KR20190134485A - 연료 셀 급기용 터보차저를 구비하는 장치 - Google Patents

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KR20190134485A
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얀-크리스토프 하아그
루츠 아우라스
크리스토프 하인츠
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만 에너지 솔루션즈 에스이
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Abstract

본 발명은 연료 셀(10)에, 바람직하게는 수소로 작동되는 연료 셀(10)에, 배기가스 터보차저(20)의 압축기(21)를 통해 공기를 공급하는 장치(1)로서, 상기 압축기(21)는 연료 셀의 배기가스 흐름(A)에 의해 구동될 수 있는 터보차저(20)의 터빈(22)에 샤프트(23)를 통해 구동 가능하게 연결되어 있고, 게다가 상기 터보차저(20)는 모터(40)에 샤프트(23)를 통해 구동 가능하게 연결되어 있으며, 상기 터보차저(20)의 샤프트의 마운팅은 가스 또는 공기 윤활 마운팅을 통해 형성되는 것인 장치(1)에 관한 것이다.

Description

연료 셀 급기용 터보차저를 구비하는 장치{DEVICE WITH A TURBOCHARGER FOR CHARGING A FUEL CELL}
본 발명은 연료 셀에, 특히 수소로 작동되는 연료 셀에, 급기하기 위한 터보차저를 구비하는 장치에 관한 것이다.
통상적으로, 연료 셀은 순수한 수소로 작동되는데, 이 순수한 수소는 연료 셀에서 반응하여 물을 형성하며 그 과정에서 전기가 방출된다. 일반적으로, 수소는 이러한 목적으로 압력 용기의 밖에서 팽창되고 연료 셀에 공급된다. 연료 셀에서의 연소에 필요한 공기는 전기로 작동되는 블로워를 통해 주위로부터 흡인되어 연료 셀에 공급된다.
일반적인 종래 기술이 예를 들어 DE 101 20 947 A1에 또는 DE 10 2004 051 359 A1에도 기술되어 있다. 자동차 환경에서는, 터보차저를 통해 급기되는 연료 셀이 알려져 있다. 이 경우 흡입 공기는 터보차저의 압축기에 의해 흡인되고, 연소 중에 발생된 배기가스는 터보차저의 터빈을 구동한다. 필요에 따라, 두 구성요소의 열역학적 불균형을 상쇄하기 위해, 추가적인 전기 에너지가 전기 모터에 의해 터보차저의 샤프트에 공급될 수 있다.
일반적으로, 베어링에 윤활 요일이 엔진 오일 회로로부터 공급되는 터보차저가 종래 기술에서 사용된다. 여기서는, 마운팅에 있어서의 오일의 작은 누출조차도 연료 셀의 오염과 배기가스 배출의 증가를 초래한다.
따라서, 본 발명의 과제는, 전술한 단점들을 회피하고, 작동 신뢰성 및 견고성에 관하여 개선된 구성을 명시하는 데에 있다.
본 발명에 따르면, 상기한 구성은 청구항 1의 특징을 갖는 장치를 통해 해결된다.
본 발명의 근본 개념은, 터보차저의 마운팅의 윤활을 위해 가스 또는 공기가 사용되는 경우, 터보차저를, 특히 배기가스 터보차저를, 연료 셀에의 공기 공급을 위해 사용하는 데 있다. 바람직하게는, 윤활을 위한 공기는 압축기 뒤에서 추출될 필요가 있다. 대안적으로, 수소가 또한 사용될 수 있는데, 이 수소는 관련 마운팅을 통과한 후, 입구에서 압축기에 다시 공급된다.
이에 따라, 배기가스가 오염될 위험이 없어지고, 터보차저의 낮은 베어링 손실을 통해, 터보차저의 효율이 증가된다.
가스 윤활제를 사용하는 데에는, 터보차저의 마운팅의 특정 구성이 필요하다. 본 발명에 따르면, 이러한 목적으로, 수소로 작동되는 연료 셀에, 배기가스 터보차저의 압축기를 통해 공기를 공급하는 장치로서, 압축기는 연료 셀의 배기가스 흐름에 의해 구동될 수 있는 터보차저의 터빈에 샤프트를 통해 구동 가능하게 연결되어 있고, 게다가 터보차저는 모터에 샤프트를 통해 구동 가능하게 연결되어 있으며, 터보차저의 샤프트의 마운팅은 가스 또는 공기 윤활 마운팅을 통하여 형성되는 것인 장치가 제공된다.
유익한 형태에 있어서는, 모터는 압축기와 터빈의 사이에 배치된 전기 모터인 것이 제공된다.
게다가, 모터의 스테이터가 스테이터 권선과 함께 터보차저의 샤프트의 둘레에 배치되어 있는 경우, 샤프트는 모터의 로터의 일부분으로서 형성되는 것이 유익하다.
샤프트가 큰 직경을 갖도록 구성되어 있는 터보차저는, 두 임펠러 사이에 배치된 모터의 사용에 특히 유익하게 적합한데, 이 모터는 더 바람직하게는 발전기 모드로도 작동될 수 있다. 여기서, 터보차저의 샤프트는 동시에 전기 모터의 로터를 형성하고, 그 결과 구성요소의 집적화 및 소형화가 고도로 달성된다. 수소가 윤활제로서 사용되는 경우, 수소는 동시에 모터 권선을 냉각하는 데 사용될 수 있고, 이에 따라 그 효율을 증가시키는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 유익한 형태에서는, 한편으로는 압축기에 있어서의 샤프트의 마운팅이 그리고 바람직하게는 터빈에 있어서의 샤프트의 마운팅도 또한, 가스 또는 공기 윤활 레이디얼 베어링을 통해 형성되는 것이 제공된다.
게다가, 샤프트는, 샤프트에 의해 형성되거나 샤프트에 부착되는 스러스트 링을 통하여 액시얼 스러스트 베어링 상에 장착되는 경우가 유익하다. 가스 윤활제의 점도는 (오일과 비교하여) 상당히 낮기 때문에, 레이디얼 베어링의 베어링 직경과 스러스트 베어링의 외경도 또한 상당히 크게 형성된다. 여기서, 스러스트 베어링은 압축기 휠과 거의 동일한 외경을 갖는다. 배기가스 터보차저의 작동 중에 발생하는 축방향 추력을 상쇄시키거나 또는 흡수할 수 있도록 하기 위해 필요한, 레이디얼 베어링 직경은 스러스트 베어링 직경과 그 면적으로부터 얻어진다.
게다가, 액시얼 스러스트 베어링이 축방향으로 중심을 벗어나 샤프트의 압축기 측에 또는 터빈 측에 배치되는 경우가 유익하다. 어떠한 경우에도, 상기한 액시얼 스러스트 베어링은 압축기와 터빈의 사이에서 샤프트의 중앙에 또는 거의 중앙에 배치되어서는 안 되는데, 그 이유는 이로 인해 전기 모터의 스테이터가 분할되어야 할 것이기 때문이다. 이러한 방식에서, 샤프트는 축방향에 있어서 일체로 또는 하나의 부분으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는, 연료 셀 시스템의 일부분인 연료 셀에 공기를 제공하기 위한 전술한 장치의 용도로서, 상기 연료 셀 시스템을 통해 소비자에게 전기 구동 전력이, 바람직하게는 100 > ㎾ 범위의 전력이 제공되는 것인 장치의 용도에 관한 것이다.
본 발명의 그 밖의 유익한 추가적인 개선예는, 종속 청구항에서 특징지어지거나, 또는 도면을 통한 본 발명의 바람직한 실시형태의 설명과 함께 보다 더 상세하게 제시된다.
도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 실시형태의 개략적인 선도이고,
도 2는 일체형 전기 모터를 구비하는 배기가스 터보차저의 개략적인 상세도이다.
이하에서, 본 발명은 도 1과 도 2를 참조하여 바람직한 예시적인 실시형태를 통해 보다 상세히 기술되는데, 이들 도면에서 동일한 참조 번호는 동일한 구조적 및/또는 기능적 특징부를 나타낸다.
도시된 예시적인 실시형태에서는, 연료 셀(10)과, 수소로 작동되는 연료 셀(10)에 공기를 공급하기 위한 장치(1)가 도시되어 있다. 상기 장치(1)는 터보차저(20)의 압축기(21)를 포함한다. 압축기(21)는 연료 셀(10)의 배기가스 흐름(A)에 의해 구동될 수 있는 터보차저(20)의 터빈(22)에 구동 가능하게 연결되어 있다. 연료 셀(10)에 의해 발생된 배기가스 흐름은 터빈(22)을 통과하고, 샤프트(23)를 경유하여, 압축기(21)의 압축기 휠을 구동한다. 그 과정에서, 연료 셀(10)에 대한 공급 공기는 압축기(21)에 의해 압축되고, 공기 공급 통로(24)를 경유하여 연료 셀(10)에 공급된다.
도 1에 따른 예시적인 실시형태에서는, 구동 샤프트(23)를 통하여 압축기(21)를 구동할 수 있는 전기 모터(40)가 제공된다. 이를 위해, 압축기(21)의 압축기 휠은 터빈(22)과 함께 공통의 샤프트(23) 상에 배치된다. 여기서, 전기 모터(40)는 터보차저(20) 내에서 중심을 벗어나, 즉 압축기(21)와 터빈(22)의 사이에서 압축기 측에 배치된다. 모터(40)의 스테이터(44)는 스테이터 권선(45)과 함께 터보차저의 샤프트(23)의 둘레에 배치되어 있고, 샤프트(23) 자체가 모터(40)의 로터의 일부분으로서 형성되어 있다는 것은, 도 2에 분명히 보인다.
도 2에 따른 상세도에서는, 마운팅의 세부 구성이 도시되어 있다. 터보차저(20)의 샤프트(23)의 마운팅은 가스 윤활 마운팅을 통해 형성되고, 구체적으로는 압축기(21)에서 그리고 터빈(22)에서도 가스 또는 공기 윤활 레이디얼 베어링(25, 26)을 통해 각각 형성된다. 샤프트(23)는, 샤프트(23)에 의해 형성되는 스러스트 링(31)을 통하여 액시얼 스러스트 베어링(30) 상에 장착된다. 액시얼 스러스트 베어링(30)의 외경은 압축기(21)의 외경보다 크다. 액시얼 스러스트 베어링(30)은 일체형 샤프트(23) 상에 축방향으로 중심을 벗어나 형성된다.
수소가 윤활제로서 사용되는 경우, 터빈 측에서는, 기밀한 샤프트 시일이 밀봉 공기 시일, 피스톤 링 시일, 래버린스 시일, 또는 멤브레인 시일을 통해 제공될 필요가 있다. 이와 대조적으로, 압축기 측에서는, 샤프트 시일이 생략될 수 있는데, 이는 수소가 의도한 바대로 연소를 위해 연료 셀에 다시 공급될 필요가 있기 때문이다.
본 발명의 구현시, 본 발명은 전술한 바람직한 예시적인 실시형태들에 제한되지 않는다. 이에 반하여, 제시된 해결책을 기본적으로 다른 타입의 실시형태에서도 사용하는 다수의 버전이 상정될 수 있다.

Claims (10)

  1. 연료 셀(10)에, 바람직하게는 수소로 작동되는 연료 셀(10)에, 배기가스 터보차저(20)의 압축기(21)를 통해 공기를 공급하는 장치(1)로서, 압축기(21)는 연료 셀의 배기가스 흐름(A)에 의해 구동될 수 있는 터보차저(20)의 터빈(22)에 샤프트(23)를 통해 구동 가능하게 연결되어 있고, 게다가 터보차저(20)는 모터(40)에 샤프트(23)를 통해 구동 가능하게 연결되어 있으며, 터보차저(20)의 샤프트의 마운팅은 가스 또는 공기 윤활 마운팅을 통하여 형성되는 것인 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 모터(40)는 압축기(21)와 터빈(22)의 사이에 배치된 전기 모터인 것을 특징으로 하는 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 모터(40)의 스테이터(44)는 스테이터 권선(45)과 함께 터보차저의 샤프트(23)의 둘레에 배치되어 있고, 샤프트는 모터(40)의 로터의 일부분으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 압축기(21)에 있어서의 샤프트(23)의 마운팅은 가스 또는 공기 윤활 레이디얼 베어링(25)을 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 터빈(22)에 있어서의 샤프트(23)의 마운팅은 가스 또는 공기 윤활 레이디얼 베어링(26)을 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 샤프트(23)는, 샤프트(23)에 의해 형성되거나 샤프트(23)에 부착되는 스러스트 링(31)을 통하여 액시얼 스러스트 베어링(30) 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  7. 제6항에 있어서, 액시얼 스러스트 베어링(30)의 스러스트 링은, 압축기(21)의 압축기 휠의 직경보다 약간 크거나 같은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 액시얼 스러스트 베어링(30)은 샤프트(23) 상에서 축방향으로 중심을 벗어나 압축기 측에 또는 터빈 측에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 샤프트(23)는 축방향으로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 장치(1)의 용도로서, 연료 셀 시스템의 일부분인 연료 셀(10)에 공기를 제공하기 위해 사용되며, 상기 연료 셀 시스템을 통해 소비자에게 전기 구동 전력이, 바람직하게는 100 > ㎾ 범위의 전력이 제공되는 것인 장치(1)의 용도.
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