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Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine Achswelle eines Turbokompressors, der eine Komponente eines Kathodenkreislaufs eines Brennstoffzellen-Stacks sein kann.
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Stand der Technik
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Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Basis für ein Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Beispielsweise PEM-Brennstoffzellen (PEM engl.:„proton-exchange-membrane“; Protonen-Austausch-Membran) können mit der Kathode der Brennstoffzelle zugeführter Luft mit Sauerstoff als Oxidationsmittel und der Anode der Brennstoffzelle zugeführtem Wasserstoff als Brennstoff in einem elektrokatalytischen Elektrodenprozess betrieben werden, um elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen.
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Solche Brennstoffzellen werden typischerweise gestapelt als Brennstoffzellen-Stack in einem Brennstoffzellen-Systemen betrieben. Die der Kathode des Brennstoffzellen-Stacks zugeführte Luft wird mittels eines Turbokompressors verdichtet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Lagerung der Antriebswelle eines solchen Turbokompressors wird entweder mit Wälzlagern, mit dem Nachteil einer hohen Reibung und einer entsprechend geringen Lebensdauer oder mit hydrodynamischen Luftlagern, die, wegen der benötigten hohen Genauigkeit, aufwendig zu fertigen sind, umgesetzt. Beide Varianten haben ebenfalls den Nachteil, dass in den Lagern und/oder in der elektrischen Maschine entstehende Wärme nur schlecht abgeführt werden kann.
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Entsprechend einem Aspekt wird eine Lageranordnung für eine Achswelle eines Turbokompressors, eine Verwendung der Lageranordnung, ein Turbokompressor und ein Kathodenkreislauf eines Brennstoffzellen-Stacks entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen, die zumindest zum Teil die beschriebenen Aufgaben lösen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Lageranordnung für eine Achswelle eines Turbokompressors, mit zumindest einem wasserhydraulischen Lager vorgeschlagen, das eingerichtet ist, die Achswelle des Turbokompressors drehbar zu lagern, wobei das wasserhydraulische Lager die Achswelle an einem Umfang der Achswelle umschließt, um dazwischen einen Lagerspalt zu bilden. Dabei ist das wasserhydraulische Lager eingerichtet, Wasser durch den Lagerspalt fließen zu lassen, um die Achswelle wasserhydraulisch zu lagern. Weiterhin weist die Lageranordnung zumindest eine Gaszuführung auf, die Gas mit erhöhtem Druck vom Turbokompressor an beide äußeren Ränder des Lagerspaltes zum Abdichten des Lagers führt.
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Ein solcher Turbokompressor weist typischerweise zwei Turbomaschinen auf, die mit einer gemeinsamen Achswelle mechanisch fest verbunden sind und zwei solcher Lageranordnungen aufweisen können.
Durch die höhere Viskosität von Wasser gegenüber Luft können die Lagergenauigkeiten eines solchen wasserhydraulischen Lagers in einer solchen Lageranordnung deutlich reduziert werden und die Tragfähigkeit des Lagers steigt bei ähnlichen Abmessungen deutlich an.
Die in den Lagern entstehende Wärme kann durch diesen Aufbau bedingt mit dem Wasser abgeführt werden und das Wasser kann auch verwendet werden, um die Wärme der elektrischen Maschine abzuführen. Besonders vorteilhaft ist, dass ein Turbokompressor, der in einem System eines Brennstoffzellen-Stacks angeordnet ist, das für das wasserhydraulische Lager notwendige Wasser, beispielsweise durch Kondensation der aus dem Brennstoffzellen-Stack austretenden Luftströmung, leicht bereitstellen kann.
Durch die äußere Beaufschlagung der jeweiligen Ränder des Dichtungsspaltes mit Gas des Turbokompressors kann die Lageranordnung abgedichtet werden, um den Austritt von Wasser an den Rändern des Lagerspalts zu verhindern. Mit anderen Worten führt dies zu einer besonders guten Abdichtung der Lageranordnung, was insbesondere wichtig ist damit das Wasser des wasserhydraulischen Lagers nicht in die Turbine gelangt, um Tropfenschlag zu vermeiden. Somit kann mit einer solchen Lageranordnung eine zuverlässige Abdichtung und gegebenenfalls auch Kühlung der hydrodynamischen Lager erreicht werden, indem der Rand des Lagerspalts mit komprimierter Luft des Turbokompressors beaufschlagt wird, um das flüssige Medium wie beispielsweise Wasser daran zu hindern am Rand des Lagerspalts auszutreten. Wenn dieses Wasser in einen Kühlkreislauf des Turbokompressors geführt wird, kann damit auch die Wicklung des Stators des elektrischen Antriebs des Turbokompressors gekühlt werden.
Dieses Gas steht dabei vorteilhafterweise in einem solchen System mit einem Turbokompressor inhärent zur Verfügung und kann sowohl von der Kompressor- bzw. Verdichterseite als auch von der Turbinenseite des Turbokompressors bereitgestellt werden. Das wasserhydraulische Lager stellt ein Gleitlager dar, und kann dabei als hydrostatisches oder hydrodynamisches Lager ausgebildet sein.
Der höhere Druck des Gases (Luft) beispielsweise vom Kompressor des Turbokompressors, der auf die beiden äußeren Ränder des Lagerspalts wirkt, wird dazu verwendet das Entweichen des Lagermediums, wie beispielsweise des Wassers, zu verhindern.
Das bedeutet also, dass das niedrigviskose Medium, wie beispielsweise Wasser, hohe Drehzahlen des Turbokompressors ermöglicht, ohne sich unzulässig zu erwärmen. Die Gefahr von Rostbildung beim Medium Wasser kann durch die Beschichtung der Achswelle im Bereich des Lagerspalts verhindert werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Lageranordnung zumindest einen Kanal zur Zufuhr von Luft vom Turbokompressor an die beiden äußeren Ränder des Lagerspalts aufweist.
Über einen solchen Kanal kann komprimierte Luft von dem Verdichterteil oder dem Turbinenteil des Turbokompressors an die äußeren Ränder des Lagerspaltes des jeweiligen hydrodynamischen Lagers geführt werden. Dabei kann der Kanal sowohl innerhalb der Lagerschale geführt werden als auch entlang der Achswelle, um die komprimierte Luft von dem Verdichterteil oder von dem Turbinenteil an das jeweilige hydrodynamische Lager zu führen.
Damit wird erreicht, dass ein entsprechend ausreichender Teil der Luftströmung durch den Turbokompressor mit ausreichendem Druck an die Ränder der jeweiligen Lagerspalte geführt wird, um das hydrodynamische Lager zu dichten. Ein solcher Kanal kann auch als eine Ausnehmung in der Lagerschale ausgeführt sein, womit ein höherer Luftstrom erzielt werden kann.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Lager zumindest eine Zufuhröffnung aufweist, um den Lagerspalt zur Bereitstellung von Wasser für den Lagerspalt mit einem Wassertank fluidmäßig zu verbinden.
Durch dieses Wasser in dem Lagerspalt kann das Lager mit der Lageranordnung mit dem wasserhydraulischen Lager drehbar gelagert werden. Mit der Anzahl und der Anordnung von Zufuhröffnungen für das Wasser für den Lagerspalt kann eine gleichmäßige Verteilung von Wasser in dem Lagerspalt zur Optimierung der Gleiteigenschaften und der Tragfähigkeit des Lagers erreicht werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Lager zumindest zwei Abflussöffnungen zum Abfluss von Wasser aus dem Lagerspalt aufweist. Durch die Anordnung und die Anzahl von Abflussöffnungen für das Wasser in dem Lagerspalt kann der Fluss des Wassers durch den Lagerspalt optimiert werden um die Gleiteigenschaften und die Tragfähigkeit des Lagers den Anforderungen entsprechend anzupassen.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das wasserhydraulische Lager ein hydrodynamisches Lager ist und eingerichtet ist, Wasser für den Lagerspalt selbst anzusaugen.
Das hydrodynamische Gleitlager ist ein Gleitlager, in dem sich der Schmiermittel-Druck bei Betrieb des Lagers an derjenigen Stelle, wo die Kraftübertragung zwischen den beiden Lagerteilen erfolgt, selbsttätig bildet. Der Schmierspalt ist an dieser Stelle keilförmig (Schmierkeil), so dass im von der Oberfläche des bewegten Lagerteils in die Verengung hinein mitgenommenen Schmierstoff höherer Druck entsteht, bzw. die Kraftübertragung über einen zwischengefügten Schmiermittel-Film erfolgt. Dazu kann die Achswelle so angeordnet sein, dass sie in Bezug auf das Lager eine exzentrische Position einnehmen kann. Vorteilhafterweise benötigt ein hydrodynamisches Lager keinen von außen aufgebrachten Wasserdruck, da es das Wasser selbstständig aus dem Tank ansaugen kann.
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Beim hydrostatischen Gleitlager wird Schmierstoff mit einer externen Pumpe an der kraftübertragenden Stelle und unter erforderlichem Druck zugeführt. Da die Pumpe permanent arbeiten kann, herrscht hier Schmierstoffreibung auch am Beginn und am Ende des Lagerbetriebs (während des Anfahrens und Auslaufens). Der bei hoch belasteten Lagern erforderliche und in hydrodynamischen Gleitlagern entstehende Druck wäre allerdings mit einer Pumpe nicht leicht herstellbar. Hoch belastete hydrodynamische Gleitlager werden gelegentlich für das Anfahren und Auslaufen zusätzlich mit einer Pumpe ausgerüstet.
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Wenn das wasserhydraulische Lager als hydrostatisches Lager ausgeführt wird, baut eine solche Pumpe den notwendigen Druck in dem Lagerspalt auf. Für ein hydrodynamisches Lager kann eine solche Pumpe beispielsweise zum verschleißarmen Anfahren des Turbokompressors verwendet werden, weil mit der Pumpe ein Anfangsdruck bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Lageranordnung eine Achswelle aufweist, die eingerichtet ist, mit der Lageranordnung zusammen eine Fliehkraftdichtung zu bilden.
Dazu kann die Achswelle Strukturen an ihrem Umfang aufweisen, die aufgrund der Fliehkraft das Wasser in Abflussöffnung des hydrodynamischen Lagers transportiert und somit die Dichtheit des hydrodynamischen Lagers verbessert.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das wasserhydraulische Lager in einer Lagerschale gebildet ist, die eingerichtet ist, von einem Lagerschild des Turbokompressors formschlüssig aufgenommen zu werden.
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Eine solche Lagerschale kann an einem Umfang der Achswelle angeordnet werden und somit eine wirtschaftliche Fertigung eines Turbokompressors mit einem hydrodynamischen Lager gewährleisten. Eine solche Lagerschale kann in Form einer Buchse ausgeführt sein, über die Achswelle geführt und in das Lagerschild eingebracht werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Lageranordnung einen Wassertank und eine Pumpe aufweist, und eingerichtet ist, über die Zufuhröffnung des Lagers, Wasser von dem Wassertank in den Lagerspalt zu pumpen. Mit einer solchen Pumpe kann durch den damit erreichten Wasserdruck ein hydrostatisches Lager betrieben werden oder ein hydrodynamisches Lager angefahren werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das aus der Lageranordnung ausfließende Wasser zur Befeuchtung von Luft verwendet wird, die einer Kathode eines Brennstoffzellensystems mittels des Turbokompressors zugeführt wird. Somit kann das Wasser dem Brennstoffzellensystem wieder zugeführt werden, nachdem es das wasserdynamische Lager der Lageranordnung und/oder gegebenenfalls auch einen Kühlwasserkreislauf des Turbokompressors durchströmt hat.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das aus der Lageranordnung ausfließende Wasser zur Kühlung von Komponenten eines Brennstoffzellensystems verwendet wird.
Da neben dem Turbokompressor auch Wärme aus anderen Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie beispielsweise elektronischen Komponenten, abgeführt werden muss, kann das Wasser auch dafür verwendet werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Wasser für das hydrodynamische Lager kondensiertes Wasser eines Brennstoffzellen-Systems aufweist. Das bedeutet vorteilhafterweise, dass das Wasser nicht mitgeführt werden muss, sondern im Betrieb der Brennstoffzelle generiert wird, um beispielsweise zu Kühlzwecken zur Verfügung zu stehen. Dazu kann ein solches Brennstoffzellensystem einen Wasserabscheider, insbesondere am Ausgang der Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks, vorsehen, wobei das abgeschiedene Wasser des Wasserabscheiders dann einem Wassertank zugeführt werden kann.
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Der Wasserabscheider kann eingerichtet sein, sowohl tröpfchenförmiges Wasser aus dem Kathodengas abzuscheiden als auch gasförmiges Wasser zu kondensieren. Der Wasserabscheider kann insbesondere auch als Kondensator ausgeführt sein oder als eine Kombination aus Wasserabscheider und Kondensator ausgeführt sein. Der Begriff Wasserabscheider umfasst somit sowohl den Begriff Wasserabscheider an sich als auch den Begriff eines Kondensators.
Mit einem so ausgeführten Wasserabscheider kann das Produkt-Wasser des in unterschiedlichen Betriebspunkten betriebenen Brennstoffzellen-Stacks abgeschieden werden. Insbesondere, wenn das austretende Kathodengas mit Wasser nicht gesättigt ist, vollständig gesättigt ist und auch wenn es zusätzlich Wassertropfen, zum Beispiel in Form von Nebel oder schon an anderer Stelle des Systems kondensiertes Wasser, enthält, kann dieses Wasser abgeschieden werden. Dabei kann ein solcher Wasserabscheider einen Zyklon aufweisen und/oder einen Kondensator.
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Es wird eine Verwendung einer der oben beschriebenen Lageranordnungen zur Lagerung einer Achswelle eines Turbokompressors vorgeschlagen, wobei der Turbokompressor eine Komponente eines Brennstoffzellensystems ist.
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Da in einem solchen Brennstoffzellensystem, wie es oben beschrieben ist, das Wasser im laufenden Betrieb generiert wird, kann ein so gelagerter Turbokompressor hier besonders vorteilhaft eingesetzt werden.
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Es wird ein Turbokompressor mit einer Lageranordnung, wie sie oben beschrieben ist, vorgeschlagen, wobei der Turbokompressor einen Flüssigkeits-Kühlkreislauf aufweist, und das dem Lagerspalt zufließende und/oder abfließende Wasser durch den Flüssigkeit-Kühlkreislauf geleitet wird, um Wärme der elektrischen Maschine des Turbokompressors abzuführen.
Das für die hydraulische Lagerung notwendige Wasser kann auf dem Weg zur Lagerstelle durch die thermisch hochbelasteten Bauteile der E-Maschine geführt werden und diese kühlen. Zwischen den Lagerstellen sitzt der Antriebsmotor, dessen Bauteile gekühlt werden müssen. Das für die hydraulische Lagerung notwendige Wasser kann auf dem Weg zur Lagerstelle durch die thermisch hochbelasteten Bauteile der E-Maschine geführt werden und diese kühlen.
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Es wird ein Kathodenkreislauf eines Brennstoffzellen-Stacks mit einem oben beschriebenen Turbokompressor und einem Befeuchter zum Befeuchten des Kathodengases vorgeschlagen, wobei der Kathodenkreislauf eingerichtet ist, das aus der Lageranordnung abfließende Wasser dem Befeuchter zuzuführen. Der Luft-Massenstrom, den der Verdichter des Turbokompressors fördert, muss befeuchtet und gekühlt werden. Das aus dem wasserhydraulischen Lager austretende Wasser kann diese Aufgabe mit übernehmen.
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Das Kathodengas, das der Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks zugeführt wird, weist ein Oxidationsmittel für die elektrokatalytische Reaktion der Brennstoffzellen im Brennstoffzellen-Stack auf, wobei das Oxidationsmittel insbesondere Sauerstoff bzw. Luft aufweisen kann.
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Mit anderen Worten ist der Wasser-Abscheider eingerichtet, einen Gasstrom von einem Elektrodenraum des Brennstoffzellen-Stacks aufzunehmen und Wasser beim Durchleiten des Gasstroms durch den Wasser-Abscheider aus dem Gasstrom abzuscheiden, wobei der Gasstrom Produktwasser aus einem Elektrodenraum des Brennstoffzellen-Stacks mitführt.
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Somit kann das Produktwasser, das wie beschrieben in großen Maßen beim Betrieb des Brennstoffzellen-Stacks anfällt, für weitere Zwecke verwendet werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass eine mobile Plattform einen Turbokompressor mit einer Lageranordnung, wie sie oben beschrieben wurde, aufweist.
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Eine mobile Plattform kann ein zumindest teilweise automatisiertes System sein, das mobil ist, und/oder ein Fahrerassistenzsystem. Ein Beispiel kann ein zumindest teilweise automatisiertes Fahrzeug bzw. ein Fahrzeug mit einem Fahrerassistenzsystem sein. Das heißt, in diesem Zusammenhang beinhaltet ein zumindest teilweise automatisiertes System eine mobile Plattform in Bezug auf eine zumindest teilweise automatisierte Funktionalität, aber eine mobile Plattform beinhaltet auch Fahrzeuge und andere mobile Maschinen einschließlich Fahrerassistenzsysteme. Jedes dieser Systeme kann ein vollständig oder teilweise autonomes System sein.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der 1 näher erläutert. Hierbei zeigt die
- 1 eine Lageranordnung für eine Achswelle eines Turbokompressors.
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Die 1 skizziert eine Lageranordnung 100 für eine Achswelle 120 eines Turbokompressors. Die gemeinsame Achswelle 120 des Turbokompressors wird mit zwei solchen Lageranordnungen 100 mit wasserhydraulischen Lagern 110 gelagert. Zwischen den wasserhydraulischen Lagern 110 ist ein elektrischer Antriebsmotor des Turbokompressors angeordnet, dessen Komponenten im Betrieb Wärme generieren, die abgeführt werden muss.
Dabei ist in der 1 der Turbokompressor nur mit seiner Kupferwicklung 140 in einer Vergussmasse, einem Eisenblech 144 des Motors, der Statoraufnahme 146, d. h. der Kühlhülse, dem Motorgehäuse 150 mit Kühlöffnungen und dem Lagerschild 130 angedeutet.
Das wasserhydraulische Lager 110 der Lageranordnung 100 ist eingerichtet die Achswelle 120 des Turbokompressors drehbar zu lagern, wobei das wasserhydraulische Lager 110 die Achswelle 120 an einem Umfang der Achswelle 120 umschließt, um dazwischen einen Lagerspalt 114 zu bilden.
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Dabei ist das wasserhydraulische Lager 110 eingerichtet, Wasser 116, das durch einen Kanal 115 dem Lager 110 zugeführt wird, durch den Lagerspalt 114 fließen zu lassen, um die Achswelle 120 wasserhydraulisch zu lagern.
Der Kanal 115 kann dazu mit einem Wassertank über eine fluiddurchlässige Verbindungsleitung verbunden sein. Bei einem hydrostatischen Lager der Lageranordnung 100 kann in der Verbindungsleitung zum Tank eine Pumpe vorgesehen sein, die das Wasser in den Lagerspalt 114 pumpt. Auch bei einem hydrodynamischen Lager 100 kann eine solche Pumpe in der Verbindungsleitung zum Tank vorgesehen sein, um zum Anlaufen des Turbokompressors einen Wasserdruck im Lagerspalt 114 aufzubauen.
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Weiterhin weist die Lageranordnung 100 zumindest eine Gaszuführung 142,143, 162, 163 auf, die Gas mit erhöhtem Druck vom Turbokompressor an beide äußeren Ränder des Lagerspaltes 114 zum Abdichten des wasserhydraulischen Lagers 110 führt. Dazu kann das Lagerschild 130 zumindest einen Luftkanal 143 aufweisen, der in dem Lagerschild 130 zusätzlich zu einem Luftspalt 142 um den Stator des elektrischen Antriebs des Turbokompressors ausgebildet ist. Das Gas des Turbokompressors kann auch zur Luftkühlung des Elektroantriebs des Turbokompressors verwendet werden.
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Das wasserhydraulische Lager 110 ist mit zwei Abflussöffnungen 112 im Bereich des Lagerspalts 114 eingerichtet, das Wasser 116 aus dem Lagerspalt 114 abfließen zu lassen und das Wasser 116 kann über einen Abflusskanal 118, der in der Lagerschale 130 gebildet sein kann, aus dem Turbokompressor abgeführt werden.
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Dieses Wasser 116, dass durch den Lagerspalt 114 geleitet wird, kann entweder einer Kathoden-Luftströmung eines Brennstoffzellensystems und/oder einem Flüssigkeits-Kühlkreislauf des Turbokompressors zugeführt werden.
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Dazu kann dieses Wasser 116 einem Befeuchter eines Systems zum Betrieb eines Brennstoffzellen-Stacks zugeführt werden, der in der Zuführung von Luft für die Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks angeordnet ist.
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Das für die wasserhydraulischen Lager verwendete Wasser, das einem Wassertank entnommen wird, kann kondensiertes Wasser aus einem Luftmassenstrom eines Austrittsanschlusses einer Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks aufweisen. Dazu kann ein Kondensor in diesem Luftmassenstrom angeordnet sein und dieses kondensierte Wasser kann über eine fluiddurchgängige Leitung in den Wassertank geleitet werden.
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Das wasserhydraulische Lager 110 kann als hydrodynamisches Lager 110 eingerichtet sein, das Wasser 116 über den Kanal 115 im Lagerschild 130 selbst einzusaugen. Zur Abdichtung des Lagerspalts 114 weist die Achswelle 120 an ihrem Umfang Strukturen 122 auf, die mit der Lageranordnung zusammen eine Fliehkraftdichtung für den Lagerspalt 114 bilden. Dabei ist das wasserhydraulische Lager 110 in einer Lagerschale gebildet, die von dem Lagerschild 130 formschlüssig aufgenommen wird.
