WO2022012866A1 - Verfahren zum betreiben einer rotierenden arbeitsmaschine, rotierende arbeits-maschine sowie brennstoffzellensystem mit rotierender arbeitsmaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer rotierenden arbeitsmaschine, rotierende arbeits-maschine sowie brennstoffzellensystem mit rotierender arbeitsmaschine Download PDF

Info

Publication number
WO2022012866A1
WO2022012866A1 PCT/EP2021/066744 EP2021066744W WO2022012866A1 WO 2022012866 A1 WO2022012866 A1 WO 2022012866A1 EP 2021066744 W EP2021066744 W EP 2021066744W WO 2022012866 A1 WO2022012866 A1 WO 2022012866A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
working machine
cooling
air
path
throttle
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/066744
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helerson Kemmer
Kai Weeber
Original Assignee
Robert Bosch 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 Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2022012866A1 publication Critical patent/WO2022012866A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • F01D25/125—Cooling of bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/18—Lubricating arrangements
    • F01D25/22—Lubricating arrangements using working-fluid or other gaseous fluid as lubricant
    • 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
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/50—Bearings
    • 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
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/232—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium
    • 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 invention relates to a method for operating a rotating work machine according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a rotating work machine and a fuel cell system with a rotating work machine according to the invention.
  • Fuel cell systems require oxygen, which reacts with hydrogen in a fuel cell of the system to form water or water vapor. In this way, electrical power is generated by electrochemical conversion, which can be used as drive energy, for example to drive a vehicle.
  • Ambient air which is supplied to the fuel cell by means of an air compression system, is usually used as the source of oxygen, since the process requires a specific air mass flow and a specific pressure level.
  • the air compression system usually includes a high-speed compressor as a rotating work machine with at least one compressor wheel arranged on a shaft, which is driven by an electric motor. For energy recovery, a turbine wheel can be arranged on the shaft, which is fed from flowing moist air.
  • Compressors which are used to supply air to fuel cell systems, usually have film air bearings to keep the system free of oil. Foil air bearings, however, generate air friction losses and are therefore cooled using additional air. For this purpose, around 5 to 10% of the compressed air is usually diverted for cooling. This diverted amount of air is then no longer available for the process in the fuel cell and sets thus reducing the efficiency of the compressor. In order for the compressed air that has been branched off, which can reach temperatures of up to 200°C, to be able to provide any cooling capacity at all, it is itself cooled beforehand, preferably to a temperature below 120°C. For this purpose, the cooling air is usually diverted behind a charge air cooler of the fuel cell system. The additional cooling requirement must be taken into account when designing the charge air cooler. In addition, an additional line must be provided, by means of which the cooling air can be fed to the compressor.
  • the object of the present invention is to optimize the cooling of a rotating working machine, in particular a compressor, such that the working machine can be operated more efficiently.
  • At least one bearing of the rotating working machine is cooled with air which has previously been compressed using the rotating Ar working machine.
  • a partial flow of the previously compressed air is diverted into a cooling path for cooling the La gers, cooled with the aid of a throttle integrated in the cooling path and supplied to the bearing.
  • the invention makes use of the Joule-Thomson effect, which is known from thermodynamics.
  • This describes a temperature change of a gas with an isenthalpic pressure reduction.
  • the direction of the temperature change and its magnitude are determined by the forces between the gas molecules, which can be attractive or repulsive. becomes a gas such as air, relaxes, it cools.
  • the relaxation is achieved with the aid of a throttle integrated in the cooling path.
  • the method can thus be implemented in a comparatively simple and cost-effective manner.
  • the cooling of the branched compressed air achieved via the Joule-Thomson effect improves the cooling performance, so that the air mass flow required for cooling the bearing can be reduced. This means that a smaller partial flow of the air previously compressed with the help of the working machine has to be branched off. As a result, the efficiency of the working machine can be increased.
  • the charge air cooler can be relieved using the proposed method. This is because the partial flow intended for storage cooling is branched off upstream of the intercooler and is no longer fed to the intercooler.
  • the intercooler can therefore be made smaller.
  • line lengths can be saved since the compressed air that has been branched off can be routed directly downstream of the working machine to the bearing that is to be cooled.
  • an additional line for forming the cooling path can be dispensed with entirely if the cooling path, including the throttle, is integrated into the working machine.
  • the throttle integrated in the cooling path can have a fixed or variable throttle cross section.
  • a throttle with a variable throttle cross-section is used to cool the branched-off partial flow.
  • the throttle cross-section is adjustable and can therefore be adapted to the air mass flow that is passed through it.
  • the cooling path for cooling at least one additional bearing and/or one additional component is divided into a plurality of cooling paths.
  • the multiple bearings can be, for example, at least one radial bearing and/or at least one axial bearing of the rotating work machine.
  • the possibly further compo nent to be cooled can be, for example, a turbine wheel on a common Shaft is arranged with a compressor wheel of the rotating machine. In this way, the efficiency of the proposed cooling concept can be increased.
  • the division of the cooling path into several cooling paths preferably takes place downstream of the throttle. That is, the branched air is first cooled and then distributed to the multiple cooling paths. In this way, only one throttle needs to be provided.
  • the rotating work machine also proposed to solve the task mentioned at the outset comprises at least one air-cooled bearing, in particular an air bearing.
  • the bearing can be supplied with cooling air via a cooling path with an integrated throttle.
  • the rotating working machine can in particular be a compressor, for example a compressor arranged in an air supply path of a fuel cell system.
  • the proposed rotating working machine has all the components necessary for carrying out the method according to the invention described above. This means that the same advantages can be achieved with the proposed work machine.
  • the air mass flow required for bearing cooling can be reduced, so that the efficiency of the rotating work machine increases.
  • the compressed air required for cooling the bearing does not first have to be fed to an intercooler or another cooling device, since the cooling of the compressed air can be effected according to the invention with the aid of the throttle.
  • the cooling path via which cooling air is supplied to the bearing of the rotating working machine, preferably branches off from an air supply path in which the rotating working machine is arranged.
  • the line paths can thus be kept short. If necessary, an additional line for forming the cooling path can be dispensed with entirely if the cooling path branches off from the air supply path while still inside the rotating working machine.
  • the air supply path is preferably a cathode path of a fuel cell system. In this case, the increase in efficiency of the rotating work machine can be used to increase the efficiency of the fuel cell system.
  • the throttle integrated in the cooling path can have a fixed or variable throttle cross section.
  • the throttle integrated into the cooling path preferably has a variable throttle cross section, so that it can be adjusted and adapted to the respective air mass flow that is routed via the throttle. The cooling of the air can thus be influenced via the throttle cross section.
  • the cooling path including the throttle, be integrated into a housing of the working machine. This means that the cooling path does not require any additional line. All the necessary connections and components are integrated into the rotating work machine so that it is independent of the rest of the system circuitry. This makes it easy to retrofit existing systems, in particular existing fuel cell systems, since no changes need to be made to the system itself.
  • the cooling path is divided into a plurality of cooling paths, preferably downstream of the throttle.
  • the cooling path downstream of the throttle has the advantage that the air is first cooled with the aid of one throttle and then distributed over the multiple cooling paths.
  • the proposed rotating work machine can be used in particular for air compression in a fuel cell system
  • a fuel cell system with a rotating work machine according to the invention is also proposed or a compressor is proposed.
  • the working machine is arranged in an air supply path, in particular a cathode path, of the fuel cell system and the cooling path branches off from the air supply path.
  • the branch can be outside or inside the rotating working machine.
  • the cooling path, including the throttle can be integrated into a housing of the working machine. This has the advantage that no additional line is required to form the cooling path. Accordingly, no special requirements are placed on the system interconnection of the fuel cell system.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first fuel cell system according to the invention with a rotating machine
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second fuel cell system according to the invention with a rotating working machine.
  • the fuel cell system 5 shown in FIG. 1 has at least one fuel cell with a cathode 7 and an anode 8 .
  • Air is supplied to the cathode 7 as an oxygen supplier via an air supply path 4 or cathode path.
  • the anode 8 is supplied with hydrogen via an anode path 9 .
  • the air is taken from the environment and therefore first passed through an air filter 10 ter.
  • the air is then compressed using a rotating machine 1 termema. In the present case, this is driven by an electric motor.
  • the compressed air then passes via a heat exchanger 11 and a valve 12 to the cathode 7.
  • Cathode exhaust gas escaping from the cathode 7 is discharged via a cathode exhaust gas path 13 and a valve 14.
  • the hydrogen is stored in a tank 15 which can be shut off via a valve 16 .
  • Another heat exchanger 17 is provided in the anode path 9 to control the temperature of the hydrogen.
  • a pressure regulator 18 is arranged in the anode path 9 for pressure regulation.
  • Anode exhaust gas exiting the anode 8 is recirculated since it still contains unused hydrogen.
  • the recirculation takes place via a recirculation path 19 in which a recirculation fan 20 is arranged for active recirculation.
  • the recirculated anode off-gas is mixed with fresh hydrogen from the tank 15 via a jet pump 21 arranged in the anode path 9 and fed back to the anode 8 .
  • the anode exhaust gas is enriched with water or water vapor and nitrogen during operation of the fuel cell system 1, the anode area is purged from time to time.
  • a flushing valve 22 is opened.
  • water in liquid form is separated by a water separator 23 and collected in a water tank 24.
  • a drain valve 25 can be opened.
  • heat is also generated during the electrochemical conversion of hydrogen and oxygen into electrical energy, the at least one fuel cell is cooled by a cooling device 26 . In the present case, this is connected to a cooling circuit 27 .
  • the rotating work machine 1 arranged in the air supply path 4 comprises at least one bearing (not shown) for the rotatable mounting of a compressor wheel (not shown) on a shaft 28 .
  • a partial flow of the compressed air is branched off from the air supply path 4 into a cooling path 2 downstream of the working machine 1 .
  • a throttle 3 is integrated to expand the branched-off partial flow. The relaxation causes the air to cool down and can therefore be used for bearing cooling.
  • FIG. 2 shows another fuel cell system 5 as an example. This differs from that of FIG. 1 only in that here the
  • Cooling path 2 including the throttle 3 in a housing 6 of the rotating Ar beitsmaschine 1 are integrated. An additional line for forming the cooling path 2 can thus be omitted.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer rotierenden Arbeitsmaschine (1), insbesondere eines Verdichters, bei dem wenigstens ein Lager der rotierenden Arbeitsmaschine mit Luft gekühlt wird, die zuvor mit Hilfe der rotierenden Arbeitsmaschine (1) verdichtet worden ist. Erfindungsgemäß wird zum Kühlen des Lagers ein Teilstrom der zuvor verdichteten Luft in einen Kühlpfad (2) abgezweigt, mit Hilfe einer in den Kühlpfad (2) integrierten Drossel (3) abgekühlt und dem Lager zugeführt. Die Erfindung betrifft ferner eine rotierende Arbeitsmaschine (1) sowie ein Brennstoffzellensystem (5) mit einer erfindungsgemäßen rotierenden Arbeitsmaschine (1).

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zum Betreiben einer rotierenden Arbeitsmaschine, rotierende Arbeits- maschine sowie Brennstoffzellensystem mit rotierender Arbeitsmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer rotierenden Arbeitsma schine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Er findung eine rotierende Arbeitsmaschine sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen rotierenden Arbeitsmaschine.
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme benötigen Sauerstoff, der in einer Brennstoffzelle des Systems mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf reagiert. Auf diese Wei se wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung erzeugt, die als Antriebsenergie, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, genutzt wer den kann. Als Sauerstoffquelle dient üblicherweise Umgebungsluft, die der Brennstoffzelle mittels eines Luftverdichtungssystems zugeführt wird, da der Pro zess einen bestimmten Luftmassenstrom und ein bestimmtes Druckniveau erfor dert. Das Luftverdichtungssystem umfasst in der Regel einen hochdrehenden Verdichter als rotierende Arbeitsmaschine mit mindestens einem auf einer Welle angeordneten Verdichterrad, das elektromotorisch angetrieben wird. Zur Energie rückgewinnung kann auf der Welle ein Turbinenrad angeordnet sein, dem ab strömende feuchte Luft zugeführt wird.
Verdichter, die der Luftversorgung von Brennstoffzellensysteme dienen, weisen in der Regel Folienluftlager auf, um das System ölfrei zu halten. Folienluftlager erzeugen jedoch Luftreibungsverluste und werden daher mit Hilfe von zusätzli cher Luft gekühlt. Hierzu werden üblicherweise etwa 5 bis 10 % der verdichteten Luft für die Kühlung abgezweigt. Diese abgezweigte Luftmenge steht anschlie ßend für den Prozess in der Brennstoffzelle nicht mehr zur Verfügung und setzt somit den Wirkungsgrad des Verdichters herab. Damit die abgezweigte verdich tete Luft, die Temperaturen bis zu 200°C erreichen kann, überhaupt Kühlleistung erbringen kann, wird sie zuvor selber gekühlt, vorzugsweise auf eine Temperatur unter 120°C. In der Regel wird hierzu die Kühlluft hinter einem Ladeluftkühler des Brennstoffzellensystems abgezweigt. Der zusätzliche Kühlbedarf muss bei der Auslegung des Ladeluftkühlers berücksichtigt werden. Zudem muss eine zusätz liche Leitung vorgesehen werden, mittels welches die Kühlluft dem Verdichter zugeführt werden kann.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorlie genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Kühlung einer rotierenden Arbeits maschine, insbesondere eines Verdichters, dahingehend zu optimieren, dass die Arbeitsmaschine effizienter betrieben werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 1 sowie die rotierende Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des An spruchs 4 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Brennstoff zellensystem mit einer erfindungsgemäßen rotierenden Arbeitsmaschine ange geben.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben einer rotierenden Arbeits maschine, insbesondere eines Verdichters, wird wenigstens ein Lager der rotie renden Arbeitsmaschine mit Luft gekühlt, die zuvor mit Hilfe der rotierenden Ar beitsmaschine verdichtet worden ist. Erfindungsgemäß wird zum Kühlen des La gers ein Teilstrom der zuvor verdichteten Luft in einen Kühlpfad abgezweigt, mit Hilfe einer in den Kühlpfad integrierten Drossel abgekühlt und dem Lager zuge führt.
Die Erfindung macht sich den aus der Thermodynamik bekannten Joule- Thomson- Effekt zunutze. Dieser bezeichnet eine Temperaturänderung eines Ga ses bei einer isenthalpen Druckminderung. Die Richtung der Temperaturände rung und ihr Ausmaß werden durch die zwischen den Gasmolekülen herrschen den Kräfte bestimmt, die anziehend oder abstoßend sein können. Wird ein Gas, wie beispielsweise Luft, entspannt, kühlt es ab. Die Entspannung wird vorliegend mit Hilfe einer in den Kühlpfad integrierten Drossel erzielt. Das Verfahren kann somit vergleichsweise einfach und kostengünstig umgesetzt werden.
Die über den Joule-Thomson- Effekt erzielte Abkühlung der abgezweigten ver dichteten Luft verbessert die Kühlleistung, so dass der für die Lagerkühlung er forderliche Luftmassenstrom gesenkt werden kann. Das heißt, dass ein kleinerer Teilstrom der zuvor mit Hilfe der Arbeitsmaschine verdichteten Luft abgezweigt werden muss. Im Ergebnis kann somit die Effizienz der Arbeitsmaschine gestei gert werden.
Im Falle einer rotierenden Arbeitsmaschine bzw. eines Verdichters in einem Luft versorgungspfad eines Brennstoffzellensystems kann mit Hilfe des vorgeschla genen Verfahrens der Ladeluftkühler entlastet werden. Denn der zur Lagerküh lung vorgesehene Teilstrom wird stromaufwärts des Ladeluftkühlers abgezweigt und nicht mehr dem Ladeluftkühler zugeführt. Der Ladeluftkühler kann demzufol ge kleiner ausgelegt werden. Ferner können Leitungslängen eingespart werden, da die abgezweigte verdichtete Luft direkt stromabwärts der Arbeitsmaschine zum Lager geführt werden kann, das gekühlt werden soll. Alternativ kann auf ei ne zusätzliche Leitung zur Ausbildung des Kühlpfads gänzlich verzichtet werden, wenn der Kühlpfad einschließlich der Drossel in die Arbeitsmaschine integriert werden.
Die in den Kühlpfad integrierte Drossel kann einen festen oder variablen Dros selquerschnitt aufweisen. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zum Abkühlen des abgezweigten Teilstroms eine Drossel mit variablem Drosselquerschnitt verwendet. Der Drosselquerschnitt ist in diesem Fall einstellbar und damit an den hierüber geführten Luftmassenstrom anpass bar.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Kühlpfad zur Küh lung mindestens eines weiteren Lagers und/oder einer weiteren Komponente, in mehrere Kühlpfade aufgeteilt wird. Bei den mehreren Lagern kann es sich bei spielsweise um mindestens ein Radiallager und/oder mindestens ein Axiallager der rotierenden Arbeitsmaschine handeln. Die ggf. weitere zu kühlende Kompo nente kann beispielsweise ein Turbinenrad sein, das auf einer gemeinsamen Welle mit einem Verdichterrad der rotierenden Arbeitsmaschine angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Effizienz des vorgeschlagenen Kühlkonzepts gestei gert werden. Die Aufteilung des Kühlpfads in mehrere Kühlpfade erfolgt vor zugsweise stromabwärts der Drossel. Das heißt, dass die abgezweigte Luft erst abgekühlt und dann auf die mehreren Kühlpfade verteilt wird. Auf diese Weise muss nur eine Drossel vorgesehen werden.
Die darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlage ne rotierende Arbeitsmaschine umfasst wenigstens ein luftgekühltes Lager, ins besondere Luftlager. Erfindungsgemäß ist das Lager über einen Kühlpfad mit in tegrierter Drossel mit Kühlluft versorgbar. Bei der rotierenden Arbeitsmaschine kann es sich insbesondere um einen Verdichter, beispielsweise um einen in ei nem Luftversorgungspfad eines Brennstoffzellensystems angeordneten Verdich ter, handeln.
Die vorgeschlagene rotierende Arbeitsmaschine weist alle zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Komponen ten auf. Das heißt, dass mit der vorgeschlagenen Arbeitsmaschine die gleichen Vorteile erreichbar sind. Insbesondere kann der zur Lagerkühlung benötigte Luftmassenstrom gesenkt werden, so dass die Effizienz der rotierenden Arbeits maschine steigt. Insbesondere muss die zur Lagerkühlung benötigte verdichtete Luft nicht erst einem Ladeluftkühler oder einer anderen Kühleinrichtung zugeführt werden, da die Abkühlung der verdichteten Luft erfindungsgemäß mit Hilfe der Drossel bewirkt werden kann.
Der Kühlpfad, über den dem Lager der rotierenden Arbeitsmaschine Kühlluft zu geführt wird, zweigt vorzugsweise von einem Luftversorgungspfad ab, in dem die rotierende Arbeitsmaschine angeordnet ist. Die Leitungswege könne somit kurz gehalten werden. Ggf. kann auf eine zusätzliche Leitung zur Ausbildung des Kühlpfads gänzlich verzichtet werden, wenn der Kühlpfad noch innerhalb der ro tierenden Arbeitsmaschine von dem Luftversorgungspfad abzweigt. Vorzugswei se handelt es sich bei dem Luftversorgungspfad um einen Kathodenpfad eines Brennstoffzellensystems. Die Effizienzsteigerung der rotierenden Arbeitsmaschi ne kann in diesem Fall dazu genutzt werden, die Effizienz des Brennstoffzellen systems zu steigern. Die in den Kühlpfad integrierte Drossel kann einen festen oder variablen Dros selquerschnitt aufweisen. Bevorzugt weist die in den Kühlpfad integrierte Drossel einen variablen Drosselquerschnitt auf, so dass dieser einstellbar und an den je weiligen Luftmassenstrom anpassbar ist, der über die Drossel geführt wird. Über den Drosselquerschnitt kann somit die Abkühlung der Luft beeinflusst werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Kühlpfad einschließlich der Drossel in ein Gehäuse der Arbeitsmaschine integriert ist. Das heißt, dass der Kühlpfad keine zusätzliche Leitung benötigt. Alle erforderlichen Anschlüsse und Kompo nenten sind in die rotierende Arbeitsmaschine integriert, so dass diese unabhän gig von der übrigen Systemverschaltung ist. Dies ermöglicht ein einfaches Nach rüsten bestehender Systeme, insbesondere bestehender Brennstoffzellensyste me, da am System selbst keine Änderungen vorgenommen werden müssen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung teilt sich der Kühlpfad, vorzugsweise stromabwärts der Drossel, in mehrere Kühlpfade auf. Auf diese Weise können mehrere Lager der rotierenden Arbeitsmaschine und/oder mindes tens eine weitere Komponente mit Hilfe der Kühlluft gekühlt werden. Die Auftei lung des Kühlpfads stromabwärts der Drossel besitzt den Vorteil, dass die Luft erst mit Hilfe der einen Drossel abgekühlt und dann auf die mehreren Kühlpfade verteilt wird.
Da die vorgeschlagene rotierende Arbeitsmaschine insbesondere zur Luftver dichtung in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden kann, wird ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen rotierenden Arbeitsma- schinevorgeschlagen bzw. einem Verdichter vorgeschlagen. Die Arbeitsmaschi ne ist in diesem Fall in einem Luftversorgungspfad, insbesondere Kathodenpfad, des Brennstoffzellensystems angeordnet und der Kühlpfad zweigt von dem Luft versorgungspfad ab. Die Abzweigung kann außerhalb oder innerhalb der rotie renden Arbeitsmaschine liegen. Beispielsweise können der Kühlpfad einschließ lich der Drossel in ein Gehäuse der Arbeitsmaschine integriert sein. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Leitung zur Ausbildung des Kühlpfads benötigt wird. An die Systemverschaltung des Brennstoffzellensystems werden demnach keine besonderen Anforderungen gestellt. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher er läutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Brenn stoffzellensystems mit einer rotierenden Arbeitsmaschine und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer rotierenden Arbeitsmaschine.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der Fig. 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 5 weist mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Kathode 7 und einer Anode 8 auf. Der Kathode 7 wird über einen Luftversorgungspfad 4 bzw. Kathodenpfad Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Die Anode 8 wird über einen Anodenpfad 9 mit Wasserstoff versorgt.
Die Luft wird der Umgebung entnommen und daher zunächst durch einen Luftfil ter 10 geleitet. Anschließend wird die Luft mit Hilfe einer rotierenden Arbeitsma schine 1 verdichtet. Diese wird vorliegend elektromotorisch angetrieben. Die ver dichtete Luft gelangt dann über einen Wärmetauscher 11 und ein Ventil 12 zur Kathode 7. Aus der Kathode 7 austretendes Kathodenabgas wird über einen Ka thodenabgaspfad 13 und ein Ventil 14.
Der Wasserstoff wird in einem Tank 15 bevorratet, der über ein Ventil 16 ab- sperrbar ist. Zur Temperierung des Wasserstoffs ist ein weiterer Wärmetau scher 17 im Anodenpfad 9 vorgesehen. Zur Druckregelung ist im Anodenpfad 9 ein Druckregler 18 angeordnet. Aus der Anode 8 austretendes Anodenabgas wird rezirkuliert, da dieses noch unverbrauchten Wasserstoffs enthält. Die Rezir- kulation erfolgt über einen Rezirkulationspfad 19, in dem ein Rezirkulationsge- bläse 20 zur aktiven Rezirkulation angeordnet ist. Das rezirkulierte Anodenabgas wird über eine im Anodenpfad 9 angeordnete Strahlpumpe 21 mit frischem Was serstoff aus dem Tank 15 vermischt und erneut der Anode 8 zugeführt.
Da sich im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 das Anodenabgas mit Wasser bzw. Wasserdampf und Stickstoff anreichert, wird von Zeit zu Zeit der Anodenbe reich gespült. Hierzu wird ein Spülventil 22 geöffnet. Wasser in flüssiger Form wird über einen Wasserabscheider 23 separiert und in einem Wasserbehälter 24 gesammelt. Zum Entleeren des Wasserbehälters 24 kann ein Drainventil 25 ge öffnet werden. Da bei der elektrochemischen Wandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in elekt rische Energie auch Wärme erzeugt wird, wird die mindestens eine Brennstoff zelle über eine Kühleinrichtung 26 gekühlt. Diese ist vorliegend an einen Kühl kreis 27 angebunden. Die im Luftversorgungspfad 4 angeordnete rotierende Arbeitsmaschine 1 umfasst mindestens ein Lager (nicht dargestellt) zur drehbaren Lagerung eines Verdich- terrads (nicht dargestellt) auf einer Welle 28 auf. Diese Lager muss gekühlt wer den. Hierzu wird stromabwärts der Arbeitsmaschine 1 ein Teilstrom der verdich teten Luft von dem Luftversorgungspfad 4 in einen Kühlpfad 2 abgezweigt. In dem Kühlpfad 2 ist eine Drossel 3 zur Entspannung des abgezweigten Teilstroms integriert. Die Entspannung bewirkt, dass sich die Luft abkühlt und somit zur La gerkühlung einsetzbar ist.
In der Fig. 2 ist ein beispielhaft weiteres Brennstoffzellensystem 5 dargestellt. Dieses unterscheidet sich von dem der Fig. 1 lediglich dadurch, dass hier der
Kühlpfad 2 einschließlich der Drossel 3 in ein Gehäuse 6 der rotierenden Ar beitsmaschine 1 integriert sind. Eine zusätzliche Leitung zur Ausbildung des Kühlpfads 2 kann somit entfallen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer rotierenden Arbeitsmaschine (1), insbeson dere eines Verdichters, bei dem wenigstens ein Lager der rotierenden Arbeits maschine mit Luft gekühlt wird, die zuvor mit Hilfe der rotierenden Arbeitsma schine (1) verdichtet worden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Kühlen des Lagers ein Teilstrom der zuvor verdichteten Luft in einen Kühlpfad (2) abgezweigt, mit Hilfe einer in den Kühl pfad (2) integrierten Drossel (3) abgekühlt und dem Lager zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abkühlen des abgezweigten Teilstroms ei ne Drossel (3) mit variablem Drosselquerschnitt verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlpfad (2) zur Kühlung mindestens eines weiteren Lagers und/oder einer weiteren Komponente, in mehrere Kühlpfade (2) aufgeteilt wird, vorzugsweise stromabwärts der Drossel (3).
4. Rotierende Arbeitsmaschine (1), insbesondere Verdichter, umfassend we nigstens ein luftgekühltes Lager, insbesondere Luftlager, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager über einen Kühlpfad (2) mit integrier ter Drossel (3) mit Kühlluft versorgbar ist.
5. Arbeitsmaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlpfad (2) von einem Luftversorgungs pfad (4) abzweigt, in dem die rotierende Arbeitsmaschine (1) angeordnet ist, wo bei vorzugsweise der Luftversorgungspfad (4) ein Kathodenpfad eines Brenn stoffzellensystems (5) ist.
6. Arbeitsmaschine (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Kühlpfad (2) integrierte Drossel (3) einen variablen Drosselquerschnitt aufweist.
7. Arbeitsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlpfad (2) einschließlich der Drossel (3) in ein Gehäuse (6) der Arbeitsmaschine (1) integriert ist.
8. Arbeitsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlpfad (2), vorzugsweise stromab wärts der Drossel (3), in mehrere Kühlpfade (2) aufteilt.
9. Brennstoffzellensystem (5) mit einer rotierenden Arbeitsmaschine (1), insbe- sondere Verdichter, nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Arbeitsma schine (1) in einem Luftversorgungspfad (4), insbesondere Kathodenpfad, des Brennstoffzellensystems (5) angeordnet ist und der Kühlpfad (2) von dem Luft versorgungspfad (4) abzweigt.
PCT/EP2021/066744 2020-07-16 2021-06-21 Verfahren zum betreiben einer rotierenden arbeitsmaschine, rotierende arbeits-maschine sowie brennstoffzellensystem mit rotierender arbeitsmaschine WO2022012866A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020208917.5A DE102020208917A1 (de) 2020-07-16 2020-07-16 Verfahren zum Betreiben einer rotierenden Arbeitsmaschine, rotierende Arbeitsmaschine sowie Brennstoffzellensystem mit rotierender Arbeitsmaschine
DE102020208917.5 2020-07-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022012866A1 true WO2022012866A1 (de) 2022-01-20

Family

ID=76624045

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/066744 WO2022012866A1 (de) 2020-07-16 2021-06-21 Verfahren zum betreiben einer rotierenden arbeitsmaschine, rotierende arbeits-maschine sowie brennstoffzellensystem mit rotierender arbeitsmaschine

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102020208917A1 (de)
WO (1) WO2022012866A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11592027B1 (en) * 2021-12-02 2023-02-28 Hamilton Sundstrand Corporation Compressor surge prevention control

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017220855A1 (de) * 2017-11-22 2019-05-23 Robert Bosch Gmbh Turbokompressor, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem
WO2019145065A1 (de) * 2018-01-25 2019-08-01 Robert Bosch Gmbh Turbomaschine, insbesondere für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem, verfahren zum betrieb einer turbomaschine und verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems
WO2021004715A1 (de) * 2019-07-05 2021-01-14 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem mit luftgekühlter verdichter/turbinen-einheit und verfahren

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017220855A1 (de) * 2017-11-22 2019-05-23 Robert Bosch Gmbh Turbokompressor, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem
WO2019145065A1 (de) * 2018-01-25 2019-08-01 Robert Bosch Gmbh Turbomaschine, insbesondere für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem, verfahren zum betrieb einer turbomaschine und verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems
WO2021004715A1 (de) * 2019-07-05 2021-01-14 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem mit luftgekühlter verdichter/turbinen-einheit und verfahren

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11592027B1 (en) * 2021-12-02 2023-02-28 Hamilton Sundstrand Corporation Compressor surge prevention control

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020208917A1 (de) 2022-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2600015B1 (de) Turboverdichter, Brennstoffzellensystem
DE10236324A1 (de) Verfahren zum Kühlen von Turbinenschaufeln
WO2013026514A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102016015266A1 (de) Luftversorgungsvorrichtung und Brennstoffzellensystem
DE102010035727A1 (de) Aufladeeinrichtung für eine Brennstoffzelle, Brennstoffzelleneinrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzelleneinrichtung
DD141049A5 (de) Gasturbinenanlage
DE102019214739A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
DE102012221298A1 (de) Ladeeinrichtung eines Antriebsaggregats
DE102016009932A1 (de) Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle
DE102020205172A1 (de) Strömungsmaschine, Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine
WO2022012866A1 (de) Verfahren zum betreiben einer rotierenden arbeitsmaschine, rotierende arbeits-maschine sowie brennstoffzellensystem mit rotierender arbeitsmaschine
DE102012221303A1 (de) Antriebseinrichtung mit einer Brennstoffzelle und einem Abgasturbolader
DE102005009674A1 (de) Brennstoffzellenanlage mit einem rezirkulierenden Betriebsstoff
DE102012018712A1 (de) Luftfördereinrichtung und Brennstoffzellensystem
WO2022248359A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems sowie brennstoffzellensystem
WO2021213971A1 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems
WO2022106194A1 (de) Gaszuführvorrichtung
DE102015117055A1 (de) Stapelgehäuse-Belüftung, Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug
DE102021205323A1 (de) Luftverdichtungssystem für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102022213541A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems, Luftsystem sowie Brennstoffzellensystem
DE102022200299A1 (de) Anodensubsystem sowie Brennstoffzellensystem mit Anodensubsystem
DE102022204160A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines mehrstufigen Luftverdichtungssystems, mehrstufiges Luftverdichtungssystem sowie Brennstoffzellensystem
DE102022204524A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Luftverdichtungssystems, Luftverdichtungssystem sowie Brennstoffzellensystem
DE102022204591A1 (de) Brennstoffzellensystem mit gasturbinengetriebenem Verdichter
DE102020205280A1 (de) Brennstoffzellensystem

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21734810

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21734810

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1