EP4536976A1 - Verdichter für ein brennstoffzellensystem, und brennstoffzellensystem mit selbigem - Google Patents

Verdichter für ein brennstoffzellensystem, und brennstoffzellensystem mit selbigem

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Publication number
EP4536976A1
EP4536976A1 EP23728273.6A EP23728273A EP4536976A1 EP 4536976 A1 EP4536976 A1 EP 4536976A1 EP 23728273 A EP23728273 A EP 23728273A EP 4536976 A1 EP4536976 A1 EP 4536976A1
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EP
European Patent Office
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compressor
bearing
axial
radial
axial air
Prior art date
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Pending
Application number
EP23728273.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Janik RICKE
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.)
ZF CV Systems Global GmbH
Original Assignee
ZF CV Systems Global 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 ZF CV Systems Global GmbH filed Critical ZF CV Systems Global GmbH
Publication of EP4536976A1 publication Critical patent/EP4536976A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056—Bearings
    • F04D29/057—Bearings hydrostatic; hydrodynamic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/051—Axial thrust balancing
    • F04D29/0513—Axial thrust balancing hydrostatic; hydrodynamic thrust bearings
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a compressor for a fuel cell system, in particular for a fuel cell system of a commercial vehicle, with a compressor housing, a compressor wheel, a rotationally driven compressor shaft which is operatively connected to the compressor wheel, and a bearing arrangement which rotates the compressor shaft in the compressor housing about an axis of rotation is stored, wherein the bearing arrangement has an axial air bearing for absorbing forces between the compressor housing and the compressor shaft in the direction of the axis of rotation (hereinafter also: axial forces).
  • Two-stage compressors can usually sufficiently compensate for the axial forces that occur using an axial air bearing.
  • the installation space that two-stage compressors take up due to their design principle is seen as a challenge, especially given the increasingly limited space available in vehicles.
  • Two-stage compressors are therefore usually unsuitable for applications in passenger cars, and installation space is also becoming increasingly scarce in commercial vehicles due to technological developments.
  • the invention is based on the knowledge that the use of a second axial air bearing represents a surprisingly good compromise between increasing the axial load capacity, i.e. the possibility of absorbing axial force, on the one hand, and the required installation space for expansion on the other. Even if it actually seems counter-intuitive to install an additional bearing, which would inevitably require additional installation space, it turns out that the axial installation space that is additionally required for the second axial air bearing leads to a significantly more suitable enclosed volume of the entire compressor can, for example, be a traditional approach, such as replacing the existing axial air bearing of the known compressor with a radially larger axial air bearing.
  • the bearing arrangement particularly preferably has two radial bearings, which can be designed, for example, as radial air bearings.
  • a favorable weight distribution can be achieved by weighting and spacing the axial air bearings from the radial bearings, and this also ensures that the axial air bearings are easily accessible for maintenance purposes.
  • the first axial air bearing has a first running disk which is designed to rotate in a first air gap
  • the second axial air bearing has a second running disk which is designed to rotate in a second air gap.
  • the first, second and third distances are dimensioned such that the resulting tilting moments at least partially, and preferably completely, eliminate each other.
  • first, second and/or third distances are preferably dimensioned such that the same radial forces act on the radial bearings of the bearing arrangement.
  • the first axial air bearing and/or the second axial air bearing are designed as foil bearings.
  • the running disks of each axial air bearing are preferably arranged between two standing film disks spaced apart from one another by the air gap.
  • the axial Air bearings are preferably designed as bump types or other foil bearing types. These cost-efficient bearing types, in conjunction with the design principle according to the invention, have sufficient load capacity to compensate for the axial forces even in single-stage compressors. However, the invention does not exclude the use of spiral groove bearings and other types of bearings.
  • one of the axial air bearings, such as the first axial air bearing is designed as a spiral groove bearing, and the other axial air bearing, then approximately the second axial air bearing, is designed as a foil bearing.
  • one of the axial air bearings is designed as a spiral groove bearing, and the air gap to which it is assigned, such as the first air gap, is dimensioned larger than the air gap to which the other axial air bearing is assigned, such as the second air gap.
  • the invention has been described above in a first aspect with reference to the compressor itself.
  • the invention also relates to a fuel cell system for driving a vehicle, in particular a commercial vehicle, with a compressor for supplying air to a fuel cell on the cathode side.
  • the invention solves the underlying problem in such a fuel cell system by designing the compressor according to one of the preferred embodiments described above.
  • the fuel cell system thus takes advantage of the same advantages as the compressor according to the first aspect.
  • Preferred embodiments of the compressor are also preferred embodiments of the fuel cell system and vice versa. To avoid repetition, please refer to the above statements.
  • FIG. 2 shows a schematic detailed view of a compressor shaft of the fuel cell system according to FIG. 1.
  • a compressor wheel 11 is arranged in a first end section 9 of the compressor shaft 5 and is connected to the compressor shaft 5 in a rotationally rigid manner.
  • the compressor 1 has an electric machine 13, which can be operated as an electric motor and in this case drives the compressor shaft 5 in rotation, whereby the compressor wheel 11 sucks in the air flow L, compresses it and releases it in the direction of the fuel cell 101.
  • the compressor 1 in the exemplary embodiment shown is designed as a single-stage compressor.
  • the second axial air bearing 7d is arranged on the compressor shaft 5 in a second end section 15, which lies opposite the first end section 9.
  • the second axial air bearing 7d thereby performs several relevant functions for the compressor 1:
  • the second axial air bearing 7d provides an additional load capacity, which increases the axial load capacity of the bearing arrangement 7, i.e. the ability to transfer axial forces in the direction to accommodate a rotation axis A of the compressor shaft 5, increased significantly.
  • the second axial air bearing 7b contributes to at least partially balancing the radial forces (see FIG. 2) and tilting moments acting on the radial bearing arrangement 8, because the mass emanating from the second axial air bearing 7d is on a side of the radial bearing arrangement facing away from the compressor wheel 11 8 acts on the compressor shaft 5 and can therefore partially compensate for the radial forces and tilting moments of the first axial air bearing 7c and the compressor wheel 11.
  • the first axial air bearing 7c has a running disk 17, which is connected to the compressor shaft 5 in a rotationally rigid manner and which is positioned between two stationary film disks 19. An air gap 21 is formed between the two film disks 19.
  • the air gaps 21, 27 can be of the same size in the axial direction, but in preferred embodiments, as described above, one of the two gaps 21, 27 can also be made narrower than the other in order to clearly define a wear point and make maintenance prediction more precise to be able to design. This could be the air gap 27, for example. If the bearing arrangement 7 needs to be serviced, it would then be reliably ensured with regard to the axial air bearings 7c, 7d that it is the second axial air bearing 7d on which wear will have occurred. And in order to maintain or replace this, the compressor wheel 11 would not have to be dismantled.
  • the centers of the two radial bearings 7a, 7b are apart from each other by the distance L in the direction of the rotation axis A, i.e. in the axial direction.
  • the first running disk 17 is located at an axial distance Li from the radial bearing closest to it, namely the first radial bearing 7a.
  • the second running disk 23 is located at a distance L2 from the radial bearing closest to it, namely the second radial bearing 7b.
  • the compressor wheel 11 is located with its center of mass in the axial direction Distance L3 from the radial bearing closest to it, namely the first radial bearing 7a as above.
  • the distances Li, L2, and L3 as well as LR in the design can be coordinated with one another in such a way that the radial loads FRI, FR2 on the radial bearing arrangement 8 are the same, or at least essentially the same.
  • the distance L2 will be greater than L3, and L3 will be greater than Li.
  • LR is preferably greater than L2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter (1) für ein Brennstoffzellensystem (100), insbesondere ein Brennstoffzellensystem (100) eines Nutzfahrzeugs, mit einem Verdichtergehäuse (3), einem Verdichterrad (11), einer rotatorisch angetriebenen Verdichterwelle (5), die mit dem Verdichterrad (11) wirkverbunden ist, und einer Lageranordnung (7), welche die Verdichterwelle (5) in dem Verdichtergehäuse (3) drehbar um eine Rotationsachse (A) lagert, wobei die Lageranordnung (7) ein Axial-Luftlager zur Aufnahme von Axialkräften zwischen dem Verdichtergehäuse (3) und der Verdichterwelle (5) aufweist. Die Erfindung schlägt weiter vor, dass das Axial-Luftlager (7c) ein erstes Axial-Luftlager ist, und die Lageranordnung (7) zudem ein zweites Axial-Luftlager (7d) aufweist, welches axial beabstandet zu dem ersten Axial-Luftlager (7c) angeordnet und zusätzlich dazu eingerichtet ist, Axialkräfte (Faxial) zwischen dem Verdichtergehäuse (3) und der Verdichterwelle (5) aufzunehmen.

Description

Verdichter für ein Brennstoffzellensystem, und Brennstoffzellensystem mit selbigem
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem eines Nutzfahrzeugs, mit einem Verdichtergehäuse, einem Verdichterrad, einer rotatorisch angetriebenen Verdichterwelle, die mit dem Verdichterrad wirkverbunden ist, und einer Lageranordnung, welche die Verdichterwelle in dem Verdichtergehäuse drehbar um eine Rotationsachse lagert, wobei die Lageranordnung ein Axial-Luftlager zur Aufnahme von Kräften zwischen dem Verdichtergehäuse und der Verdichterwelle in Richtung der Rotationsachse (Im Folgenden auch: Axialkräfte) aufweist.
Brennstoffzellensysteme benötigen in der Regel für einen korrekten Betrieb eine kontrollierte kathodenseitige Luftzufuhr, um innerhalb der Brennstoffzelle, dem sogenannten Stack, das für den Betrieb des Brennstoffzellensystems optimale Reaktantengleichgewicht halten zu können. Es ist bekannt, die Luft mittels eines oder mehrerer Verdichter zu verdichten und der Brennstoffzelle damit einen kontrollierten Massen- bzw. Volumenstrom an Luft zuzuführen.
Je höher die von der Brennstoffzelle zu erzeugende Leistung ist, desto höher ist in der Regel der notwendige Massen- bzw. Volumenstrom, der durch den oder die Verdichter gefördert werden muss. Im Betrieb des Verdichters entsteht aufgrund des Ansaugvorgangs der Luft eine Axialkraft, welche auf die Verdichterwelle wirkt. Mit steigender Drehzahl der Verdichterwelle und des Verdichterrads steigt auch - bei konstantem Querschnitt - die angesaugte Luftmenge und damit der aufgebaute Druck, und damit auch die Axialkraft. Dieser Effekt ist bei einstufigen Verdichtern stärker ausgeprägt als bei zweistufigen Verdichtern, bei denen sich die Axialkräfte zumindest partiell ausgleichen. Wird die Axialkraft zu hoch für die verwendete Lagerung, kommt es zu erhöhtem Verschleiß, insbesondere bei den dann vorherrschenden Drehzahlen. Die auftretenden Axialkräfte müssen also bei sämtlichen Verdichtersystemen durch die Lageranordnung aufgefangen werden, damit es nicht zu ungewollt hohem Verschleiß zwischen den rotierenden Elementen und den stehenden Elementen im Verdichter kommt. Aufgrund der hohen Drehzahlen der eingangs bezeichneten Verdichter im Betrieb hat es sich bereits in der Vergangenheit bewährt, ein Axial-Luftlager in der Lageranordnung zu verwenden, welches dazu dienen soll, die auftretenden Axialkräfte zwischen der Verdichterwelle und dem Verdichtergehäuse aufzunehmen.
Zweistufige Verdichter können unter Verwendung eines Axial-Luftlagers zumeist die auftretenden Axialkräfte in ausreichendem Maße kompensieren. Der Bauraum, den zweistufige Verdichter aufgrund ihres Konstruktionsprinzips einnehmen, wird aber insbesondere vor dem Hintergrund eine zunehmend beschränkten Raumangebots in Fahrzeugen als Herausforderung angesehen. Für Anwendungen in Personenkraftwagen sind zweistufige Kompressoren daher zumeist ungeeignet, und auch in Nutzfahrzeugen wird aufgrund der technologischen Weiterentwicklung Einbauraum zunehmend knapp.
Der Erfindung lag vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter anzugeben, bei dem die vorstehend beschriebenen Nachteile möglichst weitgehend abgemildert werden. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter der eingangs bezeichneten Art dahingehend zu verbessern, dass auf die Verdichterwelle wirkende Axialkräfte besser aufgenommen werden können und der Verdichter dabei gleichzeitig einen möglichst geringen erforderlichen Bauraum beansprucht. Weiter insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Vorstehende möglichst kosteneffizient zu realisieren.
Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe, indem sie einen Verdichter gemäß Anspruch 1 vorschlägt. Die Erfindung schlägt insbesondere vor, dass in einem Verdichter der eingangs bezeichneten Art das Axial-Luftlager ein erstes Axial-Luftlager ist, und die Lageranordnung zudem ein zweites Axial- Luftlager aufweist, welches in Richtung der Rotationsachse (im Folgenden auch: Axialrichtung) beabstandet zu dem ersten Axial-Luftlager angeordnet und (zusätzlich zu dem ersten Axial-Luftlager) dazu eingerichtet ist, Kräfte zwischen dem Verdichtergehäuse und der Verdichterwelle in Richtung der Rotationsachse, also Axialkräfte, aufzunehmen. Mit anderen Worten werden erfindungsgemäß nun sowohl das erste Axial-Luftlager als auch ein zweites Axial-Luftlager zum Bereitstellen einer Axiallagerfunktion vorgesehen, so dass die vom Verdichterrad über die Verdichterwelle eingebrachten Axialkräfte von beiden Axial-Luftlagern aufgenommen werden können.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Verwendung eines zweiten Axial-Luftlagers ein überraschend guter Kompromiss aus Erhöhung der axialen Tragfähigkeit, d.h. der Möglichkeit zur Axialkraftaufnahme, einerseits und erforderlichem Bauraum für die Erweiterung andererseits darstellt. Auch wenn es eigentlich gegenintuitiv erscheint, ein zusätzliches Lager zu verbauen, was zwangsläufig zusätzlichen Bauraum erfordern würde, zeigt sich, dass der axiale Bauraum, der für das zweite Axial-Luftlager zusätzlich benötigt wird, zu einem deutlich besser geeigneten umschlossenen Volumen des gesamten Verdichters führen kann als beispielsweise ein traditioneller Ansatz, etwa das vorhandene Axial-Luftlager des bekannten Verdichters durch ein radial größer bauendes Axial-Luftlager, zu ersetzen. Zugleich kann durch die Verwendung mehrerer Lager auch bei einer Verwendung für sich genommen simpel konstruierter Lagertypen eine deutliche Erhöhung der axialen Tragkraft der Lageranordnung insgesamt erzielt werden, sodass auf den Einsatz teurer Speziallager, wie etwa Spiralrillenlager, nicht zwingend zurückgegriffen werden muss. Gleichwohl spielt die Erfindung ihre Vorteile auch bei der Verwendung von Spiralrillenlagern aus, was die Verbesserung der Tragfähigkeit bei moderatem Bauraumzuwachs angeht.
Weitere Vorteile ergeben sich auch aus den bevorzugten Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung, die nachfolgend beschrieben werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Verdichter ein einstufiger Verdichter, wobei das Verdichterrad an einem ersten Endabschnitt der Verdichterwelle angeordnet ist, und wobei das zweite Axial-Luftlager an einem dem ersten Endabschnitt gegenüberliegenden zweiten Endabschnitt der Verdichterwelle angeordnet ist. Durch das gegenüberliegende Anordnen von Verdichterrad einerseits und zweitem Axial-Luftlager andererseits wird die Balance der rotierenden Massen verbessert. Insbesondere bei einstufigen Kompressoren ist dies insbesondere für die Lageranordnung ein großer konstruktiver Vorteil, der sich zugunsten einer höheren Lebensdauer auswirkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Lageranordnung eine Radiallageranordnung auf. Die Radiallageranordnung weist vorzugsweise eine Anzahl von zwischen dem ersten Axial-Luftlager und dem zweiten Axial- Luftlager angeordneten Radiallagern auf. Unter einer Anzahl ist erfindungsgemäß eine Zahl von 1 oder mehr Einheiten verstanden.
Die Radiallageranordnung ist vorzugsweise zwischen dem ersten Axial- Luftlager und dem zweiten Axial-Luftlager angeordnet.
Besonders bevorzugt weist die Lageranordnung zwei Radiallager auf, die beispielsweise als Radial-Luftlager ausgebildet sein können. Über die Gewichtung und Beabstandung der Axial-Luftlager von den Radiallagern kann eine günstige Gewichtsverteilung erreicht werden, und die Zugänglichkeit der Axial-Luftlager zu Wartungszwecken ist hierdurch auch in gutem Maße gegeben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erste Axial-Luftlager eine erste Laufscheibe auf, die dazu eingerichtet ist, in einem ersten Luftspalt umzulaufen, und das zweite Axial-Luftlager weist eine zweite Laufscheibe auf, die dazu eingerichtet ist, in einem zweiten Luftspalt umzulaufen. Zum Erreichen einer möglichst hohen Gleichteilezahl kann es bevorzugt sein, die beiden Axial-Luftlager identisch aufzubauen, insbesondere hinsichtlich deren wesentlicher Elemente (Folie, Folienträger, Laufscheibe). Dadurch kann die Kosteneffizienz gesteigert werden, etwa bei Produktions- und Montagekosten.
In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform ist eine der Laufscheiben, etwa die erste Laufscheibe, in radialer Richtung größer dimensioniert als jeweils andere Laufscheibe, etwa als die zweite Laufscheibe. Dies führt abhängig vom Ausmaß des Unterschieds zu einer unterschiedlichen Tragfähigkeit in axialer Richtung für die beiden Axial-Luftlager, was die eindeutige Definition der Wirkrichtung der Axiallagerung unterstützen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Anzahl Radiallager also ein erstes Radiallager auf, das in einem ersten axialen Abstand zu dem ersten Axial-Luftlager angeordnet ist, und ein zweites Radiallager, das in einem Abstand zu dem ersten Radiallager und in einem zweiten axialen Abstand zu dem zweiten Axial-Luftlager angeordnet ist, wobei der zweite axiale Abstand und der erste axiale Abstand unterschiedlich sind.
Vorzugsweise ist der zweite axiale Abstand größer als der erste axiale Abstand.
Auf der Seite der Verdichterwelle, an welcher das erste Axial-Luftlager sitzt, ist in der Regel auch das Verdichterrad angeordnet, sodass die rotierenden Massen und Kippmomente auf jener Seite der Verdichterwelle erwartungsgemäß größer sind als auf der linken Seite. Durch einen höheren Abstand des zweiten Axial-Luftlagers von dem zu ihm benachbarten nächsten Radiallager, dem zweiten Radiallager, kann aber eine jedenfalls partielle Kompensation der Kippmomente erreicht werden.
Insbesondere wirkt von der ersten Laufscheibe aus eine erste Radialkraft auf die Radiallageranordnung ein, und von der zweiten Laufscheibe aus wirkt eine zweite Radialkraft auf die Radiallageranordnung ein. Von dem Verdichterrad aus, welches in einem dritten axialen Abstand zu dem ersten oder zweiten Radiallager angeordnet ist, wirkt eine dritte Radialkraft auf die Radiallageranordnung ein. Aus den Radialkräften und Abständen resultieren jeweils Kippmomente, die über die Verdichterwelle auf die Radiallageranordnung wirken.
Vorzugsweise sind der erste, zweite und dritte Abstand derart dimensioniert, dass sich die resultierenden Kippmomente gegenseitig zumindest partiell, und vorzugsweise vollständig, eliminieren.
Alternativ oder zusätzlich sind vorzugsweise der erste, zweite und/oder dritte Abstand derart dimensioniert, dass auf die Radiallager der Lageranordnung jeweils gleich hohe Radialkräfte wirken.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der erste Luftspalt und der zweite Luftspalt in Richtung der Rotationsachse unterschiedlich groß dimensioniert. Hintergrund ist die Überlegung, dass die Laufscheiben der Axial- Luftlager bei kleinen Drehzahlen mitunter noch am zu denen korrespondierenden Lagerteil anliegen können bzw. bei Bewegung schleifen, und erst beim Erreichen einer vorbestimmten Abhebe-Drehzahl beidseitig der Laufscheibe einen Abstand einnehmen und frei im Luftspalt umlaufen. Dadurch, dass einer der beiden Luftspalte etwas enger dimensioniert wird als der andere, beispielsweise durch engere Bemaßung oder auch engere Tolerierung des Luftspalts, lässt sich vorhersagbar machen, bei welchem der beiden Axial- Luftlager im Betrieb kleinerer Drehzahlen Verschleiß auftreten wird. Hieraus resultieren Vorteile in der Wartungsplanung und Lebensdauervorhersage der Lageranordnung. Zudem wirkt sich der größere Luftspalt des einen Axial- Luftlagers positiv auf die anfallenden Reibungsverluste aus.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind das erste Axial-Luftlager und/oder das zweite Axial-Luftlager als Folienlager ausgebildet. Vorzugsweise sind die Laufscheiben jedes Axial-Luftlagers zwischen zwei um den Luftspalt voneinander beabstandeten stehenden Folienscheiben angeordnet. Die Axial- Luftlager sind vorzugsweise als Bump-Type, oder einem anderen Folienlagertypen ausgebildet. Diese kosteneffizienten Lagertypen haben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Konstruktionsprinzip eine ausreichende Tragfähigkeit zur Kompensation der Axialkräfte auch bei einstufigen Verdichtern. Die Erfindung schließt allerdings die Verwendung von Spiralrillenlagern und weiteren Lagertypen nicht aus. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eines der Axial-Luftlager, etwa das erste Axial-Luftlager, als Spiralrillenlager ausgebildet, und das andere Axial-Luftlager, dann etwa das zweite Axial-Luftlager, ist als Folienlager ausgebildet.
Besonders bevorzugt ist eines der Axial-Luftlager als Spiralrillenlager ausgebildet, und der Luftspalt, dem es zugeordnet ist, etwa der erste Luftspalt, ist größer dimensioniert als der Luftspalt, welchem das andere Axial-Luftlager zugeordnet ist, etwa der zweite Luftspalt.
Die Erfindung wurde vorstehend in einem ersten Aspekt unter Bezugnahme auf den Verdichter selbst beschrieben. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ferner auch ein Brennstoffzellensystem zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, mit einem Verdichter zur kathodenseitigen Luftversorgung einer Brennstoffzelle.
Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem solchen Brennstoffzellensystem, indem der Verdichter nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet ist. Das Brennstoffzellensystem macht sich damit die gleichen Vorteile zunutze wie der Verdichter gemäß dem ersten Aspekt. Bevorzugte Ausführungsformen des Verdichters sind zugleich bevorzugte Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems und umgekehrt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird daher auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 2 eine schematische Detailansicht einer Verdichterwelle des Brennstoffzellensystems gemäß Fig. 1 .
In Fig. 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 für ein Nutzfahrzeug 300 schematisch abgebildet. Das Brennstoffzellensystem 100 weist eine Brennstoffzelle 101 auf, die dazu eingerichtet ist, elektrische Energie bereitzustellen. Zur Luftversorgung ist die Brennstoffzelle 101 mit einem Verdichter 1 wirkverbunden, der dazu eingerichtet ist, einen Luftstrom L anzusaugen, zu verdichten, und der Brennstoffzelle 101 kathodenseitig zuzuführen.
Der Verdichter 1 weist ein Verdichtergehäuse 3 auf, in dem eine Verdichterwelle 5 drehbar gelagert ist. Die Verdichterwelle 5 ist mittels einer Lageranordnung 7 im Verdichtergehäuse 3 gelagert, wobei die Lageranordnung 7 unter anderem eine Radiallageranordnung 8 umfasst. Die Radiallageranordnung 8 umfasst ein erstes Radiallager 7a und ein zweites Radiallager 7b. Vorzugsweise sind die beiden Radiallager 7a, 7b als Radial- Luftlager ausgebildet, etwa als Folienlager.
Die Lagerandordnung 7 weist ferner ein erstes Axial-Luftlager 7c und ein zweites Axial-Luftlager 7d auf.
In einem ersten Endabschnitt 9 der Verdichterwelle 5 ist ein Verdichterrad 11 angeordnet und drehstarr mit der Verdichterwelle 5 verbunden.
Der Verdichter 1 weist eine elektrische Maschine 13 auf, die als Elektromotor betreibbar ist und in dem Fall die Verdichterwelle 5 rotatorisch antreibt, wodurch das Verdichterrad 11 den Luftstrom L ansaugt, verdichtet und in Richtung der Brennstoffzelle 101 abgibt.
Der Verdichter 1 im gezeigten Ausführungsbeispiel ist als einstufiger Verdichter ausgebildet. In einem zweiten Endabschnitt 15, der dem ersten Endabschnitt 9 gegenüberliegt, ist an der Verdichterwelle 5 das zweite Axial-Luftlager 7d angeordnet. Das zweite Axial-Luftlager 7d übt dadurch gleich mehrere relevante Funktionen für den Verdichter 1 aus: Zum einen stellt das zweite Axial-Luftlager 7d eine zusätzliche Tragkraft zur Verfügung, die die axiale Tragfähigkeit der Lageranordnung 7, d.h. die Fähigkeit, axiale Kräfte Faxiai in Richtung einer Rotationsachse A der Verdichterwelle 5 aufzunehmen, signifikant erhöht.
Ferner trägt das zweite Axial-Luftlager 7b dazu bei, die auf die Radiallageranordnung 8 wirkenden Radialkräfte (vgl. Fig. 2) und Kippmomente zumindest partiell auszubalancieren, weil die vom zweiten Axial-Luftlager 7d ausgehende Masse auf einer vom Verdichterrad 11 abgewandten Seite der Radiallageranordnung 8 auf die Verdichterwelle 5 wirkt und somit insbesondere auch die Radialkräfte und Kippmomente des ersten Axial-Luftlagers 7c und des Verdichterrads 11 partiell ausgleichen kann.
Die erste Axial-Luftlagerung7c weist eine Laufscheibe 17 auf, die drehstarr mit der Verdichterwelle 5 verbunden ist, und die zwischen zwei stehenden Folienscheiben 19 positioniert ist. Zwischen den beiden Folienscheiben 19 ist ein Luftspalt 21 ausgebildet.
Das zweite Axial-Luftlager 7d weist ebenfalls eine Laufscheibe 23 auf, die drehstarr mit der Verdichterwelle 5 verbunden ist, wobei die zweite Laufscheibe 23 zwischen zwei stehenden Folienscheiben 25 angeordnet ist, welche zwischen sich einen Luftspalt 27 definieren.
Die Durchmesser, d.h. radialen Ausdehnungen, der Laufscheiben 17, 23 können gemäß bevorzugten Ausführungsformen unterschiedlich ausgebildet sein, zur besseren Definition einer Wirkrichtung in Richtung der Achse A, oder zum Unterstützen einer Gleichteilephilosophie identisch ausgebildet sein. Das Gleiche gilt im Umkehrschluss für die jeweiligen Folienscheiben 19, 25.
Die Luftspalte 21 , 27 können in axialer Richtung gleich groß ausgebildet sein, es kann aber auch in bevorzugten Ausführungsformen, wie oben beschrieben, einer der beiden Spalte 21 , 27 enger ausgebildet werden als der andere, um einen Verschleißpunkt eindeutig zu definieren und die Wartungsvorhersage präziser gestalten zu können. Dies könnte beispielsweise der Luftspalt 27 sein. Muss die Lageranordnung 7 gewartet werden, so wäre dann jedenfalls hinsichtlich der Axial-Luftlager 7c, 7d zuverlässig sichergestellt, dass es das zweite Axial-Luftlager 7d ist, an dem Verschleiß aufgetreten sein wird. Und um dieses zu warten oder auszutauschen müsste dann nicht zusätzlich das Verdichterrad 11 demontiert werden.
In Fig. 2 ist überschlägig und unter vereinfachenden Annahmen, wie etwa der Annahme einer masselosen Verdichterwelle 5, eine Kräftebilanz für die Verdichterwelle 5 und die Radiallageranordnung 8 gezeigt. Das erste Radiallager 7a wird mit einer Radialkraft FRI belastet, während das zweite Radiallager 7b mit einer Radialkraft FR2 belastet wird. Von der ersten Laufscheibe 17 des ersten Axial-Luftlagers 7c geht eine Radialkraft FLI aus, und von der zweiten Laufscheibe 23 des zweiten Axial-Luftlagers 7d geht eine Radialkraft FL2 aus, die jeweils auf die Verdichterwelle 5 wirken. Vom Verdichterrad 11 geht eine Radialkraft Fv aus, die ebenfalls auf die Verdichterwelle 5 wirkt.
Die Mitten der beiden Radiallager 7a, 7b sind in Richtung der Rotationsachse A, also in axialer Richtung, um den Abstand L voneinander entfernt. Die erste Laufscheibe 17 befindet sich in einem axialen Abstand Li von dem ihr nächstliegenden Radiallager, nämlich dem ersten Radiallager 7a. Die zweite Laufscheibe 23 befindet sich in einem Abstand L2 von dem ihr nächstgelegenen Radiallager, nämlich dem zweiten Radiallager 7b. Das Verdichterrad 11 befindet sich mit seinem Massenschwerpunkt in axialer Richtung in einem Abstand L3 von dem ihm nächstgelegenen Radiallager, nämlich wie oben dem ersten Radiallager 7a.
Anhand der Kräfte- und Momentenbilanzen für diese Konstellation lassen sich die Abstände Li, L2, und L3 sowie LR in der Konstruktion derart aufeinander abstimmen, dass die radialen Belastungen FRI, FR2 auf die Radiallageranordnung 8 gleich sind, oder zumindest im Wesentlichen gleich. In bevorzugten Ausgestaltungen wird der Abstand L2 größer sein als L3, und L3 größer sein als Li. LR ist vorzugsweise größer als L2.
Durch konstruktiv günstige Auslegung, d.h. beispielsweise durch weitestgehende Minimierung des Abstands Li und L3 lässt sich ein insgesamt recht kompaktes Lagerkonzept aufstellen, was eine gute Bauraumnutzung bietet und gleichzeitig eine gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft ausbalancierte, rein luftgelagerte Verdichterwelle 5 möglich macht. Durch die Balancewirkung, die von dem zweiten Axial-Luftlager 7d ausgeht, lassen sich auch bei der Verwendung einstufiger Verdichter, wie hier im bevorzugten Ausführungsbeispiel, hohe Lebensdauern erreichen. Gleichzeitig erlaubt das Lagerungskonzept die Verwendung einfacher Lagertypen bei den Axial- Luftlagern, wie beispielsweise Bump-Type oder andere Folienlagertypen.
Bezugszeichen (Teil der Beschreibung):
1 Verdichter
3 Verdichtergehäuse
5 Verdichterwelle
7 Lageranordnung:
7a erstes Radiallager
7b zweites Radiallager
7c erstes Axial-Luftlager
7d zweites Axial-Luftlager
8 Radiallageranordnung
1 1 Verdichterrad
13 Maschine
15 Endabschnitt
17 Laufscheibe
19 Folienscheiben
21 Luftspalt
23 Laufscheibe
25 Folienscheibe
27 Luftspalt
100 B re nnstoff zellensystem
101 Brennstoffzelle
300 Nutzfahrzeug
A Rotationsachse, Verdichterwelle
R Radialrichtung, relativ zu A
FRI , FR2 Radialkraft, Radiallager
FLI , FL2 Radialkraft, Axial-Luftlager
Fv Radialkraft, Verdichter
F axial Axialkraft
L Luftstrom
Li, L2, L3, LR axialer Abstand

Claims

Patentansprüche:
1. Verdichter (1 ) für ein Brennstoffzellensystem (100), insbesondere ein Brennstoffzellensystem (100) eines Nutzfahrzeugs (300), mit einem Verdichtergehäuse (3), einem Verdichterrad (11 ), einer rotatorisch angetriebenen Verdichterwelle (5), die mit dem Verdichterrad (11 ) wirkverbunden ist, und einer Lageranordnung (7), welche die Verdichterwelle (5) in dem Verdichtergehäuse (3) drehbar um eine Rotationsachse (A) lagert, wobei die Lageranordnung (7) ein Axial-Luftlager (7c) zur Aufnahme von Axialkräften (Faxiai) zwischen dem Verdichtergehäuse (3) und der Verdichterwelle (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Axial-Luftlager (7c) ein erstes Axial-Luftlager ist, und die Lageranordnung (7) zudem ein zweites Axial-Luftlager (7d) aufweist, welches axial beabstandet zu dem ersten Axial-Luftlager (7c) angeordnet und dazu eingerichtet ist, Axialkräfte (Faxiai) zwischen dem Verdichtergehäuse (3) und der Verdichterwelle (5) aufzunehmen.
2. Verdichter (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1 ) ein einstufiger Verdichter (1 ) ist, wobei das Verdichterrad (11 ) an einem ersten Endabschnitt (9) der Verdichterwelle (5) angeordnet ist, und wobei das zweite Axial-Luftlager (7d) an einem dem ersten Endabschnitt (9) gegenüberliegenden zweiten Endabschnitt (15) der Verdichterwelle (5) angeordnet ist.
3. Verdichter (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (7) eine Radiallageranordnung (8) aufweist.
4. Verdichter (1 ) nach Anspruch 3, wobei die Radiallageranordnung (8) zwischen dem ersten Axial-Luftlager und dem zweiten Axial-Luftlager (7d) angeordnet ist.
5. Verdichter (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Axial-Luftlager (7c) eine erste Laufscheibe (17) aufweist, die dazu eingerichtet ist, in einem ersten Luftspalt (21 ) umzulaufen, und das zweite Axial-Luftlager (7d) eine zweite Laufscheibe (23) aufweist, die dazu eingerichtet ist, in einem zweiten Luftspalt (27) umzulaufen.
6. Verdichter (1 ) nach Anspruch 5, wobei die erste Laufscheibe (17) in radialer Richtung (R) größer dimensioniert ist als die zweite Laufscheibe (23).
7. Verdichter (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Radiallageranordnung (8) ein erstes Radiallager (7a) aufweist, das in einem ersten axialen Abstand (Li) zu dem ersten Axial-Luftlager (7c) angeordnet ist, und ein zweites Radiallager (7b), das in einem Abstand (LR) ZU dem ersten Radiallager (7a) und in einem zweiten axialen Abstand (L2) zu dem zweiten Axial- Luftlager (7d) angeordnet ist, wobei der zweite axiale Abstand (L2) und der erste axiale Abstand (Li) unterschiedlich sind.
8. Verdichter (1 ) nach Anspruch 7, wobei von der ersten Laufscheibe (17) aus eine erste Radialkraft (FLI) auf die Radiallageranordnung (8) einwirkt, von der zweiten Laufscheibe (23) aus eine zweite Radialkraft (F1.2) auf die Radiallageranordnung (8) einwirkt, und von dem Verdichterrad (1 1 ), welches in einem dritten axialen Abstand (L3) zu dem ersten oder zweiten Radiallager (7a, 7b) angeordnet ist, eine dritte Radialkraft (Fv) auf die Lageranordnung (7) einwirkt.
9. Verdichter (1 ) nach Anspruch 8, wobei aus den Radialkräften (FLI, FL2, FV) und Abständen (Li, L2, L3, LR) jeweils Kippmomente resultieren, die über die Verdichterwelle (5) auf die Lageranordnung (7) wirken, wobei der erste, zweite und dritte Abstand (Li, L2, L3) derart dimensioniert sind, dass sich die resultierenden Kippmomente gegenseitig partiell oder vollständig eliminieren.
10. Verdichter (1 ) nach Anspruch 8 oder 9, wobei der erste, zweite und dritte Abstand (Li, l_2, L3) derart dimensioniert sind, dass auf die Radiallager (7a, 7b) der Lageranordnung (7) jeweils gleich hohe oder zumindest im Wesentlichen gleich hohe Radialkräfte (FRI, FR2) wirken.
11 . Verdichter (1 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei der erste Luftspalt (21 ) und der zweite Luftspalt (27) in Richtung der Rotationsachse (A) unterschiedlich groß dimensioniert sind.
12. Verdichter (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Axial-Luftlager (7c) und/oder das zweite Axial-Luftlager (7d) als Folienlager ausgebildet sind.
13. Verdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eines der Axial-Luftlager (7c, 7d), vorzugsweise das erste Axial-Luftlager (7c), als Spiralrillenlager ausgebildet ist, und das andere der Axial-Luftlager (7c, 7d), vorzugsweise das zweite Axial-Luftlager (7d), als Folienlager ausgebildet ist.
14. Brennstoffzellensystem (100) zum Antrieb eines Fahrzeugs (300), insbesondere Nutzfahrzeugs, mit einem Verdichter (1 ) zur kathodenseitigen Luftversorgung einer Brennstoffzelle (101 ), dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist.
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