DE102022122047A1

DE102022122047A1 - Strömungsmaschinenanordnung, Brennstoffzellensystem und Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug

Info

Publication number: DE102022122047A1
Application number: DE102022122047.8A
Authority: DE
Inventors: Janik Ricke; Constantin Wohlers; Raphael Zwick
Original assignee: ZF CV Systems Global GmbH; ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF CV Systems Global GmbH; ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-08-31
Filing date: 2022-08-31
Publication date: 2024-02-29
Also published as: WO2024047116A3; WO2024047116A2

Abstract

Strömungsmaschinenanordnung (100) für ein Brennstoffzellensystem (150) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend eine mehrstufige Strömungsmaschine (50) mit einem Gehäuse (51), zwei Stufen (52, 53), wobei jede der Stufen (52, 53) zur Kompression und/oder Expansion von die Stufe (52, 53) durchströmender Luft (40) eingerichtet ist, und wobei die Stufen (52, 53) einen um eine Achse (A) drehbar gelagerten Rotor (54) aufweisen, und einer außerhalb des Gehäuses (51) angeordneten Verrohrungsanordnung (60) zur fluidleitenden Verbindung der zwei Stufen (52, 53) oder zur fluidleitenden Verbindung der Stufen (52, 53) mit einer Brennstoffzellenanordnung (10) des Brennstoffzellensystems (150), und ein elektrisch mit der Strömungsmaschine (50) verbundenes Leistungselektronikbauteil (70), dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungselektronikbauteil (70) in einer Radialrichtung (R) zwischen dem Gehäuse (51) und der Verrohrungsanordnung (60) angeordnet ist, und dass das Leistungselektronikbauteil (70) und die Verrohrungsanordnung (60) in einer Umfangsrichtung (U) zumindest abschnittsweise überlappend angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschinenanordnung für ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug. Die Strömungsmaschinenanordnung umfasst eine mehrstufige Strömungsmaschine mit einem Gehäuse, zwei Stufen, wobei jede der Stufen zur Kompression und/oder Expansion von die Stufe durchströmender Luft eingerichtet ist, und wobei die Stufen ein um eine Achse drehbar gelagerten Rotor aufweisen, und einer außerhalb des Gehäuses angeordneten Verrohrungsanordnung zur fluidleitenden Verbindung der zwei Stufen oder zur fluidleitenden Verbindung der Stufen mit einer Brennstoffzellenanordnung des Brennstoffzellensystems, und ein elektrisch mit der Strömungsmaschine verbundenes Leistungselektronikbauteil. Die Erfindung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend eine Strömungsmaschinenanordnung und eine Brennstoffzellenanordnung, und ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug.
Brennstoffzellensysteme sind allgemein bekannt. In diesen Brennstoffzellensystemen wird ein Verdichter dazu benutzt, Luft anzusaugen, zu verdichten und einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang der Brennstoffzelle zum Durchführen der Brennstoffzellenreaktion zuzuführen. Das verdichtete Stoffgemisch durchläuft den oder die Stacks der Brennstoffzellenanordnung. Das nach dem Abreagieren verbleibende Stoffgemisch tritt als gasförmiger Fluidstrom kathodenseitig aus einem Brennstoffzellenausgang der Brennstoffzellenanordnung wieder aus.
Dieser Fluidstrom weist üblicherweise noch einen Überdruck gegenüber der Umgebung auf und wird daher in den meisten Brennstoffzellensystemen dazu genutzt, als Staudruck die Reaktantenbalance in der Brennstoffzellenanordnung zu beeinflussen und/oder eine Expanderwelle eines Expanders anzutreiben. Im Expander kann das auslassseitig austretende Stoffgemisch auf Umgebungsdruck entspannt werden, und die an die Expanderwelle abgegebene Energie wird üblicherweise in elektrische Energie umgewandelt, wenn der Expander mit einem Generator verbunden ist.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die vom Expander erzeugte elektrische Energie beispielsweise einem Bordnetz des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen und bisweilen auch, jene elektrische Energie dem Brennstoffzellensystem zugänglich zu machen.
Die Strömungsmaschine beziehungsweise der Verdichter oder Expander ist elektrisch mit dem Leistungselektronikbauteil verbunden. Das Leistungselektronikbauteil weist ein Leistungselektronik auf, die dazu eingerichtet ist, elektrische Energie zum Betreiben des Verdichters zu Wandeln oder von dem Expander generierte elektrische Energie zu wandeln.
Bislang sind die Leistungselektroniken beziehungsweise Inverter bei Brennstoffzellenverdichtern entweder separiert oder integriert. Bei einer integrierten Lösung sind die Inverter meist lediglich auf ein Gehäuse aufgesetzt, an das Gehäuse geschraubt, und/oder seitlich an den Verdichter angebracht. Das hat zur Folge, dass der die Strömungsmaschinenanordnung einen vergleichsweise großen Bauraum benötigt. Gleichzeitig ist es aber wünschenswert die Leistungselektronik zu integrieren, um Kosten für Steckverbindungen und Kühlleitung zu sparen.
DE 10 2015 224 754 A1 offenbart einen modularen Verdichter, bestehend aus einem elektrischen Verdichter mit einem Verdichterrad und einem elektrischen Motor für den Antrieb des Verdichterrads und einer Kühlmittelpumpe mit Flügelrad und einem Antrieb, wobei ein gemeinsames Gesamtgehäuse die Komponenten elektrischer Verdichter und Kühlmittelpumpe umschließt und eine gemeinsame elektrische Steuer- und Leistungselektronik im Gehäuse mit den Komponenten verbunden ist.
WO 2016/134886 A1 offenbart einen Lader, insbesondere Abgasturbolader, für eine Antriebseinrichtung, der einen mittels eines Medienspaltmotors elektrisch unterstützbaren oder antreibbaren Verdichter aufweist, wobei der Medienspaltmotor einen mit einer Lagerwelle eines Verdichterlaufrads des Verdichters wirkverbundenen Rotor sowie einen den Rotor in Umfangsrichtung bezüglich einer Drehachse der Lagerwelle wenigstens bereichsweise umgreifenden Stator aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass eine Leistungselektronik zur Ansteuerung wenigstens einer elektrischen Wicklung des Stators die Drehachse in Umfangsrichtung wenigstens bereichsweise umgreift, wobei zur Kühlung des Stators und/oder der Leistungselektronik ein in Berührkontakt mit dem Stator und/oder der Leistungselektronik vorliegender Kühlmantel vorgesehen ist. Der Kühlmantel weist wenigstens einen Strömungskanal auf, welcher während eines Betriebs der Antriebseinrichtung von einem Kühlmittel durchströmt werden kann beziehungsweise durchströmt wird. Eine in axialer Richtung gesehen den Kühlmantel begrenzende Stirnfläche liegt an der Leistungselektronik, insbesondere einer Stirnfläche der Leistungselektronik an. Der Kühlmantel ist in axialer Richtung gesehen zwischen der Leistungselektronik und einem Verdichtergehäuse des Verdichters angeordnet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu bereichern und eine verbesserte Strömungsmaschinenanordnung bereitzustellen. Insbesondere kann die Aufgabe sein, eine Leistungselektronik intelligent anzuordnen, ohne den Bauraumbedarf der Strömungsmaschinenordnung wesentlich zu erhöhen.
Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 sowie den Gegenständen nach den weiteren unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung an.
Gemäß der Erfindung wird eine Strömungsmaschinenanordnung für ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, bereitgestellt. Die Strömungsmaschinenanordnung umfasst eine mehrstufige Strömungsmaschine mit einem Gehäuse, zwei Stufen, wobei jede der Stufen zur Kompression und/oder Expansion von die Stufe durchströmender Luft eingerichtet ist, und wobei die Stufen einen um eine Achse drehbar gelagerten Rotor aufweisen, und einer außerhalb des Gehäuses angeordneten Verrohrungsanordnung zur fluidleitenden Verbindung der zwei Stufen oder zur fluidleitenden Verbindung der Stufen mit einer Brennstoffzellenanordnung des Brennstoffzellensystems, und ein elektrisch mit der Strömungsmaschine verbundenes Leistungselektronikbauteil, wobei das Leistungselektronikbauteil in einer Radialrichtung zwischen dem Gehäuse und der Verrohrungsanordnung angeordnet ist, und dass das Leistungselektronikbauteil und die Verrohrungsanordnung in einer Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise überlappend angeordnet sind.
Die Strömungsmaschine ist beispielsweise ein Verdichter oder Expander. Die Strömungsmaschine ist mehrstufig. Mit anderen Worten weist die Strömungsmaschine wenigstens eine erste Stufe und eine zweite Stufe auf. Jeder der Stufen ist zum Durchströmen von Luft eingerichtet und weist ein in dem Gehäuse angeordnetes und drehbar gelagertes Laufrad auf. Der Rotor umfasst die Laufräder und eine die Laufräder drehfest verbindende Welle. Durch eine Rotation des Rotors beziehungsweise der Laufräder wird durch die Stufen beziehungsweise Laufräder strömende Luft expandiert oder komprimiert. Der Rotor ist zur drehbaren Bewegung um die Achse gelagert. Damit definiert die Anordnung des Rotors beziehungsweise der Stufen eine Achse entlang einer Axialrichtung, entlang derer sich die Welle erstreckt. Ferner definiert die Anordnung des Rotors beziehungsweise der Stufen einen senkrecht zur Achse ausgerichteten Radius entlang einer Radialrichtung und eine senkrecht zur Achse und senkrecht zum Radius verlaufende Umfangsrichtung.
Die durch die Stufen expandierte oder komprimierte Luft wird über die Verrohrungsanordnung aus der jeweiligen Stufe ausgegeben oder in die Stufe eingegeben. Die Luft kann über die Verrohrungsanordnung einer weiteren Stufe zugeführt werden, womit die Stufen seriell zueinander geschaltet sind, die Luft also hintereinander mehrere Stufen durchläuft. Die Luft kann über die Verrohrungsanordnung aus einer oder mehreren der Stufen der Brennstoffzellenanordnung zugeführt werden oder aus der Brennstoffzellenanordnung über die Verrohrungsanordnung einer oder mehreren der Stufen zugeführt werden.
Es wurde erkannt, dass durch die fluidleitende Verbindung mittels der Verrohrungsanordnung Bauraum außerhalb des Gehäuses der Strömungsmaschine zur Anordnung der Verrohrungsanordnung verwendet werden muss. Dabei wurde erkannt, dass typischerweise ein Bauraum zwischen der Verrohrungsanordnung und dem Gehäuse gemäß dem Stand der Technik ungenutzt bleibt.
Das Leistungselektronikbauteil ist in der Radialrichtung zwischen dem Gehäuse und der Verrohrungsanordnung angeordnet. Mit anderen Worten ist das Gehäuse wenigstens abschnittsweise näher an der Achse als das Leistungselektronikbauteil angeordnet und das Leistungselektronikbauteil ist wenigstens abschnittsweise näher an der Achse als die Verrohrungsanordnung angeordnet.
Das Leistungselektronikbauteil und die Verrohrungsanordnung sind in einer Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise überlappend angeordnet. Damit kann um die Achse, also in Umfangsrichtung, ein Winkelabschnitt definiert werden, indem sowohl die Verrohrungsanordnung als auch das Leistungselektronikbauteil angeordnet sind. Mit anderen Worten weisen das Leistungselektronikbauteil und die Verrohrungsanordnung wenigstens teilweise übereinstimmende Winkelabschnitte auf, in denen das Leistungselektronikbauteil und die Verrohrungsanordnung in der Umfangsrichtung angeordnet sind.
Durch die Anordnung des Leistungselektronikbauteils zwischen dem Gehäuse und der Verrohrungsanordnung kann somit ein Bauraum zwischen der Verrohrungsanordnung und dem Gehäuse effektiv genutzt werden, um das Leistungselektronikbauteil anzuordnen.
Vorzugsweise weist die Verrohrungsanordnung ein dem Gehäuse abgewandten Rohrabschnitt auf, und das Leistungselektronikbauteil ist in Radialrichtung innerhalb des Rohrabschnitts angeordnet. Mit anderen Worten weist die Verrohrungsanordnung den Rohrabschnitt auf, wobei der Rohrabschnitt weiter von der Achse entfernt angeordnet ist als weitere Bestandteile und/oder Abschnitte der Verrohrungsanordnung. Damit ist der Rohrabschnitt dem Gehäuse abgewandt. Beispielsweise weist die Verrohrungsanordnung einen Rohrumfang auf und der Rohrabschnitt ist ein Umfangsabschnitt des Rohrumfangs, der radial weiter entfernt von dem Gehäuse ist als ein dem Gehäuse zugewandter Umfangsabschnitt beziehungsweise ein dem Gehäuse zugewandter Bestandteil und/oder Abschnitt der Verrohrungsanordnung. Alternativ oder zusätzlich ist das Leistungselektronikbauteil näher an der Achse angeordnet als der Rohrabschnitt. Damit muss in radialer Richtung außerhalb der Verrohrungsanordnung kein Bauraum für die Leistungselektronik verwendet werden, was eine bauraumsparende Anordnung der Leistungselektronik ermöglicht.
Vorzugsweise sind das Gehäuse, das Leistungselektronikbauteil und die Verrohrungsanordnung entlang der Achse überlappend angeordnet. Mit anderen Worten weisen das Gehäuse, das Leistungselektronikbauteil und die Verrohrungsanordnung wenigstens sich teilweise überschneidende Positionen in Axialrichtung auf. Damit kann erzielt werden, dass das Leistungselektronikbauteil entlang der Achse außerhalb des Gehäuses und/oder der Verrohrungsanordnung keinen zusätzlichen Bauraum benötigt.
Vorzugsweise umfasst die Strömungsmaschine eine Kühlanordnung, und die Kühlanordnung ist dazu eingerichtet, die Strömungsmaschine und das Leistungselektronikbauteil zu kühlen. Dabei wurde erkannt, dass durch die Anordnung des Leistungselektronikbauteil mit der Kühlanordnung eine gemeinsame Kühlung des Leistungselektronikbauteils und der Strömungsmaschine erzielt werden kann. Durch die Anordnung des Leistungselektronikbauteils nahe dem Gehäuse kann die gemeinsame Kühlanordnung zur Kühlung der Strömungsmaschine und des Leistungselektronikbauteils verwendet werden. Damit kann eine effektive Kühlung der Strömungsmaschinenanordnung bereitgestellt werden.
Vorzugsweise weist die Kühlanordnung einen Kühlkanal auf, wobei der Kühlkanal zur Kühlung des Gehäuses und des Leistungselektronikbauteils angeordnet ist. Der Kühlkanal ist dazu eingerichtet, ein Kühlmedium, also ein flüssiges und/oder gasförmiges Kühlfluid, zur Kühlung des Gehäuses und des Leistungselektronikbauteils zu leiten. Durch die Anordnung des Gehäuses und des Leistungselektronikbauteils ist es effektiv möglich, einen gemeinsamen Kühlkanal vorzusehen.
Vorzugsweise weist die Strömungsmaschine einen durch einen Kühlabschnitt des Kühlkanals kühlbaren Stator auf. Der Stator steht in Wirkverbindung mit dem Rotor zum Wandeln von kinetischer Energie des Rotors in elektrische Energie und/oder von elektrischer Energie, mit der der Stator beaufschlagt wird, in kinetische Energie des Rotors. Das Wandeln der Energie ist mit Verlusten begleitet, die sich als Wärme im Stator niederschlagen. Es wurde erkannt, dass durch die Anordnung des Leistungselektronikbauteils ein gemeinsames Kühlen des Leistungselektronikbauteils und des Stators erfolgen kann. Dabei kann der Kühlabschnitt beispielsweise ein wenigstens teilweise um den Stator verlaufender Abschnitt des Kühlkanals sein.
Vorzugsweise weist das Leistungselektronikbauteil eine Leistungselektronik auf, und die Leistungselektronik ist an einem durch den Kühlabschnitt kühlbaren Gehäuseabschnitt des Gehäuses angeordnet. Das Leistungselektronikbauteil umfasst die Leistungselektronik und optional weitere Bestandteile wie ein Bauteilgehäuse, Leiterplatten, Steckverbindungen etc. Dabei wurde erkannt, dass die meiste Wärme beim Wandeln von Energie durch die Leistungselektronik anfällt. Die Anordnung des Leistungselektronikbauteils und der Leistungselektronik ermöglicht eine gemeinsame Kühlung der Leistungselektronik und der Strömungsmaschine über das Gehäuse.
Vorzugsweise kontaktiert das Leistungselektronikbauteil das Gehäuse. Durch die Kontaktierung des Leistungselektronikbauteils mit dem Gehäuse wird eine baumraumsparende Anordnung des Leistungselektronikbauteils bereitgestellt. Ferner kann durch einen Kontakt zwischen dem Leistungselektronikbauteil und dem Gehäuse direkt Wärme durch Wärmeleitung effektiv übertragen werden, um das Leistungselektronikbauteil gemeinsam mit der Strömungsmaschine zu kühlen.
Vorzugsweise weist das Gehäuse einen zylindrischen Gehäuseabschnitt auf und das Leistungselektronikbauteil weist ein wenigstens abschnittsweise gemäß dem zylindrischen Gehäuseabschnitt gekrümmtes und/oder gekantetes Bauteilgehäuse auf. Dabei wurde erkannt, dass der zylindrische Gehäuseabschnitt geeignet ist, um das typischerweise gekrümmte Gehäuse um die Stufen mit dem drehbaren Rotor zu umschließen. In Verbindung mit dem wenigstens abschnittsweise gekrümmten und/oder gekanteten Bauteilgehäuse kann somit eine effektive Anordnung des Bauteilgehäuses und somit des Leistungselektronikbauteils an dem Gehäuse erzielt werden.
Vorzugsweise weist das Leistungselektronikbauteil eine Leiterplatte auf, und die Leiterplatte ist flexibel und/oder weist eine Mehrzahl von zueinander winklig angeordneten Leiterplattenabschnitten auf. Die flexible Leiterplatte kann dabei gekrümmt werden, um effektiv angeordnet zu werden. Die Leiterplatte mit der Mehrzahl von Leiterplattenabschnitten kann flexible und/oder gekrümmte elektrische Verbindungen zwischen den optional ebenen Leiterplattenabschnitten aufweisen. Damit kann eine effektive Anordnung der Leiterplatte und somit des Leistungselektronikbauteils an dem Gehäuse erzielt werden.
Vorzugsweise umfasst die Strömungsmaschinenanordnung eine Steuerelektronik zum Steuern der Strömungsmaschine, und die Steuerelektronik ist in der Radialrichtung zwischen dem Gehäuse und der Verrohrungsanordnung angeordnet, wobei die Steuerelektronik und die Verrohrungsanordnung in einer Umfangsrichtung zumindest abschnittweise überlappend angeordnet sind. Damit ist eine effektive Anordnung der Steuerelektronik möglich. Das mit Bezug zu der Leistungselektronik beschriebene gilt analog für die Steuerelektronik.
Vorzugsweise umgreift das Leistungselektronikbauteil das Gehäuse in einer Umfangsrichtung. Damit kann eine effektive Anordnung des Leistungselektronikbauteils ermöglicht werden und gleichzeitig kann ein flächiger Kontakt zwischen dem Leistungselektronikbauteil und dem Gehäuse erzielt werden, der die Kühlung des Leistungselektronikbauteils verbessern kann.
Die Strömungsmaschine kann eine mehrflutige beziehungsweise mehrströmige Strömungsmaschine sein. Mit anderen Worten weist die Strömungsmaschine den Rotor mit mehreren Laufrädern und einer Welle auf, wobei die Laufräder über die Welle drehfest miteinander verbunden sind. Mehrflutig bedeutet dabei, dass die Laufräder auf der Welle derart angeordnet sind, dass nicht alle der Laufräder zum Entspannen beziehungsweise Expandieren oder zum Verdichten beziehungsweise Komprimieren der Luft pneumatisch miteinander verbunden sind, sondern wenigstens zwei Laufräder pneumatisch voneinander getrennt sind. Mit anderen Worten sind die Laufräder wenigstens teilweise parallel zueinander geschaltet und bilden somit Stufen, die auch parallel zueinander geschaltet und nicht seriell, d. h. nicht in Reihe zueinander, geschaltet sind.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst die oben beschriebene Strömungsmaschinenanordnung und eine Brennstoffzellenanordnung mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang, wobei die Strömungsmaschine der Strömungsmaschinenanordnung mit dem Brennstoffzelleneingang zur Luftversorgung der Brennstoffzellenanordnung und/oder dem Brennstoffzellenausgang zum Abführen eines Abgasstroms der Brennstoffzellenanordnung fluidleitend verbunden ist. Die Strömungsmaschinenanordnung kann ein oben beschriebenes optionales und/oder vorteilhaftes Merkmal aufweisen, um einen damit verbundenen technischen Effekt zu erzielen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend das oben beschriebene Brennstoffzellensystem und/oder die oben beschriebene Strömungsmaschinenanordnung, bereitgestellt. Das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, kann beispielsweise ein Landfahrzeug zum Transport von Personen und/oder Waren sein. Insbesondere bei Landfahrzeugen kann der Verdichter ein zweiflutiger Verdichter sein, um Anforderungen an einen Bauraum für den Verdichter und an Kosten zu genügen. Das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, kann auch ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein Schiff, beispielsweise ein Frachtschiff sein. Dabei kann der Verdichter auch ein mehrflutiger Verdichter, beispielsweise vierflutig, sechsflutig, etc., mit mehreren Stufen sein, um entsprechende Druckverhältnisse einstellen und eine Anzahl von Brennstoffzellen mit Luftdruck beaufschlagen zu können.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sowie deren technische Effekte ergeben sich aus den Figuren und der Beschreibung der in den Figuren gezeigten bevorzugten Ausführungsformen. Dabei zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer Strömungsmaschinenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Strömungsmaschinenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Strömungsmaschinenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 200a, insbesondere Nutzfahrzeugs 200b, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Das Fahrzeug 200a, insbesondere Nutzfahrzeug 200b, wird im Folgenden als Fahrzeug 200a, 200b bezeichnet. Das Fahrzeug 200a, 200b ist beispielsweise ein Landfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug.
Das Fahrzeug 200a, 200b weist ein Brennstoffzellensystem 150, eine Energiespeichervorrichtung 110 und einen elektrischen Antrieb 130 auf. Das Brennstoffzellensystem 150 ist dazu eingerichtet, der Energiespeichervorrichtung 110 elektrische Energie 65 bereitzustellen. Die Energiespeichervorrichtung 110 ist beispielsweise eine wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 110 und dient als Pufferbatterie zum Puffern von elektrischer Energie 65. Die Energiespeichervorrichtung 110 ist mit dem elektrischen Antrieb 130 verbunden, um den elektrischen Antrieb 130 mit elektrischer Energie 65 zu versorgen, damit der elektrische Antrieb 110 das Fahrzeug 200a, 200b antreiben kann. Zusätzlich ist das Brennstoffzellensystem 150 mit dem elektrische Antrieb 130 zur direkten Bereitstellung von elektrischer Energie 65 verbunden.
Das Brennstoffzellensystem 150 umfasst zwei Strömungsmaschinenanordnungen 100 und eine Brennstoffzellenanordnung 10 mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang 11 und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang 13. Eine Strömungsmaschine 50 einer der Strömungsmaschinenanordnungen 100 ist als Kompressor ausgebildet und mit dem Brennstoffzelleneingang 11 zur Luftversorgung der Brennstoffzellenanordnung 10 fluidleitend verbunden. Eine Strömungsmaschine 50 der anderen der Strömungsmaschinenanordnung 100 ist als Expander ausgebildet und mit dem Brennstoffzellenausgang 13 zum Abführen eines Abgasstroms der Brennstoffzellenanordnung 10 fluidleitend verbunden.
Die Strömungsmaschinenanordnung 100 ist detailliert mit Bezug zu 2 und 3 beschrieben.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer Strömungsmaschinenanordnung 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Strömungsmaschinenanordnung 100 ist dazu eingerichtet, für ein Brennstoffzellensystem 150 in einem Fahrzeug 200a, 200b wie mit Bezug zu 1 beschrieben verwendet zu werden.
Die Strömungsmaschinenanordnung 100 gemäß 2 umfasst eine mehrstufige Strömungsmaschine 50 mit einem Gehäuse 51 und zwei Stufen 52, 53, wobei jede der Stufen 52, 53 zur Kompression und/oder Expansion von die Stufe 52, 53 durchströmender Luft 40 eingerichtet ist. Das Gehäuse 51 besteht beispielsweise teilweise aus einem insbesondere gegossenen Metall.
Die Stufen 52, 53 weisen einen um eine Achse A drehbar gelagerten Rotor 54 auf. Der Rotor 54 umfasst eine Welle 41 und zwei Laufräder 42, 43. Die Laufräder 42, 43 sind drehfest mit der Welle 41 verbunden. Die Welle 41 ist entlang der Achse A angeordnet und zur Drehung um die Achse A eingerichtet. Die Laufräder 42, 43 weisen eine nichtgezeigte Beschaufelung auf, die dazu eingerichtet ist, bei einer Rotation der Laufräder 42, 43 die Luft 40 zu komprimieren oder zu expandieren.
Senkrecht zu der Achse A ist eine Radialrichtung R definiert. Gemäß 2 ist ein Längsschnitt der Strömungsmaschinenanordnung 100 illustriert, wobei der Längsschnitt eine die Achse A umfassenden Ebene zeigt.
Die Strömungsmaschinenanordnung 100 weist eine außerhalb des Gehäuses 51 angeordneten Verrohrungsanordnung 60 zur fluidleitenden Verbindung der zwei Stufen 52, 53 auf. Damit ist die Strömungsmaschine 50 eine mehrstufige Strömungsmaschine 100, wobei Luft 40 von der ersten Stufe 52 zu der zweiten Stufe 53 geleitet werden kann.
In einer alternativen, nicht-gezeigten Ausführungsform ist die Verrohrungsanordnung 60 zur fluidleitenden Verbindung der Stufen 52, 53 mit einer Brennstoffzellenanordnung 10 des Brennstoffzellensystems 150 eingerichtet. Damit kann die Strömungsmaschine 50 eine mehrflutige beziehungsweise mehrströmige Strömungsmaschine 50 sein.
Die Strömungsmaschinenanordnung 100 gemäß 2 weist ein elektrisch mit der Strömungsmaschine 50 verbundenes Leistungselektronikbauteil 70 auf. Das Leistungselektronikbauteil 70 weist eine Leistungselektronik 71 auf und ein Bauteilgehäuse 72, wobei die Leistungselektronik 71 in dem Bauteilgehäuse 72 angeordnet ist.
Die Leistungselektronik 71 ist dazu eingerichtet, elektrische Energie 65 zum Betreiben der Strömungsmaschine 50 zu wandeln und/oder durch die Strömungsmaschine 50 generierte elektrische Energie 65 zu wandeln. Dafür weist die Strömungsmaschine 50 einen Stator 55 auf, der um die Welle 41 beziehungsweise den Rotor 54 angeordnet ist, wobei der Stator 55 mit der Leistungselektronik 71 elektrisch verbunden ist. Damit der Stator 55 und der Rotor 54 miteinander in elektromagnetischer Wirkverbindung stehen können, können der Stator 55 und/oder der Rotor 54 Wicklungen aufweisen.
Die Leistungselektronik 70 weist Kontakte 75 zur elektrischen Kontaktierung der Leistungselektronik 70 mit einem Bordnetz (nicht gezeigt) des Fahrzeugs 200a, 200b auf.
Wie in 2 gezeigt ist das Leistungselektronikbauteil 70 in der Radialrichtung R zwischen dem Gehäuse 51 und der Verrohrungsanordnung 60 angeordnet. Insbesondere weist die Verrohrungsanordnung 60 ein dem Gehäuse 51 abgewandten Rohrabschnitt 61 auf und das Leistungselektronikbauteil 70 ist in Radialrichtung R innerhalb des Rohrabschnitts 61 angeordnet. Das Leistungselektronikbauteil 70 ist näher an der Achse A angeordnet als der Rohrabschnitt 61. Der Rohrabschnitt 61 umfasst einen parallel zur Achse A verlaufenden Abschnitt der Verrohrungsanordnung 60.
Das Gehäuse 51, das Leistungselektronikbauteil 70 und die Verrohrungsanordnung 60 sind entlang der Achse A überlappend angeordnet. Mit anderen Worten überschneiden sich die Positionen des Gehäuses 51, des Leistungselektronikbauteils 70 und der Verrohrungsanordnung 60 entlang der Achse A.
Das Leistungselektronikbauteil 70 kontaktiert das Gehäuse 51. Insbesondere kontaktiert das Bauteilgehäuse 72 das Gehäuse 51 der Strömungsmaschine.
Die Strömungsmaschinenanordnung 100 umfasst eine Steuerelektronik 90 zum Steuern der Strömungsmaschine 50, und die Steuerelektronik 90 ist in der Radialrichtung R zwischen dem Gehäuse 51 und der Verrohrungsanordnung 60 angeordnet, und wobei die Steuerelektronik 90. Die Verrohrungsanordnung 60 sind in einer Umfangsrichtung U zumindest abschnittweise überlappend angeordnet (nicht gezeigt).
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Strömungsmaschinenanordnung 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Strömungsmaschinenanordnung 100 gemäß 3 ist eine Ausführungsform der in 2 gezeigten Strömungsmaschinenanordnung 100 und wird unter Bezugnahme auf 2 sowie deren Beschreibung beschrieben.
Gemäß 3 ist ein Querschnitt der Strömungsmaschinenanordnung 100 illustriert. Das Leistungselektronikbauteil 70 und die Verrohrungsanordnung 60 sind in einer Umfangsrichtung U zumindest abschnittsweise überlappend angeordnet. Mit anderen Worten gibt es einen nicht eingezeichneten Winkelabschnitt um die in 3 durch ein Kreuz illustrierte und in die Bildebene hineinragende Achse A, in dem sowohl das Leistungselektronikbauteil 70 und die Verrohrungsanordnung 60 angeordnet sind. In der schematischen Skizze ist das Leistungselektronikbauteil 70 stark vergrößert.
Das Gehäuse 51 weist einen zylindrischen Gehäuseabschnitt 57 auf und das Bauteilgehäuse 72 des Leistungselektronikbauteil 70 ist wenigstens abschnittsweise gemäß dem zylindrischen Gehäuseabschnitt 57 gekrümmt. In einer nicht gezeigten Ausführungsform ist das Bauteilgehäuse 72 gemäß dem zylindrischen Gehäuseabschnitt 57 gekantet, d.h., das Bauteilgehäuse 72 weist eine Mehrzahl von zueinander winklig angeordneter Bauteilgehäuseabschnitte auf.
Das Leistungselektronikbauteil 70 gemäß 3 weist eine Leiterplatte 73 auf. Die Leiterplatte 73 ist dazu eingerichtet, dass auf der Leiterplatte 73 die Leistungselektronik 71 angeordnet ist. Die Leiterplatte 73 ist flexibel. Beispielsweise umfasst die Leiterplatte 73 dazu Abschnitte aus Polyimid. Die flexible Leiterplatte 73 ist gemäß dem Gehäuse 51 beziehungsweise dessen Mantelfläche krümmbar. Das Leistungselektronikbauteil 70 beziehungsweise das Bauteilgehäuse 72 und die Leistungselektronik umgreifen das Gehäuse 51 in der Umfangsrichtung U.
Die Strömungsmaschine 50 umfasst eine Kühlanordnung 80. Die Kühlanordnung 80 ist dazu eingerichtet, die Strömungsmaschine 50 und das Leistungselektronikbauteil 80 zu kühlen. Dafür weist die Kühlanordnung 80 eine Wärmeleitelement 83, das auch als Kühlplatte bezeichnet werden kann. Das Wärmeleitelement 83 kann beispielsweise aus Kupfer sein. Das Wärmeleitelement 83 kontaktiert die Leiterplatte 73 zur Kühlung der Leistungselektronik 71.
Die Kühlanordnung 80 weist einen Kühlkanal 81 auf. Der Kühlkanal 81 ist dazu eingerichtet, ein Kühlfluid aufzunehmen. Das Kühlfluid kann durch einen nicht gezeigten Antrieb und/oder durch Konvektion in dem Kühlkanal 81 bewegt werden. Der Kühlkanal 81 ist zur Kühlung des Leistungselektronikbauteils 70 mittels einer Kühlung des Wärmeleitelements 83 angeordnet. Der Kühlkanal 81 ist zur Kühlung des Gehäuses 51 angeordnet. Der Kühlkanal 81 ist somit innerhalb des Gehäuses 50 und des Bauteilgehäuses 72 angeordnet. Der Vorteil dieser Bauart ist, dass das Gehäuse 51 der Strömungsmaschine und das Wärmeleitelement 83 gemeinsam gekühlt werden können. Über eine Verbindung zwischen dem Gehäuse 51 und dem Bauteilgehäuse 72 kann der gleiche Kühlmittelfluss genutzt werden. Der Kühlkanal 81 erstreckt sich durch das Gehäuse 50 und das Bauteilgehäuse 72. Die Leistungselektronik 70 ist an einem durch den Kühlabschnitt 82 kühlbaren Gehäuseabschnitt 56 des Gehäuses 51 angeordnet.
Der Stator 55 der Strömungsmaschine 50 ist durch einen Kühlabschnitt 82 des Kühlkanals 81 kühlbar. Dafür verläuft der Kühlabschnitt 82 des Kühlkanals 81 um den Stator 55 und somit um den Rotor 54 (nicht in 3 gezeigt).
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Strömungsmaschinenanordnung 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Strömungsmaschinenanordnung 100 gemäß 4 ist eine Ausführungsform der in 2 gezeigten Strömungsmaschinenanordnung 100 und wird unter Bezugnahme auf 2 und 3 sowie deren Beschreibung beschrieben. 4 wird mit Hinblick auf die Unterschiede zu 3 beschrieben.
Die Leiterplatte 73 weist eine Mehrzahl von zueinander winklig angeordneten Leiterplattenabschnitten 74 auf. Die Leiterplatte 73 kann modular aufgebaut sein. Jeder der Leiterplattenabschnitte 74 ist flach und mit einem Winkel zu dem Wärmeleitelement 83 angeordnet. Die Leiterplattenabschnitte 74 bilden eine diskrete Inverter-Architektur, womit für die Leiterplatte 73 Siliziumcarbid-Halbleiterelemente genutzt werden können, die individuell auf den Leiterplattenabschnitten 74 aufgebracht werden können. Hierdurch wird die gezeigte Anordnung und Teilung der Leiterplatte 73 der Leistungselektronik 70 („power board“) möglich.
Bezugszeichen (Teil der Beschreibung)

10: Brennstoffzellenanordnung
11: Brennstoffzelleneingang
13: Brennstoffzellenausgang
40: Luft
41: Welle
42: erstes Laufrad
43: zweites Laufrad
50: Strömungsmaschine
51: Gehäuse
52: erste Stufe
53: zweite Stufe
54: Rotor
55: Stator
56: Gehäuseabschnitt
57: zylindrischer Gehäuseabschnitt
60: Verrohrungsanordnung
61: Rohrabschnitt
65: elektrische Energie
70: Leistungselektronikbauteil
71: Leistungselektronik
72: Bauteilgehäuse
73: Leiterplatte
74: Leiterplattenabschnitte
75: Kontakt
80: Kühlanordnung
81: Kühlkanal
82: Kühlabschnitt
83: Wärmeleitelement
90: Steuerelektronik
100: Strömungsmaschinenanordnung
110: Energiespeichervorrichtung
130: elektrischer Antrieb
150: Brennstoffzellensystem
200a: Fahrzeug
200b: Nutzfahrzeug
A: Achse
R: Radialrichtung
U: Umfangsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015224754 A1 [0007]
WO 2016/134886 A1 [0008]

Claims

Strömungsmaschinenanordnung (100) für ein Brennstoffzellensystem (150) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend - eine mehrstufige Strömungsmaschine (50) mit einem Gehäuse (51), zwei Stufen (52, 53), wobei jede der Stufen (52, 53) zur Kompression und/oder Expansion von die Stufe (52, 53) durchströmender Luft (40) eingerichtet ist, und wobei die Stufen (52, 53) einen um eine Achse (A) drehbar gelagerten Rotor (54) aufweisen, und einer außerhalb des Gehäuses (51) angeordneten Verrohrungsanordnung (60) zur fluidleitenden Verbindung der zwei Stufen (52, 53) oder zur fluidleitenden Verbindung der Stufen (52, 53) mit einer Brennstoffzellenanordnung (10) des Brennstoffzellensystems (150), und - ein elektrisch mit der Strömungsmaschine (50) verbundenes Leistungselektronikbauteil (70), dadurch gekennzeichnet, dass - das Leistungselektronikbauteil (70) in einer Radialrichtung (R) zwischen dem Gehäuse (51) und der Verrohrungsanordnung (60) angeordnet ist, und dass das Leistungselektronikbauteil (70) und die Verrohrungsanordnung (60) in einer Umfangsrichtung (U) zumindest abschnittsweise überlappend angeordnet sind.
Strömungsmaschinenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Verrohrungsanordnung (60) ein dem Gehäuse (51) abgewandten Rohrabschnitt (61) aufweist, und das Leistungselektronikbauteil (70) in Radialrichtung (R) innerhalb des Rohrabschnitts (61) angeordnet ist und/oder das Leistungselektronikbauteil (70) näher an der Achse (A) angeordnet ist als der Rohrabschnitt (61).
Strömungsmaschinenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse (51), das Leistungselektronikbauteil (70) und die Verrohrungsanordnung (60) entlang der Achse (A) überlappend angeordnet sind.
Strömungsmaschinenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Strömungsmaschine (50) eine Kühlanordnung (80) umfasst, und die Kühlanordnung (80) dazu eingerichtet ist, die Strömungsmaschine (50) und das Leistungselektronikbauteil (80) zu kühlen.
Strömungsmaschinenanordnung nach Anspruch 4, wobei die Kühlanordnung (80) einen Kühlkanal (81) aufweist, wobei der Kühlkanal (81) zur Kühlung des Gehäuses (51) und des Leistungselektronikbauteils (70) angeordnet ist.
Strömungsmaschinenanordnung nach Anspruch 5, wobei die Strömungsmaschine (50) einen durch einen Kühlabschnitt (82) des Kühlkanals (81) kühlbaren Stator (55) aufweist.
Strömungsmaschinenanordnung nach Anspruch 6, wobei das Leistungselektronikbauteil (70) eine Leistungselektronik (71) aufweist, und die Leistungselektronik (70) an einem durch den Kühlabschnitt (82) kühlbaren Gehäuseabschnitt (56) des Gehäuses (51) angeordnet ist.
Strömungsmaschinenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Leistungselektronikbauteil (70) das Gehäuse (51) kontaktiert.
Strömungsmaschinenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gehäuse (51) einen zylindrischen Gehäuseabschnitt (57) aufweist und das Leistungselektronikbauteil (70) ein wenigstens abschnittsweise gemäß dem zylindrischen Gehäuseabschnitt (57) gekrümmtes und/oder gekantetes Bauteilgehäuse (72) aufweist.
Strömungsmaschinenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Leistungselektronikbauteil (70) eine Leiterplatte (73) aufweist, und die Leiterplatte (73) flexibel ist und/oder eine Mehrzahl von zueinander winklig angeordneten Leiterplattenabschnitten (74) aufweist.
Strömungsmaschinenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Strömungsmaschinenanordnung (100) eine Steuerelektronik (90) zum Steuern der Strömungsmaschine (50) umfasst, und die Steuerelektronik (90) in der Radialrichtung (R) zwischen dem Gehäuse (51) und der Verrohrungsanordnung (60) angeordnet ist, und wobei die Steuerelektronik (90) und die Verrohrungsanordnung (60) in einer Umfangsrichtung (U) zumindest abschnittweise überlappend angeordnet sind.
Strömungsmaschinenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Leistungselektronikbauteil (70) das Gehäuse (51) in einer Umfangsrichtung (U) umgreift.
Brennstoffzellensystem (150) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend eine Strömungsmaschinenanordnung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche und eine Brennstoffzellenanordnung (10) mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang (11) und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang (13), wobei die Strömungsmaschine (50) der Strömungsmaschinenanordnung (100) mit dem Brennstoffzelleneingang (11) zur Luftversorgung der Brennstoffzellenanordnung (10) und/oder dem Brennstoffzellenausgang (13) zum Abführen eines Abgasstroms (15) der Brennstoffzellenanordnung (10) fluidleitend verbunden ist.
Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend ein Brennstoffzellensystem (150) nach Anspruch 13 und/oder eine Strömungsmaschinenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.