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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Verdichtung eines Fluids. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem gattungsgemäßen Seitenkanalverdichter und/oder ein Verfahren um Herstellen eines Befestigungsrings und/oder zum Einbringen einer Nut.
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Stand der Technik
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Steigende Kraftstoffpreise und Gesetzesvorgaben zur Limitierung des CO2 Ausstoßes haben zur Folge, dass Automobilhersteller verstärkt an Antriebssystemen mit regenerativen Energieträgern arbeiten. Einen vielversprechenden Ansatz bietet hierbei aus mehreren Gründen die Wasserstofftechnologie, da Wasserstoff als Energieträger nahezu unlimitiert zur Verfügung steht und bei der Verbrennung keine schädlichen Abgase entstehen.
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Während sich die Direktverbrennung von Wasserstoff als hochkomplizierten und derzeit kaum beherrschbaren Prozess gestaltet, gewinnen Antriebssysteme zunehmend an Bedeutung, bei welchen mittels des Wasserstoffs zunächst elektrische Energie erzeugt wird, welche anschließend zum Betreiben einer Elektromaschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs verwendbar ist. Hierfür weisen diese Antriebssysteme eine Brennstoffzelle auf.
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Prinzipbedingt weisen Brennstoffzellensysteme einen Wasserstoffeinlass auf, über welchen Wasserstoff der Brennstoffzelle zuführbar ist. Auf der Seite des Wasserstoffeinlasses weisen Brennstoffzellensysteme eine Anode auf. Zur Zufuhr von Sauerstoff weisen Brennstoffzellensysteme einen Sauerstoffeinlass auf. Auf der Seite des Sauerstoffeinlasses weisen Brennstoffzellensysteme eine Kathode auf. Schließlich weisen Brennstoffzellensysteme einen Abgasauslass zum Auslassen von Abgasen der Brennstoffzelle auf. Hierbei handelt es sich überwiegend um Wasser als Verbrennungsprodukt der Brennstoffzelle und unverbrauchte Luft. Da bei der Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle nicht der gesamte der Brennstoffzelle zugeführte Wasserstoff verbrennbar ist, befindet sich unter den Abgasen auch unverbrannter bzw. unverbrauchter Wasserstoff.
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Um einen Verbrauch an Wasserstoff in der Brennstoffzelle zu reduzieren, ist es mittlerweile üblich, den unverbrauchten Wasserstoff zu rezirkulieren. Für diese Rezirkulation kommen Rezirkulationsgebläse zum Einsatz, welche mitunter sogenannte „Seitenkanalverdichter“ aufweisen.
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Seitenkanalverdichter sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Bei den Seitenkanalverdichtern handelt es sich um eine Art Kreiselradverdichter, welche anhand des verwendeten Laufrads und der Fluidführung in „Sternradverdichtei“ und „Peripheralradverdichter“ unterteilbar sind.
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Das zu fördernde Fluid wird dabei über einen Zulaufstutzen, welcher hierfür mit dem Abgasauslass des Brennstoffzellensystems fluidkommunizierend gekoppelt ist, einem Arbeitsraum des Seitenkanalverdichters zugeführt. In dem Arbeitsraum ist eine als Laufrad ausgebildete Verdichtervorrichtung des Seitenkanalverdichters angeordnet, welche mittels eines Elektromotors antreibbar und somit rotierbar ist. Die Verdichtervorrichtung rotiert dabei zu axial angeordneten, einseitig oder beidseitig seitlichen Strömungskanälen, welche auch als „Seitenkanäle“ bezeichnet werden.
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Auf diese Weise überträgt die rotierende Verdichtervorrichtung Energie auf einen Teil des Förderstroms. Das Fluid zirkuliert hierbei in Schaufeln der Verdichtervorrichtung sowie in den Seitenkanälen und bildet dabei einen Zirkulationsstrom aus. Von diesem Zirkulationsstrom wird die Energie durch Impulsaustausch auf den Förderstrom in einem Seitenkanal übertragen. Hierdurch erfolgt eine Umwandlung von Geschwindigkeits- in Druckenergie. Die Energieübertragung findet dabei auf der gesamten Länge des Seitenkanals mehrfach statt, sodass ein gro-ßer Energieübertrag realisierbar ist. An einem Ablaufstutzen des Seitenkanalverdichters resultiert somit gegenüber dem Zulaufstutzen ein Druckanstieg.
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Ein gewöhnlicher Seitenkanalverdichter ist aus dem Dokument
DE 10 2018 222 102 A1 bekannt. Der Seitenkanalverdichter kann den Nachteil aufweisen, dass es bei der Verwendung des Fixierelements zur Befestigung und axialen Fixierung der Wälzlager an einem Lagerzapfen des Gehäuse-Unterteils zu einer Aufweitung des Lagerzapfens kommen kann, insbesondere aufgrund der Vorspannkraft des Fixierelements, welches beispielsweise als eine Zentralschraube ausgeführt ist. Dies kann zu einer Beschädigung der Lager durch eine auf die Lager vom Lagerzapfen nach außen wirkenden Kraft führen, wobei durch die Aufweitung des Lagerzapfens durch das Fixierelement eine Beschädigung zumindest eines Lagerinnenrings und/oder der Wälzkörperlaufbahnen und/oder des Wälzkörpers kommt, indem der Lagerzapfen den Lagerinnenring und die weiteren Lagerbauteile durch eine Presskraft und/oder Klemmkraft beschädigt. Zudem kann es bei der Verwendung des Fixierelements, beispielsweise eines Einschraubens der Zentralschraube in eine Gewindebohrung am Lagerzapfen dazu kommen, dass der axiale Anschlag der Kugellager am Gehäuse nicht gegeben ist aufgrund von Fertigungstoleranzen der in Kontakt stehenden Bauteile. Zudem kann es zu einem zumindest teilweise Verkippen eines Verdichterrads kommen, so dass vorhandene Axialspaltmaße zwischen Verdichterrad und eines ersten und/oder zweiten Gehäuseteils derart aufgehoben werden, so dass es zu einer Kollision des Verdichterrads mit dem jeweiligen Gehäuse kommt. Oder es kommt zu einer derartigen Aufweitung des jeweiligen Axialspaltmaßes kommt, dass eine Kapselung eines Verdichterraums und/oder Seitenkanals aufgehoben wird und somit Brennstoff aus dem Seitenkanalverdichter austritt. Somit kann die Lebensdauer der Lager und/oder des gesamten Seitenkanalverdichters erheblich reduziert werden, während sich die Ausfallwahrscheinlichkeit erhöht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Verdichtung eines Fluids mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem Seitenkanalverdichter mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 11 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Verdichtung eines Fluids bereitgestellt. Der Seitenkanalverdichter weist ein Gehäuse mit einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil auf, wobei das erste Gehäuseteil einen entlang einer Rotationsachse R erstreckenden Lagerzapfen mit einem Zapfenwurzelabschnitt sowie einem Zapfenhauptabschnitt aufweist. Auf dem Zapfenhauptabschnitt ist ein Lagerinnenring einer Lagervorrichtung angeordnet, wobei eine Verdichtervorrichtung innerhalb des Gehäuses auf einem Lageraußenring der Lagervorrichtung um die Rotationsachse R rotierbar angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist der Lagerzapfen einen Zapfenendabschnitt auf, wobei der Zapfenhauptabschnitt zwischen dem Zapfenwurzelabschnitt und dem Zapfenendabschnitt angeordnet ist, wobei der Zapfenendabschnitt einen den Lagerinnenring entlang der Rotationsachse R überragenden Zapfenverspannabschnitt aufweist, wobei das erste Gehäuseteil über den Zapfenverspannabschnitt mit dem Lagerinnenring verspannt ist.
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Das Gehäuse ist durch das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil gebildet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, ist aber nicht zwingend erforderlich, dass das erste Gehäuseteil und/oder das zweite Gehäuseteil weitere Gehäuseteile aufweist, welche insbesondere als Gehäusedeckel, Gehäusewand oder dergleichen ausgebildet sein können. Vorzugsweise ist durch das erste Gehäuseteil eine vormontierbare Baugruppe des Seitenkanalverdichters definiert, welche die Lagervorrichtung und die Verdichtervorrichtung aufweist. Durch das Gehäuse ist, vorzugsweise durch das Zusammenspiel des ersten Gehäuseteils mit dem zweiten Gehäuseteil, ein Arbeitsraum für die Verdichtervorrichtung gebildet.
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Der Arbeitsraum ist vorzugsweise, abgesehen von einem Arbeitsraumeinlass und einem Arbeitsraumauslass, fluiddicht ausgebildet. Unter fluiddicht wird im Rahmen der Erfindung auch verstanden, dass die Dichtheit bei einem gegenüber einem Umgebungsdruck höheren Arbeitsdruck des Seidenkanalverdichters Bestand hält. Zur Gewährleistung der Dichtheit sind vorzugsweise Dichtungsvorrichtungen, wie beispielsweise Dichtringe, insbesondere aus Silikon oder Gummi, oder dergleichen zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil vorgesehen. Das erste Gehäuseteil ist vorzugsweise im Wesentlichen bzw. überwiegend aus Aluminium gebildet. Das zweite Gehäuseteil ist vorzugsweise im Wesentlichen bzw. überwiegend aus Aluminium gebildet.
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Der Lagerzapfen ist als Teilbereich des ersten Gehäuseteils ausgebildet und erstreckt sich von einer Innenwandung des ersten Gehäuseteils weg. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Lagerzapfen monolithisch mit dem ersten Gehäuseteil ausgebildet ist. Alternativ kann der Lagerzapfen auch stoffschlüssig, beispielsweise durch Schweißen, oder kraftschlüssig, beispielsweise durch Verschrauben oder Verpressen, an dem ersten Gehäuseteil angeordnet sein. Der Lagerzapfen erstreckt sich von der Innenwandung des ersten Gehäuseteils vom Zapfenwurzelabschnitt über den Zapfenhauptabschnitt zum Zapfenendabschnitt. Der Zapfenendabschnitt weist den Zapfenverspannabschnitt auf. Vorzugsweise ist der Zapfenendabschnitt als Zapfenverspannabschnitt ausgebildet.
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Die Lagervorrichtung weist den Lagerinnenring und den Lageraußenring auf. Zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring sind vorzugsweise mehrere Wälzkörper, wie beispielsweise Kugeln, Rollen, Tonnen oder dergleichen, angeordnet, um den Lageraußenring möglichst spielfrei auf dem Lagerinnenring abzustützen und eine relative Rotation zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring zu gewährleisten.
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Auf dem Zapfenhauptabschnitt ist der Lagerinnenring der Lagervorrichtung, vorzugsweise im Lossitz, angeordnet. Es können auch mehrere Lagerinnenringe auf dem Zapfenhauptabschnitt, vorzugsweise jeweils im Lossitz, angeordnet sein. Der Lossitz ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass bei gelöster Verspannung ein leichtes Verschieben der Lagervorrichtung auf dem Lagerzapfen, beispielsweise händisch, gewährleistet und ein Verkippen des Lagerinnenrings auf dem Lagerzapfen verhindert ist.
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Die Verdichtervorrichtung ist auf dem Lageraußenring der Lagervorrichtung, vorzugsweise im Presssitz, angeordnet. Der Presssitz ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass ein Verschieben der Verdichtervorrichtung auf der Lagervorrichtung kraftschlüssig verhindert ist. Alternativ kann die Verdichtervorrichtung auf dem Lageraußenring im Lossitz angeordnet und durch Haltemittel gegen ein axiales Abrutschen von der Lagervorrichtung gesichert sein.
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Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist der Seitenkanalverdichter derart ausgebildet, dass der Lagerzapfen einen Zapfenendabschnitt aufweist, wobei der Zapfenhauptabschnitt zwischen dem Zapfenwurzelabschnitt und dem Zapfenendabschnitt angeordnet ist, wobei der Zapfenendabschnitt einen den Lagerinnenring entlang der Rotationsachse R überragenden Zapfenverspannabschnitt aufweist, und wobei der Zapfenverspannabschnitt eine im Lagerzapfen angeordnete Nut aufweist, wobei sich ein Befestigungsring in der Nut befindet, wobei das erste Gehäuseteil über den Befestigungsring mit dem Lagerinnenring verspannt ist. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass ein Fixierelements in Form einer Zentralschraube zur Befestigung und axialen Fixierung des mindestens einen Lagers in axial zur Drehachse verlaufenden Richtung am Lagerzapfen nicht mehr benötigt wird. Somit kann auch die Bohrung zur Aufnahme des Fixierelements im Lagerzapfen entfallen und es lässt sich vermeiden, dass es zu einer Aufweitung des Lagerzapfens aufgrund des Einschraubens des Fixierelements, welches beispielsweise als eine Zentralschraube ausgeführt ist. Somit kann eine Beschädigung der Lager durch den aufgeweiteten Lagerzapfen verhindert werden, wodurch sich die Ausfallwahrscheinlichkeit der Lager und/oder des gesamten Seitenkanalverdichters verbessern lässt, da dies im Betrieb des Seitenkanalverdichters unter Wärmeeinfluss zu einer Beschädigung der Lagervorrichtung führen könnte. Zudem lässt sich der Vorteil erzielen durch die Verwendung des Befestigungsrings, der in der Nut angeordnet ist, eine kompakte Bauform des Zapfenverspannabschnitts und somit des gesamten Seitenkanalverdichters erzielt werden kann,
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Fördereinrichtung möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters ist der Befestigungsring zwischen einer dem Zapfenwurzelabschnitt zugewandten ersten Stirnfläche der Nut und einer dem Zapfenwurzelabschnitt abgewandten ersten Innenstirnseite des Lagerinnenrings angeordnet. Auf diese Weise lässt sich eine stabile Befestigung des Befestigungsring in der Nut und somit der Lagervorrichtung auf dem Lagerzapfen erzielen. Dabei baut der als Befestigungsrings und Nut ausgeführte Zapfenverspannabschnitt schmal, wodurch der Verspannabschnitt weniger Platz in Richtung der Rotationsachse R benötigt. Somit kann auch der Seitenkanalverdichter schmaler und/oder kompakter ausgeführt werden und benötigt somit weniger Bauraum im Gesamtfahrzeug. Zudem hat der erfindungsgemäße Seitenkanalverdichter gegenüber herkömmlichen Seitenkanalverdichtern den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine verbesserte Anordnung der Lagervorrichtung auf dem Lagerzapfen gewährleistet ist. Durch die Anordnung des Zapfenverspannabschnitts neben der Lagervorrichtung ist eine Aufweitung des Lagerzapfens beim Verspannen oder im Betrieb des Seitenkanalverdichters aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Komponenten vermeidbar oder zumindest erheblich reduzierbar. Eine Belastung der Lagervorrichtung ist somit reduzierbar und eine Lebensdauer der Lagervorrichtung auf diese Weise gegenüber herkömmlichen Seitenkanalverdichtern wesentlich verlängerbar. Überdies weist der erfindungsgemäße Seitenkanalverdichter eine besonders einfache Montierbarkeit sowie Demontierbarkeit auf und ist daher kostengünstig montierbar sowie sehr wartungsfreundlich. Ferner weist der erfindungsgemäße Seitenkanalverdichter eine besonders vorteilhafte Laufruhe auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Seitenkanalverdichters weist der Befestigungsring ein anpassbares Breitenmaß B, beispielsweise B1 oder B2 oder B3, auf, um das erste Gehäuseteil mit dem Lagerinnenring zu verspannen. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass unterschiedliche Befestigungsringe in der Montage vorgehalten werden können und je nach Bedarfsfall verbaut werden können. Somit kann die Zuverlässigkeit des Seitenkanalverdichters erhöht werden, wobei sich die Montagezeit verkürzt werden kann, da eine Nachbearbeitung des Befestigungsrings vermieden wird. Somit lassen sich zudem die Gesamtkosten des Seitenkanalverdichters, insbesondere aufgrund der reduzierten Fertigungskosten, reduzieren.
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Gemäß einer besonderen vorteilhaften Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters Weist die Nut ein anpassbares Breitenmaß b, beispielsweise b1 oder b2 oder b3, auf, um das erste Gehäuseteil mit dem Lagerinnenring zu verspannen. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass zum einen die Nut mit dem anpassbaren Breitenmaß b an den eingesetzten Befestigungsring mit einem unterschiedlichen Breitenmaß B angepasst werden kann, so dass die Nut vom Breitenmaß groß genug ist, um unterschiedliche Befestigungsringe mit unterschiedlichen Breitenmaßen aufzunehmen. Zum anderen können die Gesamtkosten des Seitenkanalverdichters, insbesondere aufgrund der reduzierten Fertigungskosten und/oder Montagekosten, reduzieren.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Seitenkanalverdichters ist mittels des Einsatzes des Befestigungsrings und/oder des Einsatzes der Nut mit einem jeweiligen anpassbarem Breitenmaßes bn und/oder Bn ein Abstand L zwischen der ersten Stirnfläche der Nut und der Innenwand des ersten Gehäuseteils einstellbar ist. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass eine Ausrichtung eines Verdichterrads und Einstellen eines jeweiligen Axialspaltmaßes und/oder eines axialen Anschlags der Wälzlager durch die Montage des Befestigungsrings mit unterschiedlichen Breitenmaßen B in der Nut mit einem anpassbaren Breitenmaß b ermöglicht wird. Durch ein Variieren des jeweiligen Breitenmaßes bn und Bn und einer entsprechenden Paarung der Bauteile Befestigungsring und Nut lässt sich der resultierende Abstand L derart einstellen, vorhandene Toleranzschwankungen der Bauteile Wälzlager und/oder Distanzscheibe und/oder Federvorrichtung und/oder Gehäuse ausgeglichen werden können. Zudem hat dies den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Vorspannung durch Auswahl einer geeigneten Anschlagscheibendicke besonders einfach gezielt einstellbar bzw. begrenzbar ist. Somit sind Fertigungstoleranzen kompensierbar und eine zu hohe Vorspannung vermeidbar. Zudem lässt sich auf diese Weise der Vorteil erzielen, dass eine optimale Lagervorspannung durch eine entsprechende Paarung der Bauteile Nut und Befestigungsring erzielen lässt. Somit kann die Lebensdauer der Lager und des gesamten Seitenkanalverdichters erhöht werden.
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Weiter bevorzugt ist an dem Zapfenwurzelabschnitt zwischen einer dem Zapfenendabschnitt abgewandten zweiten Innenstirnseite des Lagerinnenrings und einer dem Zapfenendabschnitt zugewandten Innenwand des ersten Gehäuses die Federvorrichtung angeordnet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass zwischen der Federvorrichtung und dem Lagerinnenring eine Anschlagscheibe angeordnet ist. Durch die Federvorrichtung ist eine definierte Verspannkraft bereitstellbar. Die Federvorrichtung ist insbesondere in Verbindung mit einem voranstehend beschriebenen Befestigungsrings zum Verspannen bevorzugt, da durch das Einsetzen des Befestigungsrings die Feder gezielt komprimierbar und die Verspannkraft somit gezielt einstellbar ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Montierbarkeit verbessert ist. Zudem ist über die Federvorrichtung eine besonders konstante Verspannkraft gewährleistbar. Schließlich sind über die Federvorrichtung auch Wärmeausdehnungen im Betrieb des Seitenkanalverdichters auf vorteilhafte Weise kompensierbar.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem Seitenkanalverdichter vorgesehen sein, dass die Federvorrichtung als Wellfeder ausgebildet ist. Eine Wellfeder ist kostengünstig verfügbar und weist eine für diesen Anwendungsfall vorteilhafte Kennlinie auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige sowie konstante Bereitstellung der Verspannkraft gewährleistet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Seitenkanalverdichters ist der Befestigungsring als Sicherungsring ausgeführt, der an einem Teil seines Umfangs eine Öffnung aufweist und/oder eine Elastizität aufweist, so dass der Sicherungsring in die Nut einklippsbar ist. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass eine schnelle und vereinfachte Montage des Sicherungsrings möglich ist, wodurch sich die Montagekosten des Seitenkanalverdichters reduzieren lassen. Zudem lässt sich mittels des Einsatzes des Sicherungsrings eine sichere und stabile Verbindung herstellen, so dass die Ausfallwahrscheinlichkeit des Seitenkanalverdichters reduziert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Zapfenwurzelabschnitt und/oder der Zapfenhauptabschnitt und/oder der Zapfenendabschnitt als Vollmaterial ausgebildet. Vorzugsweise ist der gesamte Lagerzapfen als Vollmaterial ausgebildet. Hierbei kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Lagerzapfen einen Kühlkanal zum Durchleiten eines Kühl-Fluids aufweist. Der Kühlkanal ist vorzugsweise koaxial zur Rotationsachse R ausgebildet. Erfindungsgemäß kann sich der Kühlkanal auch schräg und/oder quer zur Rotationsachse R erstrecken. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Lagerzapfen eine Spannungsausgleichsbohrung aufweist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein übermäßiges Aufweiten des Lagerzapfens beim Verspannen sowie im Betrieb des Seitenkanalverdichters vermieden ist. Somit sind der Verschleiß der Lagervorrichtung reduzierbar und die Lebensdauer der Lagervorrichtung erhöhbar. Ferner ist auf diese Weise eine Laufruhe des Seitenkanalverdichters verbesserbar. Des Weiteren kann auf diese Weise für beide Lager dasselbe Lagerspiel eingestellt werden.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Lagervorrichtung zwei entlang der Rotationsachse R nebeneinander angeordnete Wälzlager aufweist. Zwischen benachbarten Lagerinnenringen sind vorzugsweise innere Distanzringe angeordnet. Zwischen benachbarten Lageraußenringen sind vorzugsweise äußere Distanzringe angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Verschwenken der Verdichtervorrichtung zur Rotationsachse R besser vermieden ist. Ein Verschleiß der Lagervorrichtung ist somit reduzierbar und eine Lebensdauer der Lagervorrichtung erhöhbar. Ferner ist auf diese Weise eine Laufruhe des Seitenkanalverdichters verbesserbar.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle mit einem Sauerstoffeinlass, einem Wasserstoffeinlass, einem Abgasauslass, einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten auf. Erfindungsgemäß weist das Brennstoffzellensystem einen mit dem Abgasauslass fluidkommunizierend gekoppelten, erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter auf.
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Erfindungsgemäß kann die Brennstoffzelle auch als Brennstoffzellenstack aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen ausgebildet sein. Hierbei ist es bevorzugt, dass der Brennstoffzellenstack den Abgasauslass aufweist mit welchem der erfindungsgemäße Seitenkanalverdichter fluidkommunizierend gekoppelt ist. Der Arbeitsraumeinlass des Seitenkanalverdichters ist mit dem Abgasauslass fluidkommunizierend gekoppelt, sodass Abgas aus dem Abgasauslass dem Arbeitsraum des Seitenkanalverdichters zuführbar ist. Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem einen Wasserabscheider auf, welcher in Strömungsrichtung vorzugsweise vor dem Seitenkanalverdichter angeordnet ist. Der Arbeitsraumauslass des Seitenkanalverdichters ist vorzugsweise mit dem Wasserstoffeinlass fluidkommunizierend gekoppelt, sodass Wassersoff aus dem Seitenkanalverdichter der Brennstoffzelle bzw. den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstacks zuführbar ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Seitenkanalverdichter gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellensystemen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine verbesserte Anordnung der Lagervorrichtung auf dem Lagerzapfen des Seitenkanalverdichters gewährleistet ist. Durch die Anordnung des Zapfenverspannabschnitts neben der Lagervorrichtung ist eine Aufweitung des Lagerzapfens beim Verspannen oder im Betrieb des Seitenkanalverdichters aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Komponenten vermeidbar oder zumindest erheblich reduzierbar. Eine Belastung der Lagervorrichtung ist somit reduzierbar und eine Lebensdauer der Lagervorrichtung auf diese Weise gegenüber herkömmlichen Seitenkanalverdichtern wesentlich verlängerbar. Überdies weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem eine besonders einfache Montierbarkeit sowie Demontierbarkeit des Seitenkanalverdichters auf und ist daher kostengünstig montierbar sowie sehr wartungsfreundlich. Ferner weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem besonders geringe Betriebsgeräusche auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Herstellen des Befestigungsrings und/oder zum Einbringen der Nut in den Lagerzapfen und/oder Einstellen des Axialspaltmaßes und/oder eines axialen Anschlags der Wälzlager für einen Seitenkanalverdichter und/oder ein Brennstoffzellensystem für einen Seitenkanalverdichter und/oder ein Brennstoffzellensystem wird in einem ersten Schritt eine Messung erfolgen. Dabei erfolgt die Messung der axial zur Rotationsachse R verlaufenden Breitentoleranzen der Bauteile jeweiliges Wälzlager und/oder Distanzscheibe und/oder Federvorrichtung und/oder Gehäuse zur Feststellung der Toleranzkette aufgrund Fertigungsschwankungen. In einem zweiten Schritt erfolgt die Berechnung des favorisierten Maßes L zum Ausbilden der bestmöglichen Axialspaltmaße und/oder zur Sicherstellung des axialen Anschlags der Wälzlager. In einem dritten Schritt erfolgt eine zumindest partielle Ausrichtung des Verdichterrads und/oder ein Einstellen des jeweiligen Axialspaltsma-ßes und/oder des axialen Anschlags der Wälzlager durch Montage des Befestigungsrings mit unterschiedlichen Breitenmaßen B, insbesondere einem maschinellen Nacharbeiten des Befestigungsrings um das Breitenmaß B anzupassen. In einem vierten Schritt erfolgt eine optionale Nacharbeit der Nut, um eine Nutbreite b zu ändern und ein optimales Maß L zu erzielen.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 in einer Schnittdarstellung einen Seitenkanalverdichter gemäß dem Stand der Technik,
- 2 in einer Schnittdarstellung einen Seitenkanalverdichter gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 3 in einer jeweiligen Schnittdarstellung ein jeweiliger Befestigungsring in verschiedenen Ausführungsformen
- 4 in einer jeweiligen Schnittdarstellung jeweils einen in 2 mit II bezeichneten Ausschnitt des Seitenkanalverdichters mit einer jeweiligen Nut in verschiedenen Ausführungsformen
- 5 in einer Draufsicht ein Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 5 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Seitenkanalverdichter 1 gemäß dem Stand der Technik schematisch in einer Schnittdarstellung abgebildet. Der Seitenkanalverdichter 1 weist ein Gehäuse mit einem ersten Gehäuseteil 3 und einem zweiten Gehäuseteil 4 auf. Das erste Gehäuseteil 3 weist einen sich in Richtung des zweiten Gehäuseteils 4 erstreckenden Lagerzapfen 5 sowie eine auf dem Lagerzapfen 5 angeordnete Lagervorrichtung 9 mit zwei Wälzlagern 20 auf. Auf dem Lagerzapfen 5 sind Lagerinnenringe 8 der Lagervorrichtung 9 angeordnet. Auf Lageraußenringen 11 der Lagervorrichtung 9 ist eine Verdichtervorrichtung 10 mit einem Verdichterrad 34 angeordnet. Zudem weist der Sei9tenkanalverdichter einen umlaufend um eine Drehachse 4 verlaufenden Verdichterraum 36 auf, der mindestens einen umlaufenden Seitenkanal 35 aufweist,
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Der Lagerzapfen 5 weist ein Sackloch auf, in welchem ein Spannbolzen 28 angeordnet ist. Über den Spannbolzen 28 sowie eine Federvorrichtung 18 sind die Lagerinnenringe 8 mit dem ersten Gehäuseteil 3 verspannt. Durch das, insbesondere übermäßige, Anziehen des Spannbolzens 28 ist der Lagerzapfen 5 aufweitbar, sodass ein Verschleiß der Lagervorrichtung 9 erhört und somit eine Lebensdauer der Lagervorrichtung 9 reduziert ist.
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2 zeigt einen Seitenkanalverdichter 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Schnittdarstellung. Der Seitenkanalverdichter 1 weist ein Gehäuse mit dem ersten Gehäuseteil 3 und dem zweiten Gehäuseteil 4 auf. Das erste Gehäuseteil 3 weist einen sich von einer Innenwand 17 in Richtung des zweiten Gehäuseteils 4 erstreckenden Lagerzapfen 5 auf. Der Lagerzapfen 5 weist einen der Innenwand 17 direkt benachbarten Zapfenwurzelabschnitt 6, einen dem Zapfenwurzelabschnitt 6 direkt benachbarten Zapfenhauptabschnitt 7 sowie einen dem Zapfenhauptabschnitt 7 direkt benachbarten Zapfenendabschnitt 12 auf. Der Zapfenendabschnitt 12 weist einen dem Zapfenhauptabschnitt 7 direkt benachbarten Zapfenverspannabschnitt 13 auf.
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Auf dem Zapfenhauptabschnitt 7 sind zwei Lagerinnenringe 8 von zwei Wälzlagern 20 der Lagervorrichtung 9 angeordnet. Auf dem Lageraußenring 11 der Lagervorrichtung 9 ist die Verdichtervorrichtung 10 angeordnet. Der Zapfenverspannabschnitt 13 weist eine Nut 14 auf, die in den Lagerzapfen 5 beispielsweise mittels eines materialabtragenden Verfahrens eingebracht ist. In der Nut 14 ist ein Befestigungsring 16 angeordnet. Mittels des in der Nut 14 angebrachten Befestigungsrings 16 sind die Lagerinnenringe 8 und der zwischen dem Lagerinnenring 8 und der Innenwand 17 angeordneten Federvorrichtung 18 mit dem ersten Gehäuseteil 3 verspannt. Dabei kann sich eine Distanzscheibe 15 zwischen den Lageraußenringen 11 der Lagervorrichtung 9 befinden, die zumindest indirekt und mittelbar mit verspannt wird mittels des Zapfenverspannabschnitts 13. Die Distanzscheibe 15 befindet sich dabei in Richtung einer Rotationsachse R zwischen den Lageraußenringen 11.
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Weiterhin ist in 2 gezeigt, dass an dem Zapfenwurzelabschnitt 6 zwischen einer dem Zapfenendabschnitt 12 abgewandten zweiten Innenstirnseite des Lagerinnenrings 8 und einer dem Zapfenendabschnitt 12 zugewandten Innenwand 17 des ersten Gehäuses 3 die Federvorrichtung 18 angeordnet ist. Dabei kann die Federvorrichtung 18 als Wellfeder 18 ausgebildet sein. Der Zapfenwurzelabschnitt 6 und/oder der Zapfenhauptabschnitt 7 und/oder der Zapfenendabschnitt 12 sind zudem als Vollmaterial ausgebildet. Des Weiteren ist gezeigt, dass die Lagervorrichtung 9 zwei entlang der Rotationsachse R nebeneinander angeordnete Wälzlager 20 aufweist, wobei sich eine Distanzscheibe 15 zwischen den Wälzlagern 20 befindet, wobei insbesondere die Lageraußenringe 11 mit der Distanzscheibe 15 axial zur Rotationsachse R in Anlage stehen.
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Wie in 2 weiterhin gezeigt ist der Befestigungsring 16 zwischen einer dem Zapfenwurzelabschnitt 6 zugewandten ersten Stirnfläche 37 der Nut 14 und einer dem Zapfenwurzelabschnitt 6 abgewandten ersten Innenstirnseite des Lagerinnenrings 8 angeordnet ist. Somit kann mittels des Einsatzes des Befestigungsrings 16 und/oder des Einsatzes der Nut 14 mit einem jeweiligen anpassbarem Breitenmaßes bn (gezeigt in 4 a bis c) und/oder Bn (gezeigt in 3 a bis c) ein Abstand L zwischen der ersten Stirnfläche 37 der Nut 14 und der Innenwand 17 des ersten Gehäuseteils 3 einstellbar ist. Auf diese Weise wird eine verbesserte Ausrichtung des Verdichterrads 34 in Richtung der Rotationsachse R ermöglicht, so dass sich die Spaltmaße 33a, b, c, d (gezeigt in 1) besser auf ein optimales Maß einstellen lassen, so dass eine Kollision des Verdichterrads 34 mit dem ersten und/oder zweiten Gehäuseteil 3, 4 verhindert wird. Zudem können die jeweilige Spaltmaße 33 dennoch ein ausreichend kleines Maß aufweisen, so dass eine zumindest nahezu vollständige Kapselung der Seitenkanäle 35 und/oder des Verdichterraums 36 gewährleistet werden kann und kein Wasserstoff aus diesen Räumen 35, 36 heraus gelangen kann. Zudem kann auf diese Weise die Lagervorspannung eingestellt werden. Ein Einstellen eines jeweiligen Axialspaltsmaßes 33 und/oder eines axialen Anschlags der Wälzlager 20 und/oder der Lagervorspannung wird durch die Montage des Befestigungsrings 16 mit unterschiedlichen Breitenmaßen B in der Nut 14 mit einem anpassbaren Breitenmaß b ermöglicht. Durch ein Variieren des jeweiligen Breitenmaßes bn und Bn und einer entsprechenden Paarung der Bauteile Befestigungsring 16 und Nut 14 lässt sich der resultierende Abstand L derart einstellen, dass gegebenenfalls vorhandene Toleranzschwankungen der Bauteile Wälzlager 20 und/oder Distanzscheibe 15 und/oder Federvorrichtung 18 und/oder Gehäuse 3, 4 ausgeglichen werden können. Zudem kann durch den Einsatz von Distanzscheiben 15 mit unterschiedlichen Breitenmaßen und/oder einem entsprechenden Nachbearbeiten der Distanzscheibe 15 ein Einstellen des jeweiligen Axialspaltsmaßes 33 und/oder eines axialen Anschlags der Wälzlager 20 und/oder der Lagervorspannung ermöglicht werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters 1 kann sichergestellt werden, dass der axiale Anschlag der Wälzlager 20 gegeben ist, ohne dass sich der Lagerzapfen 5, beispielsweise durch eine Zentralschraube verformt. Dabei kann ein Einstellen des jeweiligen Axialspalts 33 über Klassen, insbesondere ein jeweiliges Breitenmaß bn des Befestigungsrings 16 und/oder ein jeweiliges Breitenmaß Bn der Nut 14 erfolgen. In vorteilhafter Weise wird dabei verhindert, dass es zu einer Aufweitung des Lagerzapfens 5 durch die Vorspannkraft kommt und darüber hinaus kann der Vorteil erzielt werden, dass mindestens ein jeweiliges Wälzlager 20 über die gesamte in Richtung der Rotationsachse R verlaufenden Länge am Zapfen 5 geführt ist und/oder mit diesem in Anlage steht. Somit lässt sich eine erhöhte Lebensdauer der Wälzlager 20 erzielen, wobei eine Verschleißminimierung der Wälzlager 20 herbeiführbar ist. Zudem lässt sich eine vereinfachte Montage, insbesondere Herstellbarkeit, der Lagervorrichtung 9 und/oder der Verdichtervorrichtung 10 erzielen. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters 1 der Vorteil erzielt werden, dass ein Anschlag und/oder eine Einstellscheibe entfallen können, wodurch es zu einer Kostenersparnis kommt.
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Zwecks eines möglichen Herstellprozesses und/oder eines Verfahrens zum Herstellen des Befestigungsrings 16 und/oder zum Einbringen der Nut 14 in den Lagerzapfen 5 und/oder Einstellen des Axialspaltmaßes 33 und/oder eines axialen Anschlags der Wälzlager 20 für den Seitenkanalverdichter 1 und/oder ein Brennstoffzellensystem 2 (gezeigt in 1 und 5) können folgende Schritte zum Ausbilden der Magnetrotoreinrichtung 2 erfolgen:
- - Messung der axial zur Rotationsachse R verlaufenden Breitentoleranzen der Bauteile jeweiliges Wälzlager 20 und/oder Distanzscheibe 15 und/oder Federvorrichtung 18 und/oder Gehäuse 3, 4 zur Feststellung der Toleranzkette aufgrund Fertigungsschwankungen,
- - Berechnung des favorisierten Maßes L zum Ausbilden der bestmöglichen Axialspaltmaße 33a, b, c, d und/oder zur Sicherstellung des axialen Anschlags der Wälzlager 20,
- - Ausrichtung des Verdichterrads 34 und Einstellen des jeweiligen Axialspaltsmaßes 33 und/oder des axialen Anschlags der Wälzlager 20 durch Montage des Befestigungsrings 16 mit unterschiedlichen Breitenmaßen B, insbesondere einem maschinellen Nacharbeiten des Befestigungsrings 16, um das Breitenmaß B anzupassen
- - Optionale Nacharbeit der Nut 14, um eine Nutbreite b zu ändern und ein optimales Maß L zu erzielen.
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Die 3a, b, c zeigen in einer jeweiligen Schnittdarstellung einen Befestigungsring 16 in verschiedenen Ausführungsformen. Dabei weist der jeweilige Befestigungsring 16 ein anpassbares Breitenmaß B, beispielsweise B1 oder B2 oder B3, auf, um das erste Gehäuseteil 3 mit dem Lagerinnenring 8 zu verspannen. Dabei zeigt 3a beispielhaft eine erste Ausführungsform des Befestigungsrings 16a, der ein erstes Breitenmaß B1 aufweist. Dabei zeigt 3b beispielhaft eine zweite Ausführungsform des Befestigungsrings 16b, der ein zweites Breitenmaß B2 aufweist. Dabei zeigt 3c beispielhaft eine dritte Ausführungsform des Befestigungsrings 16c, der ein drittes Breitenmaß B3 aufweist. Dabei ist das Breitenmaß B3 größer als das Breitenmaß B2 und das Breitenmaß B2 ist größer als das Breitenmaß B1. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Befestigungsring 16 als Sicherungsring 16 ausgeführt sein, der an einem Teil seines Umfangs eine Öffnung aufweist und/oder eine Elastizität aufweist, so dass der Sicherungsring 16 in die Nut 14 einklippsbar ist.
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Die 4a, b, c zeigen jeweils einen in 2 mit II bezeichneten Ausschnitt des Seitenkanalverdichters 1 mit der jeweiligen Nut 14 in verschiedenen Ausführungsformen in einer jeweiligen Schnittdarstellung. Dabei weist die jeweilige Nut 14 ein anpassbares Breitenmaß b, beispielsweise b1 oder b2 oder b3, auf, um mittels einer Aufnahme des Befestigungsrings 16 das erste Gehäuseteil 3 mit dem Lagerinnenring 8 zu verspannen. Dabei zeigt 4a beispielhaft eine erste Ausführungsform der Nut 14a, die ein erstes Breitenmaß b1 aufweist. Dabei zeigt 4b beispielhaft eine zweite Ausführungsform der Nut 14b, die ein zweites Breitenmaß b2 aufweist. Dabei zeigt 3c beispielhaft eine dritte Ausführungsform der Nut 14c, die ein drittes Breitenmaß b3 aufweist. Dabei ist das Breitenmaß b3 größer als das Breitenmaß b2 und das Breitenmaß b2 ist größer als das Breitenmaß b1. Somit lässt sich unter anderem mittels des veränderbaren beispielhaften Breitenmaßes bn, b1, b2, b3 ein jeweiliger Abstand Ln, L1, L2, L3 der ersten Stirnfläche 37 der Nut 14 zur Innenwand 17 einstellen.
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In 5 ist ein Brennstoffzellensystem 2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 2 weist eine Brennstoffzelle 21 mit einer Anode 25 und einer Kathode 26 auf, welche von einem Elektrolyten 27 umgeben sind. Zwischen der Anode 25 und der Kathode 26 ist eine Membran 29 angeordnet.
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Der Anode 25 benachbart weist die Brennstoffzelle 21 einen Wasserstoffeinlass 23 zum Zuführen von Wasserstoff auf. Der Kathode 26 benachbart weist die Brennstoffzelle 21 einen Sauerstoffeinlass 22 zum Zuführen von Sauerstoff bzw. eines sauerstoffhaltigen Gasgemisches, wie beispielsweise gefilterte Luft, sowie einen Abgasauslass 24 zum Abführen von Abgasen aus der Brennstoffzelle 21 auf. An dem Abgasauslass 24 sind ein Wasserabscheider 30 zum Abscheiden von Wasser aus dem Abgas sowie ein erfindungsgemäßer Seitenkanalverdichter 1 angeordnet.
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Ein Arbeitsraumeinlass 31 des Seitenkanalverdichters 1 ist mit dem Abgasauslass 24 fluidkommunizierend gekoppelt, sodass Abgas von dem Abgasauslass 24 über den Arbeitsraumeinlass 31 zum Verdichten einem Arbeitsraum des Seitenkanalverdichters 1 zuführbar ist. Ein Arbeitsraumauslass 32 des Seitenkanalverdichters 1 ist mit dem Wasserstoffeinlass 23 fluidkommunizierend gekoppelt, sodass Wasserstoff aus dem Arbeitsraum über den Arbeitsraumauslass 32 und dem Wasserstoffeinlass 23 der Brennstoffzelle 21 wieder zuführbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018222102 A1 [0009]
