WO2010022828A1

WO2010022828A1 - Luftversorgungseinheit für eine brennstoffzelle

Info

Publication number: WO2010022828A1
Application number: PCT/EP2009/005352
Authority: WO
Inventors: Manfred Stute; Siegfried Sumser
Original assignee: Daimler Ag
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2010-03-04
Also published as: DE102008044878A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungseinheit (14) für eine Brennstoffzelle (2), die einen Verdichter (16) und eine elektrische Antriebseinheit (17) zum Antrieb des Verdichters (16) umfasst, wobei der Verdichter (16) ein erstes 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 das Verdichterrad (21) und der Rotor (23) drehfest miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß sind der Verdichter (16), der Rotor (23) und die Lagereinheit (25) derart ausgelegt, dass ein wie folgt definierter Rotationskennwert mit v_v = Geschwindigkeitskennwert des Verdichters, gemessen in m/s; v_r = 250 m/s; D_KR = Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit, gemessen in m/s, und v_RV = Geschwindigkeitskennwert des Rotors, gemessen in m/s, 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 und.eine elektrische Antriebseinheit zum Antrieb des Verdichters umfasst. Der Verdichter weist ein Verdichterrad auf und die elektrische Antriebseinheit umfasst ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse mittels einer Lagereinheit drehbar gelagerten Rotor Das Verdichterrad und der Rotor 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 und die Lagereinheit derart ausgelegt, dass ein wie folgt definierter Rotationskennwert:

v_τ * v_RV mit v_v = Geschwindigkeitskennwert des Verdichters, gemessen in m/s;

V_Γ = 250 m/s;

D_KR = Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit, gemessen in m/s, und v_RV = Geschwindigkeitskennwert des Rotors, gemessen in m/s, 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 von Geschwindigkeitskennwerten des Verdichters, des Rotors und der Lagereinheit lässt sich ein ausgewogener Kompromiss zwischen den Entwicklungszielgrößen aerodynamische Auslegung des Verdichters, Fliehkraftbeanspruchung des Rotors und Funktionsfähigkeit und Lebensdauerforderungen der Lagereinheit erzielen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Geschwindigkeitskennwert des Verdichters als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Verdichterrads festgelegt. In einer weiteren Ausgestaltung ist der Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit als Produkt aus Drehzahl und mittlerem Lagerdurchmesser der Lagereinheit definiert. In wiederum einer weiteren Ausgestaltung ist der Geschwindigkeitskennwert des Rotors als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser des Rotors festgelegt. Die Geschwindigkeitskennwerte sind dabei in der Einheit m/s definiert.

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 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, 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 Merkmals- kombination, 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 und Fig. 2 eine erfindungsgemäße 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 beinhaltet eine Gegendruckklappe 12, mittels derer ein Strömungswiderstand und damit ein Gegendruck in der Brennstoffzelle 2 regelbar ist. Außerdem umfasst das Auslasssystem 4 eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung 13, die beispielsweise als Entwässerungseinrichtung ausgestaltet ist.

Über das Einlasssystem 3 ist der Brennstoffzelle 2 Luft zuführbar. Das Einlasssystem umfasst eine Luftversorgungseinheit 14 zur Druckerhöhung und einen Wärmetauscher 15 zur Kühlung der zugeführten Luft. Die Luftversorgungseinheit 14 ist elektrisch antreibbar ausgeführt und umfasst einen Verdichter 16, der mit einer elektrischen Antriebseinheit in Form eines Antriebsmotors 17 über eine Welle 18 verbunden ist. Die Luftversorgungseinheit 14 wird nachfolgend anhand von Fig. 2 noch näher erläutert.

Ein Regelsystem 19 ist über elektrische Leitungen 20 mit dem Brennstoffventil 7, der Gegendruckklappe 12 und dem elektrischen Antriebsmotor 17 verbunden. Das Regelsystem 19 ermöglicht es, das Brennstoffventil 7, die Gegendruckklappe 12 sowie den elektrischen Antriebsmotor 17 in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Antriebssystems und/oder des Kraftfahrzeugs zu regeln.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Luftversorgungseinheit 14 detaillierter dargestellt. Die Luftversorgungseinheit 14 umfasst einen Verdichter 16, von dem in Fig. 2 nur ein Verdichterrad 21 dargestellt ist, sowie einen Antriebsmotor 17 mit einem Stator 22, einem Rotor 23 und einem Gehäuse 24. Der Stator 22 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 und Verdichterrad 21 sind drehfest miteinander verbunden, so dass das Verdichterrad 21 über den aus Rotor 23, Stator 22 und Gehäuse 24 gebildeten Antriebsmotor 17 antreibbar ist. Der Verdichter 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer innen liegenden Verdichterspirale und mit Radial- Axialdiffusoren ausgestaltet.

In einem modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lagereinheit als Luftlager ausgeführt.

Die Luftversorgungseinheit 14 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel derart ausgelegt, dass ein wie folgt definierter Rotationskennwert RoK: - D₁

RoK = 'KR

Vj. V_Ry mit den folgenden Größen belegt ist: v_v = Umfangsgeschwindigkeit an einem größten Umfang uV des Verdichterrads 21 , gemessen in m/s; V₇, = 250 m/s; D_KR = 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 v_RV = 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 16, Fliehkraftbeanspruchung des Rotors 23 und Funktionsfähigkeit und Lebensdauerforderungen der Lagereinheit 25 gegeben.

Claims

Patentansprüche

1. Luftversorgungseinheit für eine Brennstoffzelle, die einen Verdichter und eine elektrische Antriebseinheit zum Antrieb des Verdichters 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 das Verdichterrad und der Rotor drehfest miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (16), der Rotor (23) und die Lagereinheit (25) derart ausgelegt sind, dass ein wie folgt definierter Rotationskennwert RoK: v * £>,

RoK = 'KR

V-r * V RV mit v_v = Geschwindigkeitskennwert des Verdichters, gemessen in m/s; v_r = 250 m/s;

D_KR = Geschwindigkeitskennwert der Lagereinheit, gemessen in m/s, und v_RV = Geschwindigkeitskennwert des Rotors, gemessen in m/s, im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit (14) in einem festgelegten Bereich liegt.

2. Luftversorgungseinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitskennwert des Verdichters (v_y ) 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 Lagereinheit (D_KR ) als Produkt aus Drehzahl und mittlerem Lagerdurchmesser (Dm) der Lagereinheit (25) festgelegt ist.

4. Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitskennwert des Rotors ( v_RV ) als Umfangsgeschwindigkeit am größten Durchmesser (uR) des Rotors (23) festgelegt ist.

5. Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskennwert im Nennpunkt der Luftversorgungseinheit (14) innerhalb eines Bereichs von 0,05 < RoK < 2 liegt.

6. Luftversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskennwert im gesamten Betriebsbereich der Luftversorgungseinheit (14) innerhalb eines Bereichs von 0,05 < RoK ≤ 2 liegt.