DE102021106687A1

DE102021106687A1 - Luftverdichtungssystem, brennstoffzellensystem sowie fahrzeug

Info

Publication number: DE102021106687A1
Application number: DE102021106687.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Knoop; Stefan GERHARDT; Benjamin Pieck
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2022-09-22
Also published as: WO2022194983A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Luftverdichtungssystem (1) für ein Brennstoffzellensystem, umfassend ein Gehäuse (2), in dem eine Welle mit mindestens einem Verdichterrad und ein Elektromotor (16) aufgenommen sind, wobei das Gehäuse (2) einen koaxial in Bezug auf eine Drehachse (A) der Welle angeordneten Lufteinlass (3) sowie einen radial in Bezug auf die Drehachse (A) angeordneten Luftauslass (4) aufweist und wobei im Bereich des Luftauslasses (4) eine Kühleinrichtung (5), insbesondere ein Ladeluftkühler, integriert ist.Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Luftverdichtungssystem für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystem. Da das Luftverdichtungssystem und das Brennstoffzellensystem insbesondere für mobile Anwendungen geeignet sind, wird ferner ein Fahrzeug mit einem entsprechenden System vorgeschlagen.
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme benötigen Sauerstoff, der in mindestens einer Brennstoffzelle des Systems mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf reagiert. Auf diese Weise wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung erzeugt. Als Sauerstoffquelle dient üblicherweise Umgebungsluft, die der Brennstoffzelle mittels eines Luftverdichtungssystems zugeführt wird, da der Prozess einen bestimmten Luftmassenstrom und ein bestimmtes Druckniveau erfordert. Das Luftverdichtungssystem umfasst in der Regel eine hochdrehende Strömungsmaschine mit mindestens einem auf einer Welle angeordneten Verdichterrad, das elektromotorisch angetrieben wird. Zur Energierückgewinnung kann auf der Welle ein Turbinenrad angeordnet sein, dem aus der Brennstoffzelle austretende feuchte Luft zugeführt wird. In diesem Fall handelt es sich bei der Strömungsmaschine um einen elektromotorisch angetriebenen Abgasturbolader.
Die mit Hilfe einer hochdrehenden Strömungsmaschine verdichtete Luft kann Temperaturen bis zu 200°C erreichen. Daher wird sie vor ihrem Eintritt in die Brennstoffzelle gekühlt. In der Regel wird hierzu ein Ladeluftkühler verwendet, welcher der Strömungsmaschine nachgeschaltet ist. Da die Strömungsmaschine akustisch entkoppelt werden muss, wird ein gewisser Toleranz- und Bewegungsausgleich zwischen der Strömungsmaschine und dem Ladeluftkühler benötigt, so dass hohe Anforderungen an die Schnittstelle zwischen diesen beiden Bauteilen gestellt werden. Zugleich erhöht sich der Bauraumbedarf.
Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, ein Luftverdichtungssystem anzugeben, das den hohen Anforderungen gerecht wird und zugleich einen geringen Bauraumbedarf hat.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Luftverdichtungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus werden ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystem angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Das vorgeschlagene Luftverdichtungssystem umfasst ein Gehäuse, in dem eine Welle mit mindestens einem Verdichterrad und ein Elektromotor aufgenommen sind. Das Gehäuse weist dabei einen koaxial in Bezug auf eine Drehachse der Welle angeordneten Lufteinlass sowie einen radial in Bezug auf die Drehachse angeordneten Luftauslass auf. Im Bereich des Luftauslasses ist dabei eine Kühleinrichtung, insbesondere ein Ladeluftkühler, integriert.
Die Kühleinrichtung bzw. der Ladeluftkühler ist demnach Bestandteil des vorgeschlagenen Luftverdichtungssystems. Dies weist den Vorteil auf, dass die Bauteile als Baugruppe vormontiert und an einem Fahrzeug befestigt werden können. Dies spart Bauraum ein. Zugleich kann die Baugruppe derart am Fahrzeug befestigt werden, dass sie als Ganzes akustisch entkoppelt ist. Die eingangs beschriebenen Probleme bei der Ausbildung der Schnittstelle zwischen der Strömungsmaschine und dem Ladeluftkühler entfallen damit.
Bevorzugt ist die Kühleinrichtung mit dem Gehäuse des Luftverdichtungssystems fest verbunden, vorzugsweise verschraubt. Dies ist möglich, da die Baugruppe als Ganzes akustisch entkoppelt wird, so dass kein Toleranz- und Bewegungsausgleich zwischen den Bauteilen mehr erforderlich ist. Die vorgeschlagene Schraubverbindung lässt sich besonders einfach realisieren, so dass die Schnittstelle zwischen den Bauteilen drastisch vereinfacht wird.
Ferner bevorzugt ist die Kühleinrichtung in eingebautem Zustand des Luftverdichtungssystems, das heißt in Gebrauchslage, unterhalb des Verdichterrads angeordnet. Dadurch ergeben sich weitere Bauraumvorteile, so dass eine besonders kompaktbauende Baugruppe geschaffen wird.
Die integrierte Kühleinrichtung umfasst vorzugsweise einen Wärmetauscher. Der Wärmetauscher ermöglicht eine effiziente Kühlung. Im Wärmetauscher kann die verdichtete Luft an einem Kühlmedium vorbeigeführt werden, so dass Wärme von der Luft auf das Kühlmedium übertragen wird. Der Wärmetauscher ist weiterhin vorzugsweise zwischen einem Einlasstrichter und einem Auslasstrichter der Richtung angeordnet. Der Einlasstrichter erleichtert den Anschluss der Kühleinrichtung an den Luftauslass des Luftverdichtungssystems. Über den Auslasstrichter wiederum kann die Baugruppe an eine kathodenseitige Zuluftleitung eines Brennstoffzellensystems angeschlossen werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kühleinrichtung auslassseitig ein Ventil, vorzugsweise ein Kathodenbockierventil, aufweist. Die Funktion des Ventils kommt insbesondere bei Einsatz des Luftverdichtungssystems in einem Brennstoffzellensystem zum Tragen. Denn bei Stillstand des Brennstoffzellensystems kann mit Hilfe des Ventils die Zuluftleitung gesperrt werden. Dies verhindert, dass der Kathode weiter Luft und damit Sauerstoff zugeführt wird. Wird die Zuluftleitung im Stillstand des Brennstoffzellensystems nicht gesperrt, kann innerhalb kurzer Zeit Sauerstoff von der Kathodenseite auf die Anodenseite gelangen, was - aufgrund hoher Potenzialunterschiede und der damit verbundenen Korrosion beim Wiederstarten des Systems - eine frühzeitige Alterung der Brennstoffzellen zur Folge hat.
Vorteilhafterweise ist zusätzlich zu dem mindestens einen Verdichterrad ein Turbinenrad einer Turbine auf der Welle angeordnet. Die Turbine dient der Energierückgewinnung, so dass die Effizienz des Luftverdichtungssystems gesteigert wird. Der Turbine wird hierzu die aus den Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems austretende Abluft zugeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse des Luftverdichtungssystems im Bereich des Turbinenrads einen radial in Bezug auf die Drehachse angeordneten Ablufteinlass und einen koaxial zur Drehachse angeordneten Abluftauslass auf. Über den Ablufteinlass und den Abluftauslass kann die Turbine an eine Abluftleitung eines Brennstoffzellensystems angeschlossen werden. Vorzugsweise ist der Ablufteinlass der Turbine entsprechend dem Luftauslass des Luftverdichtungssystems orientiert, so dass der Bauraumbedarf weiter gesenkt wird.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Turbine einlassseitig über eine Bypassleitung und ein Bypassventil mit dem Luftauslass des Luftverdichtungssystems verbunden oder verbindbar ist. Über die Bypassleitung kann verdichtete Luft stromaufwärts der Kühleinrichtung aus der Zuluftleitung abgezweigt und stromaufwärts der Turbine in die Abluftleitung eingeleitet werden. Bei der Bypassleitung kann es sich insbesondere um einen Systembypass handeln. Da verdichtete und somit heiße Luft abgezweigt wird, muss das Bypassventil für hohe Temperaturen ausgelegt sein. Mithilfe der abgezweigten, verdichteten und somit heißen Luft kann zugleich die Gefrierstartfähigkeit des Systems verbessert werden, da einer Vereisung der Turbine entgegengewirkt wird.
Statt mit dem Luftauslass des Luftverdichtungssystems kann die Bypassleitung auch mit dem Einlasstrichter der Kühleinrichtung verbunden sein. Der Anschluss der Bypassleitung erfolgt in diesem Fall nicht unmittelbar am Luftauslass, sondern kurz dahinter am Einlasstrichter der Kühleinrichtung. Auch in diesem Fall wird verdichtete und somit heiße Luft über die Bypassleitung abgezweigt, so dass die gleichen Vorteile erzielbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse mit einem Inverter verbunden. Der Inverter bildet somit einen Bestandteil des Luftverdichtungssystems und damit der Baugruppe aus. Dadurch ergeben sich weitere Baumvorteile. Bevorzugt ist der Inverter in eingebautem Zustand des Luftverdichtungssystems unterhalb des Elektromotors angeordnet.
Das darüber hinaus vorgeschlagene Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass es ein erfindungsgemäßes Luftverdichtungssystem umfasst. Das Luftverdichtungssystem ist dabei auf einer Kathodenseite des Brennstoffzellensystems angeordnet. Mit Hilfe des Luftverdichtungssystems kann somit einer Kathode des Brennstoffzellensystems verdichtete und zugleich gekühlte Luft zugeführt werden. Das erfindungsgemäße Luftverdichtungssystem kann als kompaktbauende Baugruppe in das Brennstoffzellensystem integriert werden, so dass auch der Bauraumbedarf des Brennstoffzellensystems sinkt. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystems kommen somit auch dem Brennstoffzellensystem zugute.
Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erzeugte elektrische Energie kann beispielsweise einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt werden, mittels welcher das Fahrzeug angetrieben wird.
Daher wird des Weiteren ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystem oder einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Luftverdichtungssystem ist dabei akustisch entkoppelt an einem Chassis des Fahrzeugs befestigt. Die in das Luftverdichtungssystem integrierte Kühleinrichtung ist somit ebenfalls akustisch entkoppelt. Dies ist zwar nicht gefordert, ermöglicht aber eine Vermeidung der eingangs genannten Schnittstellenprobleme und hilft zudem Bauraum einzusparen. Dies ist insbesondere für mobile Anwendungen ein nicht unwesentlicher Vorteil.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine Seitenansicht eines ersten erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystems,
2 eine zweite Seitenansicht des Luftverdichtungssystems der 1 um 180° gedreht,
3 eine dritte Seitenansicht des Luftverdichtungssystems der 1 um 90° gedreht,
4 eine Seitenansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystems,
5 eine zweite Seitenansicht des Luftverdichtungssystems der 4 um 180° gedreht,
6 eine dritte Seitenansicht des Luftverdichtungssystems der 4 um 90° gedreht.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der 1 ist ein erstes erfindungsgemäßes Luftverdichtungssystem 1 zu entnehmen, das ein Gehäuse 2 zur Aufnahme einer Welle (nicht dargestellt) und einem auf der Welle angeordneten Verdichterrad (nicht dargestellt) aufweist. Das Verdichterrad ist von einer Verdichtervolute 17 des Gehäuses 2 umgeben. Andernends ist auf der Welle ein Turbinenrad einer Turbine 11 angeordnet, dass von einer Turbinenvolute 18 des Gehäuses 2 umgeben ist. Im Betrieb des Luftverdichtungssystems 1 drehen die Welle, das Verdichterrad und das Turbinenrad um eine Drehachse A. Der Antrieb erfolgt über einen Elektromotor 10, der ebenfalls im Gehäuse 2 aufgenommen ist. Unterhalb des Elektromotors 10 ist am Gehäuse 2 ein Inverter 16 befestigt.
Das Gehäuse 2 des dargestellten Luftverdichtungssystems 1 weist einen koaxial zur Drehachse A angeordneten Lufteinlass 3 sowie einen radial zur Drehachse A ausgerichteten Luftauslass 4 auf. Über den Lufteinlass 3 wird das Verdichterrad axial angeströmt. Die verdichtete Luft wird radial abgeführt. Über den Luftauslass 4 gelangt die verdichtete Luft in eine Kühleinrichtung 5, wobei es sich um einen Ladeluftkühler handelt. Dieser weist einen Wärmetauscher 6 auf, der zwischen einem Einlasstrichter 7 und einem Auslasstrichter 8 angeordnet ist. Über den Einlasstrichter 7 ist die Kühleinrichtung 5 an den Luftauslass 4 angeschlossen. Über den Auslasstrichter 8 kann die Kühleinrichtung 5 mit einer Zuluftleitung 19 eines Brennstoffzellensystems verbunden werden.
Mit Hilfe der integrierten Kühleinrichtung 5 kann die zuvor verdichtete Luft gekühlt werden. Dies ist erforderlich, da sich die Luft beim Verdichten auf eine Temperatur von bis zu 200°C erwärmen kann. Durch Integration der Kühleinrichtung 5 in das Luftverdichtungssystem 1 kann die Schnittstelle zwischen diesen beiden Komponenten vereinfacht werden. Ferner wird auf diese Weise eine kompakte Baugruppe geschaffen, die Bauraum einsparen hilft.
Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, ist der Einlasstrichter 7 der Kühleinrichtung 5 über eine Bypassleitung 14 mit einem Ablufteinlass 12 der Turbine 11 verbunden. In die Bypassleitung 14 ist ein Bypassventil 15 integriert, so dass in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Bypassventils 15 verdichtete heiße Luft von der Zuluftseite auf die Abluftseite geführt werden kann. Das heißt, dass ein Systembypass geschaffen wird. Mit Hilfe der abgezweigten verdichteten und noch heißen Luft kann zugleich die Gefrierstartfähigkeit des Systems verbessert werden, da einer Vereisung der Turbine 11 entgegengewirkt wird. Die der Turbine 11 zugeführte Luft verlässt die Turbine 11 über einen Abluftauslass 13, der koaxial zur Drehachse A angeordnet ist.
3 zeigt dasselbe Luftverdichtungssystem 1 in einer frontalen Ansicht. Die Kühleinrichtung 5 ist unterhalb des Verdichterrads bzw. der Verdichtervolute 17 angeordnet, so dass der Luftauslass 4 unmittelbar in den Einlasstrichter 7 der Kühleinrichtung 5 mündet. Vom Einlasstrichter 7 zweigt seitlich die Bypassleitung 14 mit dem Bypassventil 15 ab. 3 veranschaulicht deutlich, dass die dargestellte Anordnung besonders kompaktbauend ist.
Eine Weiterbildung des Luftverdichtungssystems 1 der 1 bis 3 ist den 4 bis 6 zu entnehmen. Das Luftverdichtungssystem 1 der 4 bis 6 umfasst eine weitere Komponente. Hierbei handelt es sich um ein Ventil 9, insbesondere ein Kathodenbockierventil, mit dessen Hilfe die Zuluftleitung 19 im Stillstand des Brennstoffzellensystems gesperrt werden kann.
Da die 4 bis 6 im Übrigen den 1 bis 3 entsprechen, wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Beschreibung der 4 1 bis 3 verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: Luftverdichtungssystem
2: Gehäuse
3: Lufteinlass
4: Luftauslass
5: Kühleinrichtung
6: Wärmetauscher
7: Einlasstrichter
8: Auslasstrichter
9: Ventil
10: Elektromotor
11: Turbine
12: Ablufteinlass
13: Abluftauslass
14: Bypassleitung
15: Bypassventil
16: Inverter
17: Verdichtervolute
18: Turbinenvolute
19: Zuluftleitung

Claims

Luftverdichtungssystem (1) für ein Brennstoffzellensystem, umfassend ein Gehäuse (2), in dem eine Welle mit mindestens einem Verdichterrad und ein Elektromotor (10) aufgenommen sind, wobei das Gehäuse (2) einen koaxial in Bezug auf eine Drehachse (A) der Welle angeordneten Lufteinlass (3) sowie einen radial in Bezug auf die Drehachse (A) angeordneten Luftauslass (4) aufweist und wobei im Bereich des Luftauslasses (4) eine Kühleinrichtung (5), insbesondere ein Ladeluftkühler, integriert ist.
Luftverdichtungssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) mit dem Gehäuse (2) fest verbunden, vorzugsweise verschraubt ist.
Luftverdichtungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) in eingebautem Zustand des Luftverdichtungssystems (1) unterhalb des Verdichterrads angeordnet ist.
Luftverdichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) einen Wärmetauscher (6) umfasst, der vorzugsweise zwischen einem Einlasstrichter (7) und einem Auslasstrichter (8) der Kühleinrichtung (5) angeordnet ist.
Luftverdichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) auslassseitig ein Ventil (9), vorzugsweise ein Kathodenbockierventil, aufweist.
Luftverdichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem mindestens einen Verdichterrad ein Turbinenrad einer Turbine (11) auf der Welle angeordnet ist.
Luftverdichtungssystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) im Bereich des Turbinenrads einen radial in Bezug auf die Drehachse (A) angeordneten Ablufteinlass (12) und einen koaxial zur Drehachse (A) angeordneten Abluftauslass (13) aufweist.
Luftverdichtungssystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (11) einlassseitig über eine Bypassleitung (14) und ein Bypassventil (15) mit dem Luftauslass (4) oder dem Einlasstrichter (7) der Kühleinrichtung (5) verbunden oder verbindbar ist.
Luftverdichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) mit einem Inverter (16) verbunden ist, der vorzugsweise in eingebautem Zustand des Luftverdichtungssystems (1) unterhalb des Elektromotors (10) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem mit einem Luftverdichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Luftverdichtungssystem (1) auf einer Kathodenseite des Brennstoffzellensystems angeordnet ist.
Fahrzeug mit einem Luftverdichtungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei das Luftverdichtungssystem (1) akustisch entkoppelt an einem Chassis des Fahrzeugs befestigt ist.