DE102017211917A1 - Brennstoffzellensystem sowie Strömungsmaschine für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents
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Abstract
Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Turbolader bzw. Turboverdichter für ein Kraftfahrzeug. Die Strömungsmaschine umfasst mindestens zwei Laufräder 512, 522 und eine Verstelleinrichtung 550 zur Verstellung von Leitschaufeln 553 der Strömungsmaschine. Ein Aktuator 551 der Verstelleinrichtung 550 ist zumindest teilweise nicht angeordnet zwischen den zwei Laufrädern 512, 522 und/oder zwischen deren Laufradgehäuse 516, 526.
Description
- Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Strömungsmaschine für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere einen Turbolader. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Strömungsmaschine.
- Turbolader als solche sind aus dem Stand der Technik bekannt. Turbolader können eine verstellbare Turbinengeometrie aufweisen. Die Ansteuereinheit der Leitschaufeln ist zwischen den beiden Laufrädern auf der Rückseite der Turbinenvolute angeordnet. Nachteilig an einer solchen Ausgestaltung ist, dass die Gesamtlänge der Welle sich vergrößert. Eine große Gesamtlänge der Welle ist jedoch nachteilig für die Eigenfrequenzen der Welle. Gerade bei Hochdrehzahlanwendungen (>100.000 U/min) hat dies signifikanten Einfluss auf die Wellendynamik. Die maximale Betriebsdrehzahl wird durch die Rotorlänge begrenzt, was letztendlich zu einem höheren Bauraumbedarf, Gewicht, Materialeinsatz und/oder Kosten führen kann und ferner die Effizienz des Systems verschlechtern kann.
- Ferner ist bekannt, Turbolader und Luftlager in Brennstoffzellensystemen einzusetzen.
- Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine Strömungsmaschine beziehungsweise ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches bevorzugt hinsichtlich der Anfälligkeit gegen Vibrationen, Bauraumbedarf, Gewicht, Materialeinsatz, Kosten und/oder Effizienz verbessert ist. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
- Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere einen Turbolader bzw. Turboverdichter für ein Kraftfahrzeug. Die Strömungsmaschine umfasst mindestens zwei Laufräder und eine Verstelleinrichtung zur Verstellung von Leitschaufeln der Strömungsmaschine. Die hier offenbarte Technologie wird u.a. alternativ oder ergänzend beschrieben durch die Auflistung der folgenden Merkmale:
- - Der Aktuator der Verstelleinrichtung ist zumindest teilweise (bevorzugt vollständig) nicht angeordnet
- i) zwischen den zwei Laufrädern und/oder
- ii) zwischen den jeweiligen Laufradgehäusen der Laufräder;
- - die zwei Laufräder sind mit der Welle drehfest verbunden; wobei die Welle durch mindestens ein Lager in einem Gehäuse gelagert ist; und wobei zumindest der Aktuator der Verstelleinrichtung in einer Richtung entlang der Längsachse A-A der Welle weiter außen angeordnet ist als das mindestens eine Lager, wobei das Lager und der Aktuator an demselben Wellenende vorgesehen sind; und/oder
- - der Aktuator ist in der Richtung entlang der Längsachse A-A der Welle weiter außen angeordnet als die Leitschaufeln; und/oder
- - der Aktuator ist in einer radialen Richtung R senkrecht zur Richtung entlang der Längsachse A-A der Welle weiter außen angeordnet als die Leitschaufeln; und/oder
- - der Aktuator ist zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, außerhalb vom Laufradgehäuse vorgesehen, insbesondere an der Außenseite des Laufradgehäuses, wobei die Außenseite eine dem anderen Laufrad abgewandte Seite ist.
- Die Strömungsmaschine ist insbesondere eingerichtet, Luft zu einem Energiewandler zu fördern, insbesondere für die elektrochemische Reaktion zu einer Brennstoffzelle. Die Strömungsmaschine kann insbesondere ein luftgelagerter Turbokompressor, Turboverdichter, bzw. Kreiselverdichter sein. Bevorzugt weist der Verdichter einen Arbeits-Drehzahlbereich von ca. 15.000 U/min bis ca. 170.000 U/min, und besonders bevorzugt von ca. 20.000 U/min bis ca. 130.000 U/min auf. Die Strömungsmaschine ist insbesondere eingerichtet, über einen Zuströmungspfad Luft mindestens einem Energiewandler eines Kraftfahrzeuges zuzuführen. Bevorzugt umfasst die Strömungsmaschine eine Verdichtereinheit mit mindestens einem Verdichterrad und/oder eine Turbineneinheit mit mindestens einem Turbinenrad. Der Zuströmungspfad stellt die Fluidverbindung zwischen der Strömungsmaschine und dem Energiewandler her. Der Zuströmungspfad kann durch mehrere Zuleitungen ausgebildet werden, die die verschiedenen Komponenten im Zuströmungspfad miteinander verbinden.
- Der mindestens eine Energiewandler ist eingerichtet, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln, beispielsweise elektrische Energie und/oder Bewegungsenergie. Der Energiewandler kann beispielsweise eine Brennkraftmaschine oder ein Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer Brennstoffzelle sein.
- Das mindestens eine Laufrad kann ein Verdichterrad oder ein Turbinenrad sein. Das Verdichterrad ist eingerichtet, die zu verdichtende Luft zu fördern. Das Turbinenrad ist eingerichtet, das Abfallen der innere Energie vom einströmenden Gas in mechanische Leistung (hier Drehmoment mal Drehzahl) umzuwandeln, die es an die Welle abgibt. Bevorzugt ist das Turbinenrad als Abgasturbinenrad ausgebildet. Das Turbinenrad ist insbesondere eingerichtet, einströmende Luft zu expandieren. Bevorzugt umfasst die Strömungsmaschine ein Verdichterrad und ein Turbinenrad.
- Das mindestens eine Laufrad ist mit der Welle der Strömungsmaschine drehfest gekoppelt, beispielsweise über eine Welle-Nabe Verbindung, Klebung oder jede andere geeignete Verbindung. Das mindestens eine Laufrad ist i.d.R. kreisrund und konzentrisch zur Mittelachse der Welle angeordnet.
- Das Laufrad kann an seiner Laufradvorderseite bzw. Laufradaußenseite bzw. Vorderseite des Laufrads (nachstehend für alle Begriffe stellvertretend wird vereinfachend benutzt: „Vorderseite des Laufrads“ oder allgemein „Vorderseite“) Luftleitelemente aufweisen, insbesondere Leitschaufeln. Die Laufradrückseite bzw. Laufradinnenseite bzw. Rückseite (nachstehend für alle Begriffe stellvertretend wird vereinfachend benutzt: „Rückseite des Laufrads“ oder allgemein „Rückseite“) ist die Rückseite des Laufrads.
- Die Vorderseite kann eingerichtet sein, axial Luft anzusaugen und in das Verdichtergehäuse zu fördern, wobei dabei die angesaugte Luft verdichtet wird. Die Vorderseite kann eingerichtet sein, in das Turbinengehäuse insbesondere radial einströmendes Gas axial ausströmen zu lassen, wobei in der Turbineneinheit das Gas expandiert und die Welle angetrieben wird.
- Das Antriebsgehäuse, das Verdichtergehäuse und/oder das Turbinengehäuse bilden i.d.R. das Gehäuse der Strömungsmaschine aus. Das Antriebsgehäuse der Strömungsmaschine umschließt zumindest den elektrischen Antrieb, sofern ein solcher vorgesehen ist. An einem Ende des Antriebsgehäuses ist zweckmäßig ein Verdichtergehäuse einer Verdichtereinheit vorgesehen, in der das Verdichterrad aufgenommen ist. An dem anderen Ende des Antriebsgehäuses kann ein Turbinengehäuse vorgesehen sein.
- Das Verdichtergehäuse und/oder das Turbinengehäuse sind die Laufradgehäuse. Sie können als Spiralgehäuse ausgebildet sein, die die Voluten vom Verdichter bzw. von der Turbine ausbilden. In dem Gehäuse, insbesondere im Antriebsgehäuse, kann die mindestens eine Welle gelagert sein.
- Die Strömungsmaschine kann mindestens ein Luftlager zur Lagerung der mindestens einen Welle umfassen. Luftlager sind Lager, bei denen die beiden zueinander bewegten Lagerungspartner durch einen dünnen Luftfilm getrennt sind. Bevorzugt umfasst die Strömungsmaschine mindestens ein Axial-Luftlager und mindestens ein Radial-Luftlager. Ebenfalls ist vorstellbar, dass ein kombiniertes Lager ein Axial-Lager und ein Radial-Lager umfasst. In einer Ausgestaltung kann der Luftspalt mit einer Volute des Verdichters fluidverbunden sein. Das Luftlager kann eine beidseitig umströmte und mit der Welle drehfest verbundene Luftlagerscheibe aufweisen, die sich in radialer Richtung erstreckt.
- Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle und der hier offenbarten Strömungsmaschine. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann die mindestens eine Strömungsmaschine, mindestens einen Ladeluftkühler, mindestens eine Einrichtung zur Befeuchtung, mindestens einen zum Kathodeneinlass führenden (Kathoden)zuströmungspfad, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgaspfad, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel.
- Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie auch ein Kraftfahrzeug mit der hier offenbarten Strömungsmaschine bzw. mit dem hier offenbarten Brennstoffzellensystem bzw. mit der hier offenbarten Brennkraftmaschine.
- Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner eine Verstelleinrichtung zur Verstellung der Leitschaufeln der Strömungsmaschine. Die Leitschaufeln sind radial auswärts vom Laufrad angeordnet und umgeben i.d.R. das Laufrad. Bei einer Turbine wird durch die Verstellung der Leitschaufelstellung der Eintrittsquerschnitt zu den nicht verstellbaren Leitschaufeln (=Laufschaufeln) auf der Turbinenvorderseite verändert. Somit ändern sich die Strömungsverhältnisse in der Turbine. Insbesondere ändern sich Strömungsgeschwindigkeit und Anströmwinkel vom Abgas und der Abstand zur Wellenachse, in dem das Abgas auf die Leitschaufel vom Turbinenrad trifft. Dadurch können Drehzahl und Ladedruck variiert werden. Die Verstelleinrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, die Laufschaufeln der hier offenbarten Turbine zu verstellen.
- In der Regel ist eine Vielzahl an verstellbaren Leitschaufeln vorgesehen, die auf einer Scheibe oder einem Kranz angeordnet sind. Die Leitschaufeln können beispielsweise mit einem Verstellring gekoppelt sein. Der Verstellring kann drehbar ausgebildet sein. Ferner kann ein Steuergestänge vorgesehen sein, dass die verstellbaren Leitschaufeln direkt oder durch den Verstellring verstellt. Die Verstellung kann dadurch erfolgen, dass sich die verstellbaren Leitschaufeln um ihre Drehachse drehen. Die Drehachsen können an einem Ende einer jeden Leitschaufel angeordnet sein und können parallel zur Wellenlängsachse A-A laufen. Das mindestens eine Steuergestänge zur Verstellung der Leitschaufeln kann mit dem Aktuator und direkt bzw. indirekt über den Verstellring mit den Leitschaufeln gekoppelt sein.
- Die hier offenbarte Strömungsmaschine kann mindestens einen elektrischen Antrieb umfassen, dessen Rotor mit der Welle drehfest verbunden ist. Der Antrieb ist eingerichtet, den Energiewandler mit ausreichend Luft zu versorgen. Jeder geeignete Motor kann hierzu eingesetzt werden, z.B. permanenterregte Synchronmotoren.
- Der Aktuator kann beispielsweise eine elektro-pneumatische Verstellung oder eine elektro-motorische Verstellung der Leitschaufeln bewirken.
- Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie einen Abgasturbolader, bei dem die Ansteuereinheit der Turbinenleitschaufeln in den Volutenbereich der Turbine bzw. deren Außenseite verlegt wurde, und nicht auf der Rückseite des Turbinengehäuses.
- Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems; und -
2 eine schematische Querschnittsansicht durch die Strömungsmaschine500 . - Die
1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem, bei dem die hier offenbarte Technologie verwirklicht ist. Gleichsam ist die hier offenbarte Technologie und das zur1 und zur2 Gesagte auch anwendbar auf ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine. - Die
1 zeigt einen Energiewandler300 , der hier als Brennstoffzellenstapel300 mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenstapel ist schematisch unterteilt in die Kathode K und die Anode A. Der Aufbau eines solchen Brennstoffzellenstapels ist dem Fachmann geläufig. Das Anodensubsystem um fast eine BrennstoffquelleH2 , die Brennstoff bereitstellt, z.B. Wasserstoff. Durch den Druckminderer211 wird der Druck in dem Anodenzuströmungspfad215 reduziert, bevor der Brennstoff in die Anode A vom Brennstoffzellenstapel300 gelangt. Nach der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel300 verlässt das Anodenabgas den Brennstoffzellenstapel und wird zumindest teilweise über den Rezirkulationsförderer236 rezirkuliert. Im Wasserabscheider232 wird Wasser aus dem Anodenabgas abgeschieden. Durch das Anodenspülventil238 wird Wasser und Purgegas aus dem Anodensubsystem in die Anodenspülleitung239 abgelassen. - Die Strömungsmaschine
500 saugt LuftO2 an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird im Ladeluftkühler420 gekühlt und gegebenenfalls weiter stromab im Kathodenzuströmungspfad415 durch eine Einrichtung430 zur Befeuchtung der Luft befeuchtet. Anschließend gelangt die befeuchtete Luft in die Kathode K des Brennstoffzellenstapels300 , wo die elektrochemische Reaktion mit dem Brennstoff der Anode A stattfindet. - Ferner gezeigt sind kathodenseitige Stapel-Absperrventile 470,480, die ebenso vorgesehen sein können wie der Bypass
460 . Dies muss aber nicht so sein. Nach der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel300 gelangt das Kathodenabgas durch den Kathodenabgaspfad in die Umgebung. - Die hier gezeigte Strömungsmaschine
500 umfasst eine Verdichtereinheit510 , die im Kathodenzuströmungspfad415 vorgesehen ist. Ferner umfasst die hier gezeigte Strömungsmaschine500 eine Turbineneinheit520 , die im Kathodenabgaspfad416 vorgesehen ist. Die Verdichtereinheit510 , die Turbineneinheit520 und der elektrische Antrieb530 sind hier über eine Welle540 starr miteinander verbunden. - Die
2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch die Strömungsmaschine500 . An einem Ende der Strömungsmaschine ist die Verdichtereinheit510 vorgesehen. Die Verdichtereinheit510 umfasst das spiralförmige Verdichtergehäuse516 mit der Volute V510. Die Verdichtereinheit510 umfasst ferner das Verdichterrad512 . Das Verdichterrad512 weist an seiner Vorderseite514 Leitschaufeln auf. - Gleichsam umfasst die Strömungsmaschine
500 eine Turbineneinheit520 mit einem spiralförmigen Turbinengehäuse526 , dass die Volute V520 ausbildet. Im Turbinengehäuse526 angeordnet ist hier das Turbinenrad522 . Das Turbinenrad522 weist an seiner Vorderseite524 Leitschaufeln auf. - Zwischen der Verdichtereinheit
510 und der Turbineneinheit520 ist der elektrische Antrieb530 im Antriebsgehäuse436 angeordnet. Der elektrische Antrieb530 umfasst hier einen Stator mit Statorblechen532 sowie einer Statorwicklung534 . Auf der Welle540 ist hier ferner ein Rotor535 des elektrischen Antriebs530 vorgesehen. Die Kühlmittelkanäle537 im Antriebsgehäuse536 dienen zur Kühlung vom Stator. - Im Turbinengehäuse
526 ist hier ein Kranz554 vorgesehen, in dem die verstellbaren Leitschaufeln553 gehalten sind. Die Leitschaufeln553 sind an einem Ende drehbar ausgebildet. Nicht gezeigt ist der Verstellring, der hier konzentrisch drehbar zum Kranz554 ausgebildet ist. Das Steuergestänge552 , die Leitschaufeln553 , der Verstellring und der Kranz554 sind hier vollständig im Turbinengehäuse526 (hier besonders bevorzugt in der Volute V520) angeordnet. In der hier dargestellten Ausbildung ist das Steuergestänge552 sowohl mit dem Verstellring als auch mit dem Aktuator551 gekoppelt. - Das Ende vom Steuergestänge
552 mündet im Aktuator551 . Die Drehbewegung vom Aktuator551 wird über das Steuergestänge552 auf den Verstellring übertragen, der dann die Leitschaufeln553 verstellt. Der Aktuator551 ist hier auf der Außenseite vom Turbinengehäuse526 angeordnet. Die Außenseite ist dabei die mit Bezug auf die Rückseite523 des Verdichterrads522 distalen und mit Bezug auf die Laufradvorderseite524 proximalen Außenwand526A vom Laufradgehäuse526 . Der Aktuator551 ist im Vergleich zum Lager544 weiter außen (weiter von der Wellenmitte) entfernt, wobei der radiale Abstand außer Betracht bleibt. Hier gezeigt ist lediglich das ein radiales Luftlager544 . Dasselbe gilt für das hier nicht gezeigt Axiallager bzw. für ein kombiniertes Luftlager. Somit ist eine besonders kurze Welle540 realisierbar. Es verringert/verringern sich Bauraumbedarf, Gewicht, Materialeinsatz und/oder Kosten. Vorteilhaft lässt sich ebenfalls die Effizienz verbessern. - Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. das/ein Verdichterrad, das/ein Gehäuse, die/eine Welle, die/eine Leitschaufel, die/eine Vorderseite, die/eine Verstelleinrichtung, das/ein Turbinenrad, das/ein Steuergestänge, der/ein Gehäuseabschnitt, der/ein Innenbereich, das/eine Luftlager, der/ein Ladeluftkühler, die/eine Einrichtung zur Befeuchtung, der/ein elektrischer Antrieb, die/eine Volute, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B das mindestens ein Verdichterrad, das mindestens ein Gehäuse, die mindestens eine Welle, die mindestens eine Leitschaufel, die mindestens eine Vorderseite, die mindestens eine Verstelleinrichtung, das mindestens eine Turbinenrad, das mindestens eine Steuergestänge, der mindestens eine Gehäuseabschnitt, der mindestens ein Innenbereich, das mindestens eine Luftlager, der mindestens eine Ladeluftkühler, die mindestens eine Einrichtung zur Befeuchtung, der mindestens eine elektrischer Antrieb, die mindestens eine Volute, etc.)
- 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.
Claims (11)
- Strömungsmaschine (500) für ein Kraftfahrzeug mit mindestens zwei Laufrädern (512, 522) und einer Verstelleinrichtung (550) zur Verstellung von Leitschaufeln (553) der Strömungsmaschine; wobei ein Aktuator (551) der Verstelleinrichtung (550) zumindest teilweise nicht angeordnet ist - zwischen den zwei Laufrädern (512, 522) und/oder - zwischen deren Laufradgehäuse (516, 526).
- Strömungsmaschine (500) nach
Anspruch 1 , wobei die zwei Laufräder (512, 522) mit einer Welle (540) verbunden sind; wobei die Welle (540) durch mindestens ein Lager (542, 544) in einem Gehäuse (536) gelagert ist; und wobei zumindest der Aktuator (551) in einer Richtung entlang der Längsachse (A-A) der Welle (540) weiter außen angeordnet ist als das mindestens eine Lager (540). - Strömungsmaschine (500) nach
Anspruch 2 , wobei das mindestens eine Lager (542) angeordnet ist zwischen den zwei Laufrädern (512, 522) und/oder deren Laufradgehäuse (516, 526). - Strömungsmaschine (500) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Aktuator (551) in der Richtung entlang der Längsachse (A-A) der Welle (540) weiter außen angeordnet ist als die Leitschaufeln (553).
- Strömungsmaschine (500) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Aktuator (551) in einer radialen Richtung (R) weiter außen angeordnet ist als die Leitschaufeln (553).
- Strömungsmaschine (500) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Aktuator (551) zumindest teilweise (520) außerhalb vom Laufradgehäuse (516, 526) vorgesehen ist.
- Strömungsmaschine (500) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend mindestens einen elektrischen Antrieb (530), der mit der Welle (540) verbunden ist.
- Strömungsmaschine (500) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verstelleinrichtung (550) eingerichtet ist, die Leitschaufeln (553) einer Turbine zu verstellen.
- Strömungsmaschine (500) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens ein Steuergestänge (552) mit dem Aktuator (551) und mit den Leitschaufeln (553) gekoppelt ist.
- Brennstoffzellensystem, umfassend eine Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche.
- Brennkraftmaschine, umfassend eine Strömungsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche.
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