WO2010022827A1 - Luftversorgungseinheit für eine brennstoffzelle - Google Patents

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WO2010022827A1
WO2010022827A1 PCT/EP2009/005351 EP2009005351W WO2010022827A1 WO 2010022827 A1 WO2010022827 A1 WO 2010022827A1 EP 2009005351 W EP2009005351 W EP 2009005351W WO 2010022827 A1 WO2010022827 A1 WO 2010022827A1
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air supply
turbine
supply unit
rotor
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Inventor
Manfred Stute
Siegfried Sumser
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Daimler Ag
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    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an air supply unit for a fuel cell, which comprises a compressor, an electric drive unit for driving the compressor and a turbine.
  • the compressor has a compressor wheel
  • the electric drive unit comprises a housing and a rotatably mounted in the housing by means of a bearing unit rotor and the turbine includes a turbine wheel.
  • the compressor wheel, the rotor and the turbine wheel are rotatably connected to each other.
  • the air supply unit comprises a turbocharger with a compressor and a turbine, which are arranged on a common shaft. Between the compressor and the turbine, an electric drive unit is arranged, so that the compressor is driven by both the turbine and the electric drive unit.
  • An object of the present invention is to provide a particularly efficient air supply unit of the type mentioned for a fuel cell.
  • the compressor, the rotor, the turbine and the bearing unit are designed such that a rotational characteristic value defined as follows:
  • V 7 . Speed characteristic of the turbine
  • D KR speed characteristic of the storage unit
  • v Ry speed characteristic of the rotor at the nominal point of the air supply unit within a specified range.
  • the nominal point of the air supply unit is defined as the operating point at which the air supply unit supplies a nominal power, for example a maximum power.
  • the speed characteristic of the compressor is the peripheral diameter at the largest diameter of the compressor wheel, the speed characteristic of the turbine as the peripheral diameter at the largest diameter of the turbine wheel, the speed characteristic of the bearing unit as product of speed and mean bearing diameter of the bearing unit and / or the speed characteristic of the rotor set as the peripheral speed at the largest diameter of the rotor.
  • the rotational characteristic value at the nominal point of the air supply unit lies within a range of 0.05 to 2.
  • the characteristic values required for calculating the rotational characteristic value are preferably determined in a uniform unit, for example in m / s that the rotational index is a dimensionless size.
  • the rotational characteristic over the entire operating range is within a range of 0.05 to 2. inclusive. At standstill of the air supply unit, the rotational characteristic would be indefinite, but it can be determined here by a limit value.
  • An air supply unit that is designed according to the rotational characteristic is characterized by a balanced compromise between the development goals aerodynamic design of the compressor or the compressor stages and the turbine, centrifugal force of the rotor and functionality and life requirements of the storage unit.
  • a person skilled in the art is given an opportunity to evaluate designs of the air supply unit already at an early development stage with regard to various development target variables.
  • Advantageous embodiments of the invention are illustrated in the drawings and described below. In this case, the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination of features, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
  • 1 shows a drive system with a fuel cell and an air supply unit according to the invention
  • 2 shows an air supply unit according to the invention
  • Fig. 3 is a schematic representation of a design range of
  • a drive system 1 for a motor vehicle.
  • the drive system 1 comprises a fuel cell 2, to which air can be supplied via an inlet system 3.
  • the oxygen contained in the air serves as an oxidizing agent for the fuel cell 2 via an exhaust system 4, the air from the fuel cell 2 can be diverted.
  • the fuel cell 2 is further supplied via a fuel supply line 6 and a fuel valve 7, a fuel in the form of hydrogen. Hydrogen and oxygen react with each other in the fuel cell 2, wherein chemical energy is converted into electrical energy or an electric current is generated.
  • the electric current generated in the fuel cell 2 can be supplied via power lines 8 to an electrical storage unit in the form of a rechargeable battery 9. From the accumulator 9, an electric motor 10 can be fed to which on a drive shaft 1 1, a torque, for example, to drive a motor vehicle, not shown, can be removed.
  • the exhaust system 4 comprises a device for exhaust gas aftertreatment 13, which is designed, for example, as a drainage device.
  • the drive system according to FIG. 1 has a bypass line 28, which is arranged parallel to the fuel cell 2 and in which a combustion chamber 29 is arranged, which is arranged via a Feed line 30 fuel from the tank 5 can be fed.
  • the supply line 30 comprises a second fuel valve 31, with the aid of which a fuel mass flow through the supply line 30 is adjustable.
  • a mass flow distribution of the air between the supply line to the fuel cell 2 and the bypass line 28 is adjustable by means of a control valve 32 (so-called Umblasemengendostechnik).
  • the inlet system comprises an air supply unit 14, which will be explained in more detail below, for increasing the pressure, and a heat exchanger 15 for cooling the supplied air.
  • a control system 19 is connected via electrical lines 20 to the fuel valve 7, the control valve 32, the second fuel valve 31 and the electric drive motor 17.
  • the control system 19 makes it possible to control the fuel valve 7, the control valve 32, the second fuel valve 31 and the electric drive motor 17 as a function of operating parameters of the drive system and / or of the motor vehicle.
  • the air supply unit 14 is designed as an electric turbocharger and comprises a compressor 16, of which only one compressor wheel 21 is shown in FIG. 2, a turbine 27, of which only one turbine wheel 33 is shown in FIG. 2, and a drive motor 17 with one Stator 22, a rotor 23 and a housing 24.
  • the compressor 16 is configured in this embodiment with an internal compressor spiral and with radial Axialdiffusoren.
  • the stator 22 of the drive motor 17 is fixed in the housing 24, and the rotor 23 is movably supported in the housing 24 via a bearing unit having a hybrid bearing 25.
  • Rotor 23, compressor wheel 21 and turbine wheel 33 are rotatably connected to each other, so that the compressor 21 can be driven via the drive motor 17 formed from the rotor 23, stator 22 and housing 24 and via the turbine wheel 33.
  • the storage unit is designed as an air bearing.
  • the air emerging from the fuel cell 2 can relax.
  • the turbine is a mechanical work can be removed, which in turn serves to drive the compressor 16 via the shaft 18.
  • the turbine 27 allows a partial recovery of the electrically applied compressor power in the order of up to a quarter.
  • the turbine 27 is configured as a variable expansion turbine and has a variable guide grid element (not shown in the figures). As a result, a back pressure flap can be omitted. Without a narrowest line cross-section in the Leitgitter- element or in the back pressure damper there is a risk that the compressor is operated in the compressor map near the Stopfalia, which would adversely affect the pressure increase and the mass flow rate.
  • the turbine is configured as a double-flow turbine, in particular as a twin-flow turbine.
  • the air supply unit 14 is designed such that the rotational characteristic RoK: 'D 1
  • Rotor and a mean bearing diameter Dm of the first and second ball bearings, measured in m / s, and v RV peripheral speed at a maximum circumference uR of the rotor, measured in m / s, and in the nominal point of the air supply unit in a range between 0 inclusive, 05 and 2.0 inclusive.
  • uR maximum circumference of the rotor
  • the compressor, the electric drive unit and optionally the turbine of the air supply unit 14 are designed such that the rotational characteristic value in the entire operating range is between 0.05 and 2.0.
  • a limit value analysis is to be carried out.
  • the rotational characteristic should be particular even in the specified range even at minimum power and maximum power of the air supply unit and / or the fuel cell.
  • a design range of the air supply unit 14 is shown schematically.
  • the compressor, the turbine and the electric drive unit of the air supply unit are designed such that the peripheral speed at the largest diameter of the compressor v v , the peripheral speed at the largest diameter of the turbine v ⁇ , the speed characteristic D KR and the peripheral speed at the largest diameter of the rotor v RV are in each operating point of the air supply unit and / or the fuel cell between the respective limits at maximum power and minimum power.
  • the rotational characteristic value is between 0.05 and 2.
  • means for increasing the temperature of the air are provided in the exhaust system of the fuel cell, for example in the form of a post-combustion system for combustion of a further fuel fraction.
  • the turbine is subjected to significantly warmer air, typically in a temperature range between 600 0 C and 1050 0 C.
  • the air supply unit is preferably designed such that the rotational characteristic in the entire operating range both in a mode without afterburning as is also within a range of 0.05 to and including 2 in a post-combustion system.
  • the values for the peripheral speeds of the compressor wheel, the turbine wheel and the rotor as well as for the rotational speed characteristic are in accordance with FIG. 3 within the limits given by the maximum power and the minimum power.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungseinheit (14) für eine Brennstoffzelle (2), die einen Verdichter (16), eine elektrische Antriebseinheit (17) zum Antrieb des Verdichters (16) und eine Turbine (27) umfasst, wobei der Verdichter (16) ein Verdichterrad (21) aufweist und wobei die elektrische Antriebseinheit (17) ein Gehäuse (24) und einen in dem Gehäuse (24) mittels einer Lagereinheit (25) drehbar gelagerten Rotor (23) aufweist und wobei die Turbine (27) ein Turbinenrad (33) umfasst und wobei das Verdichterrad (21), der Rotor (23) und das Turbinenrad (33) drehfest miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß sind der Verdichter (16), der Rotor (23), die Turbine (27) und die Lagereinheit (25) derart ausgelegt, dass ein wie folgt definierter Rotationskennwert RoK of formula (I) mit vv = Geschwindigkeitskennwert des Verdichters; vT = Geschwindigkeitskennwert der Turbine; DKR = Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit und VRV = Geschwindigkeitskennwert des Rotors im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit (14) in einem festgelegten Bereich liegt.

Description

Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelle, die einen Verdichter, eine elektrische Antriebseinheit zum Antrieb des Verdichters und eine Turbine umfasst. Der Verdichter weist ein Verdichterrad auf, die elektrische Antriebseinheit umfasst ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse mittels einer Lagereinheit drehbar gelagerten Rotor und die Turbine beinhaltet ein Turbinenrad. Das Verdichterrad, der Rotor und das Turbinenrad sind drehfest miteinander verbunden.
Aus der DE 10 2007 011 681 A1 ist eine Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelle bekannt. Die Luftversorgungseinheit umfasst dabei einen Turbolader mit einem Verdichter und einer Turbine, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Zwischen dem Verdichter und der Turbine ist eine elektrische Antriebseinheit angeordnet, so dass der Verdichter sowohl von der Turbine als auch von der elektrischen Antriebseinheit angetrieben ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine besonders effiziente Luftversorgungseinheit der eingangs genannten Art für eine Brennstoffzelle bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Luftversorgungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß sind der Verdichter, der Rotor, die Turbine und die Lagereinheit derart ausgelegt, dass ein wie folgt definierter Rotationskennwert:
vτ vRV mit vv = Geschwindigkeitskennwert des Verdichters;
V7. = Geschwindigkeitskennwert der Turbine; DKR = Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit und vRy = Geschwindigkeitskennwert des Rotors im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit in einem festgelegten Bereich liegt. Der Nennpunkt der Luftversorgungseinheit ist dabei als der Betriebspunkt definiert, an dem die Luftversorgungseinheit eine Nennleistung, beispielsweise eine Maximalleistung, liefert. Durch die Verknüpfung der Geschwindigkeitskennwerte des Verdichters, der Turbine, der Lagereinheit und des Rotors lässt sich ein ausgewogener Kompromiss zwischen den Entwicklungszielgrößen aerodynamische Auslegung des Verdichters und der Turbine, Fliehkraftbeanspruchung des Rotors und Funktionsfähigkeit und Lebensdauerforderungen der Lagereinheit erzielen.
In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind der Geschwindigkeitskennwert des Verdichters als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Verdichterrads, der Geschwindigkeitskennwert der Turbine als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Turbinenrads, der Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit als Produkt aus Drehzahl und mittlerem Lagerdurchmesser der Lagereinheit und/oder der Geschwindigkeitskennwert des Rotors als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Rotors festgelegt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt der Rotationskennwert im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit innerhalb eines Bereichs von einschließlich 0,05 bis einschließlich 2. Die zur Berechnung des Rotationskennwerts erforderlichen Kennwerte werden dabei bevorzugt in einer einheitlichen Einheit, zum Beispiel in m/s, ermittelt, so dass der Rotationskennwert eine dimensionslose Größe ist. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt der Rotationskennwert im gesamten Betriebsbereich innerhalb eines Bereichs von einschließlich 0,05 bis einschließlich 2. Im Stillstand der Luftversorgungseinheit wäre der Rotationskennwert unbestimmt, er kann hier jedoch über eine Grenzwertbetrachtung ermittelt werden. Eine Luftversorgungseinheit, die entsprechend dem Rotationskennwert ausgelegt ist, zeichnet sich durch einen ausgewogenen Kompromiss zwischen den Entwicklungszielgrößen aerodynamische Auslegung des Verdichters oder der Verdichterstufen und der Turbine, Fliehkraftbeanspruchung des Rotors und Funktionsfähigkeit und Lebensdauerforderungen der Lagereinheit aus. Mit dem Rotationskennwert ist einem Fachmann darüber hinaus eine Möglichkeit an die Hand gegeben, Entwürfe der Luftversorgungseinheit bereits in einem frühen Entwicklungsstadium hinsichtlich verschiedener Entwicklungszielgrößen zu bewerten. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Antriebssystems mit einer Brennstoffzelle und einer erfindungsgemäßen Luftversorgungseinheit; Fig. 2 eine erfindungsgemäße Luftversorgungseinheit und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Auslegungsbereichs der
Luftversorgungseinheit.
In Fig. 1 ist ein Antriebssystem 1 für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Das Antriebssystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, der Luft über ein Einlasssystem 3 zuführbar ist. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff dient als Oxidationsmittel für die Brennstoffzelle 2. Über ein Auslasssystem 4 ist die Luft aus der Brennstoffzelle 2 ausleitbar.
Aus einem Tank 5 ist der Brennstoffzelle 2 ferner über eine Brennstoffzuleitung 6 und ein Brennstoffventil 7 ein Brennstoff in Form von Wasserstoff zuführbar. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in der Brennstoffzelle 2 miteinander, wobei chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt beziehungsweise ein elektrischer Strom erzeugt wird.
Der in der Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Strom ist über Stromleitungen 8 einer elektrischen Speichereinheit in Form eines Akkumulators 9 zuführbar. Aus dem Akkumulator 9 lässt sich ein elektrischer Motor 10 speisen, dem an einer Antriebswelle 1 1 ein Drehmoment beispielsweise zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs entnehmbar ist.
Nach Durchströmen der Brennstoffzelle 2 ist die Luft über ein Auslasssystem 4 aus der Brennstoffzelle 2 ausleitbar. Das Auslasssystem 4 umfasst eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung 13, die beispielsweise als Entwässerungseinrichtung ausgestaltet ist.
Das Antriebssystem gemäß Fig. 1 weist eine parallel zur Brennstoffzelle 2 angeordnete Bypassleitung 28 auf, in der eine Brennkammer 29 angeordnet ist, der über eine Zuleitung 30 Brennstoff aus dem Tank 5 zuführbar ist. Die Zuleitung 30 umfasst ein zweites Brennstoffventil 31 , mit dessen Hilfe ein Brennstoffmassenstrom durch die Zuleitung 30 regulierbar ist. Eine Massenstromverteilung der Luft zwischen der Zuleitung zu der Brennstoffzelle 2 und der Bypassleitung 28 ist mittels eines Regelventils 32 einstellbar (so genannte Umblasemengendosierung).
Über das Einlasssystem 3 ist der Brennstoffzelle 2 Luft zuführbar. Das Einlasssystem umfasst eine nachfolgend noch näher erläuterte Luftversorgungseinheit 14 zur Druckerhöhung und einen Wärmetauscher 15 zur Kühlung der zugeführten Luft.
Ein Regelsystem 19 ist über elektrische Leitungen 20 mit dem Brennstoffventil 7, dem Regelventil 32, dem zweiten Brennstoffventil 31 und dem elektrischen Antriebsmotor 17 verbunden. Das Regelsystem 19 ermöglicht es, das Brennstoffventil 7, das Regelventil 32, das zweite Brennstoffventil 31 sowie den elektrischen Antriebsmotor 17 in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Antriebssystems und/oder des Kraftfahrzeugs zu regeln.
In Fig. 2 ist eine Luftversorgungseinheit 14 detaillierter dargestellt. Die Luftversorgungseinheit 14 ist als elektrischer Turbolader ausgeführt und umfasst einen Verdichter 16, von dem in Fig. 2 nur ein Verdichterrad 21 dargestellt ist, eine Turbine 27, von der in Fig. 2 nur ein Turbinenrad 33 gezeigt ist, sowie einen Antriebsmotor 17 mit einem Stator 22, einem Rotor 23 und einem Gehäuse 24. Der Verdichter 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer innen liegenden Verdichterspirale und mit Radial- Axialdiffusoren ausgestaltet. Der Stator 22 des Antriebsmotors 17 ist in dem Gehäuse 24 fixiert und der Rotor 23 ist über eine Lagereinheit mit einem Hybridlager 25 in dem Gehäuse 24 beweglich gelagert. Rotor 23, Verdichterrad 21 und Turbinenrad 33 sind drehfest miteinander verbunden, so dass das Verdichterrad 21 über den aus Rotor 23, Stator 22 und Gehäuse 24 gebildeten Antriebsmotor 17 sowie über das Turbinenrad 33 antreibbar ist. In einem modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lagereinheit als Luftlager ausgeführt.
In der Turbine lässt sich die aus der Brennstoffzelle 2 austretende Luft entspannen. Der Turbine ist eine mechanische Arbeit entnehmbar, die wiederum zum Antrieb des Verdichters 16 über die Welle 18 dient. Die Turbine 27 ermöglicht eine Teilrückgewinnung der elektrisch aufgebrachten Verdichterleistung in einer Größenordnung von bis zu einem Viertel. Die Turbine 27 ist als variable Expansionsturbine ausgestaltet und weist ein variables Leitgitter-Element auf (in den Figuren nicht dargestellt). Dadurch kann eine Gegendruckklappe entfallen. Ohne einen engsten Leitungsquerschnitt in dem Leitgitter- Element oder in der Gegendruckklappe bestünde die Gefahr, dass der Verdichter im Verdichterkennfeld in der Nähe der Stopfgrenze betrieben wird, was sich nachteilig auf die Druckerhöhung und auf den Massendurchsatz auswirken würde. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist die Turbine als zweiflutige Turbine, insbesondere als Zwillingsstromturbine, ausgestaltet.
Die Luftversorgungseinheit 14 ist erfindungsgemäß derart ausgelegt, dass der Rotationskennwert RoK: ' D1
RoK = 'KR
VRV mit den folgenden Größen belegt ist: vv = Umfangsgeschwindigkeit an einem größten Umfang uV des Verdichterrads 21 , gemessen in m/s; vr = Umfangsgeschwindigkeit an einem größten Umfang uT des Turbinenrads 33, gemessen in m/s; DKR = Drehzahlkennwert der Lagereinheit, gebildet aus dem Produkt einer Drehzahl des
Rotors und eines mittleren Lagerdurchmessers Dm des ersten und des zweiten Kugellagers, gemessen in m/s, und vRV = Umfangsgeschwindigkeit an einem größten Umfang uR des Rotors, gemessen in m/s, und im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit in einem Bereich zwischen einschließlich 0,05 und einschließlich 2,0 liegt. In diesem Fall ist ein optimaler Kompromiss zwischen den Auslegungsgrößen aerodynamische Auslegung des Verdichters und der Turbine, Fliehkraftbeanspruchung des Rotors und Funktionsfähigkeit und Lebensdauerforderungen der Lagereinheit gegeben.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind der Verdichter, die elektrische Antriebseinheit und gegebenenfalls die Turbine der Luftversorgungseinheit 14 derart ausgeführt, dass der Rotationskennwert im gesamten Betriebsbereich zwischen 0,05 und 2,0 beträgt. Zur Festlegung des Rotationskennwerts bei Stillstand der Luftversorgungseinheit 14 ist dabei eine Grenzwertbetrachtung durchzuführen. Der Rotationskennwert sollte insbesondere auch bei Minimalleistung und bei Maximalleistung der Luftversorgungseinheit und/oder der Brennstoffzelle in dem genannten Bereich liegen.
In Fig. 3 ist ein Auslegungsbereich der Luftversorgungseinheit 14 schematisch dargestellt. Der Verdichter, die Turbine und die elektrische Antriebseinheit der Luftversorgungseinheit sind dabei derart ausgelegt, dass die Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Verdichterrads vv, die Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Turbinenrads vτ, der Drehzahlkennwert DKR und die Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Rotors vRV in jedem Betriebspunkt der Luftversorgungseinheit und/oder der Brennstoffzelle zwischen den jeweiligen Grenzwerten bei Maximalleistung und bei Minimalleistung liegen. Zwischen den die Maximalleistung und die Minimalleistung kennzeichnenden Kurven in Fig. 5 ist somit ein optimaler Auslegungsbereich für die Luftversorgungseinheit aufgespannt, in dem der Rotationskennwert Werte zwischen 0,05 und 2 einnimmt.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind im Auslasssystem der Brennstoffzelle Mittel zur Temperaturerhöhung der Luft vorgesehen, zum Beispiel in Form eines Nachbrennsystems zur Verbrennung eines weiteren Brennstoffanteils. Auf diese Weise wird die Turbine mit deutlich wärmerer Luft beaufschlagt, typischerweise in einem Temperaturbereich zwischen 600 0C und 1050 0C. Gemäß Fig. 3 ist die Luftversorgungseinheit dabei bevorzugt derart ausgelegt, dass der Rotationskennwert im gesamten Betriebsbereich sowohl bei einem Betrieb ohne Nachbrennsystem als auch bei einem Betrieb mit Nachbrennsystem innerhalb eines Bereichs von einschließlich 0,05 bis einschließlich 2 liegt. Die Werte für die Umfangsgeschwindigkeiten des Verdichterrads, des Turbinenrads und des Rotors sowie für den Drehzahlkennwert liegen dabei gemäß Fig. 3 innerhalb der durch die Maximalleistung und die Minimalleistung gegebenen Grenzen.

Claims

Patentansprüche
1. Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelle, die einen Verdichter, eine elektrische Antriebseinheit zum Antrieb des Verdichters und eine Turbine umfasst, wobei der Verdichter ein Verdichterrad aufweist und wobei die elektrische Antriebseinheit ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse mittels einer Lagereinheit drehbar gelagerten Rotor aufweist und wobei die Turbine ein Turbinenrad umfasst und wobei das Verdichterrad, der Rotor und das Turbinenrad drehfest miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (16), der Rotor (23), die Turbine (27) und die Lagereinheit (25) derart ausgelegt sind, dass ein wie folgt definierter Rotationskennwert RoK: v * £>,
RoK = 'KR
V RV mit vv = Geschwindigkeitskennwert des Verdichters;
V7. = Geschwindigkeitskennwert der Turbine;
DKR = Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit und vRV = Geschwindigkeitskennwert des Rotors im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit (14) in einem festgelegten Bereich liegt.
2. Luftversorgungseinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitskennwert des Verdichters (vv ) als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser (uV) des Verdichterrads (21 ) festgelegt ist.
3. Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitskennwert der Turbine ( vτ ) als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Turbinenrads definiert ist.
4. Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit (DKR ) als Produkt aus Drehzahl und mittlerem Lagerdurchmesser (Dm) der Lagereinheit (25) festgelegt ist.
5. Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitskennwert des Rotors ( vRV ) als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser (uR) des Rotors (23) festgelegt ist.
6. Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskennwert im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit (14) innerhalb eines Bereichs von 0,05 < RoK ≤ 2 liegt.
7. Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskennwert im gesamten Betriebsbereich der Luftversorgungseinheit (14) innerhalb eines Bereichs von 0,05 < RoK < 2 liegt.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012223012A1 (de) 2012-12-13 2014-06-18 Robert Bosch Gmbh Lagervorrichtung, Turbolader
DE102012223001A1 (de) 2012-12-13 2014-06-18 Robert Bosch Gmbh Lagerhülse, Lagervorrichtung, Turbolader, Verfahren
DE102012223008A1 (de) 2012-12-13 2014-06-18 Robert Bosch Gmbh Lagervorrichtung, Turbolader
DE102017212825A1 (de) 2017-07-26 2019-01-31 Robert Bosch Gmbh Turbomaschine, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem
DE102017212821A1 (de) 2017-07-26 2019-01-31 Robert Bosch Gmbh Turbomaschine, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem
DE102017212819A1 (de) 2017-07-26 2019-01-31 Robert Bosch Gmbh Turbomaschine, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem
DE102017212815A1 (de) 2017-07-26 2019-01-31 Robert Bosch Gmbh Turbomaschine, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem
DE102018201162A1 (de) 2018-01-25 2019-07-25 Robert Bosch Gmbh Turbomaschine, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem
DE102018204653A1 (de) * 2018-03-27 2019-10-02 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem und dessen Verwendung

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060024178A1 (en) * 2004-07-30 2006-02-02 Samsung Techwin Co., Ltd. Turbo generator and fuel cell system having the same
EP1770811A2 (de) * 2005-09-29 2007-04-04 JTEKT Corporation Brennstoffzellensystem mit gekoppelten Verdichter und Turbine
DE102007011681A1 (de) * 2007-03-09 2008-04-10 Daimler Ag Verfahren zum Betrieb einer Luftversorgungseinheit für Brennstoffzellen in einem Kraftfahrzeug

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060024178A1 (en) * 2004-07-30 2006-02-02 Samsung Techwin Co., Ltd. Turbo generator and fuel cell system having the same
EP1770811A2 (de) * 2005-09-29 2007-04-04 JTEKT Corporation Brennstoffzellensystem mit gekoppelten Verdichter und Turbine
DE102007011681A1 (de) * 2007-03-09 2008-04-10 Daimler Ag Verfahren zum Betrieb einer Luftversorgungseinheit für Brennstoffzellen in einem Kraftfahrzeug

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