DE102020211824A1

DE102020211824A1 - Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem sowie Verwendung eines Seitenkanalverdichters

Info

Publication number: DE102020211824A1
Application number: DE102020211824.8A
Authority: DE
Inventors: Armin Merz; Alexander Hero
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-09-22
Filing date: 2020-09-22
Publication date: 2022-03-24
Also published as: WO2022063484A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Seitenkanalverdichter (1) für ein Brennstoffzellensystem (2) zum Fördern und/oder Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff oder einem Wasserstoff enthaltenden Gas, umfassend ein Gehäuse (3), in dem ein Elektromotor mit einem Stator (4) und einem Rotor (5) zum Antreiben eines mit dem Rotor (5) verbundenen Laufrads (6) aufgenommen sind. Erfindungsgemäß ist der Elektromotor eine Axial- oder Radialflussmaschine mit Permanentmagneten (7), die am oder im Stator (4) angeordnet sind.Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (2) mit einem erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter (1) sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters (1) als Rezirkulationsgebläse in einem Brennstoffzellensystem (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter sowie eine bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen verwenden Wasserstoff und Sauerstoff zur Energieerzeugung. Die mit Hilfe der Brennstoffzellen erzeugte Energie kann beispielsweise zum Antreiben eines Fahrzeugs genutzt werden. Das Fahrzeug wird hierzu mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet, das einen Tank zum Bevorraten von Wasserstoff umfasst. Der ferner benötigte Sauerstoff kann der Umgebungsluft entnommen werden.
Ein Brennstoffzellensystem weist zur Leistungssteigerung in der Regel eine Vielzahl von Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung, das heißt einen Brennstoffzellenstapel bzw. ein „Stack“ auf. Der Wasserstoff wird über einen Anodenpfad einer Anode des Stacks zugeführt. Um den Wasserstoffverbrauch zu senken, wird aus dem Stack austretendes Anodenabgas, das noch unverbrauchten Wasserstoff enthält, über einen Rezirkulationspfad rezirkuliert. Zur Sicherstellung einer ausreichenden Wasserstoffversorgung wird dem rezirkulierten Anodenabgas frischer Wasserstoff aus dem Tank beigemischt. Die Rezirkulation kann passiv, beispielsweise mit Hilfe einer Saugstrahlpumpe, und/oder aktiv mit Hilfe eines im Rezirkulationspfad angeordneten Rezirkulationsgebläses bewirkt werden. Als Rezirkulationsgebläse kommt in der Regel ein Seitenkanalverdichter zum Einsatz.
Ein Seitenkanalverdichter umfasst zum Fördern und/oder Verdichten eines Fluids ein rotierendes Laufrad. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Laufrads und/oder der Fluidführung durch den Seitenkanalverdichter kann zwischen einem Sternradverdichter oder einem Peripheralverdichter unterschieden werden. Bei beiden wird das zu fördernde und/oder zu verdichtende Fluid wird über einen Zulaufstutzen einem Arbeitsraum zugeführt, in dem das rotierende Laufrad aufgenommen ist. Über das Laufrad wird die Bewegungsenergie auf das Fluid übertragen und in Druckenergie gewandelt, so dass im Bereich eines Ablaufstutzens des Seitenkanalverdichters der Druck gegenüber dem Druck im Zulaufstutzen erhöht ist. Der Antrieb des Laufrads erfolgt in der Regel elektromotorisch.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Seitenkanalverdichter einfacher und zugleich robuster zu gestalten. Insbesondere soll der Bauraumbedarf eines Seitenkanalverdichters gesenkt werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird der Seitenkanalverdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner werden ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter sowie eine bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters vorgeschlagen.
Offenbarung der Erfindung
Der vorgeschlagene Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zum Fördern und/oder Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff oder einem Wasserstoff enthaltenden Gas, umfasst ein Gehäuse, in dem ein Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor zum Antreiben eines mit dem Rotor verbundenen Laufrads aufgenommen sind. Erfindungsgemäß ist der Elektromotor eine Axial- oder Radialflussmaschine mit Permanentmagneten, die am oder im Stator angeordnet sind.
Die Ausführung des Elektromotors als Axial- oder Radialflussmaschine ermöglicht eine kompakte Bauweise, so dass Bauraum eingespart wird. Durch den Verbau der Permanentmagnete am oder im Stator kann der Rotor vereinfacht werden. Zugleich wird die mechanische Belastung der Permanentmagnete gesenkt, da auf diese - im Unterschied zur Anordnung am oder im Rotor - keinerlei Fliehkräfte mehr wirken.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Elektromotor ein Flux-Reversal-PM-Elektromotor, und zwar in der Ausführung als Axial- oder Radialflussmaschine. Besonders bevorzugt wird ein Flux-Reversal-PM-Elektromotor in der Ausführung als Axialflussmaschine eingesetzt, da diese eine verkürzte axiale Länge aufweist. Zugleich besitzt die Axialflussmaschine eine hohe Effizienz aufgrund einer erzielbar hohen Drehmoment- bzw. Leistungsdichte.
In der bevorzugten Ausgestaltung als Axialflussmaschine sind vorzugsweise die Permanentmagnete im Bereich einer vorder- oder rückseitigen Stirnfläche des Stators angeordnet. Die Anordnung kann dann ringförmig anlog der sonst üblichen Anordnung am Rotor vorgenommen werden.
Anstelle einer Anordnung am Stator können die Permanentmagnete auch in den Stator integriert sein. Beispielsweise können die Permanentmagnete in Wicklungen tragende Zähne des Stators integriert sein. Durch die Integration der Permanentmagnete kann der Bauraumbedarf des Seitenkanalverdichters weiter gesenkt werden.
Vorteilhafterweise sind die Permanentmagnete segmentförmig ausgestaltet. Insbesondere ist die Form der Permanentmagnete an die Form der Zähne des Stators angepasst, die in der Regel in der Draufsicht segmentförmig ausgebildet sind. Die Permanentmagnete können somit in einfacher Weise auf den Zähnen angeordnet oder in die Zähne integriert werden.
Des Weiteren bevorzugt ist der Stator einschließlich der Permanentmagnete in einem Bereich des Gehäuses aufgenommen, der von einem das gasförmige Medium führenden Bereich getrennt ist. Auf diese Weise kann die Belastung der Permanentmagnete weiter gesenkt werden, da sie nicht mehr dem gasförmigen Medium ausgesetzt sind. Insbesondere müssen keine Anforderungen an die Di-Wasser oder Wasserstoffbeständigkeit erfüllt werden, wenn der Seitenverdichter in einem Brennstoffzellensystem zum Fördern und/oder Verdichten von Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gas eingesetzt wird.
Bevorzugt ist der den Stator aufnehmende Bereich von dem das gasförmige Medium führenden Bereich durch ein in das Gehäuse eingesetztes Deckelteil getrennt. Das Deckelteil ist einfach zu montieren und kann mit einer umlaufenden Dichtung versehen werden, so dass der den Stator aufnehmende Bereich mediendicht abgeschlossen ist. Das Deckelteil ist vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt, das heißt aus einem nicht magnetisierbaren Material.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Stator einschließlich der Permanentmagnete in einem ersten Gehäuseteil des Gehäuses und der Rotor einschließlich des Laufrads in einem zweiten Gehäuseteil des Gehäuses aufgenommen sind. Die mehrteilige Ausbildung des Gehäuses erleichtert die Montage des Seitenverdichters, insbesondere das Einsetzen des Deckelteils, um den Bereich, in dem der Stator einschließlich der Permanentmagnete aufgenommen ist, von dem das gasförmige Medium führenden Bereich zu trennen.
Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter vorgeschlagen. Der Seitenkanalverdichter ist dabei in einem Rezirkulationspfad des Brennstoffzellensystems zum Fördern und/oder Verdichten von Anodenabgas eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems angeordnet. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters kommen auch in dem Brennstoffzellensystem zum Tragen. Insbesondere können durch Einsatz des erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters der Bauraumbedarf gesenkt und die Robustheit des Brennstoffzellensystems gesteigert werden.
Da in einem Brennstoffzellensystem der erfindungsgemäße Seitenkanalverdichter vorzugsweise in einem Rezirkulationspfad zum Fördern und/oder Verdichten von Anodenabgas eingesetzt wird, wird ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters als Rezirkulationsgebläse in einem Brennstoffzellensystem vorgeschlagen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters,
2 eine perspektivische Darstellung des Stators des Seitenkanalverdichters der 1,
3 eine perspektivische Darstellung des Rotors des Seitenkanalverdichters der 1 und
4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Seitenkanalverdichter 1 dargestellt, der als Axialflussmaschine ausgeführt ist. Der dargestellte Seitenkanalverdichter 1 ist beispielsweise als Rezirkulationsgebläse in einem Brennstoffzellensystem 2 einsetzbar. Er umfasst ein mehrteilig ausgeführtes Gehäuse 3 mit einem ersten Gehäuseteil 3.1, in dem ein Stator 4 aufgenommen ist, und einem zweiten Gehäuseteil 3.2, in dem ein Rotor 5 mit einem Laufrad 6 aufgenommen ist.
Das Laufrad 6 ist fest mit einer Nabe 16 des Rotors 5 verbunden (siehe 3), so dass der Rotor 5 bei einer Drehbewegung das Laufrad 6 mitführt. Der Stator 4 weist ein Statorjoch 17 sowie Wicklungen 9 tragende Zähne 10 auf, die in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet sind (siehe 2). Die Zähne 10 bilden eine Stirnfläche 8 des Stators 4 aus, auf der vorliegend segmentförmige Permanentmagnete 7 angeordnet sind. Mit Hilfe der Permanentmagnete 7 ist der Rotor 5 in einer Drehbewegung antreibbar.
Abweichend von den Darstellungen der 1 und 2 können die Permanentmagnete 7 auch auf einer rückseitigen Stirnfläche des Stators 4 angeordnet oder in die Zähne 10 des Stators 4 integriert werden.
Der 4 ist beispielhaft ein Brennstoffzellensystem 2 eines Fahrzeugs zu entnehmen, in welches der erfindungsgemäße Seitenkanalverdichter 1 zum Einsatz gelangen kann.
Das dargestellte Brennstoffzellensystem 2 weist einen Brennstoffzellenstapel 15 auf, dem über einen Kathodenpfad 18 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt wird. Die Luft wird der Umgebung entnommen und mit Hilfe eines im Kathodenpfad 18 angeordneten Verdichters 19 verdichtet. Aus dem Brennstoffzellenstapel 15 austretende Luft wird einer Abgasturbine 20 zur Energierückgewinnung zugeführt. Zuvor wird im Abgas enthaltenes Wasser abgeschieden und in einer Befeuchtungseinrichtung 21 zum Befeuchten der verdichteten Luft genutzt. Um im Abstellfall die Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel 15 zu unterbrechen, ist im Kathodenpfad 18 ein Absperrventil 22 angeordnet.
Das dargestellte Brennstoffzellensystem 2 weist ferner einen Anodenpfad 23 auf, über den der Brennstoffzellenstapel 15 mit Wasserstoff aus einem mehrere Druckgasbehälter 24 umfassenden Tanksystem versorgbar ist. Dem Wasserstoff wird zuvor aus dem Brennstoffzellenstapel 15 austretendes Anodenabgas beigemischt, das hierzu über einen Rezirkulationspfad 14 rezirkuliert wird. Die Rezirkulation wird vorliegend sowohl passiv mit Hilfe einer im Anodenpfad 23 angeordneten Saugstrahlpumpe 25, als auch aktiv mit Hilfe eines im Rezirkulationspfad 14 angeordneten Seitenkanalverdichters 1 bewirkt. Dieser ist vorzugsweise erfindungsgemäß ausgebildet. Zum Unterbrechen der Wasserstoffzufuhr ist zudem im Anodenpfad 23 ein weiteres Absperrventil 26 angeordnet.

Claims

Seitenkanalverdichter (1) für ein Brennstoffzellensystem (2) zum Fördern und/oder Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff oder einem Wasserstoff enthaltenden Gas, umfassend ein Gehäuse (3), in dem ein Elektromotor mit einem Stator (4) und einem Rotor (5) zum Antreiben eines mit dem Rotor (5) verbundenen Laufrads (6) aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor eine Axial- oder Radialflussmaschine mit Permanentmagneten (7) ist, die am oder im Stator (4) angeordnet sind.
Seitenkanalverdichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Flux-Reversal-PM-Elektromotor ist.
Seitenkanalverdichter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (7) im Bereich einer vorder- oder rückseitigen Stirnfläche (8) des Stators (4) angeordnet sind.
Seitenkanalverdichter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (7) in Wicklungen (9) tragende Zähne (10) des Stators (4) integriert sind.
Seitenkanalverdichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (7) segmentförmig ausgestaltet sind.
Seitenkanalverdichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (4) einschließlich der Permanentmagnete (7) in einem Bereich (11) des Gehäuses (3) aufgenommen ist, der von einem das gasförmige Medium führenden Bereich (12) getrennt ist.
Seitenkanalverdichter (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der den Stator (4) aufnehmende Bereich (11) von dem das gasförmige Medium führenden Bereich (12) durch ein in das Gehäuse (3) eingesetztes Deckelteil (13) getrennt ist, das vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt ist.
Seitenkanalverdichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (4) einschließlich der Permanentmagnete (7) in einem ersten Gehäuseteil (3.1) des Gehäuses (3) und der Rotor (5) einschließlich des Laufrads (6) in einem zweiten Gehäuseteil (3.2) des Gehäuses (3) aufgenommen sind.
Brennstoffzellensystem (2) mit einem Seitenkanalverdichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Seitenkanalverdichter (1) in einem Rezirkulationspfad (14) des Brennstoffzellensystems (2) zum Fördern und/oder Verdichten von Anodenabgas eines Brennstoffzellenstapels (15) des Brennstoffzellensystems (2) angeordnet ist.
Verwendung eines Seitenkanalverdichters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Rezirkulationsgebläse in einem Brennstoffzellensystem (2).