WO2021018455A1 - Luftzuführvorrichtung - Google Patents

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WO2021018455A1
WO2021018455A1 PCT/EP2020/066066 EP2020066066W WO2021018455A1 WO 2021018455 A1 WO2021018455 A1 WO 2021018455A1 EP 2020066066 W EP2020066066 W EP 2020066066W WO 2021018455 A1 WO2021018455 A1 WO 2021018455A1
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WO
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impeller
shaft
air supply
supply device
clamping
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PCT/EP2020/066066
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Inventor
Jochen Wessner
Martin Katz
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • F04D29/266—Rotors specially for elastic fluids mounting compressor rotors on shafts
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    • F16D1/095—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end with clamping hub; with hub and longitudinal key with radial clamping due to axial loading of at least one pair of conical surfaces using one or more elastic segmented conical rings forming at least one of the conical surfaces, the rings being expanded or contracted to effect clamping with clamping effected by ring contraction only
    • F16D1/096—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end with clamping hub; with hub and longitudinal key with radial clamping due to axial loading of at least one pair of conical surfaces using one or more elastic segmented conical rings forming at least one of the conical surfaces, the rings being expanded or contracted to effect clamping with clamping effected by ring contraction only the ring or rings being located between the shaft and the hub
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an air supply device for a fuel cell, with at least one impeller which is fastened to a shaft with the aid of an axial tensioning device.
  • Shaft bearing sections and the magnet section are braced against each other via a tie rod.
  • the object of the invention is to functionally improve an air supply device for a fuel cell, with at least one impeller which is fastened to a shaft with the aid of an axial tensioning device.
  • the object is achieved in that the axial clamping device comprises at least one clamping element with a clamping surface which is connected to a counter surface on the Impeller cooperates in order to brace the impeller radially.
  • the air supply device is preferably a compressor with a housing in which an impeller is rotatably mounted about an axis of rotation.
  • the impeller is driven, for example with the aid of an electric motor, in order to compress air supplied on the front of the impeller with the aid of suitable blades. Therefore the compressor is also referred to as an air compressor or air compressor.
  • a fuel cell system preferably comprises a plurality of fuel cells, each of which comprises an anode and a cathode.
  • the air supplied with the aid of the air supply device contains oxygen as an oxidizing agent, which is supplied to a cathode of the fuel cell.
  • the fuel used is preferably hydrogen, which is stored, for example, in a pressurized gas reservoir and fed to an anode of the fuel cell.
  • the impeller is rotatably mounted about an axis of rotation.
  • the axis of rotation of the impeller defines an axial direction to which the term axial refers in relation to the tensioning device.
  • Axial means in the direction or parallel to the axis of rotation of the impeller.
  • Analog means radial transverse to the axis of rotation of the impeller.
  • the radial pressure can be used to optimize the fixation of the impeller on the shaft. Therefore, an undesired influence of different coefficients of thermal expansion can be reduced particularly advantageously.
  • the impeller is made of an aluminum material, for example.
  • the shaft is made of a steel material, for example.
  • Press fit is optimized by using the impeller as a tensioning element that interacts with the aforementioned tensioning element.
  • a preferred embodiment of the air supply device is characterized in that the impeller comprises a conical clamping section which represents the counter surface on the impeller.
  • the radial bracing is particularly advantageous through a direct interaction between the impeller and the impeller.
  • Tensioning element and the impeller causes. This simplifies the manufacture and assembly of the air supply device.
  • Another preferred embodiment of the air supply device is characterized by a flow-optimized flow surface of the shaft, the tensioning element, a fixing element and / or the impeller.
  • the axial clamping device comprises a fixing device with which the clamping element can be fixed in the axial direction in the impeller, in the shaft or on the shaft.
  • the fixing device can comprise a separate fixing element.
  • the separate fixing element can be fixed by pressing in the impeller, in the shaft or on the shaft.
  • the separate fixing element can also be fixed in the impeller, in the shaft or on the shaft with the aid of a screw connection.
  • the fixing device can also be integrated into the clamping element.
  • the clamping element comprises a central through hole with which the clamping element is guided in the axial direction on a guide section of the shaft.
  • the central through hole in the tensioning element is designed, for example, as an inner bore.
  • the shaft has a stop surface for the impeller in the axial direction.
  • the stop surface is designed as an annular surface, for example.
  • the stop surface can be provided on a shaft shoulder of the shaft which delimits the guide section of the shaft.
  • the But stop surface can also be radially outside a central one
  • the stop surface is the
  • the tensioning element is arranged with one end in a central receiving space of the shaft.
  • the central receiving space of the shaft is designed, for example, as a shaft recess in a shaft end facing the impeller.
  • this exemplary embodiment provides the advantage that the clamping element can be used at the same time to fix the clamping element in the shaft.
  • the clamping element has a fixing section with which the clamping element can be fixed in the central receiving space of the shaft.
  • the clamping element with the fixing section can be screwed or pressed into the central receiving space of the shaft.
  • the invention also relates, if appropriate, to a method for assembling, in particular fastening, an impeller on a shaft in advance
  • the invention also relates to a tensioning element, a shaft and / or an impeller for an air supply device described above.
  • the parts mentioned can be traded separately.
  • the invention optionally also relates to a fuel cell system with an air supply device described above.
  • FIGS. 1 to 3 show three exemplary embodiments of an air supply device designed as an air compressor for a fuel cell with an impeller which is fastened on a shaft with the aid of a central tensioning device, in a schematic longitudinal section;
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a fuel cell system with an air supply device which is designed as an air compressor.
  • a fuel cell system 1 is shown schematically in FIG.
  • Fuel cell systems are known per se, for example from the German patent application DE 10 2012 224 052 A1.
  • the fuel cell system 1 comprises a fuel cell 3, which is only indicated by a dashed rectangle.
  • the fuel cell 3 comprises at least one stack 2, which is shown as a replacement with a valve symbol.
  • An air mass flow is indicated by an arrow 4, which is fed to the fuel cell 3 via an air feed device 5 designed as an air compressor.
  • An arrow 6 indicates a compressed air mass flow 6, from which a cooling air mass flow 7 is branched off.
  • the cooling air mass flow 7 is also only indicated by an arrow and is part of a cooling air path 19 via which cooling air is supplied to the air compressor 5.
  • the cooling air supplied via the cooling air path 19 is used, for example, to cool air bearings with which a shaft of the air compressor 5 is rotatably mounted.
  • the cooling air mass flow 7 represents a loss in the compressed air mass flow 6, since the branched cooling air mass flow 7 is no longer available in the stack 2 of the fuel cell 3.
  • cooling air mass flow 7 is provided via the air compressor 5 for internal cooling, energy, in particular electrical energy, is necessary to generate it. This energy has a negative effect on the overall efficiency an electric drive machine of a motor vehicle, which is driven via the fuel cell system 1.
  • the remaining air mass flow 6 is fed to the fuel cell 3 via an air feed line 8.
  • the fuel cell 3 is a galvanic cell, the chemical reaction energy via a not shown
  • Fuel supply line converts supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy.
  • the oxidizing agent is the air via the air supply line 8 of the
  • Fuel cell 3 is supplied.
  • the fuel can preferably be hydrogen or methane or methanol. Correspondingly arises as exhaust gas
  • the exhaust is in the form of a
  • Exhaust gas mass flow 10 is discharged via an exhaust line 9, as indicated by an arrow 10.
  • the exhaust gas mass flow 10 becomes one via an exhaust gas turbine 11
  • Exhaust outlet 12 discharged, which is indicated by an arrow.
  • Air compressor 5 is arranged in air supply line 8.
  • the exhaust gas turbine 11 is arranged in the exhaust gas line 9.
  • the air compressor 5 and the exhaust gas turbine 11 are mechanically connected via a shaft.
  • the shaft can be driven electrically by an electric motor 14.
  • the exhaust gas turbine 11 is used to support the electric motor 14 in driving the
  • Air compressor 5 The air compressor 5, the exhaust gas turbine 11, the shaft and the electric motor 14 together form a turbo compressor 15, which is also referred to as a turbo machine.
  • the fuel cell system 1 further includes a bypass line 13 in which a bypass valve 16 is arranged. Via the bypass line 13 with the bypass valve 16, a bypass air mass flow 17 for reducing the pressure can be discharged from the air supply line 8, bypassing the stack 2 of the fuel cell 3, into the exhaust gas line 9. This is advantageous, for example, in order to bring about a pressure reduction in the air mass flow supplied to the fuel cell 3 via the air supply line 8.
  • the fuel cell system 1 also includes an intercooler 18, which is indicated by a dashed rectangle. The intercooler 18 is used to cool the compressed air mass flow 6 before the
  • Cooling air mass flow 7 is branched off via the cooling air path 19.
  • the fuel cell system 1 is equipped with a control 20, with which the branched cooling air mass flow 7 to the cooling air requirement of the
  • Turbo compressor 15 is regulated. By regulating the
  • FIGS. 1 to 3 three exemplary embodiments of the air supply device, denoted by 5 in FIG. 4 and designed as an air compressor, are shown schematically in longitudinal section.
  • the same reference numerals are used in FIGS. 1 to 3 to denote the same or similar parts.
  • the air compressor 5 shown schematically in various exemplary embodiments in FIGS. 1 to 3, comprises a housing 28 in which an impeller 30 with a shaft 40 is rotatably mounted, as indicated in FIGS. 1 to 3 by an arrow 29.
  • the impeller 30 is with the help of an axial
  • Clamping device 50 attached to shaft 40.
  • the axial tensioning device 50 uses the impeller 30 together with a tensioning element 51 to optimize the interference fit.
  • the impeller 30 is radially tensioned or pressed with the axial tensioning device 50. In this way, the influence of different coefficients of thermal expansion of materials from which the impeller 30 and the shaft 40 are formed can be reduced.
  • the impeller 30 comprises a conical clamping section 31.
  • the conical clamping section 31 of the impeller 30 acts with a likewise conical
  • the conical clamping section 31 of the impeller 30 represents a counter surface 54 for the clamping surface 53 of the clamping element 51.
  • the tensioning element 51 in FIGS. 1 to 3 is shifted to the right in the impeller 30.
  • the impeller 30 is supported in the axial direction on a stop surface 49 which is provided on the shaft 40.
  • the impeller 30 comprises for receiving the
  • Clamping element 51 a clamping receptacle 35.
  • the clamping receptacle 35 is particularly advantageous in the impeller 30 as a central through hole with a constant change course
  • the inner diameter of the impeller is designed without any jumps in the inner diameter. Due to the steady or continuous change in the
  • the inner diameter of the impeller in the clamping receptacle 35 prevents an undesirable notch effect in the impeller or on the impeller 30.
  • the shaft comprises a fixing section 42 and a guide section 44 at a shaft end on the left in FIGS. 1 and 2.
  • the clamping element 51 is on the guide section 44 when an axial clamping force is applied
  • a fixing element 52 of a fixing device 58 is located in the fixing section 42
  • the left end of the shaft 40 in FIGS. 1 and 2 has a stop surface 49 for the impeller 30 to illustrate
  • Shaft shoulder 46 on. To the left of the shaft shoulder 46, the shaft 40 has a smaller outer diameter than to the right of the shaft shoulder 46.
  • the fixing element 52 is provided with an internal thread and on the
  • the conical design or wedge shape of the tensioning element 51 leads to a radial tension in the impeller 30, which generates the necessary pretensioning force in the frictional contact between the impeller 30 and the tensioning element 51.
  • the torque transmission between shaft 40 and clamping element 51 is implemented in the same way.
  • Aluminum material is formed has little or no influence on the radial pressure with the axial tensioning device 50, since the axial length of the impeller 30 is not in the force flow of the fixation via the radial tension or pressure.
  • the fixing element 52 is screwed with an external thread into a complementary internal thread of the impeller 30.
  • the impeller 30 is pulled onto the tensioning element 51, so that the stop surface 49 on the shaft 40 may be omitted.
  • an axial position of the impeller 30 on the shaft 40 can be realized with a suitable assembly tool.
  • the clamping element 51 is designed as a combined clamping and fixing element 55.
  • the combined tensioning and fixing element 55 is pressed with a fixing section 56 into a central receiving space 48, which acts as a shaft recess 48 in the
  • the central receiving space 48 is designed as a blind hole in the shaft end of the shaft 40 shown in FIG.
  • the tensioning element 51 which is designed as a combined tensioning and fixing element 55, has the shape of a straight circular cylinder.
  • the tensioning element 51 or tensioning and fixing element 55 has a head 59.
  • the conical clamping surface 53 is formed between the head 59 and the fixing section 56.
  • an inflow surface 60 of the air compressor 5 can be optimized in terms of flow.
  • a flow surface area 61 on a hemispherical head 59 of the tensioning element 51 is optimized in terms of flow in FIG.
  • FIGS. 1 and 2 corresponding
  • Inflow surface areas 62, 63 on the fixing element 52 and on the shaft 40 can also be optimized in terms of flow.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftzuführvorrichtung (5) für eine Brennstoffzelle (3), mit mindestens einem Laufrad (30), das mit Hilfe einer axialen Spanneinrichtung (50) auf einer Welle (40) befestigt ist. Um die Luftzuführvorrichtung (5) funktionell zu verbessern, umfasst die axiale Spanneinrichtung (50) mindestens ein Spannelement (51) mit einer Spannfläche (53), die mit einer Gegenfläche (54) am Laufrad (30) zusammenwirkt, um das Laufrad (30) radial zu verspannen.

Description

Beschreibung
Titel
Luftzuführvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einem Laufrad, das mit Hilfe einer axialen Spanneinrichtung an einer Welle befestigt ist.
Stand der Technik
Aus dem amerikanischen Patent US 10,069,154 B2 ist eine Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle bekannt, mit einer Welle; mit einem Verdichterrad, das in einem Verdichtergehäuse angeordnet ist und das in einem Ende der Welle befestigt ist, wobei die Welle zwei als separate Bauteile ausgebildete
Wellenlagerabschnitte und einen zwischen den Wellenlagerabschnitten angeordneten, ein separates Bauteil bildenden und einen einen Rotor eines Elektromotors bildenden Magnetabschnitt aufweist, wobei die
Wellenlagerabschnitte und der Magnetabschnitt über einen Zuganker gegeneinander verspannt sind.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einem Laufrad, das mit Hilfe einer axialen Spanneinrichtung an einer Welle befestigt ist, funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einer Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einem Laufrad, das mit Hilfe einer axialen Spanneinrichtung an einer Welle befestigt ist, dadurch gelöst, dass die axiale Spanneinrichtung mindestens ein Spannelement mit einer Spannfläche umfasst, die mit einer Gegenfläche am Laufrad zusammenwirkt, um das Laufrad radial zu verspannen. Bei der
Luftzuführvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen Verdichter mit einem Gehäuse, in welchem ein Laufrad um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Das Laufrad wird, zum Beispiel mit Hilfe eines Elektromotors, angetrieben, um mit Hilfe einer geeigneten Beschaufelung auf einer Laufradvorderseite zugeführte Luft zu verdichten. Daher wird der Verdichter auch als Luftverdichter oder Luftkompressor bezeichnet. Ein Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise mehrere Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode und eine Kathode umfassen.
Die mit Hilfe der Luftzuführeinrichtung zugeführte Luft enthält Sauerstoff als Oxidationsmittel, das einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird. Als Brennstoff wird vorzugsweise Wasserstoff verwendet, der zum Beispiel in einem Druckgasspeicher gespeichert und einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird. Das Laufrad ist um eine Drehachse drehbar gelagert. Die Drehachse des Laufrads definiert eine axiale Richtung, auf die sich der Begriff axial in Bezug auf die Spanneinrichtung bezieht. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse des Laufrads. Analog bedeutet radial quer zur Drehachse des Laufrads. Durch die radiale Pressung kann die Fixierung des Laufrads an der Welle optimiert werden. Daher kann besonders vorteilhaft ein unerwünschter Einfluss von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten reduziert werden. Das Laufrad ist zum Beispiel aus einem Aluminiummaterial gebildet. Die Welle ist zum Beispiel aus einem Stahlmaterial gebildet. Der radiale
Pressverband wird durch Verwendung des Laufrads als ein Spannelement, das mit dem vorab genannten Spannelement zusammenwirkt, optimiert.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad einen konischen Spannabschnitt umfasst, der die Gegenfläche am Laufrad darstellt. Das radiale Verspannen wird besonders vorteilhaft durch ein unmittelbares Zusammenwirken zwischen dem
Spannelement und dem Laufrad bewirkt. Dadurch werden die Herstellung und die Montage der Luftzuführvorrichtung vereinfacht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad eine Spannaufnahme mit einem stetigen Änderungsverlauf eines Laufradinnendurchmessers ohne
Innendurchmessersprünge aufweist. Durch den stetigen oder kontinuierlichen Änderungsverlauf des Laufradinnendurchmessers werden vorteilhaft
unerwünschte Kerben am Laufrad vermieden. Dadurch können die Lebensdauer und die Festigkeit des Laufrads im Betrieb der Luftzuführvorrichtung verlängert beziehungsweise erhöht werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist durch eine strömungsoptimierte Anströmfläche der Welle, des Spannelements, eines Fixierelements und/oder des Laufrads gekennzeichnet. Dadurch können unerwünschte Strömungsverluste im Betrieb der Luftzuführvorrichtung minimiert werden, wodurch wiederum der Wirkungsgrad eines mit einer Brennstoffzelle und der Luftzuführvorrichtung ausgestatteten Brennstoffzellensystems erhöht wird.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Spanneinrichtung eine Fixiereinrichtung umfasst, mit der das Spannelement in axialer Richtung in dem Laufrad, in der Welle oder auf der Welle fixierbar ist. Die Fixiereinrichtung kann ein separates Fixierelement umfassen. Das separate Fixierelement kann durch eine Pressung in dem Laufrad, in der Welle oder auf der Welle fixiert werden. Das separate Fixierelement kann aber auch mit Hilfe einer Verschraubung in dem Laufrad, in der Welle oder auf der Welle fixiert werden. Die Fixiereinrichtung kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel auch in das Spannelement integriert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement ein zentrales Durchgangsloch umfasst, mit dem das Spannelement auf einem Führungsabschnitt der Welle in axialer Richtung geführt ist. Das zentrale Durchgangsloch in dem Spannelement ist zum Beispiel als Innenbohrung ausgeführt. Durch die Führung des
Spannelements auf der Welle wird die Montage des Spannelements vereinfacht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Welle eine Anschlagfläche für das Laufrad in axialer Richtung aufweist. Die Anschlagfläche ist zum Beispiel als Ringfläche ausgeführt. Die Anschlagfläche kann an einem Wellenabsatz der Welle vorgesehen sein, der den Führungsabschnitt der Welle begrenzt. Die Anschlagfläche kann aber auch radial außerhalb einer zentralen
Wellenausnehmung angeordnet sein. Durch die Anschlagfläche wird die
Montage des Laufrads vereinfacht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement mit einem Ende in einem zentralen Aufnahmeraum der Welle angeordnet ist. Der zentrale Aufnahmeraum der Welle ist zum Beispiel als Wellenausnehmung in einem dem Laufrad zugewandten Wellenende ausgeführt. Dieses Ausführungsbeispiel liefert unter anderem den Vorteil, dass das Spannelement gleichzeitig zum Fixieren des Spannelements in der Welle verwendet werden kann.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement einen Fixierabschnitt aufweist, mit dem das Spannelement in dem zentralen Aufnahmeraum der Welle fixierbar ist. Zur Fixierung kann das Spannelement mit dem Fixierabschnitt in den zentralen Aufnahmeraum der Welle eingeschraubt oder eingepresst werden.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Montieren, insbesondere Befestigen, eines Laufrads an einer Welle einer vorab
beschriebenen Luftzuführvorrichtung.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Spannelement, eine Welle und/oder ein Laufrad für eine vorab beschriebene Luftzuführvorrichtung. Die genannten Teile sind separat handelbar.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Brennstoffzellensystem mit einer vorab beschriebenen Luftzuführvorrichtung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Es zeigen:
Die Figuren 1 bis 3 zeigen drei Ausführungsbeispiele einer als Luftverdichter ausgeführten Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle mit einem Laufrad, das mit Hilfe einer zentralen Spanneinrichtung auf einer Welle befestigt ist, in einer schematischen Längsschnittdarstellung; und
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Luftzuführvorrichtung, die als Luftverdichter ausgeführt ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 4 ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch dargestellt.
Brennstoffzellensysteme an sich sind bekannt, zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 224 052 Al. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, die nur durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Die Brennstoffzelle 3 umfasst mindestens einen Stack 2, der ersatzweise mit einem Ventilsymbol dargestellt ist.
Durch einen Pfeil 4 ist ein Luftmassenstrom angedeutet, der über eine als Luftverdichter ausgeführte Luftzuführvorrichtung 5 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 6 ist ein verdichteter Luftmassenstrom 6 angedeutet, von dem ein Kühlluftmassenstrom 7 abgezweigt wird. Der Kühlluftmassenstrom 7 ist ebenfalls nur durch einen Pfeil angedeutet und ist Teil eines Kühlluftpfades 19, über welchen dem Luftverdichter 5 Kühlluft zugeführt wird.
Die über den Kühlluftpfad 19 zugeführte Kühlluft dient zum Beispiel zur Kühlung von Luftlagern, mit denen eine Welle des Luftverdichters 5 drehbar gelagert ist. Der Kühlluftmassenstrom 7 stellt einen Verlust im verdichteten Luftmassenstrom 6 dar, da der abgezweigte Kühlluftmassenstrom 7 nicht mehr im Stack 2 der Brennstoffzelle 3 verfügbar ist.
Da der Kühlluftmassenstrom 7 über den Luftverdichter 5 zur internen Kühlung bereitgestellt wird, ist Energie, insbesondere elektrische Energie, notwendig, um ihn zu erzeugen. Diese Energie wirkt sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs aus, das über das Brennstoffzellensystem 1 angetrieben wird.
Der verbleibende Luftmassenstrom 6 wird über eine Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Die Brennstoffzelle 3 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über eine nicht gezeigte
Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt.
Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über die Luftzuführleitung 8 der
Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas
Wasserdampf und Kohlendioxid. Das Abgas wird in Form eines
Abgasmassenstroms 10 über eine Abgasleitung 9 abgeführt, wie durch einen Pfeil 10 angedeutet ist.
Der Abgasmassenstrom 10 wird über eine Abgasturbine 11 zu einem
Abgasaustritt 12 abgeführt, der durch einen Pfeil angedeutet ist. Der
Luftverdichter 5 ist in der Luftzuführleitung 8 angeordnet. Die Abgasturbine 11 ist in der Abgasleitung 9 angeordnet. Der Luftverdichter 5 und die Abgasturbine 11 sind über eine Welle mechanisch verbunden.
Die Welle ist durch einen Elektromotor 14 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 11 dient der Unterstützung des Elektromotors 14 beim Antreiben des
Luftverdichters 5. Der Luftverdichter 5, die Abgasturbine 11, die Welle und der Elektromotor 14 bilden zusammen einen Turboverdichter 15, der auch als Turbomaschine bezeichnet wird.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren eine Bypassleitung 13, in der ein Bypassventil 16 angeordnet ist. Über die Bypassleitung 13 mit dem Bypassventil 16 kann ein Bypassluftmassenstrom 17 zur Druckabsenkung von der Luftzuführleitung 8 unter Umgehung des Stacks 2 der Brennstoffzelle 3 in die Abgasleitung 9 abgeführt werden. Das ist zum Beispiel vorteilhaft, um eine Druckabsenkung in dem über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführten Luftmassenstrom zu bewirken. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren einen Zwischenkühler 18, der durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Der Zwischenkühler 18 dient dazu, den verdichteten Luftmassenstrom 6 zu kühlen, bevor der
Kühlluftmassenstrom 7 über den Kühlluftpfad 19 abgezweigt wird.
Das Brennstoffzellensystem 1 ist mit einer Regelung 20 ausgestattet, mit welcher der abgezweigte Kühlluftmassenstrom 7 auf den Kühlluftbedarf des
Turboverdichters 15 geregelt wird. Durch die Regelung des
Kühlluftmassenstroms 7 auf den Bedarf des Turboverdichters 15, der auch als Turbomaschine oder verkürzt als Maschine bezeichnet wird, kann der abgezweigte Kühlluftmassenstrom 7 gering gehalten werden. Dadurch wiederum kann der Wirkungsgrad eines Kraftfahrzeugs, dessen Antriebsmaschine über das Brennstoffzellensystem 1 angetrieben wird, gesteigert werden.
In den Figuren 1 bis 3 sind drei Ausführungsbeispiele der in Figur 4 mit 5 bezeichneten und als Luftverdichter ausgeführten Luftzuführvorrichtung schematisch im Längsschnitt dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den Figuren 1 bis 3 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zunächst werden die Gemeinsamkeiten der drei
Ausführungsbeispiele beschrieben. Danach wird auf die Unterschiede zwischen den drei Ausführungsbeispielen eingegangen.
Der in den Figuren 1 bis 3 in verschiedenen Ausführungsbeispielen schematisch dargestellte Luftverdichter 5 umfasst ein Gehäuse 28, in welchem ein Laufrad 30 mit einer Welle 40 drehbar gelagert ist, wie in den Figuren 1 bis 3 durch einen Pfeil 29 angedeutet ist. Das Laufrad 30 ist mit Hilfe einer axialen
Spanneinrichtung 50 an der Welle 40 befestigt. Die axiale Spanneinrichtung 50 verwendet zur Optimierung des Pressverbandes das Laufrad 30 zusammen mit einem Spannelement 51.
Im Unterschied zu herkömmlichen axialen Spanneinrichtungen ist das Laufrad 30 mit der axialen Spanneinrichtung 50 radial verspannt oder verpresst. So kann der Einfluss von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Materialien reduziert werden, aus denen das Laufrad 30 und die Welle 40 gebildet sind. Zur Realisierung der radialen Verspannung beziehungsweise Verpressung umfasst das Laufrad 30 einen konischen Spannabschnitt 31. Der konische Spannabschnitt 31 des Laufrads 30 wirkt mit einer ebenfalls konischen
Spannfläche 53 des Spannelements 51 der axialen Spanneinrichtung 50 zusammen. Dabei stellt der konische Spannabschnitt 31 des Laufrads 30 eine Gegenfläche 54 für die Spannfläche 53 des Spannelements 51 dar.
Bei einer Aktivierung der axialen Spanneinrichtung 50 wird das Spannelement 51 in den Figuren 1 bis 3 in dem Laufrad 30 nach rechts verschoben. Dabei stützt sich das Laufrad 30 in axialer Richtung an einer Anschlagfläche 49 ab, die an der Welle 40 vorgesehen ist. Das Laufrad 30 umfasst zur Aufnahme des
Spannelements 51 eine Spannaufnahme 35.
Die Spannaufnahme 35 ist in dem Laufrad 30 besonders vorteilhaft als zentrales Durchgangsloch mit einem stetigen Änderungsverlauf eines
Laufradinnendurchmessers ohne Innendurchmessersprünge ausgeführt. Durch den stetigen oder kontinuierlichen Änderungsverlauf des
Laufradinnendurchmessers in der Spannaufnahme 35 wird eine unerwünschte Kerbwirkung im Laufrad oder am Laufrad 30 vermieden.
Bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst die Welle an einem in den Figuren 1 und 2 linken Wellenende einen Fixierabschnitt 42 und einen Führungsabschnitt 44. Auf dem Führungsabschnitt 44 ist das Spannelement 51 beim Aufbringen einer axialen Spannkraft auf das
Spannelement 51 geführt.
In dem Fixierabschnitt 42 ist bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ein Fixierelement 52 einer Fixiereinrichtung 58
angeordnet, die dazu dient, das verspannte Spannelement 51 im verspannten Zustand zu fixieren. Das in den Figuren 1 und 2 linke Wellenende der Welle 40 weist zur Darstellung der Anschlagfläche 49 für das Laufrad 30 einen
Wellenabsatz 46 auf. Links von dem Wellenabsatz 46 hat die Welle 40 einen kleineren Außendurchmesser als rechts von dem Wellenabsatz 46. Das Fixierelement 52 ist mit einem Innengewinde versehen und auf das
Wellenende aufgeschraubt. Beim Aufschrauben des Fixierelements 52 stützt sich das Laufrad 30 an dem Absatz 46 der Welle 40 ab. Dadurch wird das Laufrad 30 an einer axialen Verschiebung verhindert.
Die konische Gestaltung oder Keilform des Spannelements 51 führt zu einer radialen Spannung im Laufrad 30, welche die notwendige Vorspannkraft im Reibkontakt zwischen Laufrad 30 und Spannelement 51 erzeugt. In gleicher Weise wird die Momentenübertragung zwischen Welle 40 und Spannelement 51 verwirklicht.
Der Einfluss der unterschiedlichen Wärmedehnungen wird minimiert, da der Durchmesser des Spannelements 51 beziehungsweise des Laufrads 30 sich aufgrund der relativ kleinen Dimensionen nur wenig ändert. Eine
Längenänderung des Laufrads 30, das zum Beispiel aus einem
Aluminiummaterial gebildet ist, hat keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die radiale Pressung mit der axialen Spanneinrichtung 50, da die axiale Länge des Laufrads 30 nicht im Kraftfluss der Fixierung über die radiale Verspannung oder Pressung liegt.
Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Fixierelement 52 mit einem Außengewinde in ein komplementäres Innengewinde des Laufrads 30 eingeschraubt. Je nach Ausführung wird das Laufrad 30 auf das Spannelement 51 gezogen, so dass die Anschlagfläche 49 an der Welle 40 gegebenenfalls entfallen kann. Wenn das Fixierelement 52 auf das Wellenende aufgepresst wird, dann kann eine axiale Position des Laufrads 30 auf der Welle 40 mit einem geeigneten Montagewerkzeug realisiert werden.
Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Spannelement 51 als kombiniertes Spann- und Fixierelement 55 ausgeführt. Das kombinierte Spann- und Fixierelement 55 ist mit einem Fixierabschnitt 56 in einen zentralen Aufnahmeraum 48 eingepresst, der als Wellenausnehmung 48 in dem
Wellenende der Welle 40 ausgeführt ist. Der zentrale Aufnahmeraum 48 ist als Sackloch in dem in Figur 3 dargestellten Wellenende der Welle 40 ausgeführt. In dem Fixierabschnitt 56 hat das Spannelement 51, das als kombinierte Spann- und Fixierelement 55 ausgeführt ist, die Gestalt eines geraden Kreiszylinders. An seinem in Figur 3 linken Ende weist das Spannelement 51 beziehungsweise Spann- und Fixierelement 55 einen Kopf 59 auf. Zwischen dem Kopf 59 und dem Fixierabschnitt 56 ist die konische Spannfläche 53 ausgebildet.
In Figur 3 ist darüber hinaus angedeutet, dass eine Anströmfläche 60 des Luftverdichters 5 strömungstechnisch optimiert sein kann. Zu diesem Zweck ist in Figur 3 ein Anströmflächenbereich 61 an einen halbkugelförmigen Kopf 59 des Spannelements 51 strömungstechnisch optimiert. Alternativ oder zusätzlich können, wie in den Figuren 1 und 2 angedeutet ist, entsprechende
Anströmflächenbereiche 62, 63 an dem Fixierelement 52 und an der Welle 40 ebenfalls strömungstechnisch optimiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Luftzuführvorrichtung (5) für eine Brennstoffzelle (3), mit mindestens einem Laufrad (30), das mit Hilfe einer axialen Spanneinrichtung (50) auf einer Welle (40) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale
Spanneinrichtung (50) mindestens ein Spannelement (51) mit einer
Spannfläche (53) umfasst, die mit einer Gegenfläche (54) am Laufrad (30) zusammenwirkt, um das Laufrad (30) radial zu verspannen.
2. Luftzuführvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (30) einen konischen Spannabschnitt (31) umfasst, der die
Gegenfläche (54) am Laufrad (30) darstellt.
3. Luftzuführvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (30) eine Spannaufnahme (35) mit einem stetigen Änderungsverlauf eines Laufradinnendurchmessers ohne
Innendurchmessersprünge aufweist.
4. Luftzuführvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine strömungsoptimierte Anströmfläche (60) der Welle (40), des Spannelements (51), eines Fixierelements (52) und/oder des Laufrads (30).
5. Luftzuführvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Spanneinrichtung (50) eine
Fixiereinrichtung (58) umfasst, mit der das Spannelement (51) in axialer Richtung in dem Laufrad (30), in der Welle (40) oder auf der Welle (40) fixierbar ist.
6. Luftzuführvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (51) ein zentrales Durchgangsloch (57) umfasst, mit dem das Spannelement (51) auf einem Führungsabschnitt (44) der Welle (40) in axialer Richtung geführt ist.
7. Luftzuführvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (40) eine Anschlagfläche (49) für das Laufrad (30) in axialer Richtung aufweist.
8. Luftzuführvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (51) mit einem Ende in einem zentralen Aufnahmeraum (48) der Welle (40) angeordnet ist.
9. Luftzuführvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (51) einen Fixierabschnitt (56) aufweist, mit dem das
Spannelement (51) in dem zentralen Aufnahmeraum (48) der Welle (40) fixierbar ist.
10. Spannelement (51), Welle (40) und/oder Laufrad (30) für eine
Luftzuführvorrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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