WO2022194983A1 - Luftverdichtungssystem, brennstoffzellensystem sowie fahrzeug - Google Patents

Luftverdichtungssystem, brennstoffzellensystem sowie fahrzeug Download PDF

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WO2022194983A1
WO2022194983A1 PCT/EP2022/056922 EP2022056922W WO2022194983A1 WO 2022194983 A1 WO2022194983 A1 WO 2022194983A1 EP 2022056922 W EP2022056922 W EP 2022056922W WO 2022194983 A1 WO2022194983 A1 WO 2022194983A1
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compression system
air
air compression
fuel cell
cooling device
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PCT/EP2022/056922
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Andreas Knoop
Stefan Gerhardt
Benjamin Pieck
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Cellcentric Gmbh & Co. Kg
Robert Bosch Gmbh
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    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/5826—Cooling at least part of the working fluid in a heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
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    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an air compression system for a fuel cell system and a fuel cell system with an air compression system according to the invention. Since the air compression system and the fuel cell system are particularly suitable for mobile applications, a vehicle with a corresponding system is also proposed.
  • Fuel cell systems require oxygen, which reacts with hydrogen in at least one fuel cell of the system to form water or water vapor. In this way, electrical power is generated by electrochemical conversion.
  • Ambient air which is fed 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 generally includes a high-speed turbomachine with at least one compressor wheel which is arranged on a shaft and is driven by an electric motor. For energy recovery, a turbine wheel can be arranged on the shaft, to which moist air emerging from the fuel cell is supplied.
  • the turbomachine is an exhaust gas turbocharger driven by an electric motor.
  • the air compressed with the help of a high-speed turbomachine can reach temperatures of up to 200°C. It is therefore cooled before entering the fuel cell.
  • an intercooler is used for this purpose, which is connected downstream of the flow machine. Since the turbomachine has to be acoustically decoupled, a certain amount of tolerance and movement compensation is required between the turbomachine and the intercooler, so that high demands are placed on the interface between these two components. At the same time, the space required increases.
  • the present invention is therefore concerned with the task of specifying an air compression system that meets the high requirements and at the same time requires little installation space.
  • the air compression system with the features of claim 1 is proposed.
  • Advantageous developments of the invention can be found in the claims under.
  • a fuel cell system and a vehicle with an air compression system according to the invention are specified.
  • the proposed air compression system includes a housing in which a shaft with at least one compressor wheel and an electric motor are accommodated.
  • the housing has an air inlet arranged coaxially with respect to an axis of rotation of the shaft and an air outlet arranged radially with respect to the axis of rotation.
  • a cooling device in particular a charge air cooler, is integrated in the area of the air outlet.
  • the cooling device or the intercooler is therefore part of the proposed air compression system.
  • This has the advantage that the components can be preassembled as an assembly and attached to a vehicle. This saves installation space. At the same time, the assembly can be attached to the vehicle in such a way that it is acoustically decoupled as a whole. The problems described at the outset in the design of the interface between the turbomachine and the intercooler are thus eliminated.
  • the cooling device is preferably firmly connected to the housing of the air compression system, preferably screwed. This is possible because the assembly is acoustically decoupled as a whole, so that tolerance and movement compensation between the components is no longer necessary.
  • the proposed screw connection can be implemented particularly easily, so that the interface between the components is drastically simplified.
  • cooling device is preferably arranged below the compressor wheel when the air compression system is installed, ie in the position of use. This results in further space advantages, so that a particularly compact assembly is created.
  • the integrated cooling device preferably includes a heat exchanger.
  • the heat exchanger enables efficient cooling.
  • the compressed air can be guided past a cooling medium, so that heat is transferred from the air to the cooling medium.
  • the heat exchanger is further preferably arranged between an inlet funnel and an outlet funnel of the direction.
  • the inlet funnel facilitates the connection of the cooling device to the air outlet of the air compression system.
  • the assembly can be connected to a cathode-side supply air line of a fuel cell system via the outlet funnel.
  • the cooling device has a valve on the outlet side, preferably a cathode blocking valve.
  • the function of the valve is particularly important when using the air compression system in a fuel cell system. Because when the fuel cell system is at a standstill, the air supply line can be blocked with the help of the valve. This prevents air and thus oxygen from being supplied to the cathode. If the supply air line is not blocked when the fuel cell system is at a standstill, oxygen can quickly get from the cathode side to the anode side, which - due to high potential differences and the associated corrosion when the system is restarted - results in premature aging of the fuel cells.
  • a turbine wheel of a turbine is advantageously arranged on the shaft.
  • the turbine is used for energy recovery, so that the efficiency of the air compression system is increased.
  • the exhaust air emerging from the fuel cells of the fuel cell system is supplied to the turbine.
  • the housing of the air compression system in the area of the turbine wheel has an exhaust air inlet arranged radially with respect to the axis of rotation and an exhaust air outlet arranged coaxially to the axis of rotation.
  • the turbine can be connected to an exhaust air line of a fuel cell system via the exhaust air inlet and the exhaust air outlet.
  • the exhaust air inlet of the turbine is preferably oriented in accordance with the air outlet of the air compression system, so that the space requirement is further reduced.
  • the turbine is or can be connected to the air outlet of the air compression system on the inlet side via a bypass line and a bypass valve.
  • a bypass line can in particular be a system bypass. Since compressed and therefore hot air is diverted, the bypass valve must be designed for high temperatures. With the help of the diverted, compressed and therefore hot air, the freeze-start capability of the system can be improved at the same time, since icing of the turbine is counteracted.
  • the bypass line can also be connected to the inlet funnel of the cooling device. In this case, the bypass line is not connected directly to the air outlet, but just behind it to the inlet funnel of the cooling device. In this case, too, compressed and therefore hot air is branched off via the bypass line, so that the same advantages can be achieved.
  • the housing is connected to an inverter.
  • the inverter thus forms part of the air compression system and thus of the assembly. This results in further tree advantages.
  • the inverter is preferably arranged below the electric motor when the air compression system is installed.
  • the additionally proposed fuel cell system is characterized in that it includes an air compression system according to the invention.
  • the air compression system is arranged on a cathode side of the fuel cell system. With the help of the air compression system, compressed and at the same time cooled air can thus be supplied to a cathode of the fuel cell system.
  • the air compression system according to the invention can be integrated into the fuel cell system as a compact assembly, so that the space requirement of the fuel cell system is also reduced. The advantages of the air compression system according to the invention therefore also benefit the fuel cell system.
  • the electrical energy generated with the aid of the fuel cell system according to the invention can be made available, for example, to an electrical machine of a vehicle, by means of which the vehicle is driven.
  • a vehicle with an air compression system according to the invention or a fuel cell system according to the invention is also proposed.
  • the air compression system is attached to a chassis of the vehicle in an acoustically decoupled manner.
  • the cooling device integrated into the air compression system is thus also acoustically decoupled.
  • Fig. 2 shows a second side view of the air compression system of Fig. 1 rotated 180°
  • FIG. 3 is a third side view of the air compression system of FIG. 1 rotated 90°;
  • FIG. 4 shows a side view of a second air compression system according to the invention
  • Fig. 5 is a second side view of the air compression system of Fig. 4 rotated 180°;
  • FIG. 6 is a third side view of the air compression system of FIG. 4 rotated 90°.
  • FIG. 1 shows a first air compression system 1 according to the invention, which has a housing 2 for receiving a shaft (not shown) and a compressor wheel (not shown) arranged on the shaft.
  • the compressor wheel is surrounded by a compressor volute 17 of the housing 2 .
  • a turbine wheel of a turbine 11 is arranged on the shaft and is surrounded by a turbine volute 18 of the housing 2 .
  • the shaft, the compression wheel and the turbine wheel rotate about an axis of rotation A. It is driven by an electric motor 10, which is also accommodated in the housing 2.
  • An inverter 16 is attached to the housing 2 below the electric motor 10 .
  • the housing 2 of the illustrated air compression system 1 has an air inlet 3 arranged coaxially to the axis of rotation A and an air outlet 4 aligned radially to the axis of rotation A.
  • the compressor wheel is subjected to an axial flow via the air inlet 3 .
  • the compressed air is discharged radially.
  • the compressed air reaches a cooling device 5 via the air outlet 4, which is an intercooler.
  • This has a heat exchanger 6 which is arranged between an inlet funnel 7 and an outlet funnel 8 .
  • the cooling device 5 is connected to the air outlet 4 via the inlet funnel 7 .
  • the cooling device 5 can be connected to an air supply line 19 of a fuel cell system via the outlet funnel 8 . With the help of the integrated cooling device 5, the previously compressed air can be cooled.
  • the inlet funnel 7 of the cooling device 5 is connected to an exhaust air inlet 12 of the turbine 11 via a bypass line 14 .
  • a bypass valve 15 is integrated, so that depending on the switching position of the bypass valve 15, compressed hot air can be guided from the air side to the exhaust air side. This means that a system bypass is created. With the help of the compressed and still hot air branched off, the freeze-starting capability of the system can be improved at the same time, since icing of the turbine 11 is counteracted.
  • the air supplied to the turbine 11 leaves the turbine 11 via an exhaust air outlet 13 which is arranged coaxially with the axis of rotation A.
  • FIG. 3 shows the same air compression system 1 in a frontal view.
  • the cooling device 5 is arranged below the compressor wheel or the compressor volute 17 so that the air outlet 4 opens directly into the inlet funnel 7 of the cooling device 5 .
  • the bypass line 14 with the bypass valve 15 branches off laterally from the inlet funnel 7 .
  • FIG. 3 clearly shows that the arrangement shown is particularly compact.
  • FIGS. 4 to 6 A further development of the air compression system 1 of FIGS. 1 to 3 can be seen in FIGS. 4 to 6.
  • the air compression system 1 of FIGS. 4 to 6 comprises a further component. This is a valve 9, in particular a cathode blocking valve, with the help of which the supply air line 19 can be blocked when the fuel cell system is at a standstill.
  • FIGS. 4 to 6 otherwise correspond to FIGS. 1 to 3, reference is made to the description of FIGS. 1 to 3 to avoid repetition. reference list

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Luftverdichtungssystem (1) für ein Brennstoffzellensystem, umfassend ein Gehäuse (2), in dem eine Welle mit mindestens einem Verdichterrad und ein Elektromotor (16) aufgenommen sind, wobei das Gehäuse (2) einen koaxial in Bezug auf eine Drehachse (A) der Welle angeordneten Lufteinlass (3) sowie einen radial in Bezug auf die Drehachse (A) angeordneten Luftauslass (4) aufweist und wobei im Bereich des Luftauslasses (4) eine Kühleinrichtung (5), insbesondere ein Ladeluftkühler, integriert ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug.

Description

Beschreibung
Titel:
Luftverdichtungssystem, Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Luftverdichtungssystem für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystem. Da das Luftverdichtungssystem und das Brennstoffzellensystem insbesondere für mobile Anwendungen geeignet sind, wird ferner ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Sys tem vorgeschlagen.
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme benötigen Sauerstoff, der in mindestens einer Brennstoffzelle des Systems mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf reagiert. Auf diese Weise wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung erzeugt. Als Sauer stoffquelle dient üblicherweise Umgebungsluft, die der Brennstoffzelle mittels eines Luftverdichtungssystems zugeführt wird, da der Prozess einen bestimmten Luftmassen strom und ein bestimmtes Druckniveau erfordert. Das Luftverdichtungssystem umfasst in der Regel eine hochdrehende Strömungsmaschine mit mindestens einem auf einer Welle angeordneten Verdichterrad, das elektromotorisch angetrieben wird. Zur Energie rückgewinnung kann auf der Welle ein Turbinenrad angeordnet sein, dem aus der Brennstoffzelle austretende feuchte Luft zugeführt wird. In diesem Fall handelt es sich bei der Strömungsmaschine um einen elektromotorisch angetriebenen Abgasturbolader.
Die mit Hilfe einer hochdrehenden Strömungsmaschine verdichtete Luft kann Tempera turen bis zu 200°C erreichen. Daher wird sie vor ihrem Eintritt in die Brennstoffzelle ge kühlt. In der Regel wird hierzu ein Ladeluftkühler verwendet, welcher der Strömungsma schine nachgeschaltet ist. Da die Strömungsmaschine akustisch entkoppelt werden muss, wird ein gewisser Toleranz- und Bewegungsausgleich zwischen der Strömungsma schine und dem Ladeluftkühler benötigt, so dass hohe Anforderungen an die Schnittstel le zwischen diesen beiden Bauteilen gestellt werden. Zugleich erhöht sich der Bauraum bedarf.
Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, ein Luftverdichtungssystem anzugeben, das den hohen Anforderungen gerecht wird und zugleich einen geringen Bauraumbedarf hat. Zur Lösung der Aufgabe wird das Luftverdichtungssystem mit den Merkmalen des An spruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteran sprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus werden ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystem angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Das vorgeschlagene Luftverdichtungssystem umfasst ein Gehäuse, in dem eine Welle mit mindestens einem Verdichterrad und ein Elektromotor aufgenommen sind. Das Ge häuse weist dabei einen koaxial in Bezug auf eine Drehachse der Welle angeordneten Lufteinlass sowie einen radial in Bezug auf die Drehachse angeordneten Luftauslass auf. Im Bereich des Luftauslasses ist dabei eine Kühleinrichtung, insbesondere ein Ladeluft kühler, integriert.
Die Kühleinrichtung bzw. der Ladeluftkühler ist demnach Bestandteil des vorgeschlage nen Luftverdichtungssystems. Dies weist den Vorteil auf, dass die Bauteile als Baugruppe vormontiert und an einem Fahrzeug befestigt werden können. Dies spart Bauraum ein. Zugleich kann die Baugruppe derart am Fahrzeug befestigt werden, dass sie als Ganzes akustisch entkoppelt ist. Die eingangs beschriebenen Probleme bei der Ausbildung der Schnittstelle zwischen der Strömungsmaschine und dem Ladeluftkühler entfallen damit.
Bevorzugt ist die Kühleinrichtung mit dem Gehäuse des Luftverdichtungssystems fest verbunden, vorzugsweise verschraubt. Dies ist möglich, da die Baugruppe als Ganzes akustisch entkoppelt wird, so dass kein Toleranz- und Bewegungsausgleich zwischen den Bauteilen mehr erforderlich ist. Die vorgeschlagene Schraubverbindung lässt sich beson ders einfach realisieren, so dass die Schnittstelle zwischen den Bauteilen drastisch ver einfacht wird.
Ferner bevorzugt ist die Kühleinrichtung in eingebautem Zustand des Luftverdichtungs systems, das heißt in Gebrauchslage, unterhalb des Verdichterrads angeordnet. Dadurch ergeben sich weitere Bauraumvorteile, so dass eine besonders kompaktbauende Bau gruppe geschaffen wird.
Die integrierte Kühleinrichtung umfasst vorzugsweise einen Wärmetauscher. Der Wär metauscher ermöglicht eine effiziente Kühlung. Im Wärmetauscher kann die verdichtete Luft an einem Kühlmedium vorbeigeführt werden, so dass Wärme von der Luft auf das Kühlmedium übertragen wird. Der Wärmetauscher ist weiterhin vorzugsweise zwischen einem Einlasstrichter und einem Auslasstrichter der Richtung angeordnet. Der Einlass- trichter erleichtert den Anschluss der Kühleinrichtung an den Luftauslass des Luftver dichtungssystems. Über den Auslasstrichter wiederum kann die Baugruppe an eine ka thodenseitige Zuluftleitung eines Brennstoffzellensystems angeschlossen werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kühleinrichtung auslasssei tig ein Ventil, vorzugsweise ein Kathodenbockierventil, aufweist. Die Funktion des Ven tils kommt insbesondere bei Einsatz des Luftverdichtungssystems in einem Brennstoff zellensystem zum Tragen. Denn bei Stillstand des Brennstoffzellensystems kann mit Hilfe des Ventils die Zuluftleitung gesperrt werden. Dies verhindert, dass der Kathode weiter Luft und damit Sauerstoff zugeführt wird. Wird die Zuluftleitung im Stillstand des Brenn stoffzellensystems nicht gesperrt, kann innerhalb kurzer Zeit Sauerstoff von der Katho denseite auf die Anodenseite gelangen, was - aufgrund hoher Potenzialunterschiede und der damit verbundenen Korrosion beim Wiederstarten des Systems - eine frühzeitige Al terung der Brennstoffzellen zur Folge hat.
Vorteilhafterweise ist zusätzlich zu dem mindestens einen Verdichterrad ein Turbinen rad einer Turbine auf der Welle angeordnet. Die Turbine dient der Energierückgewin nung, so dass die Effizienz des Luftverdichtungssystems gesteigert wird. Der Turbine wird hierzu die aus den Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems austretende Abluft zugeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse des Luft verdichtungssystems im Bereich des Turbinenrads einen radial in Bezug auf die Drehach se angeordneten Ablufteinlass und einen koaxial zur Drehachse angeordneten Abluft auslass auf. Über den Ablufteinlass und den Abluftauslass kann die Turbine an eine Ab luftleitung eines Brennstoffzellensystems angeschlossen werden. Vorzugsweise ist der Ablufteinlass der Turbine entsprechend dem Luftauslass des Luftverdichtungssystems orientiert, so dass der Bauraumbedarf weiter gesenkt wird.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Turbine einlassseitig über eine Bypassleitung und ein Bypassventil mit dem Luftauslass des Luftverdichtungssystems verbunden oder verbindbar ist. Über die Bypassleitung kann verdichtete Luft stromaufwärts der Kühlein richtung aus der Zuluftleitung abgezweigt und stromaufwärts der Turbine in die Abluft leitung eingeleitet werden. Bei der Bypassleitung kann es sich insbesondere um einen Systembypass handeln. Da verdichtete und somit heiße Luft abgezweigt wird, muss das Bypassventil für hohe Temperaturen ausgelegt sein. Mithilfe der abgezweigten, verdich teten und somit heißen Luft kann zugleich die Gefrierstartfähigkeit des Systems verbes sert werden, da einer Vereisung der Turbine entgegengewirkt wird. Statt mit dem Luftauslass des Luftverdichtungssystems kann die Bypassleitung auch mit dem Einlasstrichter der Kühleinrichtung verbunden sein. Der Anschluss der Bypasslei tung erfolgt in diesem Fall nicht unmittelbar am Luftauslass, sondern kurz dahinter am Einlasstrichter der Kühleinrichtung. Auch in diesem Fall wird verdichtete und somit hei ße Luft über die Bypassleitung abgezweigt, so dass die gleichen Vorteile erzielbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse mit einem Inver ter verbunden. Der Inverter bildet somit einen Bestandteil des Luftverdichtungssystems und damit der Baugruppe aus. Dadurch ergeben sich weitere Baumvorteile. Bevorzugt ist der Inverter in eingebautem Zustand des Luftverdichtungssystems unterhalb des Elektromotors angeordnet.
Das darüber hinaus vorgeschlagene Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass es ein erfindungsgemäßes Luftverdichtungssystem umfasst. Das Luftverdichtungs system ist dabei auf einer Kathodenseite des Brennstoffzellensystems angeordnet. Mit Hilfe des Luftverdichtungssystems kann somit einer Kathode des Brennstoffzellensys tems verdichtete und zugleich gekühlte Luft zugeführt werden. Das erfindungsgemäße Luftverdichtungssystem kann als kompaktbauende Baugruppe in das Brennstoffzellen system integriert werden, so dass auch der Bauraumbedarf des Brennstoffzellensystems sinkt. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystems kommen somit auch dem Brennstoffzellensystem zugute.
Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erzeugte elektrische Energie kann beispielsweise einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt werden, mittels welcher das Fahrzeug angetrieben wird.
Daher wird des Weiteren ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Luftverdichtungs system oder einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Luftverdichtungssystem ist dabei akustisch entkoppelt an einem Chassis des Fahrzeugs befestigt. Die in das Luftverdichtungssystem integrierte Kühleinrichtung ist somit eben falls akustisch entkoppelt. Dies ist zwar nicht gefordert, ermöglicht aber eine Vermei dung der eingangs genannten Schnittstellenprobleme und hilft zudem Bauraum einzu sparen. Dies ist insbesondere für mobile Anwendungen ein nicht unwesentlicher Vorteil.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht eines ersten erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystems,
Fig. 2 eine zweite Seitenansicht des Luftverdichtungssystems der Fig. 1 um 180° ge dreht,
Fig. 3 eine dritte Seitenansicht des Luftverdichtungssystems der Fig. 1 um 90° ge dreht,
Fig. 4 eine Seitenansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystems,
Fig. 5 eine zweite Seitenansicht des Luftverdichtungssystems der Fig. 4 um 180° ge dreht,
Fig. 6 eine dritte Seitenansicht des Luftverdichtungssystems der Fig. 4 um 90° ge dreht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der Figur 1 ist ein erstes erfindungsgemäßes Luftverdichtungssystem 1 zu entnehmen, das ein Gehäuse 2 zur Aufnahme einer Welle (nicht dargestellt) und einem auf der Welle angeordneten Verdichterrad (nicht dargestellt) aufweist. Das Verdichterrad ist von einer Verdichtervolute 17 des Gehäuses 2 umgeben. Andernends ist auf der Welle ein Turbi nenrad einer Turbine 11 angeordnet, dass von einer Turbinenvolute 18 des Gehäuses 2 umgeben ist. Im Betrieb des Luftverdichtungssystems 1 drehen die Welle, das Verdich terrad und das Turbinenrad um eine Drehachse A. Der Antrieb erfolgt über einen Elekt romotor 10, der ebenfalls im Gehäuse 2 aufgenommen ist. Unterhalb des Elektromotors 10 ist am Gehäuse 2 ein Inverter 16 befestigt.
Das Gehäuse 2 des dargestellten Luftverdichtungssystems 1 weist einen koaxial zur Drehachse A angeordneten Lufteinlass 3 sowie einen radial zur Drehachse A ausgerich teten Luftauslass 4 auf. Über den Lufteinlass 3 wird das Verdichterrad axial angeströmt. Die verdichtete Luft wird radial abgeführt. Über den Luftauslass 4 gelangt die verdichte te Luft in eine Kühleinrichtung 5, wobei es sich um einen Ladeluftkühler handelt. Dieser weist einen Wärmetauscher 6 auf, der zwischen einem Einlasstrichter 7 und einem Aus lasstrichter 8 angeordnet ist. Über den Einlasstrichter 7 ist die Kühleinrichtung 5 an den Luftauslass 4 angeschlossen. Über den Auslasstrichter 8 kann die Kühleinrichtung 5 mit einer Zuluftleitung 19 eines Brennstoffzellensystems verbunden werden. Mit Hilfe der integrierten Kühleinrichtung 5 kann die zuvor verdichtete Luft gekühlt wer den. Dies ist erforderlich, da sich die Luft beim Verdichten auf eine Temperatur von bis zu 200°C erwärmen kann. Durch Integration der Kühleinrichtung 5 in das Luftverdich tungssystem 1 kann die Schnittstelle zwischen diesen beiden Komponenten vereinfacht werden. Ferner wird auf diese Weise eine kompakte Baugruppe geschaffen, die Bau raum einsparen hilft.
Wie insbesondere der Figur 2 zu entnehmen ist, ist der Einlasstrichter 7 der Kühleinrich tung 5 über eine Bypassleitung 14 mit einem Ablufteinlass 12 der Turbine 11 verbunden. In die Bypassleitung 14 ist ein Bypassventil 15 integriert, so dass in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Bypassventils 15 verdichtete heiße Luft von der Zuluftseite auf die Ab luftseite geführt werden kann. Das heißt, dass ein Systembypass geschaffen wird. Mit Hilfe der abgezweigten verdichteten und noch heißen Luft kann zugleich die Gefrier startfähigkeit des Systems verbessert werden, da einer Vereisung der Turbine 11 entge gengewirkt wird. Die der Turbine 11 zugeführte Luft verlässt die Turbine 11 über einen Abluftauslass 13, der koaxial zur Drehachse A angeordnet ist.
Figur 3 zeigt dasselbe Luftverdichtungssystem 1 in einer frontalen Ansicht. Die Kühlein richtung 5 ist unterhalb des Verdichterrads bzw. der Verdichtervolute 17 angeordnet, so dass der Luftauslass 4 unmittelbar in den Einlasstrichter 7 der Kühleinrichtung 5 mündet. Vom Einlasstrichter 7 zweigt seitlich die Bypassleitung 14 mit dem Bypassventil 15 ab. Figur 3 veranschaulicht deutlich, dass die dargestellte Anordnung besonders kompakt bauend ist.
Eine Weiterbildung des Luftverdichtungssystems 1 der Figuren 1 bis 3 ist den Figuren 4 bis 6 zu entnehmen. Das Luftverdichtungssystem 1 der Figuren 4 bis 6 umfasst eine wei tere Komponente. Hierbei handelt es sich um ein Ventil 9, insbesondere ein Kathoden- bockierventil, mit dessen Hilfe die Zuluftleitung 19 im Stillstand des Brennstoffzellensys tems gesperrt werden kann.
Da die Figuren 4 bis 6 im Übrigen den Figuren 1 bis 3 entsprechen, wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Beschreibung der 4 Figuren 1 bis 3 verwiesen. Bezugszeichenliste
1 Luftverdichtungssystem
2 Gehäuse
3 Lufteinlass
4 Luftauslass
5 Kühleinrichtung
6 Wärmetauscher
7 Einlasstrichter
8 Auslasstrichter
9 Ventil
10 Elektromotor
11 Turbine
12 Ablufteinlass
13 Abluftauslass
14 Bypassleitung
15 Bypassventil
16 Inverter
17 Verdichtervolute
18 Turbinenvolute
19 Zuluftleitung

Claims

Ansprüche
1. Luftverdichtungssystem (1) für ein Brennstoffzellensystem, umfassend ein Gehäu se (2), in dem eine Welle mit mindestens einem Verdichterrad und ein Elektromotor (10) aufgenommen sind, wobei das Gehäuse (2) einen koaxial in Bezug auf eine Drehach se (A) der Welle angeordneten Lufteinlass (3) sowie einen radial in Bezug auf die Dreh achse (A) angeordneten Luftauslass (4) aufweist und wobei im Bereich des Luftauslas ses (4) eine Kühleinrichtung (5), insbesondere ein Ladeluftkühler, integriert ist.
2. Luftverdichtungssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) mit dem Gehäuse (2) fest verbun den, vorzugsweise verschraubt ist.
3. Luftverdichtungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) in eingebautem Zustand des Luft verdichtungssystems (1) unterhalb des Verdichterrads angeordnet ist.
4. Luftverdichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) einen Wärmetauscher (6) um fasst, der vorzugsweise zwischen einem Einlasstrichter (7) und einem Auslasstrichter (8) der Kühleinrichtung (5) angeordnet ist.
5. Luftverdichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) auslassseitig ein Ventil (9), vor zugsweise ein Kathodenbockierventil, aufweist.
6. Strömungsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem mindestens einen Verdichterrad ein Turbinenrad einer Turbine (11) auf der Welle angeordnet ist.
7. Luftverdichtungssystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) im Bereich des Turbinenrads einen radial in Bezug auf die Drehachse (A) angeordneten Ablufteinlass (12) und einen koaxial zur Drehachse (A) angeordneten Abluftauslass (13) aufweist.
8. Luftverdichtungssystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (11) einlassseitig über eine Bypassleitung (14) und ein Bypassventil (15) mit dem Luftauslass (4) oder dem Einlasstrichter (7) der Küh- leinrichtung (5) verbunden oder verbindbar ist.
9. Luftverdichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) mit einem Inverter (16) verbunden ist, der vorzugsweise in eingebautem Zustand des Luftverdichtungssystems (1) unterhalb des Elektromotors (10) angeordnet ist.
10. Brennstoffzellensystem mit einem Luftverdichtungssystem (1) nach einem der vor hergehenden Ansprüche, wobei das Luftverdichtungssystem (1) auf einer Kathodenseite des Brennstoffzellensystems angeordnet ist.
11. Fahrzeug mit einem Luftverdichtungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei das Luftverdichtungssys tem (1) akustisch entkoppelt an einem Chassis des Fahrzeugs befestigt ist.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040062644A1 (en) * 2002-09-27 2004-04-01 Meshenky Steven P. Internally mounted radial flow intercooler for a rotary compressor machine
DE102013007207A1 (de) * 2013-04-25 2014-10-30 Daimler Ag Vorrichtung zur Aufbereitung von Luft
US20150270566A1 (en) * 2014-03-24 2015-09-24 Hyundai Motor Company Air compressor and fuel cell system having the same
FR3057033A1 (fr) * 2016-09-30 2018-04-06 Valeo Systemes Thermiques Systeme de gestion d'air d'admission pour un moteur thermique de vehicule automobile
DE102017211962A1 (de) * 2017-07-12 2019-01-17 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Strömungsmaschine für ein Brennstoffzellensystem

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040062644A1 (en) * 2002-09-27 2004-04-01 Meshenky Steven P. Internally mounted radial flow intercooler for a rotary compressor machine
DE102013007207A1 (de) * 2013-04-25 2014-10-30 Daimler Ag Vorrichtung zur Aufbereitung von Luft
US20150270566A1 (en) * 2014-03-24 2015-09-24 Hyundai Motor Company Air compressor and fuel cell system having the same
FR3057033A1 (fr) * 2016-09-30 2018-04-06 Valeo Systemes Thermiques Systeme de gestion d'air d'admission pour un moteur thermique de vehicule automobile
DE102017211962A1 (de) * 2017-07-12 2019-01-17 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Strömungsmaschine für ein Brennstoffzellensystem

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