu umfasst der Turbokompressor eine von einer Antriebsvorrichtung antreibbare Welle. Auf der Welle sind ein Verdichter und eine Abgasturbine angeordnet. Weiterhin ist auf der Welle ein weiterer Verdichter angeordnet. Der Verdichter und der weitere Verdichter bilden einen gemeinsamen Strömungspfad aus, so dass ein Arbeitsfluid stärker verdichtet werden kann als mit nur einem Verdichter. Beispielsweise ist das Arbeitsfluid dabei ein Oxidationsmittel eines Brennstoffzellensystems. Durch diese Anordnung können weitere zwischen dem Verdichter und dem weiteren Verdichter angeordnete Bauteile, beispielsweise Lager, wirkungsvoll mit dem Arbeitsfluid gekühlt werden.For this purpose, the turbocompressor comprises a shaft which can be driven by a drive device. On the shaft, a compressor and an exhaust gas turbine are arranged. Furthermore, a further compressor is arranged on the shaft. The compressor and the further compressor form a common flow path, so that a working fluid can be compressed more than with just one compressor. For example, the working fluid is an oxidizing agent of a fuel cell system. By this arrangement further components arranged between the compressor and the further compressor, for example bearings, can be effectively cooled with the working fluid.

Vorzugsweise sind der Verdichter, der weitere Verdichter und die Abgasturbine jeweils Läuferräder, beispielsweise Radialläufer. Die Abgasturbine ist in einem weiteren Strömungspfad angeordnet bzw. im gleichen Strömungspfad stromabwärts einer Brennstoffzelle, so dass sie das reagierte Oxidationsmittel, also quasi das Abgas der Brennstoffzelle, als Energiequelle nutzt. Durch die Abgasturbine wird somit die Antriebsvorrichtung entlastet.Preferably, the compressor, the further compressor and the exhaust gas turbine are each rotor wheels, for example radial rotor. The exhaust gas turbine is arranged in a further flow path or in the same flow path downstream of a fuel cell, so that it uses the reacted oxidant, so to speak, the exhaust gas of the fuel cell as an energy source. By the exhaust gas turbine thus the drive device is relieved.

In vorteilhaften Ausführungen sind der Verdichter und der weitere Verdichter in einer Luftzuführungsleitung eines Brennstoffzellensystems angeordnet, und die Abgasturbine in einer Abgasleitung des Brennstoffzellensystems. Die Luftzuführungsleitung dient dabei der Zuströmung des Oxidationsmittels in eine Brennstoffzelle, und die Abgasleitung dient der Abfuhr des Oxidationsmittels bzw. des reagierten Oxidationsmittels bzw. einem Gemisch daraus aus der Brennstoffzelle.In advantageous embodiments, the compressor and the further compressor are arranged in an air supply line of a fuel cell system, and the exhaust gas turbine in an exhaust pipe of the fuel cell system. The air supply line serves for the inflow of the oxidizing agent into a fuel cell, and the exhaust gas line serves to remove the oxidizing agent or the reacted oxidizing agent or a mixture thereof from the fuel cell.

In vorteilhaften Weiterbildungen weist die Antriebsvorrichtung einen Stator und einen Rotor auf, ist vorzugsweise also als Elektromotor ausgeführt. Der Rotor ist auf der Welle zwischen dem Verdichter und dem weiteren Verdichter angeordnet. Dadurch kann der Rotor wirkungsvoll mit dem durch die beiden Verdichter geförderten Arbeitsfluid gekühlt werden.In advantageous developments, the drive device has a stator and a rotor, so it is preferably designed as an electric motor. The rotor is arranged on the shaft between the compressor and the further compressor. Thereby, the rotor can be effectively cooled with the working fluid delivered by the two compressors.

Vorteilhafterweise ist die Welle dabei zu beiden Seiten des Rotors mittels je eines Lagers rotierbar gelagert. Die Lager können dazu sowohl als Wälzlager als auch als Gleitlager ausgeführt sein. Vorzugsweise sind der Verdichter auf der einen Seite des Rotors und der weitere Verdichter und die Abgasturbine auf der anderen Seite des Rotors angeordnet. Dadurch ist die Lagerbelastung für beide Lager etwa gleich groß, es können sogar baugleiche Lager verwendet werden.Advantageously, the shaft is rotatably mounted on both sides of the rotor by means of a respective bearing. The bearings can be designed both as a rolling bearing and as a sliding bearing. Preferably, the compressor on one side of the rotor and the further compressor and the exhaust gas turbine are arranged on the other side of the rotor. As a result, the bearing load for both bearings is about the same size, it can even be used identical bearings.

In vorteilhaften Ausführungen sind der Verdichter und der weitere Verdichter axial anströmbar und radial abströmbar ausgeführt. Die beiden Verdichter sind somit als Radialläufer ausgeführt. Die beiden Verdichter können daher als Kreiselpumpen betrachtet werden. Dadurch können vergleichsweise hohe Förderdrücke erzielt werden. Für eine Anwendung in einem Brennstoffzellensystem kann das Oxidationsmittel der Brennstoffzelle so mit einem Druck von mehreren bar zugeführt werden.In advantageous embodiments of the compressor and the further compressor are axially flowed and designed to be radially outflow. The two compressors are thus designed as radial runners. The two compressors can therefore be considered as centrifugal pumps. As a result, comparatively high delivery pressures can be achieved. For an application in a fuel cell system, the oxidant of the fuel cell can be supplied with a pressure of several bar.

In vorteilhaften Weiterbildungen sind der Verdichter und der weitere Verdichter axial aus entgegen gerichteten Richtungen anströmbar. Dadurch können die fluidisch wirksamen Kräfte auf die beiden Verdichter bzw. auf deren Laufräder in axialer Richtung ausgeglichen werden. Vorzugsweise ist es so, dass dazu auch noch das Laufrad der Abgasturbine berücksichtigt wird und die resultierende Axialkraft auf die Welle nahezu Null ist, so dass die Anforderungen an ein Axiallager sehr gering sind bzw. sogar von Radiallagern übernommen werden können. Die Abgasturbine ist dazu vorzugsweise ebenfalls als Radialläufer ausgeführt.In advantageous developments of the compressor and the further compressor can be flowed axially from opposite directions. As a result, the fluidically effective forces on the two compressors or on the wheels in the axial direction can be compensated. Preferably, it is also the case that the impeller of the exhaust gas turbine is taken into account and the resulting axial force on the shaft is almost zero, so that the requirements for a thrust bearing are very low or even can be taken over by radial bearings. The exhaust gas turbine is preferably also designed as a radial runner.

Die beschriebenen Ausführungen des Turbokompressors sind vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle, eine Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle und eine Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle auf. Das abgeführte Oxidationsmittel kann dabei in der Brennstoffzelle vollständig oder teilweise chemisch reagiert haben. Der Verdichter und der weitere Verdichter des Turbokompressors sind in der Luftzuführungsleitung angeordnet. Und die Abgasturbine des Turbokompressors ist in der Abgasleitung angeordnet. Die beiden Druckstufen durch die beiden Verdichter sind in der Luftzuführungsleitung besonders wirksam; zusätzlich kann ein Rotor bzw. Elektromotor des Turbokompressors über die Zuführungsleitung gekühlt werden. Weiterhin können so auch noch die Lager der Welle gekühlt werden. Das aus der Brennstoffzelle ausströmende reagierte Oxidationsmittel kann sehr wirkungsvoll als Leistungsquelle für die Abgasturbine verwendet werden.The described embodiments of the turbocompressor are preferably used in a fuel cell system. The fuel cell system includes a fuel cell, an air supply passage for supplying an oxidant into the fuel cell, and an exhaust passage for discharging the oxidant from the fuel cell. The discharged oxidant may have reacted completely or partially chemically in the fuel cell. The compressor and the further compressor of the turbocompressor are arranged in the air supply line. And the exhaust gas turbine of the turbocompressor is arranged in the exhaust pipe. The two pressure stages through the two compressors are particularly effective in the air supply line; In addition, a rotor or electric motor of the turbocompressor can be cooled via the supply line. Furthermore, even the bearings of the shaft can be cooled. The end the fuel cell effluent reacted oxidant can be used very effectively as a power source for the exhaust gas turbine.

Das Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben.The fuel cell system may preferably be configured to drive a drive device of a motor vehicle.

Figurenlistelist of figures

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen:

  • 1 schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einem Turbokompressor aus dem Stand der Technik,
  • 2 schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Turbokompressor.
Show it:
  • 1 1 schematically shows a fuel cell system with a turbocompressor from the prior art,
  • 2 schematically a section through a turbocompressor according to the invention.

Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

1 zeigt ein aus der DE 10 2012 224 052 A1 bekanntes Brennstoffzellensystem 1. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, eine Luftzuführungsleitung 3, eine Abgasleitung 4, einen Verdichter 11, eine Abgasturbine 13, ein Bypassventil 5 zur Druckabsenkung und eine nicht näher gezeigte Zuführungsleitung für Brennstoff zu der Brennstoffzelle 2. Das Bypassventil 5 kann beispielsweise eine Regelklappe sein. Als Bypassventil 5 kann beispielsweise ein Wastegate-Ventil eingesetzt werden. 1 shows one from the DE 10 2012 224 052 A1 known fuel cell system 1 , The fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 , an air supply line 3 , an exhaust pipe 4 , a compressor 11 , an exhaust gas turbine 13 , a bypass valve 5 for lowering the pressure and a feed line not shown in detail for fuel to the fuel cell 2 , The bypass valve 5 For example, it can be a control flap. As a bypass valve 5 For example, a wastegate valve can be used.

Die Brennstoffzelle 2 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über die nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt, das bei der hier gezeigten Ausführungsform Ansaugluft ist, die über die Luftzuführungsleitung 3 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf oder Wasserdampf und Kohlendioxid. Die Brennstoffzelle 2 ist beispielsweise eingerichtet, eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Beispielsweise treibt die durch die Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Energie dabei einen Elektromotor des Kraftfahrzeugs an.The fuel cell 2 is a galvanic cell that converts chemical reaction energy of a fuel supplied via the fuel supply line, not shown, and an oxidant into electrical energy, which in the embodiment shown here is intake air via the air supply line 3 the fuel cell 2 is supplied. The fuel may preferably be hydrogen or methane or methanol. Accordingly, the exhaust gas is water vapor or water vapor and carbon dioxide. The fuel cell 2 is configured, for example, to drive a drive device of a motor vehicle. For example, it drives through the fuel cell 2 generated electrical energy while an electric motor of the motor vehicle.

Der Verdichter 11 ist in der Luftzuführungsleitung 3 angeordnet. Die Abgasturbine 13 ist in der Abgasleitung 4 angeordnet. Der Verdichter 11 und die Abgasturbine 13 sind über eine Welle 14 mechanisch verbunden. Die Welle 14 ist von einer Antriebsvorrichtung 20 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 13 dient der Unterstützung der Antriebsvorrichtung 20 zum Antreiben der Welle 14 bzw. des Verdichters 11. Der Verdichter 11, die Welle 14 und die Abgasturbine 13 bilden zusammen einen Turbokompressor 10.The compressor 11 is in the air supply line 3 arranged. The exhaust gas turbine 13 is in the exhaust pipe 4 arranged. The compressor 11 and the exhaust gas turbine 13 are about a wave 14 mechanically connected. The wave 14 is from a drive device 20 electrically driven. The exhaust gas turbine 13 serves to support the drive device 20 to power the shaft 14 or of the compressor 11 , The compressor 11 , the wave 14 and the exhaust gas turbine 13 together form a turbo compressor 10 ,

Erfindungsgemäß werden nun die Effizienz und die Lebensdauer des Turbokompressors 10 verbessert.According to the invention, the efficiency and the life of the turbocompressor 10 improved.

Dazu zeigt 2 einen erfindungsgemäßen Turbokompressor 10, insbesondere zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem 1. Der Turbokompressor 10 umfasst die Antriebsvorrichtung 20, den Verdichter 11, die Abgasturbine 13 und einen weiteren Verdichter 12. Der Verdichter 11, der weitere Verdichter 12 und die Abgasturbine 13 sind auf der gemeinsamen Welle 14 angeordnet, so dass sie bei Rotation der Welle 14 in gleicher Weise rotieren.In addition shows 2 a turbocompressor according to the invention 10 , in particular for use in a fuel cell system 1 , The turbo compressor 10 includes the drive device 20 , the compressor 11 , the exhaust gas turbine 13 and another compressor 12 , The compressor 11 , the other compressor 12 and the exhaust gas turbine 13 are on the common wave 14 arranged so that they rotate on the shaft 14 rotate in the same way.

Die Antriebsvorrichtung 20 ist als Elektromotor ausgeführt und umfasst einen Rotor 22 und einen Stator 21. Der Rotor 22 ist ebenfalls auf der Welle 14 angeordnet. Der Stator 21 ist ortsfest in einem nicht dargestellten Gehäuse des Turbokompressors 10 positioniert. Die Welle 14 ist zu beiden Seiten der Antriebsvorrichtung 20 mittels je eines Lagers 15 drehbar gelagert.The drive device 20 is designed as an electric motor and includes a rotor 22 and a stator 21 , The rotor 22 is also on the wave 14 arranged. The stator 21 is stationary in a housing of the turbocompressor, not shown 10 positioned. The wave 14 is on both sides of the drive device 20 by means of a warehouse 15 rotatably mounted.

Ein Luftkanal 31 ist als Teil der Luftzuführungsleitung 3 so gestaltet, dass er von außen in den Turbokompressor 10 führt, dort in den Verdichter 11 axial mündet und radial aus dem Verdichter 11 führt, weiter zum weiteren Verdichter 12 führt, dort ebenfalls axial in den weiteren Verdichter 12 mündet und radial aus dem weiteren Verdichter 12 führt und anschließend aus dem Turbokompressor 10 herausführt. Danach führt die Luftzuführungsleitung 3 in die Brennstoffzelle 2, welche in der 2 allerdings nicht dargestellt ist.An air duct 31 is as part of the air supply line 3 designed so that it is externally in the turbo compressor 10 leads, there in the compressor 11 axially discharges and radially from the compressor 11 leads, on to the other compressor 12 leads, there also axially in the other compressor 12 opens and radially from the other compressor 12 leads and then out of the turbo compressor 10 out leads. Then the air supply line leads 3 into the fuel cell 2 which in the 2 but not shown.

Die Abgasleitung 4 wiederum führt von der Brennstoffzelle 2 in den Turbokompressor 10, mündet dort radial in die Abgasturbine 13 und führt axial aus der Abgasturbine 13, um anschließend wieder aus dem Turbokompressor 10 herauszuführen.The exhaust pipe 4 in turn leads from the fuel cell 2 in the turbo compressor 10 , there flows radially into the exhaust gas turbine 13 and leads axially out of the exhaust gas turbine 13 and then back out of the turbocompressor 10 lead out.

Durch den Einsatz des weiteren Verdichters 12 kann die über die Luftzuführungsleitung 3 angesaugte Luft - bzw. das angesaugte Oxidationsmittel - stärker komprimiert werden, als wenn nur ein einziger Verdichter 11 in dem Turbokompressor 10 vorhanden wäre. Weiterhin können der Verdichter 11, der weitere Verdichter 12 und die Abgasturbine 13 bezüglich ihrer Strömungsführungen und Druckgradienten so gestaltet werden, dass die resultierende axiale Kraft auf die Welle 14 im Betrieb des Turbokompressors 10 nahezu Null ist. Der Turbokompressor 10 ist damit druckausgeglichen, so dass die Lager 15 nahezu keine Axialkräfte aufnehmen müssen.By using the other compressor 12 can the over the air supply line 3 sucked air - or the sucked oxidant - are compressed more than if only a single compressor 11 in the turbocompressor 10 would be present. Furthermore, the compressor 11 , the other compressor 12 and the exhaust gas turbine 13 with respect to their flow guides and pressure gradients are designed so that the resulting axial force on the shaft 14 during operation of the turbocompressor 10 is almost zero. The turbo compressor 10 is so that pressure balanced, so that the bearings 15 have to absorb almost no axial forces.

In alternativen Verwendungen kann der Turbokompressor 10 auch für Verbrennungsmotoren eingesetzt werden.In alternative uses, the turbocompressor 10 also be used for internal combustion engines.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102012224052 A1 [0001, 0014]DE 102012224052 A1 [0001, 0014]

Claims (8)

Turbokompressor (10), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (1), mit einer von einer Antriebsvorrichtung (20) antreibbaren Welle (14), wobei auf der Welle (14) ein Verdichter (11) und eine Abgasturbine (13) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Welle (14) ein weiterer Verdichter (12) angeordnet ist.Turbocompressor (10), in particular for a fuel cell system (1), with one of a drive device (20) driven shaft (14), wherein on the shaft (14) a compressor (11) and an exhaust gas turbine (13) are arranged, characterized in that a further compressor (12) is arranged on the shaft (14). Turbokompressor (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11) und der weitere Verdichter (12) in einer Luftzuführungsleitung (3) eines Brennstoffzellensystems (1) angeordnet sind und dass die Abgasturbine (13) in einer Abgasleitung (4) des Brennstoffzellensystems (1) angeordnet ist.Turbo compressor (10) after Claim 1 characterized in that the compressor (11) and the further compressor (12) in an air supply line (3) of a fuel cell system (1) are arranged and that the exhaust gas turbine (13) in an exhaust pipe (4) of the fuel cell system (1) is arranged. Turbokompressor (10) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (20) einen Stator (21) und einen Rotor (22) aufweist, wobei der Rotor (22) auf der Welle (14) zwischen dem Verdichter (11) und dem weiteren Verdichter (12) angeordnet ist.Turbo compressor (10) after Claim 1 or 2 characterized in that the drive device (20) comprises a stator (21) and a rotor (22), wherein the rotor (22) on the shaft (14) between the compressor (11) and the further compressor (12) is arranged. Turbokompressor (10) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (14) zu beiden Seiten des Rotors (22) mittels je eines Lagers (15) rotierbar gelagert ist.Turbo compressor (10) after Claim 3 characterized in that the shaft (14) on both sides of the rotor (22) by means of a respective bearing (15) is rotatably mounted. Turbokompressor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11) und der weitere Verdichter (12) axial anströmbar und radial abströmbar ausgeführt sind.Turbo compressor (10) after one of Claims 1 to 4 characterized in that the compressor (11) and the further compressor (12) are designed to be able to flow axially against and radially outflow. Turbokompressor (10) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11) und der weitere Verdichter (12) axial aus entgegen gerichteten Richtungen anströmbar sind.Turbo compressor (10) after Claim 5 characterized in that the compressor (11) and the further compressor (12) are axially flowable from opposite directions. Turbokompressor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (13) radial anströmbar und axial abströmbar ausgeführt ist.Turbo compressor (10) after one of Claims 1 to 6 characterized in that the exhaust gas turbine (13) is designed to flow radially and can be flowed off axially. Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (2), einer Luftzuführungsleitung (3) zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle (2) und einer Abgasleitung (4) zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) einen Turbokompressor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, wobei der Verdichter (11) und der weitere Verdichter (12) in der Luftzuführungsleitung (3) angeordnet sind und wobei die Abgasturbine (13) in der Abgasleitung (4) angeordnet ist.Fuel cell system (1) with a fuel cell (2), an air supply line (3) for supplying an oxidizing agent into the fuel cell (2) and an exhaust line (4) for discharging the oxidizing agent from the fuel cell (2), characterized in that the fuel cell system ( 1) a turbocompressor (10) according to one of Claims 1 to 7 wherein the compressor (11) and the further compressor (12) in the air supply line (3) are arranged and wherein the exhaust gas turbine (13) in the exhaust pipe (4) is arranged.
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