DE102023114444A1 - Fuel cell arrangement with a closed compressor and vehicle with such an arrangement - Google Patents

Fuel cell arrangement with a closed compressor and vehicle with such an arrangement Download PDF

Info

Publication number
DE102023114444A1
DE102023114444A1 DE102023114444.8A DE102023114444A DE102023114444A1 DE 102023114444 A1 DE102023114444 A1 DE 102023114444A1 DE 102023114444 A DE102023114444 A DE 102023114444A DE 102023114444 A1 DE102023114444 A1 DE 102023114444A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
compressor
fuel cell
cell arrangement
electric motor
reaction gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023114444.8A
Other languages
German (de)
Inventor
Dominik Lückmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FEV Group GmbH
Original Assignee
FEV Group GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FEV Group GmbH filed Critical FEV Group GmbH
Priority to DE102023114444.8A priority Critical patent/DE102023114444A1/en
Publication of DE102023114444A1 publication Critical patent/DE102023114444A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/024—Units comprising pumps and their driving means the driving means being assisted by a power recovery turbine
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (100) umfassend einen Brennstoffzellenstapel (1), einen Anodenpfad (3) zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels (1) mit einem einen Brennstoff enthaltenden ersten Reaktionsgas, einen Kathodenpfad (2) zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels (1) mit einem zweiten Reaktionsgas, welches ein Oxidationsmittel enthält, wobei im Kathodenpfad (2) eine Verdichtervorrichtung (10) mit zumindest einem Verdichter (10a,b) zur Kompression des zweiten Reaktionsgases angeordnet ist und wobei der Verdichter (10a,b) ein geschlossener Verdichter (10a,b) ist.The invention relates to a fuel cell arrangement (100) comprising a fuel cell stack (1), an anode path (3) for supplying the fuel cell stack (1) with a first reaction gas containing a fuel, a cathode path (2) for supplying the fuel cell stack (1) with a second Reaction gas containing an oxidizing agent, wherein a compressor device (10) with at least one compressor (10a,b) for compressing the second reaction gas is arranged in the cathode path (2), and wherein the compressor (10a,b) is a closed compressor (10a,b ) is.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung umfassend einen Brennstoffzellenstapel und eine Verdichtervorrichtung und ein Fahrzeug, welches seinerseits die Brennstoffzellenanordnung umfasst.The invention relates to a fuel cell arrangement comprising a fuel cell stack and a compressor device and a vehicle which in turn comprises the fuel cell arrangement.

Die Aufladung von Brennstoffzellenanordnungen mithilfe von offenen Verdichtern ist aus dem Stand der Technik bekannt, das heißt mit Verdichtern deren Rotorschaufeln durch keine weiteren strukturellen Bauteile von dem Verdichtergehäuse getrennt werden. Ein solches System ist zum Beispiel in der US 2022/0166037 A1 offenbart.The charging of fuel cell arrangements using open compressors is known from the prior art, ie with compressors whose rotor blades are not separated from the compressor housing by any other structural components. Such a system is for example in the U.S. 2022/0166037 A1 disclosed.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung umfasst einen Brennstoffzellenstapel, einen Anodenpfad zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit einem einen Brennstoff enthaltenden ersten Reaktionsgas, einen Kathodenpfad zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit einem zweiten Reaktionsgas, welches ein Oxidationsmittel enthält, wobei im Kathodenpfad eine Verdichtervorrichtung mit zumindest einem Verdichter zur Kompression des zweiten Reaktionsgases angeordnet ist und wobei der Verdichter ein geschlossener Verdichter ist.The fuel cell arrangement according to the invention comprises a fuel cell stack, an anode path for supplying the fuel cell stack with a first reaction gas containing a fuel, a cathode path for supplying the fuel cell stack with a second reaction gas which contains an oxidizing agent, with a compressor device having at least one compressor for compressing the second Reaction gas is arranged and wherein the compressor is a closed compressor.

Ein geschlossener Verdichter umfasst einen Rotorkörper und/oder Rotorschaufeln, welche durch strukturelle Bauteile von dem umliegenden Verdichtergehäuse getrennt sind und so den durch den Verdichter strömenden Fluidstrom in eine geschlossene tunnelartige Bahn innerhalb des Verdichters zwingen. Ein solcher Verdichter ist zum Beispiel in der US 2,625,365 A offenbart. Im geschlossenen Verdichter werden Strömungen unterdrückt, die vom inneren Rotorkörper des Verdichters über den Rand der Rotorschaufeln hinweg zwischen Rotorschaufeln und Verdichtergehäuse gerichtet sind (Konturspaltverluste).A closed compressor comprises a rotor body and/or rotor blades which are separated from the surrounding compressor housing by structural components and thus force the fluid flow flowing through the compressor into a closed tunnel-like path within the compressor. Such a compressor is, for example, in U.S. 2,625,365A disclosed. In the closed compressor, flows are suppressed that are directed from the inner rotor body of the compressor over the edge of the rotor blades between the rotor blades and the compressor housing (contour gap losses).

Bei Brennstoffzellen werden hohe Ladedrücke bei im Vergleich zu Verbrennungskraftmaschinen kleinen Massenströmen benötigt. Darüber hinaus ist die maximale Drehzahl des Verdichters meist durch einen antreibenden Elektromotor des Verdichters begrenzt und es werden weiche Luftlagerungen eingesetzt, um kein Öl in den Kathodenpfad des Systems einzubringen. Diese Randbedingungen resultieren in einem großen Konturspalt zwischen den Rotorschaufeln des Rotorskörpers und dem Verdichtergehäuse. Dies führt zu einer erheblichen Reduktion des Wirkungsgrades des Verdichters aufgrund von Konturspaltverlusten.In the case of fuel cells, high charging pressures are required at low mass flows compared to internal combustion engines. In addition, the maximum speed of the compressor is usually limited by a driving electric motor of the compressor and soft air bearings are used to avoid introducing oil into the cathode path of the system. These boundary conditions result in a large contour gap between the rotor blades of the rotor body and the compressor housing. This leads to a significant reduction in the efficiency of the compressor due to contour gap losses.

Ein geschlossener Verdichter ermöglicht vorteilhafterweise die Unterdrückung von Konturspaltverlusten und somit eine Wirkungsgradsteigerung und höhere Kraftstoffeffizienz der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung.A closed compressor advantageously enables the suppression of contour gap losses and thus an increase in efficiency and higher fuel efficiency of the fuel cell arrangement according to the invention.

Vorzugsweise umfasst der zumindest eine Verdichter der Verdichtervorrichtung einen auf einer drehbaren Welle drehfest angeordneten Rotorkörper, am Rotorkörper angeordnete Rotorschaufeln und eine flächige, sich im Wesentlichen in Rotationsrichtung erstreckende Verdichterummantelung, die kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit den Enden der Rotorschaufeln verbunden ist und der Verdichter in einem Verdichtergehäuse angeordnet ist. Die Verdichterummantelung kann dabei einstückig ausgeführt sein oder aus einzelnen zwischen benachbarten Rotorschaufeln angeordneten Segmenten bestehen.The at least one compressor of the compressor device preferably comprises a rotor body arranged in a rotationally fixed manner on a rotatable shaft, rotor blades arranged on the rotor body and a flat compressor casing which extends essentially in the direction of rotation and which is connected in a non-positive and/or materially bonded manner to the ends of the rotor blades and the compressor in a compressor housing is arranged. The compressor casing can be designed in one piece or consist of individual segments arranged between adjacent rotor blades.

Bei einem derartigen, geschlossenen Verdichter auftretende Reibungsverluste durch Verwirbelung des Fluids im Konturspalt haben einen deutlich geringeren negativen Effekt auf den Wirkungsgrad als Konturspaltverluste bei einem offenen Verdichter ähnlicher Dimensionierung.Friction losses occurring in such a closed compressor due to turbulence of the fluid in the contour gap have a significantly lower negative effect on the efficiency than contour gap losses in an open compressor of similar dimensions.

Bevorzugt umfasst die Verdichtervorrichtung zwei in Serie geschaltete auf der drehbaren Welle angeordnete Radialverdichter, wobei die Verdichter derart angeordnet sind, dass die Rotorschaufeln der beiden Verdichter aus entgegengesetzter Richtung („back-to-back“) oder gleichgerichtet („front-to-back“) vom zweiten Reaktionsgas angeströmt werden, wobei das zweite Reaktionsgas durch einen Zwischenkanal von einem Verdichter zum nächsten Verdichter geleitet wird Weiterhin bevorzugt ist die Verdichtervorrichtung über die drehbare Welle mit einer geschlossenen Turbine verbunden, welche im Abgasstrom des Kathodenpfades angeordnet ist.The compressor device preferably comprises two radial compressors connected in series and arranged on the rotatable shaft, the compressors being arranged in such a way that the rotor blades of the two compressors come from opposite directions ("back-to-back") or in the same direction ("front-to-back"). ) are flown by the second reaction gas, the second reaction gas being passed through an intermediate duct from one compressor to the next compressor Furthermore, the compressor device is preferably connected via the rotatable shaft to a closed turbine, which is arranged in the exhaust gas flow of the cathode path.

Eine derart aufgeladene Brennstoffzellenanordnung hat den Vorteil einer hohen Kompression des zweiten Reaktionsgases im Kathodenpfad und damit einem erhöhten Wirkungsgrad.A fuel cell arrangement charged in this way has the advantage of high compression of the second reaction gas in the cathode path and thus increased efficiency.

Bevorzugt wird die drehbare Welle von einem mit dieser gekoppelten Elektromotor angetrieben. Weiterhin bevorzugt weist die Verdichtervorrichtung zwei Verdichter auf und der Elektromotor ist zwischen den zwei Verdichtern angeordnet. Alternativ bevorzugt weist die Verdichtervorrichtung einen einzelnen Verdichter auf und die Brennstoffzellenanordnung weist weiterhin eine Turbine auf, wobei der Elektromotor zwischen Verdichter und Turbine angeordnet ist.The rotatable shaft is preferably driven by an electric motor coupled to it. Furthermore, the compressor device preferably has two compressors and the electric motor is arranged between the two compressors. Alternatively, the compressor device preferably has a single compressor and the fuel cell arrangement also has a turbine, with the electric motor being arranged between the compressor and the turbine.

Vorteilhafterweise erlaubt es ein Elektromotor das bei Brennstoffzellen übliche, durch kleine Massenströme bedingte, geringe Kompressionsverhältnis der Verdichter zu erhöhen.Advantageously, an electric motor makes it possible to increase the low compression ratio of the compressors, which is usual in fuel cells and is caused by small mass flows.

Bevorzugt sind die Verdichtervorrichtung und der Elektromotor in einem gemeinsamen Verdichtergehäuse angeordnet, wodurch vorteilhafterweise eine kompakte, das heißt platzsparende Bauweise ermöglicht wird.The compressor device and the electric motor are preferably arranged in a common compressor housing, as a result of which a compact, ie space-saving design is advantageously made possible.

Vorzugweise weist die drehbare Welle zumindest eine Lagerstelle, wobei eine erste Lagerstelle zwischen einem Verdichter und dem Elektromotor angeordnet ist und eine zweite Lagerstelle in unmittelbarer Nähe der Turbine angeordnet sein kann.The rotatable shaft preferably has at least one bearing point, with a first bearing point being arranged between a compressor and the electric motor and a second bearing point being able to be arranged in the immediate vicinity of the turbine.

Eine derartige Lagerung der drehbaren Welle der Brennstoffzellenanordnung hat den Vorteil einer stabileren Rotation der Verdichtervorrichtung und der Turbine.Such a mounting of the rotatable shaft of the fuel cell arrangement has the advantage of a more stable rotation of the compressor device and the turbine.

Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug ist mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ausgerüstet, wobei das Fahrzeug zum Beispiel ein Personenkraftwagen, ein Boot oder Schiff oder anderes Fortbewegungsmittel sein kann.A vehicle according to the invention is equipped with a fuel cell arrangement according to the invention, it being possible for the vehicle to be, for example, an automobile, a boat or ship or other means of transportation.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

  • 1a einen offenen Verdichter im Querschnitt,
  • 1b einen geschlossenen Verdichter einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung im Querschnitt,
  • 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung und
  • 3 einen auf die Verdichteranordnung und Turbine fokussierten Ausschnitt des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung im Querschnitt.
Preferred exemplary embodiments are explained in more detail with reference to the following figures. while showing
  • 1a an open compressor in cross section,
  • 1b a closed compressor of a fuel cell arrangement according to the invention in cross section,
  • 2 an embodiment of a fuel cell assembly according to the invention and
  • 3 a detail of the exemplary embodiment of the fuel cell arrangement according to the invention, in cross section, focused on the compressor arrangement and turbine.

1a zeigt einen offenen, aus dem Stand der Technik bekannten Radialverdichter im Querschnitt. Der Verdichter umfasst einen Rotorkörper 20, welcher drehfest auf einer drehbaren Welle 14 befestigt ist. Am Rotorkörper 20 sind Rotorschaufeln 21 angeordnet. Der Verdichter befindet sich in einem Verdichtergehäuse 11. Die Rotorschaufeln des Verdichters können aus einem axialen Zugang A von einem Fluid angestörmt werden oder Fluid aus diesem axialen Zugang A ausstoßen. Der offene Verdichter weist einen im Wesentlichen axial verlaufenden Konturspalt K auf, welcher sich zwischen den Enden der Rotorschaufeln 21 und dem Verdichtergehäuse 11 befindet. Da der Verdichter ein offener ist, kann Fluid, welches in den Verdichter eintritt, die Rotorschaufeln 21 überstreichen und in den Konturspalt K eintreten. 1a shows an open centrifugal compressor known from the prior art in cross section. The compressor comprises a rotor body 20 which is fastened on a rotatable shaft 14 in a rotationally fixed manner. Rotor blades 21 are arranged on the rotor body 20 . The compressor is located in a compressor housing 11. The rotor blades of the compressor can be attacked by a fluid from an axial access A or eject fluid from this axial access A. The open compressor has an essentially axially running contour gap K, which is located between the ends of the rotor blades 21 and the compressor housing 11 . Since the compressor is an open one, fluid entering the compressor can sweep the rotor blades 21 and enter the contour gap K .

1b zeigt ein Ausführungsbeispiel eines geschlossenen Radialverdichters 10a im Querschnitt, wie er in der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 100 zum Einsatz kommt. Der geschlossene Verdichter 10a umfasst ebenfalls einen Rotorkörper 20 und an diesem befestigte Rotorschaufeln 21, die in einem Verdichtergehäuse 11 angeordnet sind. Der geschlossene Verdichter 10a umfasst zudem eine flächige Verdichterummantelung 22, welche sich im Wesentlichen umlaufend in Rotationsrichtung des Verdichters 10a erstreckt. Die Verdichterummantelung 22 ist einstückig ausgeführt und stoffschlüssig mit den Enden der Rotorschaufeln 21 verbunden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Verdichterummantelung 22 aus mehreren Einzelteilen bestehen, welche jeweils zwischen benachbarten Rotorschaufeln 21 angeordnet und an diesen befestigt sind. Die Verdichterummantelung 22 trennt die Enden der Rotorschaufeln 21 von dem umgebenden Verdichtergehäuse 11. Dadurch werden die Rotorschaufeln 21 überstreichende und in den Konturspalt K gerichtete Fluidströmungen unterdrückt und das den Verdichter durchströmende Fluid auf einen durch einen Pfeil angedeuteten Strömungspfad S gezwungen, welcher im Betrieb des Verdichters 10a spiralförmig ist und ausschließlich innerhalb des Verdichters 10a verläuft. 1b shows an exemplary embodiment of a closed centrifugal compressor 10a in cross section, as is used in the fuel cell arrangement 100 according to the invention. The closed compressor 10a also includes a rotor body 20 and rotor blades 21 fastened to it, which are arranged in a compressor housing 11 . The closed compressor 10a also includes a flat compressor casing 22, which extends essentially circumferentially in the direction of rotation of the compressor 10a. The compressor casing 22 is designed in one piece and is connected to the ends of the rotor blades 21 in a materially bonded manner. In an alternate embodiment, the compressor shroud 22 may be comprised of a plurality of discrete pieces each disposed between and secured to adjacent rotor blades 21 . The compressor casing 22 separates the ends of the rotor blades 21 from the surrounding compressor housing 11. This suppresses fluid flows sweeping over the rotor blades 21 and directed into the contour gap K, and the fluid flowing through the compressor is forced onto a flow path S, indicated by an arrow, which during operation of the compressor 10a is spiral and runs exclusively inside the compressor 10a.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 100. Die Brennstoffzellenanordnung 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 1 sowie einen Anodenpfad 3, welcher den Brennstoffzellenstapel 1 mit Wasserstoff versorgt, und einen Kathodenpfad 2 umfasst. Im Kathodenpfad 2 ist eine Verdichtervorrichtung 10 angeordnet, welche einen ersten geschlossenen Radialverdichter 10a, einen zweiten geschlossenen Radialverdichter 10b, einen Elektromotor 12 und einen Zwischenkanal 13 umfasst, die in einem gemeinsamen Verdichtergehäuse 11 angeordnet sind. Die Radialverdichter 10a,b und der Elektromotor 12 sind auf einer drehbaren Welle 14 angeordnet und mit dieser gekoppelt, sodass die Radialverdichter 10a,b von dem Elektromotor 12 in Rotation versetzt werden können. Der Zwischenkanal 13 führt den Strom des zweiten Reaktionsgases, hier Luft, vom ersten Radialverdichter 10a zum zweiten Radialverdichter 10b. Im aus dem Brennstoffzellenstapel 1 austretenden Abgasstrom in dem Kathodenpfad 2 ist eine geschlossene Turbine 15 angeordnet, welche drehfest auf der drehbaren Welle 14 befestigt ist und somit mit der Verdichtervorrichtung 10 gekoppelt ist. Zudem sind im Kathodenpfad 2 ein Wärmetauscher 4 zur Temperierung der Luft und ein Befeuchter 5 zur Regelung des Feuchtehaushalts vorhanden angeordnet. Der Befeuchter 5 und die Turbine 15 können jeweils durch Ventile umfassende Bypassleitungen 6a,b zum Zwecke der Feuchte- und Druckregelung im Brennstoffzellenstapel 1 umgangen werden. 2 shows an exemplary embodiment of the fuel cell arrangement 100 according to the invention. A compressor device 10 is arranged in the cathode path 2 and comprises a first closed radial compressor 10a, a second closed radial compressor 10b, an electric motor 12 and an intermediate channel 13, which are arranged in a common compressor housing 11. The centrifugal compressors 10a,b and the electric motor 12 are arranged on a rotatable shaft 14 and coupled to it, so that the centrifugal compressors 10a,b can be set in rotation by the electric motor 12. The intermediate channel 13 carries the flow of the second reaction gas, here air, from the first centrifugal compressor 10a to the second centrifugal compressor 10b. In the exhaust gas flow emerging from the fuel cell stack 1 in the cathode path 2 there is a closed turbine 15 which is fixed in a rotationally fixed manner on the rotatable shaft 14 and is thus coupled to the compressor device 10 . In addition, a heat exchanger 4 for temperature control of the air and a humidifier 5 for controlling the moisture balance are arranged in the cathode path 2 . The humidifier 5 and the turbine 15 can each be bypassed by bypass lines 6a,b comprising valves for the purpose of regulating the humidity and pressure in the fuel cell stack 1.

3 zeigt einen auf die Verdichteranordnung 10 und Turbine 15 fokussierten Ausschnitt des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 100 im Querschnitt. 3 shows a section of FIG 2 illustrated embodiment of the fuel cell assembly 100 according to the invention in cross section.

Gezeigt sind die drehbare Welle 14, der Elektromotor 12, der erste und zweite geschlossene Radialverdichter 10a und 10b, die Turbine 15, die Lagerungen 16a,b, der die Radialverdichter 10a,b verbindende Zwischenkanal 13 und das Verdichtergehäuse 11. Die erste Lagerung 16a ist zwischen dem ersten Radialverdichter 10a und dem Elektromotor 12 und die zweite Lagerung 16b zwischen dem zweiten Radialverdichter 10b und der Turbine 15 in unmittelbarer Nähe der Turbine 15 angeordnet. Die Lagerungen 16a,b sind Luftlagerungen. In alternativen Ausführungsbeispielen können allerdings auch Öl- oder elektromagnetische Lagerungen eingesetzt werden. Der erste 10a und zweite 10b Radialverdichter sind in einer sogenannten „back-to-back“ Anordnung abgebildet, was bedeutet, dass die Rotorschaufeln 21 des ersten und zweiten Verdichters 10a,b unterschiedlich von Luft angeströmt werden. Das heißt die Rotorschaufeln 21 des ersten Verdichters 10a werden aus dessen axialen Zugang A mit Luft angeströmt, während die Rotorschaufeln 21 des zweiten Verdichters 10b aus dessen radialen Zugang R angeströmt werden. In alternativen Ausführungsbeispielen können die Verdichter 10a,b auch derart angeordnet werden, dass deren Rotorschaufeln 21 jeweils aus deren axialen Zugängen A angeströmt werden.Shown are the rotatable shaft 14, the electric motor 12, the first and second closed centrifugal compressor 10a and 10b, the turbine 15, the bearings 16a,b, the intermediate channel 13 connecting the centrifugal compressors 10a,b and the compressor housing 11. The first bearing 16a is arranged between the first radial compressor 10a and the electric motor 12 and the second bearing 16b between the second radial compressor 10b and the turbine 15 in the immediate vicinity of the turbine 15. The bearings 16a,b are air bearings. In alternative exemplary embodiments, however, oil or electromagnetic bearings can also be used. The first 10a and second 10b centrifugal compressor are shown in a so-called "back-to-back" arrangement, which means that the rotor blades 21 of the first and second compressor 10a,b are flowed differently by air. This means that air flows against the rotor blades 21 of the first compressor 10a from its axial access A, while air flows against the rotor blades 21 of the second compressor 10b from its radial access R. In alternative exemplary embodiments, the compressors 10a,b can also be arranged in such a way that the flow towards their rotor blades 21 comes from their axial accesses A.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung 100 der 2 und 3 erlaubt eine kompakte Bauweise bei gleichzeitig hohem Verdichtungswirkungsgrad und somit hoher Kraftstoffeffizienz.The fuel cell assembly 100 of the invention 2 and 3 allows a compact design with high compression efficiency and thus high fuel efficiency.

Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung können bspw. einen geschlossenen Verdichter und eine geschlossene Turbine oder zwei geschlossene Verdichter ohne Turbine oder lediglich einen einzigen geschlossenen Verdichter aufweisen.Further advantageous exemplary embodiments of the fuel cell arrangement according to the invention can have, for example, a closed compressor and a closed turbine or two closed compressors without a turbine or only a single closed compressor.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 2022/0166037 A1 [0002]US 2022/0166037 A1 [0002]
  • US 2625365 A [0004]US 2625365A [0004]

Claims (9)

Brennstoffzellenanordnung (100) umfassend einen Brennstoffzellenstapel (1), einen Anodenpfad (3) zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels (1) mit einem einen Brennstoff enthaltenden ersten Reaktionsgas, einen Kathodenpfad (2) zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels (1) mit einem zweiten Reaktionsgas, welches ein Oxidationsmittel enthält, wobei im Kathodenpfad (2) eine Verdichtervorrichtung (10) mit zumindest einem Verdichter (10a,b) zur Kompression des zweiten Reaktionsgases angeordnet ist und wobei der Verdichter (10a,b) ein geschlossener Verdichter (10a,b) ist.Fuel cell arrangement (100) comprising a fuel cell stack (1), an anode path (3) for supplying the fuel cell stack (1) with a first reaction gas containing a fuel, a cathode path (2) for supplying the fuel cell stack (1) with a second reaction gas, which is a Contains oxidizing agent, wherein a compressor device (10) with at least one compressor (10a,b) for compressing the second reaction gas is arranged in the cathode path (2), and wherein the compressor (10a,b) is a closed compressor (10a,b). Brennstoffzellenanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Verdichter (10a,b) der Verdichtervorrichtung (10) einen auf einer drehbaren Welle (14) drehfest angeordneten Rotorkörper (20), am Rotorkörper (20) angeordnete Rotorschaufeln (21) und eine flächige, sich im Wesentlichen in Rotationsrichtung erstreckende Verdichterummantelung (22) umfasst, die kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit den Enden der Rotorschaufeln (21) verbunden ist und der Verdichter (10a,b) in einem Verdichtergehäuse (11) angeordnet ist.Fuel cell arrangement (100) after claim 1 , wherein the at least one compressor (10a,b) of the compressor device (10) has a rotor body (20) arranged in a rotationally fixed manner on a rotatable shaft (14), rotor blades (21) arranged on the rotor body (20) and a flat surface extending essentially in the direction of rotation extending compressor casing (22) which is non-positively and/or materially connected to the ends of the rotor blades (21) and the compressor (10a, b) is arranged in a compressor housing (11). Brennstoffzellenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdichtervorrichtung (10) zwei in Serie geschaltete auf der drehbaren Welle (14) angeordnete Radialverdichter (10a,b) umfasst und wobei die Verdichter (10a,b) derart angeordnet sind, dass die Rotorschaufeln (21) der beiden Verdichter (10a,b) aus entgegengesetzter Richtung („back-to-back“) oder gleichgerichtet („front-to-back“) vom zweiten Reaktionsgas angeströmt werden, wobei das zweite Reaktionsgas durch einen Zwischenkanal (13) von einem Verdichter (10a) zum nächsten Verdichter (1 0b) geleitet wird.Fuel cell arrangement (100) according to one of the preceding claims, wherein the compressor device (10) comprises two series-connected on the rotatable shaft (14) arranged centrifugal compressor (10a, b) and wherein the compressor (10a, b) are arranged such that the Rotor blades (21) of the two compressors (10a,b) are flown from opposite directions ("back-to-back") or in the same direction ("front-to-back") by the second reaction gas, with the second reaction gas passing through an intermediate channel (13 ) from one compressor (10a) to the next compressor (10b). Brennstoffzellenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdichtervorrichtung (10) über die drehbare Welle (14) mit einer geschlossenen Turbine (15) verbunden ist, welche im Abgasstrom des Kathodenpfades (2) angeordnet ist.Fuel cell arrangement (100) according to one of the preceding claims, wherein the compressor device (10) is connected via the rotatable shaft (14) to a closed turbine (15) which is arranged in the exhaust gas flow of the cathode path (2). Brennstoffzellenanordnung (100) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die drehbare Welle (14) von einem Elektromotor (12) angetrieben wird.A fuel cell assembly (100) according to any one of the preceding claims, wherein the rotatable shaft (14) is driven by an electric motor (12). Brennstoffzellenanordnung (100) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wodie Verdichtervorrichtung (10) zwei Verdichter (10a,b) aufweist und der Elektromotor (12) zwischen den zwei Verdichtern (10a,b) angeordnet ist, oder die Verdichtervorrichtung (10) einen einzelnen Verdichter (10a,b) aufweist und die Brennstoffzellenanordnung (100) weiterhin eine Turbine (15) aufweist, wobei der Elektromotor (12) zwischen Verdichter (10a) und Turbine (15) angeordnet ist.Fuel cell arrangement (100) according to one of the preceding claims, where the compressor device (10) has two compressors (10a,b) and the electric motor (12) is arranged between the two compressors (10a,b), or the compressor device (10) has a single compressor (10a,b) and the fuel cell arrangement (100) further has a turbine (15), the electric motor (12) being arranged between the compressor (10a) and the turbine (15). Brennstoffzellenanordnung (100) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Verdichtervorrichtung (10) und der Elektromotor (12) in einem gemeinsamen Verdichtergehäuse (11) angeordnet sind.Fuel cell arrangement (100) according to one of the preceding claims, wherein the compressor device (10) and the electric motor (12) are arranged in a common compressor housing (11). Brennstoffzellenanordnung (100) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die drehbare Welle (14) zumindest eine Lagerstelle (16a,b) umfasst, wobei eine erste Lagerstelle (16a) zwischen einem Verdichter (10a) und dem Elektromotor (12) angeordnet ist und eine zweite Lagerstelle (16b) in unmittelbarer Nähe der Turbine (15) angeordnet sein kann.Fuel cell arrangement (100) according to one of the preceding claims, wherein the rotatable shaft (14) comprises at least one bearing point (16a, b), wherein a first bearing point (16a) is arranged between a compressor (10a) and the electric motor (12) and a second bearing point (16b) can be arranged in the immediate vicinity of the turbine (15). Fahrzeug umfassend eine Brennstoffzellenanordnung (100) nach einem der vorgehenden Ansprüche.Vehicle comprising a fuel cell arrangement (100) according to any one of the preceding claims.
DE102023114444.8A 2023-06-01 2023-06-01 Fuel cell arrangement with a closed compressor and vehicle with such an arrangement Pending DE102023114444A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023114444.8A DE102023114444A1 (en) 2023-06-01 2023-06-01 Fuel cell arrangement with a closed compressor and vehicle with such an arrangement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023114444.8A DE102023114444A1 (en) 2023-06-01 2023-06-01 Fuel cell arrangement with a closed compressor and vehicle with such an arrangement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102023114444A1 true DE102023114444A1 (en) 2023-08-17

Family

ID=87430791

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102023114444.8A Pending DE102023114444A1 (en) 2023-06-01 2023-06-01 Fuel cell arrangement with a closed compressor and vehicle with such an arrangement

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102023114444A1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2625365A (en) 1949-02-26 1953-01-13 Curtiss Wright Corp Shrouded impeller
US20220166037A1 (en) 2019-03-28 2022-05-26 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Centrifugal compressor for fuel cell

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2625365A (en) 1949-02-26 1953-01-13 Curtiss Wright Corp Shrouded impeller
US20220166037A1 (en) 2019-03-28 2022-05-26 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Centrifugal compressor for fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4312078A1 (en) Exhaust gas turbocharger for a supercharged internal combustion engine
DE2900014A1 (en) GAS TURBINE DEVICE
DE102007028742A1 (en) Air supplier, in particular for an air supply system of fuel cells
DE102016122533A1 (en) Diagonal fan
DE102012024314A1 (en) Turbocharger for energy converter, has shaft mounted at housing by air suspension which is supplied with air for bearing shaft due to pressure difference between compressor room and turbine room and due to pressure drop over labyrinth seal
CH715034A2 (en) Turbocharger and drive system with fuel cell and turbocharger.
DE102015207341A1 (en) Compressor and motor vehicle
DE102017218297A1 (en) Valve flap device for a bypass valve of an exhaust gas turbocharger and exhaust gas turbocharger
DE102013201771A1 (en) Compressor of exhaust gas turbocharger mounted in internal combustion engine, forms with passage gap having passage gap inlet opening and passage gap outlet opening that are fluid connected with inlet and outlet channels of compressor
DE202016106538U1 (en) Diagonal fan
DE102023114444A1 (en) Fuel cell arrangement with a closed compressor and vehicle with such an arrangement
DE102007036912A1 (en) Turbocharger for use in internal-combustion engine of motor vehicle, has pair of starting units approaching surfaces of central disk, and radial bearing arranged on both sides of axial bearing
DE102012200866A1 (en) Compressor for charging internal combustion engine, has exhaust gas recirculation channel that is fluidically connected to annular channel, where compressor housing has cavity for passage of cooling medium, which is radially extended
DE102012006711A1 (en) turbocharger
DE102008051981A1 (en) Turbocharger arrangement for internal-combustion engine of motor vehicle, has turbochargers connected in series for compressing of load air, where load air arrives in axial diffuser arranged in housing of one of turbochargers
DE102020117321B4 (en) Exhaust gas turbocharger and motor vehicle
DE102020005110A1 (en) Exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine, in particular for a motor vehicle
DE102010040823A1 (en) Turbo supercharger for use in e.g. internal combustion engine, of motor car, has turbine wheel spine whose outer diameter is greater than outer diameter of turbine blade ring to partially compensate occurrence of axial forces
DE102015014889A1 (en) Compressor, in particular radial compressor, for an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine
DE102018221556A1 (en) Electric compressor with a semi-permeable pressure compensation device
DE102018217226A1 (en) Exhaust gas turbocharger with improved cooling system
DE102007052735A1 (en) Loading device i.e. exhaust turbocharger, for increasing power of piston motor in motor vehicle, has adjusting ring supported by three bearing rollers, where bearing rollers are arranged at adjusting ring
DE102017201104B4 (en) Motor vehicle with a turbocharger arrangement
DE102018221553A1 (en) Electric compressor with a pressure compensation device
DE102016123245A1 (en) turbocharger

Legal Events

Date Code Title Description
R082 Change of representative

Representative=s name: BRANDT, MAXIMILIAN, DR., DE

R230 Request for early publication
R163 Identified publications notified