DE10258362A1

DE10258362A1 - Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE10258362A1
Application number: DE10258362A
Authority: DE
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2004-06-24
Also published as: AU2003293282A1; AU2003293282A8; WO2004054012A2; DE10394143D2; WO2004054012A3

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen mit einem der Brennstoffzelle vorgeschalteten Verdichter, welcher wenigstens ein Verdichtergehäuse aufweist, ist der Verdichter als Drehschieberverdichter ausgebildet, welcher wenigstens einen bezüglich eines in dem Verdichtergehäuse sich befindlichen Arbeitsraums exzentrisch gelagerten Rotor aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen ist in der DE 197 55 116 C1 beschrieben. Der Brennstoffzelle wird dabei über einen Verdichter Luft zugeführt, welche anschließend in einem Expander expandiert wird. Dieser Expander wird mit der Abluft eines der Brennstoffzelle nachgeschalteten katalytischen Brenners betrieben.
Diese bekannten Vorrichtungen zur Luftversorgung von Brennstoffzellen weisen jedoch häufig den Nachteil auf, dass die Brennstoffzelle nicht ausreichend mit Luft versorgt werden kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Verdichter einen schlechten Wirkungsgrad aufweist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen zu schaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist und effektiv arbeitet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Der erfindungsgemäß als Drehschieberverdichter mit einem exzentrisch gelagerten Rotor ausgebildete Verdichter stellt sicher, dass die Brennstoffzelle jederzeit mit einer ausrei chenden Menge an Frischluft versorgt werden kann. Vorteilhafterweise ist hierbei eine zuverlässige Funktionsweise bei gleichzeitig einfachem Aufbau des Verdichters gegeben.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Rotor mittels zweier Lagereinrichtungen gelagert ist. Hierdurch sind kleinere Spalte zwischen dem Rotor und dem Verdichtergehäuse als bei einer fliegenden Lagerung möglich, was zu einem stark verbesserten Wirkungsgrad des Verdichters führt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
Dabei zeigen:
1 eine Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Luftversorgung; und
2 einen Schnitt durch den Verdichter der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In schematischer Darstellung ist in 1 eine insbesondere für die Anwendung in einem Kraftfahrzeug geeignete Brennstoffzelle 1 gezeigt, welche in an sich bekannter Weise einen Kathodenraum 2 und einen Anodenraum 3 aufweist. Dem Anodenraum 3 wird in an sich bekannter, jedoch nicht dargestellter Weise ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt. Demgegenüber wird dem Kathodenraum 2 Luft bzw. Luftsauerstoff zugeführt, wozu mit demselben eine nachfolgend detailliert beschriebene Vorrichtung 4 zur Luftversorgung der Brennstoffzelle 1 verbunden ist. Die allgemeine Funktionsweise der Brennstoffzelle 1 ist hinreichend bekannt, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird.
Die Vorrichtung 4 weist einen Verdichter 5, der der Brennstoffzelle 1 vorgeschaltet ist, sowie einen Expander 6 auf, der der Brennstoffzelle 1 nachgeschaltet ist. Der Verdichter 5 ist mit dem Kathodenraum 2 der Brennstoffzelle 1 über eine Leitung 7 und der Expander 6 ist mit derselben über eine Leitung 8 verbunden.
Die konstruktive Auslegung des Verdichters 5 ist in 2 dargestellt, diejenige des Expanders 6 kann von beliebiger Bauart sein.
Der Verdichter 5 weist ein Verdichtergehäuse 9 auf, welches auf der einen Seite von einem ersten Gehäusedeckel 10 und auf der anderen Seite von einem zweiten Gehäusedeckel 11 verschlossen ist. Innerhalb des Verdichtergehäuses 9 befindet sich ein Arbeitsraum 12, in dem ein Rotor 13 untergebracht ist. Der Rotor 13 ist in dem ersten Gehäusedeckel 10 mittels einer ersten Lagereinrichtung 14 und in dem zweiten Gehäusedeckel 11 mittels einer zweiten Lagereinrichtung 15 gelagert. Durch diese beidseitige Lagerung des Rotors 13 mittels der beiden Lagereinrichtungen 14 und 15 sind kleinere Spalte zwischen dem Rotor 13 und dem Verdichtergehäuse 9 als bei einer fliegenden Lagerung realisierbar, was zu einem besseren Wirkungsgrad des Verdichters 6 führt. Im vorliegenden Fall ist die erste Lagereinrichtung 14 als zweireihiges Kugellager und die zweite Lagereinrichtung 15 als Zylinderrollenlager ausgebildet. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Lagerbauformen denkbar.
Um eine Verdrängung und Förderung von Luft zu ermöglichen, ist der Rotor 13 in dem Arbeitsraum 12 exzentrisch gelagert. Somit verändert sich bei der Rotation des Rotors 13 die Größe des Arbeitsraumes 12, was zu einer Verdichtung der sich darin befindlichen Luft und zu einem Ausschub derselben über einen nicht dargestellten Ablauf führt.
Der Rotor 13 wird von einem Elektromotor 16 angetrieben, der im vorliegenden Fall als Scheibenläufer ausgeführt ist und somit eine kompakte Bauweise aufweist. Der in einem mit dem Verdichtergehäuse 9 verbundenen Motorgehäuse 17 untergebrachte Elektromotor 16 weist zwei Statoren 18 und 19 sowie einen scheibenförmigen Läufer 20 auf. Wie in 2 erkennbar ist, steht der Rotor 13 des Verdichters 5 unmittelbar mit dem Läufer 20 des Elektromotors 16 in Antriebsverbindung. Der Läufer 20 ist somit über die erste Lagereinrichtung 14 fliegend gelagert.
Auf die Steuerung des Elektromotors 16, die in dem Motorgehäuse 17 untergebracht ist, kann auch von einer nicht dargestellten Steuereinheit des Kraftfahrzeugs eingewirkt werden, so dass die Drehzahl des Rotors 13 und somit die von dem Verdichter 5 dem Kathodenraum 2 zugeführte Luftmenge von dieser Steuereinheit steuerbar ist.
Aufgrund der dargestellten Geometrie des Verdichters 5 ist eine sehr große Drehzahlspreitzung möglich. Diese kann 1 : 1,5 und bei hohen Wirkungsgraden noch darüber betragen.
Sowohl der Verdichter 5 als auch der denselben antreibende Elektromotor 16 sind mittels einer Flüssigkeitskühleinrichtung 21 gekühlt, welche mehrere Kühlkanäle 22 aufweist. Die Kühlkanäle 22 können an ein nicht dargestelltes Kühlsystem des Kraftfahrzeugs, in dem die Brennstoffzelle 1 eingesetzt wird, angebunden sein. Durch die Flüssigkeitskühleinrichtung 21 ist eine höhere Leistung des Elektromotors 16 und des Verdichters 5 möglich.
Wie in der Darstellung gemäß 2 erkennbar, ist der Verdichter 5 stehend angeordnet, wobei jedoch in unterschiedlichen Systemen flexible Einbaumöglichkeiten bestehen. Des weiteren lässt sich druckseitig eine nicht dargestellte Filterpatrone integrieren, die einen Abscheidegrad von 99,9% für Partikelgrößen > 1 μm ermöglicht.
Das Verdichtergehäuse 9 und/oder der Rotor 13 können aus einer gesinterten Aluminiumlegierung bestehen, so dass eine Gewichtsoptimierung erreicht werden kann. Insbesondere das Motorgehäuse 17, gegebenenfalls jedoch auch das Verdichtergehäuse 9, können auch aus einem Kunststoff bestehen.

Claims

Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen, mit einem der Brennstoffzelle vorgeschalteten Verdichter, welcher wenigstens ein Verdichtergehäuse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (5) als Drehschieberverdichter ausgebildet ist, welcher wenigstens einen bezüglich eines in dem Verdichtergehäuse (9) sich befindlichen Arbeitsraums (12) exzentrisch gelagerten Rotor (13) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (13) mittels zweier Lagereinrichtungen (14,15) gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (13) von einem Elektromotor (16) angetrieben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (16) in Scheibenläuferbauweise mit einem Läufer (20) und mit wenigstens einem Stator (18, 19) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (20) mittels einer Lagereinrichtung (14) fliegend gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (5) und gegebenenfalls der Elektromotor (16) mit einer Flüssigkeitskühleinrichhtung (21) versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitskühleinrichtung (21) an das Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (9) und der Rotor (13) aus einer gesinterten Aluminiumlegierung bestehen.