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Die Erfindung betrifft einen Luftverdichter zum Verdichten von Luft, mit einer Welle, an der mindestens ein Verdichterrad angebracht ist, und mit einer Strömungsvorrichtung, die in einem Kühlfluidpfad angeordnet ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Luftverdichters.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2017 212 815 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle und einer Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle bekannt, wobei das Brennstoffzellensystem eine Turbomaschine mit einem Laufrad aufweist, das als Verdichter ausgeführt ist, der in der Luftzuführungsleitung angeordnet ist, wobei, um die Kühlung der Turbomaschine zu optimieren, nicht bereits erwärmte, verdichtete Luft vom Laufrad verwendet wird, sondern aus der entgegengesetzten Richtung gekühlte, unverdichtete Luft angesaugt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz im Betrieb eines Luftverdichters zum Verdichten von Luft, mit einer Welle, an der mindestens ein Verdichterrad angebracht ist, und mit einer Strömungsvorrichtung, die in einem Kühlfluidpfad angeordnet ist, insbesondere im Betrieb des Luftverdichters in einem Brennstoffzellensystem, zu erhöhen.
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Die Aufgabe ist bei einem Luftverdichter zum Verdichten von Luft, mit einer Welle, an der mindestens ein Verdichterrad angebracht ist, und mit einer Strömungsvorrichtung, die in einem Kühlfluidpfad angeordnet ist, dadurch gelöst, dass die Strömungsvorrichtung zur Kühlung der Luft beim Verdichten in das Verdichterrad integriert ist. Bei dem Luftverdichter handelt es sich um einen vorzugsweise elektrisch angetriebenen Luftverdichter, der in einem Brennstoffzellensystem verwendet wird, um einer Brennstoffzelle beziehungsweise einem Brennstoffzellenstack verdichtete Luft zuzuführen. Bei dem Kühlfluid handelt es sich im Unterschied zu dem aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2017 212 815 A1 bekannten Turbokompressor nicht um das Arbeitsfluid des Luftverdichters, also nicht um Luft. Bei dem beanspruchten Luftverdichter enthält das Kühlfluid eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser. Bei dem Kühlfluid handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit, insbesondere um Wasser, das beziehungsweise die im Betrieb des Brennstoffzellensystems austritt, insbesondere auf einer Anodenseite des Brennstoffzellensystems abgeschieden wird. Mit der in das Verdichterrad integrierten Strömungsvorrichtung wird gezielt eine Aggregatzustandsänderung des Kühlfluids, insbesondere der Flüssigkeit, herbeigeführt, die zu Kühlzwecken genutzt wird. Die Strömungsvorrichtung umfasst vorteilhaft einen Strömungskanal zu dem und in dem Verdichterrad.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsvorrichtung so ausgeführt und in/an dem Verdichterrad angeordnet ist, dass ein dem Verdichterrad zugeführtes Kühlfluid mit Hilfe der Strömungsvorrichtung im Betrieb des Luftverdichters verdampft. Durch die in das Verdichterrad integrierte Strömungsvorrichtung kann die Verdampfungswärme, die beim Verdampfen des Kühlfluids auftritt, zur Kühlung der Luft verwendet werden, die mit dem Luftverdichter verdichtet wird. Dabei auftretende Verdichtungswärme wird vorteilhaft mit dem Kühlfluid aufgenommen. In beziehungsweise an dem Verdichterrad, das auch als Laufrad bezeichnet wird, verdampft das zugeführte Kühlfluid und nimmt dabei die beim Verdichten der Luft entstehende Verdichtungswärme auf. Infolge der lokalen Verdunstung in oder an dem Verdichterrad, verbunden mit einer Temperaturabsenkung während der Kompression, wird der Wirkungsgrad des Luftverdichters signifikant verbessert.
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Die verdichtete Luft ist am Austritt des Luftverdichters kühler. Deshalb kann ein nachgeschalteter Ladeluftkühler kleiner dimensioniert werden als in herkömmlichen Brennstoffzellensystemen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsvorrichtung in dem Verdichterrad Durchgangslöcher für das Kühlfluid umfasst, mit deren Hilfe in dem Kühlfluid enthaltene Flüssigkeit in feinste Tropfen zerteilt wird. Die Durchgangslöcher, die auch als Spritzlöcher bezeichnet werden können, sind zum Beispiel als Bohrungen mit einem sehr kleinen Durchmesser ausgeführt. Neben dem gewünschten Kühleffekt wird die mit dem Luftverdichter verdichtete Luft durch die in dem Kühlfluid enthaltene Flüssigkeit zusätzlich befeuchtet. Das führt dazu, dass nachfolgende Apparaturen in dem Brennstoffzellensystem zum Befeuchten der Luft kleiner dimensioniert werden können als bei herkömmlichen Brennstoffzellensystemen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangslöcher der Strömungsvorrichtung jeweils einen Durchmesser von fünfzig bis einhundertfünfzig Mikrometer aufweisen. So wird auf einfache Art und Weise erreicht, dass die an dem Verdichterrad austretende Flüssigkeit feinst verteilt beziehungsweise zerstäubt wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid einem Strömungspfad zugeführt wird, entlang dessen die Luft mit Hilfe des Verdichterrads verdichtet wird. Das Kühlfluid wird vorteilhaft nach einer Schaufelkante einer Hauptschaufel des Verdichterrads in die Luftströmung eingebracht. So kann die gewünschte Kühlwirkung optimiert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Welle mindestens einen Kühlkanal umfasst, der von einem turbinenseitigen Ende der Welle ausgeht und durch den das Kühlfluid dem Verdichterrad zugeführt wird. An dem turbinenseitigen Ende der Welle ist mindestens ein Turbinenrad angebracht. Das Turbinenrad dient vorteilhaft dazu, einen Abgasstrom der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstacks zu entspannen. Die dabei gewonnene Antriebsenergie wird vorteilhaft genutzt, um den Antrieb des Verdichterrads zu unterstützen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal in der Welle eine Rotorkühlung für einen Rotor eines elektrischen Antriebs des Luftverdichters darstellt. Durch die interne Rotorkühlung kann die Effizienz im Betrieb des Luftverdichters, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem, weiter erhöht werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Luftverdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsvorrichtung eine Splitterbeschaufelung an dem Verdichterrad umfasst. Die Splitterbeschaufelung ist gegenüber einer normalen Beschaufelung des Verdichterrads, die auch als Hauptbeschaufelung bezeichnet wird, vorteilhaft etwas zurückgezogen. So kann die im Kühlfluid enthaltene Flüssigkeit durch geeignete Positionierung der Durchgangslöcher beziehungsweise Spritzlöcher vorteilhaft innerhalb des Verdichtungsvorgangs eingebracht werden und nicht davor und auch nicht danach.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Luftverdichters ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass ein über das Verdichterrad zugeführtes Kühlfluid im Betrieb des Luftverdichters verdampft wird. Das Kühlfluid enthält vorteilhaft eine Flüssigkeit. Bei dem Kühlfluid kann es sich auch um eine Flüssigkeit, insbesondere um Wasser, handeln. Damit die Flüssigkeit gut verdampfen kann, wird sie mit Hilfe der vorab beschriebenen Strömungsvorrichtung in kleinste Tropfen dosiert, zerlegt, aufgeteilt oder gesplittet, insbesondere mit der vorab beschriebenen Splitterbeschaufelung an dem Verdichterrad. Die Temperatur der zugeführten Flüssigkeit ist vorteilhaft nahe an ihrem Siedepunkt. Das benötigte Kühlfluid, insbesondere die Flüssigkeit, wird vorteilhaft aus einem Tank mittels einer Pumpe in den Luftverdichter gefördert. Besonders vorteilhaft wird Wasser aus einem Brennstoffzellensystem als Kühlfluid verwendet.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Brennstoffzellensystem mit einem vorab beschriebenen Luftverdichter. Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Betreiben des Luftverdichters in dem Brennstoffzellensystem.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verdichterrad, ein Turbinenrad und/oder eine Welle für einen vorab beschriebenen Luftverdichter. Die genannten Teile sind separat handelbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Luftverdichter, der ein Verdichterrad umfasst, in das eine Strömungsvorrichtung zur Kühlung der Luft beim Verdichten integriert ist;
- 2 eine detaillierte Darstellung des Verdichterrads aus 1 in einem Halbschnitt; und
- 3 eine schematische Darstellung einer vergrößerten Einzelheit III aus 2.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einer Brennstoffzelle 2 beziehungsweise mit einem Brennstoffzellenstack, der mehrere Brennstoffzellen 2 umfasst. Auf einer Kathodenseite 3 wird der Brennstoffzelle 2 verdichtete Luft 4 zugeführt, die durch einen Pfeil unterhalb der Brennstoffzelle 2 angedeutet ist.
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Zur Verdichtung der Luft dient ein Luftverdichter 5 mit einem Verdichterrad 6. Das Verdichterrad 6 ist über eine Welle 14 antriebsmäßig mit einem Turbinenrad 13 verbunden. Das Turbinenrad 13 wird mit Abgas 7 der Brennstoffzelle 2 angetrieben. Über einen Wasserabscheider 8 wird, wie durch einen Pfeil 9 angedeutet ist, Wasser aus dem Abgas 7 abgeschieden. Das abgeschiedene Wasser 9 wird in einem Tank 10 des Brennstoffzellensystems 1 gesammelt.
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In dem Tank 10 wird alternativ oder zusätzlich Wasser gesammelt, das auf einer Anodenseite 12 der Brennstoffzelle 2 anfällt, wie durch einen punktierten Pfeil 11 in 1 angedeutet ist. In dem Tank 10 ist eine Pumpe 23 angeordnet, mit der Wasser als Kühlfluid 21 gefördert werden kann. Das mit der Pumpe 23 als Kühlfluid 22 bereitgestellte Wasser aus dem Tank 10 wird in einen Kühlkanal 20 gefördert, der sich von dem Turbinenrad 13 durch die Welle 14 bis in das Verdichterrad 6 des Luftverdichters 5 erstreckt.
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Die Welle 14 des Luftverdichters 5 ist mit Hilfe zweier Lager 15, 16 gelagert. Die Lager 15, 16 sind zum Beispiel als Luftlager ausgeführt. Zusätzlich zu den beiden als Radiallager ausgeführten Lagern 15, 16 ist vorteilhaft mindestens ein Axiallager zur axialen Lagerung der Welle 14 vorgesehen.
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Zwischen den beiden Lagern 15, 16 ist ein elektrischer Antrieb 17 für die Welle 14 des Luftverdichters 5 vorgesehen. Der elektrische Antrieb 17 umfasst einen Elektromotor mit einem Stator 18 und einem Rotor 19, der in die Welle 14 integriert ist.
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Das Kühlfluid 21, 22 wird mit der Pumpe 23 zu einer Strömungsvorrichtung 24 gefördert, die in das Verdichterrad 6 integriert ist. Über das Verdichterrad 6 gelangt das Kühlfluid in die mit dem Luftverdichter 5 verdichtete Luft 4.
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In 2 ist das Verdichterrad 6 alleine im Halbschnitt dargestellt. Das Verdichterrad 6 umfasst eine Nabe 25 mit einer Beschaufelung. Die Beschaufelung umfasst Hauptschaufeln 26 und eine Splitterbeschaufelung 27, die zur Darstellung der Strömungsvorrichtung 24 dient.
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Die Hauptschaufeln 26 dienen zur Darstellung der Luftverdichtungsfunktion an dem Verdichterrad 6. Die Splitterbeschaufelung 27 umfasst, wie man in 3 sieht, eine Vielzahl von Durchgangslöchern 31, die auch als Spritzlöcher bezeichnet werden.
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Durch die Durchgangslöcher 31, die als kleine Bohrungen ausgeführt sind, wird das Kühlfluid 22 in die Luftströmung 4 eingebracht. Die Splitterbeschaufelung 27 ist gegenüber den Hauptschaufeln 26 versetzt und auch kleiner als diese ausgeführt. So kann das Kühlfluid in die Luftströmung zwischen den Hauptschaufeln 6 eingebracht werden.
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In 3 sieht man, dass die Strömungsvorrichtung 24 einen Strömungskanal 34 in der Splitterbeschaufelung 27 umfasst. Durch einen Pfeil 30 ist das zugeführte Kühlfluid angedeutet. Die Durchgangslöcher 31 sind so klein, dass die Flüssigkeit 33 aus dem Strömungskanal 34 in feinste Tropfen 32 verteilt wird.
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Das in den 1 bis 3 gezeigte Brennstoffzellensystem 1 mit dem Verdichterrad 6 funktioniert wie folgt. Der Brennstoffzellenstack 2 in dem Brennstoffzellensystem 1 wird auf seiner Kathodenseite 3 mit komprimierter Luft versorgt. Dazu saugt der Luftverdichter 5 Luft aus der Umgebung an, um sie mittels seines Verdichterrads 6 zu komprimieren.
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Nach dem Stack 2 wird dem Abgas 7, das verbrauchte Luft enthält, über den Wasserabscheider 8 oder von der Anodenseite 12 entnommen und in dem Tank gespeichert. Gegebenenfalls in dem Tank 10 vorhandene unter Druck stehende Luft wird entweder über eine nicht dargestellte Drosselklappe oder über das Turbinenrad 13 entspannt.
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Das Wasser aus dem Tank 10 wird mit der Pumpe 23 unter einem Druck von zum Beispiel zwei bis zehn Bar gefördert. In dem Kühlkanal 20 kann das durchgeleitete Wasser vorteilhaft zur Kühlung der Welle 14, insbesondere des Rotors 19, genutzt werden.
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Über die Strömungsvorrichtung 24 wird das Wasser dann im Verdichterrad 6 an der bevorzugt zurückgesetzten Splitterbeschaufelung 27 durch die Durchgangslöcher 31 der Luftströmung 4 zugeführt. Die Luftströmung 4 ist durch die Hauptschaufeln 26 am Verdichterrad 6 bereits beschleunigt, so dass die zugesetzten Wasserstropfen keine Schäden an den besonders empfindlichen Schaufelvorderkanten der Hauptschaufeln 26 verursachen können. Auch hat die Luft 4 an dieser Stelle schon an Temperatur zugenommen, so dass die kühlende Wirkung sofort eintritt.
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Die Luft 4 enthält am Austritt des Luftverdichters 5 vorteilhaft schon einen gewissen Anteil an Wasser, der für die Befeuchtung des Stacks 2 benötigt wird. Zudem ist die Temperatur am Austritt des Luftverdichters 5 niedriger, so dass weniger Kühlaufwand betrieben werden muss, um eine zulässige Stack-Eintrittstemperatur sicherzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212815 A1 [0002, 0004]
