WO2024223263A1 - Strömungsmaschine für ein brennstoffzellensystem mit einem brennstoffzellenstapel für ein fahrzeug, insbesondere nutzfahrzeug, brennstoffzellensystem und fahrzeug, insbesondere nutzfahrzeug - Google Patents

Strömungsmaschine für ein brennstoffzellensystem mit einem brennstoffzellenstapel für ein fahrzeug, insbesondere nutzfahrzeug, brennstoffzellensystem und fahrzeug, insbesondere nutzfahrzeug Download PDF

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vehicle
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Thorge Kentschke
Florian Steinberger
Markus Nold
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ZF CV Systems Global GmbH
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    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • Turbomachine for a fuel cell system with a fuel cell stack for a vehicle in particular commercial vehicle, fuel cell system and vehicle, in particular commercial vehicle
  • the invention relates to a turbomachine for a fuel cell system with a fuel cell stack for a vehicle, in particular a commercial vehicle.
  • the invention also relates to a fuel cell system for a vehicle, in particular a commercial vehicle, comprising a fuel cell stack and a turbomachine, and to a vehicle, in particular a commercial vehicle, comprising a fuel cell system.
  • Turbomachines for fuel cell systems are known from the state of the art. Compressors or condensers are used as turbomachines for such fuel cell systems.
  • the compressor In a fuel cell system, the compressor is used to suck in air, compress it and feed it to a fuel cell inlet on the cathode side of the fuel cell stack or fuel cell stack to carry out the fuel cell reaction.
  • the compressor In order to avoid damage to the fuel cell stack due to contamination, there are high requirements for air purity. Filters or filter elements are used to reduce these harmful gases and/or other contamination. These filter elements cause a pressure loss when the ambient air is sucked in, which means that there is a negative pressure after the filter.
  • the compressed mixture of substances passes through the stack(s).
  • the mixture of substances remaining after the reaction exits the fuel cell stack as a fluid stream from a cathode-side fuel cell outlet.
  • the fluid stream can also include liquid components, for example in the form of water droplets.
  • This fluid flow usually still has an excess pressure compared to the environment and is therefore used in most fuel cell systems to used to drive an expander shaft of an expander.
  • the mixture of substances exiting the outlet side can be expanded to ambient pressure, and the energy delivered to the expander shaft is usually converted into electrical energy if the expander is connected to a generator and/or drives the compressor in whole or in part if the compressor and the expander have the same shaft.
  • a challenge in providing such a turbomachine is the cooling of an electric drive for operating the turbomachine and, if necessary, one or more bearings for supporting the rotor of the turbomachine.
  • DE 10 2011 087606 A1 discloses a motor vehicle system device with a drive unit to which a charger device is assigned, which has a compressor with at least one compressor impeller mounted by means of at least one bearing, wherein the bearing has a stationary first bearing part and a second bearing part operatively connected to the compressor impeller. It is provided that an overpressure source is connected to the bearing, by means of which an overpressure can be produced in a bearing gap between the first bearing part and the second bearing part, wherein the overpressure source is the compressor and/or part of a tandem pump, which in addition to the overpressure also provides negative pressure for a consumer of the motor vehicle system device.
  • the invention is therefore based on the object of enriching the state of the art and providing an improved turbomachine. In particular, the invention solves the problem of achieving improved cooling of the turbomachine, in which additional compressed air connections can be avoided and the efficiency can be improved.
  • a turbomachine for a fuel cell system with a fuel cell stack for a vehicle, in particular a commercial vehicle is provided.
  • the turbomachine is designed to apply an air flow to the fuel cell stack on the cathode side.
  • the turbomachine has an electric drive and at least one compressor wheel that can be driven by the electric drive for sucking in supply air and for providing the air flow, which has a primary air flow path and a secondary air flow path, each for sucking in the supply air.
  • the turbomachine is designed to supply the supply air sucked in by the compressor wheel to the primary air flow path and the secondary air flow path before the supply air is compressed by the compressor wheel; and the secondary air flow path is designed to cool the turbomachine.
  • the compressor wheel can suck in the supply air.
  • the supply air can be a gaseous fluid flow that is to be fed to the fuel cell stack.
  • the fluid flow can contain solid and/or liquid components that are optionally removed by filtering before the fluid flow is fed to the fuel cell stack.
  • the supply air can be sucked in through the primary air flow path and through the secondary air flow and thus fed to the primary air flow path and the secondary air flow.
  • the compressor wheel can suck in the supply air via the primary air flow path and secondary air flow path and then compress it as a whole.
  • the compressor wheel can compress the supply air and the Provide air flow that can be applied to the fuel cell stack on the cathode side.
  • the turbo machine is designed to supply the supply air sucked in through the compressor wheel to the primary air flow path and the secondary air flow path before the supply air is compressed by the compressor wheel.
  • the turbo machine is designed to supply the supply air sucked in through the compressor wheel or a substantially gaseous medium upstream of the compressor wheel to the primary air flow path and the secondary air flow path.
  • a pressure drop typically occurs in the primary air flow path.
  • the air flow in the primary air flow leads to a pressure drop when the air flows through a filter element, for example.
  • the pressure drop in the primary air flow path leads to a pressure difference between the secondary air flow path and an environment and thus to the supply air being sucked in via the secondary air flow path.
  • This negative pressure thus enables supply air to be sucked in via a secondary air flow path. It was therefore recognized that it may not be necessary to divert air that has already been compressed. In other words, it is proposed to guide supply air that has not yet been compressed by the compressor wheel along the primary air flow path and the secondary air flow path. No drive power required for the compression process needs to be applied to suck in the air via the secondary air flow path. Compression is associated with an increase in the gas temperature. The air flow supplied via the secondary air flow path is used as a cooling air flow before compression takes place. The invention also has the advantage that the gas temperature is not increased by the compression process.
  • the secondary air flow path is designed to cool the turbomachine.
  • the invention has recognized that to solve the problem, a secondary air flow path can be implemented which is designed to use a portion of the supply air sucked in by the compressor wheel flowing through the secondary air flow path for cooling.
  • the turbo machine is particularly advantageous for use with comparatively high air mass flows, since the generation of a high air mass flow or the associated compression of the air generates a large amount of heat and the electric drive has a high power requirement and thus also a high need for cooling.
  • the turbomachine avoids using compressed air to cool the turbomachine, which can lead to improved efficiency.
  • the primary air flow path and the secondary air flow path are advantageously brought together to provide the air flow in front of the compressor wheel.
  • in front of the compressor wheel means upstream of the compressor wheel. This means that all of the supply air sucked in through the compressor wheel can be used to provide the air flow. This can prevent supply air sucked in through the compressor wheel from being lost for the air flow supplied to the fuel cell stack, thus impairing the efficiency of the turbomachine.
  • the turbomachine advantageously has a filter in the primary air flow path, and the primary air flow path and the secondary air flow path are brought together downstream of the filter. It was recognized that the filter can be provided, particularly in fuel cell systems, to clean the intake air.
  • the filter in the primary air flow path can imply a primary pressure drop.
  • the primary pressure drop leads to a pressure difference between the primary air flow path and the inlet of the secondary air flow path, which leads to intake air being drawn in through the secondary air flow path. If the ambient air is drawn in by the turbomachine in the primary air flow, a negative pressure is created by the flow resistance of the filter element after this filter element. This negative pressure can be used to draw in another air flow, the secondary air flow.
  • the turbomachine has a second filter in the secondary air flow path. This allows the supply air sucked in through the secondary air flow path to be cleaned, whereby the compressor wheel only sucks in cleaned supply air.
  • the turbomachine advantageously has a control valve for controlling a secondary flow flowing through the secondary air flow path.
  • the control valve can in particular be set up to be controlled or regulated depending on the amount of supply air sucked in by the compressor wheel, i.e. the air mass flow. This means that the cooling by the secondary air flow path can be made dependent on the performance in order to be able to provide performance-oriented cooling of the turbomachine.
  • the secondary air flow path can be opened or closed for predetermined application purposes.
  • the turbomachine is advantageously designed to convey a primary flow through the primary air flow path and to convey a secondary flow through the secondary air flow path, wherein the primary flow corresponds to more than 90% of the intake air and/or the secondary flow corresponds to less than 10% of the intake air.
  • the primary flow corresponds to between 93% and 95% of the intake air and/or the secondary flow is between 5% and 7% of the intake air.
  • the secondary air flow path is advantageously designed to cool the electric drive and/or a bearing of the turbomachine. It was recognized that the electric drive and/or the bearing are the components of the turbomachine that can be effectively cooled by a secondary flow flowing through the secondary air flow path.
  • a fuel cell system for a vehicle in particular a commercial vehicle
  • the fuel cell system comprises a fuel cell stack and the above-described Turbomachine, wherein the turbomachine is designed to apply an air flow to the fuel cell stack on the cathode side.
  • the turbomachine can have one or more of the technical features described above in order to achieve an associated technical effect.
  • a vehicle in particular a commercial vehicle, comprises the fuel cell system described above.
  • the fuel cell system or the turbomachine of the fuel cell system can have one or more of the technical features described above in order to achieve an associated technical effect.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a vehicle, in particular a commercial vehicle, according to an embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of a turbomachine according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 3 is a schematic representation of a turbomachine according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 4 is a schematic representation of a turbomachine according to an embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a vehicle 200a, in particular a commercial vehicle 200b, according to an embodiment of the invention.
  • the vehicle 200a in particular commercial vehicle 200b, is referred to below as vehicle 200a, 200b.
  • vehicle 200a, 200b is, for example, a land vehicle.
  • the vehicle 200a, 200b has a fuel cell system 205, an energy storage device 260 and an electric drive 250 of the vehicle 200a, 200b.
  • the fuel cell system 205 is designed to provide electrical energy 65 to the energy storage device 260.
  • the energy storage device 260 is, for example, a rechargeable energy storage device 260 and serves as a buffer battery for buffering electrical energy 65.
  • the energy storage device 260 is connected to the electric drive 250 to supply the electric drive 250 with electrical energy 65 so that the electric drive 250 can drive the vehicle 200a, 200b.
  • the fuel cell system 205 is connected to the electric drive 250 to directly provide electrical energy 65.
  • the fuel cell system 205 comprises a turbomachine 210 designed as a compressor 280, a fuel cell stack 206 and optionally an expander 270.
  • the expander 270 can be included in the turbomachine 210 (see Figure 4).
  • the turbomachine 210 is designed to supply an air flow 240 to the fuel cell stack 206 on the cathode side.
  • the turbomachine 210 is designed to be supplied with electrical energy 65 in order to suck in supply air 239, to compress it and to supply it to the fuel cell stack 206 as air flow 240.
  • the expander 270 is designed to be supplied with an exhaust gas flow 245 from the fuel cell stack 206 in order to convert energy from the exhaust gas flow 245 into electrical energy 65.
  • the energy of the expander 270 is converted directly into mechanical energy and used directly to drive (torque support) the drive shaft of the compressor 280.
  • the electrical energy 65 supplied to the flow machine 210 serves to compress the supply air 239 and to provide the air flow 240.
  • heat is generated by converting electrical energy 65, in particular into mechanical energy, and by friction.
  • water cooling and air cooling are usually combined in such electrically driven flow machines 210.
  • the invention relates to an advantageous embodiment of the air cooling.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a turbomachine 210 according to an embodiment of the invention.
  • the turbomachine 210 is a turbomachine 210 for a fuel cell system 205 with a fuel cell stack 206 for a vehicle 200a, 200b.
  • Such a fuel cell system 205 and such a vehicle 200a, 200b are described with reference to Figure 1.
  • Figure 2 is described with reference to Figure 1.
  • the turbomachine 210 is designed to supply the fuel cell stack 206 (not shown in Figure 2, see Figure 1) on the cathode side with an air flow 240.
  • the turbomachine 210 has an electric drive
  • the turbomachine 210 with the electric drive 215 and the compressor wheel 216 is thus a compressor 280 (see Figure 1).
  • the turbomachine 210 or the compressor 280 is only shown schematically in Figure 2 and can be single-stage (see Figure 4) or multi-stage (see Figure 3) and/or designed as a turbocompressor (see Figure 4), i.e. include a stage designed as an expander 270.
  • the electric drive 215 is operatively connected to the compressor wheel 216.
  • the electric drive 215 is designed to be supplied with electrical energy 65 in order to convert the electrical energy 65 and to achieve a rotational movement of the compressor wheel 216.
  • heat is generated in and/or on the electric drive 215.
  • the turbomachine 210 has several bearings schematically illustrated by a box as bearing 217.
  • the bearing 217 is designed to support the compressor wheel 216 or a shaft (not shown) of the compressor wheel
  • the bearing of the rotating shaft usually requires two radial bearings.
  • the bearing 217 is in an operative connection with the compressor wheel 216, as shown schematically in Figure 2 by a dotted line.
  • the bearing 217 also includes an axial bearing to support the axial forces generated by the compressor wheel 216.
  • the pressure behind the compressor wheel 216 is higher than that in front of the impeller. This pressurized surface causes a thrust force that is transferred to the shaft and the bearings 217. Losses also occur in the bearing 217, which lead to heating of the system.
  • the turbo machine 210 has a primary air flow path 220 and a secondary air flow path 225, each for sucking in the supply air 239.
  • the primary air flow path 220 and the secondary air flow path 225 are arranged upstream of the compressor wheel 216.
  • the air flow 240 is provided downstream of the compressor wheel 216.
  • the turbo machine 210 is designed to convey a primary flow 221 through the primary air flow path 220 and to convey a secondary flow 226 through the secondary air flow path 226.
  • the turbomachine 210 has a filter 222 in the primary air flow path 220.
  • the filter 222 is specifically designed for use in a fuel cell system 205.
  • the filter 222 enables the efficient use of a radial compressor as the turbomachine 210.
  • the filter 222 generates a primary pressure drop DP1 in the primary air flow path 220.
  • the pressure loss or primary pressure drop DP1 is, for example, 3000 Pa to 5000 Pa; at low operating points, the primary pressure drop DP1 can also be smaller.
  • the primary air flow path 220 and the secondary air flow path 225 are merged downstream of the filter 222.
  • the secondary air flow path 225 flows into the primary air flow path 220 between, with respect to a flow direction of the primary flow 221, the filter 222 and the compressor wheel 216.
  • the turbo machine 210 is thus designed to supply the supply air 239 sucked in by the compressor wheel 216 to the primary air flow path 220 and the secondary air flow path 225 before the supply air 239 is compressed by the compressor wheel 216.
  • the primary air flow path 220 and the secondary air flow path 225 are combined to provide the air flow 240.
  • the filter 222 generates the primary pressure drop DP1 and thus a pressure difference between the primary air flow path 220 and an environment, whereby supply air 239 is sucked in through the secondary air flow path 225.
  • the primary flow 221 is significantly larger than the secondary flow 226, more precisely, a mass flow of the primary flow 221 is larger than a mass flow of the secondary flow 226.
  • the primary flow 221 corresponds to more than 90% of the sucked in supply air 239 and the secondary flow 226 corresponds to less than 10% of the sucked in supply air 239.
  • the turbomachine 210 has a second filter 227 in the secondary air flow path 225.
  • the second filter 227 generates a secondary pressure drop DP2 in the secondary air flow path 225.
  • the respective pressure loss via the primary air flow path 220 and via the secondary air flow path 225 will be the same.
  • the ratios of the pressure resistances in the two filters 222, 227 are relevant for the resulting air flows.
  • the secondary flow 226 can be controlled via cross sections of the primary air flow path 220 and the secondary air flow path 225 and/or a throttle valve. This ensures that supply air 239 can be sucked in through the primary air flow path 220 and the secondary air flow path 225.
  • the turbomachine 210 can have a control valve 228 for controlling a secondary flow 226 flowing through the secondary air flow path 225.
  • the control valve 228 is communicatively connected to a control unit (not shown) of the turbomachine 210 or the fuel cell system 205 in order to receive signals for regulating and/or controlling the secondary flow 226.
  • the secondary flow 226 can thus be adjusted.
  • the secondary air flow path 225 is designed to cool the turbo machine 210.
  • the turbo machine 210 has corresponding channels and/or openings forming the secondary air flow path 225, which allow the secondary flow 226 to flow through the secondary air flow path 225.
  • the secondary air flow path 225 is designed to electric drive 215 and a bearing 217 of the turbomachine 210.
  • the secondary air flow path 225 can be arranged in particular to cool a rotor and a bearing holder KH- s--D2 (not shown) for receiving the bearing 217 in a housing (not shown) of the turbomachine 210.
  • a stator and/or power electronics of the electric drive 215 can be cooled, which can otherwise also be cooled with water or glycol as a coolant.
  • Figure 3 is a schematic representation of a turbomachine 210 according to an embodiment of the invention. Figure 3 is described with reference to Figures 1 and 2. Differences between the turbomachine 210 according to Figure 2 and the turbomachine 210 according to Figure 3 are described.
  • the turbomachine 210 according to Figure 3 is a multi-stage, in particular two-stage compressor 280.
  • the turbomachine 210 has two compressor wheels 216, each of which forms a compressor stage 281.
  • the two compressor stages 281 are sequentially connected to one another in terms of flow.
  • the air flow 240 provided by one of the compressor wheels 216 is fed to the other of the compressor wheels 216.
  • both compressor wheels 216 can be arranged on a common shaft (not shown), which enables a jointly cooled bearing by the bearing 217.
  • Figure 4 is a schematic representation of a turbomachine 210 according to an embodiment of the invention. Figure 4 is described with reference to Figures 1 to 3. Differences between the turbomachine 210 according to Figure 3 and the turbomachine 210 according to Figure 4 are described.
  • the turbomachine 210 has a compressor wheel 216, which forms a compressor 280, and has an expander 270.
  • the compressor 280 provides the air flow 240 and is designed to output the air flow 240 at a compressor outlet 282.
  • the compressor outlet 282 can, for example, be connected to a cathode-side inlet (not shown) of the fuel cell stack 206 in order to be able to subject the fuel cell stack 206 to the air flow 240.
  • the expander 270 is designed to be supplied with an exhaust gas flow 245.
  • the turbomachine 210 has an expander inlet 271, which can be designed to be fluidically connected to a cathode-side outlet (not shown) of the fuel cell stack in order to be able to be supplied with the exhaust gas flow 245 from the fuel cell stack 206.
  • the expander 270 has an expander outlet 275 in order to discharge exhaust air resulting from the expansion of the exhaust gas flow 245.
  • the compressor wheel 216 and an expander wheel can be arranged on a common shaft (not shown) that allows a common bearing to be cooled by the bearing 217.

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Abstract

Strömungsmaschine (210) für ein Brennstoffzellensystem (205) mit einem Brennstoffzellenstapel (206) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), wobei die Strömungsmaschine (210) dazu eingerichtet ist, den Brennstoffzellenstapel (206) kathodenseitig mit einem Luftstrom (240) zu beaufschlagen, die Strömungsmaschine (210) einen elektrischen Antrieb (215) und mindestens ein von dem elektrischen Antrieb (215) antreibbares Verdichterrad (216) zum Ansaugen von Zuluft (239) und zum Bereitstellen des Luftstroms (240), einen Primärluftstrompfad (220) und einen Sekundärluftstrompfad (220) jeweils zum Ansaugen der Zuluft (239) aufweist, die Strömungsmaschine (210) dazu eingerichtet ist, die durch das Verdichterrad (216) angesaugte Zuluft (239) dem Primärluftstrompfad (220) und dem Sekundärluftstrompfad (225) zuzuführen, bevor die Zuluft (239) durch das Verdichterrad (216) komprimiert wird; und der Sekundärluftstrompfad (225) zum Kühlen der Strömungsmaschine (210) eingerichtet ist.

Description

Strömungsmaschine für ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, Brennstoffzellensystem und Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine für ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug. Die Erfindung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend einen Brennstoffzellenstapel und eine Strömungsmaschine, und ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend ein Brennstoffzellensystem.
Strömungsmaschinen für Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Für derartige Brennstoffzellensysteme werden als Strömungsmaschinen Kompressoren beziehungsweise Verdichter verwendet.
In einem Brennstoffzellensystem wird der Kompressor dazu benutzt, Luft anzusaugen, zu verdichten und einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang des Brennstoffzellenstapels beziehungsweise Brennstoffzellenstacks zum Durchführen der Brennstoffzellenreaktion zuzuführen. Um Schädigungen des Brennstoffzellenstacks durch Kontamination zu vermeiden, bestehen hohe Anforderungen an die Luftreinheit. Zur Reduktion dieser Schadgase und/oder anderer Kontamination werden Filter beziehungsweise Filterelemente eingesetzt. Diese Filterelemente verursachen beim Ansaugen der Umgebungsluft einen Druckverlust, wodurch nach dem Filter ein Unterdrück herrscht.
Das verdichtete Stoffgemisch durchläuft den oder die Stapel. Das nach der Reaktion verbleibende Stoffgemisch tritt als Fluidstrom kathodenseitig aus einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang des Brennstoffzellenstapels wieder aus. Der Fluidstrom kann dabei auch flüssige Bestandteile beispielsweise in Form von Wassertropfen umfassen.
Dieser Fluidstrom weist üblicherweise noch einen Überdruck gegenüber der Umgebung auf und wird daher in den meisten Brennstoffzellensystemen dazu genutzt, eine Expanderwelle eines Expanders anzutreiben. Im Expander kann das auslassseitig austretende Stoffgemisch auf Umgebungsdruck entspannt werden, und die an die Expanderwelle abgegebene Energie wird üblicherweise in elektrische Energie umgewandelt, wenn der Expander mit einem Generator verbunden ist und/oder treibt ganz oder teilweise den Kompressor an, wenn der Kompressor und der Expander dieselbe Welle aufweisen.
Eine Herausforderung bei der Bereitstellung einer derartigen Strömungsmaschine ist die Kühlung eines elektrischen Antriebs zum Betreiben der Strömungsmaschine und gegebenenfalls eines oder mehrerer Lager zur Lagerung des Rotors der Strömungsmaschine.
Dabei ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Kühlung als Luftkühlung durch einen Luftstrom zu bewerkstelligen. Gemäß dem Stand der Technik kann dieser Luftstrom durch eine externe Luftversorgung erfolgen. Dafür muss die Strömungsmaschine einen geeigneten Anschluss aufweisen, um die Strömungsmaschine durch eine Druckluft bereitstellende Komponente des Fahrzeugs mit der Druckluft beaufschlagen zu können. Alternativ kann durch den Kompressor verdichtete Luft abgezweigt werden, was jedoch zu einem verminderten Wirkungsgrad der Strömungsmaschine führen kann, da das Komprimieren der Luft durch das Wandeln von Energie durch die Strömungsmaschine erfolgt.
Demgemäß offenbart DE 10 2011 087606 A1 eine Kraftfahrzeugsystemeinrichtung mit einem Antriebsaggregat, dem eine Ladereinrichtung zugeordnet ist, die einen Verdichter mit wenigstens einem mittels zumindest eines Lagers gelagerten Verdichterlaufrad aufweist, wobei das Lager über ein stationäres erstes Lagerteil und ein mit dem Verdichterlaufrad Wirkverbundenes zweites Lagerteil verfügt. Dabei ist vorgesehen, dass an das Lager eine Überdruckquelle angeschlossen ist, mittels welcher in einem zwischen dem ersten Lagerteil und dem zweiten Lagerteil vorliegenden Lagerspalt ein Überdruck herstellbar ist, wobei die Überdruckquelle der Verdichter und/oder Teil einer Tandempumpe ist, die neben dem Überdruck auch Unterdrück für einen Verbraucher der Kraftfahrzeugsystemeinrichtung bereitstellt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu bereichern und eine verbesserte Strömungsmaschine bereitzustellen. Insbesondere löst die Erfindung die Aufgabe, ein verbessertes Kühlen der Strömungsmaschine zu bewerkstelligen, bei der zusätzliche Druckluftanschlüsse vermieden werden können und der Wirkungsgrad verbessert werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine nach Anspruch 1 sowie den Gegenständen nach den weiteren unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche geben Weiterbildungen der Erfindung an.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Strömungsmaschine für ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, bereitgestellt. Dabei ist die Strömungsmaschine dazu eingerichtet, den Brennstoffzellenstapel kathodenseitig mit einem Luftstrom zu beaufschlagen. Die Strömungsmaschine weist einen elektrischen Antrieb und mindestens ein von dem elektrischen Antrieb antreibbares Verdichterrad zum Ansaugen von Zuluft und zum Bereitstellen des Luftstroms auf, die einen Primärluftstrompfad und einen Sekundärluftstrompfad jeweils zum Ansaugen der Zuluft aufweist. Die Strömungsmaschine ist dazu eingerichtet, die durch das Verdichterrad angesaugte Zuluft dem Primärluftstrompfad und dem Sekundärluftstrompfad zuzuführen, bevor die Zuluft durch das Verdichterrad komprimiert wird; und der Sekundärluftstrompfad ist zum Kühlen der Strömungsmaschine eingerichtet.
Dabei kann das Verdichterrad die Zuluft ansaugen. Die Zuluft kann dabei ein gasförmiger Fluidstrom sein, der dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen ist. Dabei kann der Fluidstrom feste und/oder flüssige Bestandteile aufweisen, die optional vor dem Zuführen des Fluidstroms zu den Brennstoffzellenstapel durch Filtern entfernt werden. Die Zuluft kann dabei durch den Primärluftstrompfad und durch den Sekundärluftstrom angesaugt und so dem Primärluftstrompfad und dem Sekundärluftstrom zugeführt werden. Das Verdichterrad kann die Zuluft über den Primärluftstrompfad und Sekundärluftstrompfad ansaugen und anschließend gesamthaft verdichten. Das Verdichterrad kann die Zuluft komprimieren und den Luftstrom bereitstellen, mit der der Brennstoffzellstapel kathodenseitig beaufschlagt werden kann.
Die Strömungsmaschine ist dabei dazu eingerichtet, die durch das Verdichterrad angesaugte Zuluft dem Primärluftstrompfad und dem Sekundärluftstrompfad zuzuführen, bevor die Zuluft durch das Verdichterrad komprimiert wird. Mit anderen Worten ist die Strömungsmaschine dazu eingerichtet, die durch das Verdichterrad angesaugte Zuluft beziehungsweise ein in Wesentlichen gasförmiges Medium stromaufwärts des Verdichterrads dem Primärluftstrompfad und dem Sekundärluftstrompfad zuzuführen. Dabei wurde erkannt, dass in dem Primärluftstrompfad typischerweise ein Druckabfall erfolgt. Der Luftstrom in dem Primärluftstrom, führt beim Durchströmen der Luft durch beispielsweise ein Filterelement zu einem Druckabfall. Der Druckabfall in dem Primärluftstrompfad führt zu einer Druckdifferenz zwischen dem Sekundärluftstrompfad und einer Umgebung und so zu einem Ansaugen der Zuluft über den Sekundärluftstrompfad. Dieser Unterdrück ermöglicht somit das Ansaugen von Zuluft über einen Sekundärluftstrompfad. Es wurde daher erkannt, dass es nicht notwendig sein muss, bereits komprimierte Luft abzuzweigen. Es wird mit anderen Worten vorgeschlagen, noch nicht durch das Verdichterrad komprimierte Zuluft entlang des Primärluftstrompfads und des Sekundärluftstrompfads zu leiten. Für das Ansaugen der Luft über den Sekundärluftstrompfad muss keine für den Verdichtungsprozess erforderliche Antriebsleistung aufgebracht werden. Mit der Verdichtung ist eine Erhöhung der Gastemperatur verbunden. Der über den Sekundärluftstrompfad zugeführte Luftstrom wird als Kühlluftstrom eingesetzt, bevor eine Verdichtung erfolgt. Die Erfindung hat zudem den Vorteil, dass die Gastemperatur nicht durch den Verdichtungsprozess erhöht wurde.
Dabei ist der Sekundärluftstrompfad zum Kühlen der Strömungsmaschine eingerichtet. Die Erfindung hat erkannt, dass zur Lösung der Aufgabe ein sekundärer Luftstrompfad implementiert werden kann, der dazu eingerichtet ist, einen durch den Sekundärluftstrompfad strömenden Teil der von dem Verdichterrad angesaugten Zuluft zur Kühlung zu verwenden. Die Strömungsmaschine ist dabei besonders vorteilhaft bei vergleichsweise hohen Luftmassenströmen verwendbar, da bei der Erzeugung eines hohen Luftmassenstroms beziehungsweise der damit einhergehenden Verdichtung der Luft eine hohe Menge an Wärme erzeugt wird und der elektrische Antrieb einen hohen Leistungsbedarf und damit auch einen hohen Bedarf zur Kühlung aufweist.
Durch das Bereitstellen des Primärluftstrompfads und des Sekundärluftstrompfads kann auf zusätzliche Anschlüsse zum Bereitstellen von Druckluft vom Fahrzeug und/oder auf eine Überdruckquelle verzichtet werden. Gleichzeitig vermeidet die Strömungsmaschine das verdichtete Luft verwendet wird, um die Strömungsmaschine zu kühlen, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad führen kann.
Vorteilhaft werden der Primärluftstrompfad und der Sekundärluftstrompfad zum Bereitstellen des Luftstroms vor dem Verdichterrad zusammengeführt. Dabei bezeichnet vor dem Verdichterrad stromaufwärts des Verdichterrads. Damit kann sämtliche durch das Verdichterrad angesaugte Zuluft zum Bereitstellen des Luftstroms verwendet werden. Damit kann vermieden werden, dass durch das Verdichterrad angesaugte Zuluft für den dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luftstrom verloren geht und so den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine beeinträchtigt.
Vorteilhaft weist die Strömungsmaschine in dem Primärluftstrompfad einen Filter auf, und der Primärluftstrompfad und der Sekundärluftstrompfad werden stromabwärts des Filters zusammengeführt. Dabei wurde erkannt, dass der Filter insbesondere bei Brennstoffzellensystem vorgesehen sein kann, um die angesaugte Zuluft zu reinigen. Dabei kann der Filter in dem Primärluftstrompfad einen Primärdruckabfall implizieren. Der Primärdruckabfall führt zu einer Druckdifferenz zwischen dem Primärluftstrompfad und dem Eintritt des Sekundärluftstrompfads, was zu einem Ansaugen von Zuluft durch den Sekundärluftstrompfad führt. Wird die Umgebungsluft von der Strömungsmaschine im Primärluftstrom angesaugt, entsteht durch den Strömungswiderstand des Filterelements nach diesem Filterelement ein Unterdrück. Dieser Unterdrück kann dazu genutzt werden einen weiteren Luftstrom, den Sekundärluftstrom anzusaugen. Vorteilhaft weist die Strömungsmaschine in dem Sekundärluftstrompfad einen zweiten Filter auf. Damit kann die durch den Sekundärluftstrompfad angesaugte Zuluft gereinigt werden, womit das Verdichterrad ausschließlich gereinigte Zuluft ansaugt.
Vorteilhaft weist die Strömungsmaschine ein Regelventil zum Regeln eines den Sekundärluftstrompfad durchströmenden Sekundärstroms auf. Das Regelventil kann insbesondere dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit der Menge der von dem Verdichterrad angesaugten Zuluft, also des Luftmassenstroms, gesteuert bzw. geregelt werden. Damit kann die Kühlung durch den Sekundärluftstrompfad abhängig von der Leistung gemacht werden, um eine leistungsorientierte Kühlung der Strömungsmaschine bereitstellen zu können. Ferner kann die Sekundärluftstrompfad für vorbestimmte Anwendungszwecke geöffnet oder geschlossen werden.
Vorteilhaft ist die Strömungsmaschine dazu eingerichtet, durch den Primärluftstrompfad ein Primärstrom zu fördern und durch den Sekundärluftstrompfad ein Sekundärstrom zu fördern, wobei der Primärstrom mehr als 90 % der angesaugten Zuluft entspricht und/oder der Sekundärstrom weniger als 10 % der angesaugten Zuluft entspricht. Damit kann eine Balance zwischen einem Druckabfall in dem Primärluftstrompfad und einer Anforderung an die Kühlung durch die Sekundärluft in dem Sekundärluftstrompfad erzielt werden. Beispielsweise entspricht dafür der Primärstrom zwischen 93 % und 95 % der angesaugten Zuluft und/oder der Sekundärstrom beträgt zwischen 5 % und 7 % der angesaugten Zuluft.
Vorteilhaft ist der Sekundärluftstrompfad dazu eingerichtet, den elektrischen Antrieb und/oder ein Lager der Strömungsmaschine zu kühlen. Dabei wurde erkannt, dass der elektrische Antrieb und/oder das Lager die Komponenten der Strömungsmaschine sind, die effektiv durch einen durch den Sekundärluftstrompfad strömenden Sekundärstrom kühlbar sind.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel und die oben beschriebene Strömungsmaschine, wobei die Strömungsmaschine dazu eingerichtet ist, den Brennstoffzellenstapel kathodenseitig mit einem Luftstrom zu beaufschlagen. Dabei kann die Strömungsmaschine ein oder mehrere der oben beschriebenen technischen Merkmale aufweisen, um einen damit verbundenen technischen Effekt zu erzielen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, bereitgestellt. Das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfasst das oben beschriebene Brennstoffzellensystem. Dabei kann das Brennstoffzellensystem beziehungsweise die Strömungsmaschine des Brennstoffzellensystems ein oder mehrere der oben beschriebenen technischen Merkmale aufweisen, um einen damit verbundenen technischen Effekt zu erzielen.
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 200a, insbesondere Nutzfahrzeugs 200b, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Das Fahrzeug 200a, insbesondere Nutzfahrzeug 200b, wird im Folgenden als Fahrzeug 200a, 200b bezeichnet. Das Fahrzeug 200a, 200b ist beispielsweise ein Landfahrzeug.
Das Fahrzeug 200a, 200b weist ein Brennstoffzellensystem 205, eine Energiespeichervorrichtung 260 und einen elektrischen Antrieb 250 des Fahrzeugs 200a, 200b auf. Das Brennstoffzellensystem 205 ist dazu eingerichtet, der Energiespeichervorrichtung 260 elektrische Energie 65 bereitzustellen. Die Energiespeichervorrichtung 260 ist beispielsweise eine wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 260 und dient als Pufferbatterie zum Puffern von elektrischer Energie 65. Die Energiespeichervorrichtung 260 ist mit dem elektrischen Antrieb 250 verbunden, um den elektrischen Antrieb 250 mit elektrischer Energie 65 zu versorgen, damit der elektrische Antrieb 250 das Fahrzeug 200a, 200b antreiben kann. Zusätzlich ist das Brennstoffzellensystem 205 mit dem elektrische Antrieb 250 zur direkten Bereitstellung von elektrischer Energie 65 verbunden.
Das Brennstoffzellensystem 205 umfasst eine als Kompressor 280 ausgebildete Strömungsmaschine 210, einen Brennstoffzellenstapel 206 und optional einen Expander 270. Der Expander 270 kann in einer Ausführungsform von der Strömungsmaschine 210 umfasst sein (siehe Figur 4). Wie in Figur 1 schematisch angedeutet ist die Strömungsmaschine 210 dazu eingerichtet, dem Brennstoffzellenstapel 206 kathodenseitig einen Luftstrom 240 zuzuführen. Dazu ist die Strömungsmaschine 210 dazu eingerichtet, mit elektrischer Energie 65 beaufschlagt zu werden, um Zuluft 239 anzusaugen, zu komprimieren und dem Brennstoffzellenstapel 206 als Luftstrom 240 zuzuführen. Der Expander 270 ist dazu eingerichtet, mit einem Abgasstrom 245 aus dem Brennstoffzellenstapel 206 beaufschlagt zu werden, um Energie aus dem Abgasstrom 245 in elektrische Energie 65 zu wandeln. Alternativ oder zusätzlich wird die Energie des Expanders 270 direkt in mechanische Energie gewandelt und direkt zum Antreiben (Drehmomentunterstützung) der Antriebswelle des Kompressor 280 genutzt.
Die der Strömungsmaschine 210 zugeführte elektrische Energie 65 dient zur Komprimierung der Zuluft 239 und zum Bereitstellen des Luftstroms 240. Bei der Komprimierung der Zuluft 239, durch Wandlung von elektrischer Energie 65, insbesondere in mechanische Energie, sowie durch Reibung entsteht Wärme. Um die Wärme abzutransportieren werden bei solchen elektrisch angetriebenen Strömungsmaschinen 210 meist eine Wasserkühlung und eine Luftkühlung kombiniert. Die Erfindung bezieht sich auf eine vorteilhafte Ausführung der Luftkühlung.
Ausführungsformen der Strömungsmaschine 210 sind mit Bezug zu Figuren 2 bis 4 beschrieben. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine 210 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Strömungsmaschine 210 ist eine Strömungsmaschine 210 für ein Brennstoffzellensystem 205 mit einem Brennstoffzellenstapel 206 für ein Fahrzeug 200a, 200b. Ein derartiges Brennstoffzellensystem 205 und ein derartiges Fahrzeug 200a, 200b sind mit Bezug zu Figur 1 beschrieben. Figur 2 wird unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben.
Die Strömungsmaschine 210 ist dazu eingerichtet ist, den Brennstoffzellenstapel 206 (nicht in Figur 2 gezeigt, siehe Figur 1) kathodenseitig mit einem Luftstrom 240 zu beaufschlagen. Dafür weist die Strömungsmaschine 210 einen elektrischen Antrieb
215 und ein von dem elektrischen Antrieb 215 antreibbares Verdichterrad 216 zum Ansaugen von Zuluft 239, zum Verdichten der Zuluft 240 und zum Bereitstellen des Luftstroms 240 auf.
Die Strömungsmaschine 210 mit dem elektrischen Antrieb 215 und dem Verdichterrad 216 ist somit ein Kompressor 280 (siehe Figur 1). Die Strömungsmaschine 210 beziehungsweise der Kompressor 280 ist in Figur 2 nur schematisch gezeigt und kann dabei einstufig (siehe Figur 4) oder mehrstufig (siehe Figur 3) sein und/oder als Turbokompressor (siehe Figur 4) ausgebildet sein, also eine als Expander 270 ausgebildete Stufe umfassen.
Wie in Figur 2 schematisch durch eine gepunktete Linie angedeutet, steht der elektrische Antrieb 215 in Wirkverbindung mit dem Verdichterrad 216. Der elektrische Antrieb 215 ist dazu eingerichtet, mit elektrischer Energie 65 beaufschlagt zu werden, um die elektrische Energie 65 zu wandeln und eine Rotationsbewegung des Verdichterrads 216 zu erzielen. Bei dem Wandeln der elektrischen Energie 65 entsteht Wärme in und/oder an dem elektrischen Antrieb 215.
Die Strömungsmaschine 210 gemäß Figur 2 weist mehrere schematisch durch eine Box als Lager 217 illustrierte Lager auf. Das Lager 217 ist dazu eingerichtet, dass Verdichterrad 216 beziehungsweise eine Welle (nicht gezeigt) des Verdichterrads
216 drehbar zu lagern. Die Lagerung der rotierenden Welle erfordert in der Regel zwei Radiallager. Damit steht das Lager 217 wie in Figur 2 schematisch durch eine gepunktete Linie angedeutet in einer Wirkverbindung mit dem Verdichterrad 216. Bei einer Drehung des Verdichterrads 216 entsteht Wärme in und/oder an dem Lager 217. Das Lager 217 umfasst in vielen Fällen auch ein Axiallager, um die vom Verdichterrad 216 erzeugten Axialkräfte abzustützen. Der Druck hinter dem Verdichterrad 216 ist höher als vor dem Laufrad ei ntritt. Diese druckbeaufschlagte Fläche bewirkt eine Schubkraft, die auf die Welle und die Lager 217 übertragen wird. In dem Lager 217 entstehen ebenfalls Verluste, welche zur Erwärmung des Systems führen.
Die Strömungsmaschine 210 weist einen Primärluftstrompfad 220 und einen Sekundärluftstrompfad 225 jeweils zum Ansaugen der Zuluft 239 auf. Mit anderen Worten sind der Primärluftstrompfad 220 und der Sekundärluftstrompfad 225 stromaufwärts des Verdichterrads 216 angeordnet. Stromabwärts des Verdichterrads 216 wird der Luftstrom 240 bereitgestellt. Die Strömungsmaschine 210 ist dazu eingerichtet, durch den Primärluftstrompfad 220 ein Primärstrom 221 zu fördern und durch den Sekundärluftstrompfad 226 ein Sekundärstrom 226 zu fördern.
Die Strömungsmaschine 210 weist in dem Primärluftstrompfad 220 ein Filter 222 auf. Der Filter 222 ist dabei spezifisch für eine Anwendung in einem Brennstoffzellensystem 205 eingerichtet. Der Filter 222 ermöglicht die effiziente Verwendung eines Radialverdichters als Strömungsmaschine 210. Der Filter 222 erzeugt einen Primärdruckabfall DP1 in dem Primärluftstrompfad 220. Der Druckverlust beziehungsweise Primärdruckabfall DP1 ist beispielsweise 3000 Pa bis 5000 Pa; bei niedrigen Betriebspunkten kann der Primärdruckabfall DP1 auch kleiner sein. Der Primärluftstrompfad 220 und der Sekundärluftstrompfad 225 werden stromabwärts des Filters 222 zusammengeführt. Mit anderen Worten mündet der Sekundärluftstrompfad 225 in den Primärluftstrompfad 220 zwischen, bezogen auf eine Strömungsrichtung des Primärstroms 221 , dem Filter 222 und dem Verdichterrad 216. Die Strömungsmaschine 210 ist somit dazu eingerichtet, die durch das Verdichterrad 216 angesaugte Zuluft 239 dem Primärluftstrompfad 220 und dem Sekundärluftstrompfad 225 zuzuführen, bevor die Zuluft 239 durch das Verdichterrad 216 komprimiert wird. Der Primärluftstrompfad 220 und der Sekundärluftstrompfad 225 werden zum Bereitstellen des Luftstroms 240 zusammengeführt. Der Filter 222 erzeugt den Primärdruckabfall DP1 und somit eine Druckdifferenz zwischen den Primärluftstrompfad 220 und einer Umgebung, womit durch den Sekundärluftstrompfad 225 Zuluft 239 angesaugt wird. Dabei ist der Primärstrom 221 wesentlich größer als der Sekundärstrom 226, genauer ist ein Massenstrom des Primärstroms 221 größer als ein Massenstrom des Sekundärstroms 226. Der Primärstrom 221 entspricht mehr als 90 % der angesaugten Zuluft 239 und der Sekundärstrom 226 entspricht weniger als 10 % der angesaugten Zuluft 239.
Die Strömungsmaschine 210 weist in dem Sekundärluftstrompfad 225 einen zweiten Filter 227 auf. Der zweite Filter 227 erzeugt in dem Sekundärluftstrompfad 225 einen Sekundärdruckabfall DP2. Der jeweilige Druckverlust über den Primärluftstrompfad 220 und über den Sekundärluftstrompfad 225 wird sich gleich einstellen. Die Verhältnisse der Druckwiderstände in den beiden Filtern 222, 227 sind relevant für die sich einstellenden Luftströme. Solange das Verdichterrad einen Unterdrück im Vergleich zur Umgebung generiert, kann über den Primärluftstrompfad 220 und den Sekundärluftstrompfad 225 angesaugt werden. Über Querschnitte jeweils des Primärluftstrompfads 220 und des Sekundärluftstrompfads 225 und/oder ein Drosselventil kann der Sekundärstrom 226 gesteuert werden. Damit wird bewerkstelligt, dass Zuluft 239 durch den Primärluftstrompfad 220 und den Sekundärluftstrompfad 225 angesaugt werden kann.
Die Strömungsmaschine 210 kann ein Regelventil 228 zum Regeln eines den Sekundärluftstrompfad 225 durchströmenden Sekundärstroms 226 aufweisen. Das Regelventil 228 ist mit einem Steuergerät (nicht gezeigt) der Strömungsmaschine 210 oder des Brennstoffzellensystems 205 kommunikationstechnisch verbunden, um Signale zum Regeln und/oder Steuern des Sekundärstroms 226 zu empfangen. Damit kann zusätzlich zu dem Ansaugen der Zuluft 239 durch das Verdichterrad 216 der Sekundärstrom 226 eingestellt werden.
Der Sekundärluftstrompfad 225 ist dazu eingerichtet, die Strömungsmaschine 210 zu kühlen. Dazu weist die Strömungsmaschine 210 entsprechende den Sekundärluftstrompfad 225 ausbildende Kanäle und/oder Öffnungen auf, die das Durchströmen des Sekundärluftstrompfads 225 durch den Sekundärstrom 226 ermöglichen. Dabei ist der Sekundärluftstrompfad 225 dazu eingerichtet, den elektrischen Antrieb 215 und ein Lager 217 der Strömungsmaschine 210 zu kühlen. Dabei kann der Sekundärluftstrompfad 225 insbesondere derart angeordnet sein, um einen Rotor und eine Lageraufnahme K-H- s--D2 (nicht gezeigt) zur Aufnahme des Lagers 217 in einem Gehäuse (nicht gezeigt) der Strömungsmaschine 210 zu kühlen. Optional kann einen Stator und/oder eine Leistungselektronik des elektrischen Antriebs 215 gekühlt werden, die anderenfalls auch mit Wasser oder Glykol als Kühlmittel gekühlt werden können.
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine 210 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Figur 3 wird unter Bezugnahme auf Figuren 1 und 2 beschrieben. Dabei werden Unterschiede zwischen der Strömungsmaschine 210 gemäß Figur 2 und der Strömungsmaschine 210 gemäß Figur 3 beschrieben.
Die Strömungsmaschine 210 gemäß Figur 3 ist ein mehrstufiger, insbesondere zweistufiger Kompressor 280. Die Strömungsmaschine 210 weist zwei Verdichterräder 216 auf, die jeweils eine Verdichterstufe 281 bilden. Die beiden Verdichterstufen 281 sind sequenziell strömungstechnisch miteinander verbunden. Mit anderen Worten wird der durch eines der Verdichterräder 216 bereitgestellte Luftstrom 240 dem anderen der Verdichterräder 216 zugeführt. Daraus kann sich ein anderes Druckverhältnisse zwischen der angesaugten Zuluft 239 und dem bereitgestellten Luftstrom 240 ergeben. Ferner können beide Verdichterräder 216 auf einer gemeinsamen Welle (nicht gezeigt) angeordnet sein, was eine gemeinsam zu kühlende Lagerung durch das Lager 217 ermöglicht.
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine 210 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Figur 4 wird unter Bezugnahme auf Figuren 1 bis 3 beschrieben. Dabei werden Unterschiede zwischen der Strömungsmaschine 210 gemäß Figur 3 und der Strömungsmaschine 210 gemäß Figur 4 beschrieben.
Die Strömungsmaschine 210 gemäß Figur 4 weist ein Verdichterrad 216 auf, das einen Kompressor 280 ausbildet, und weist einen Expander 270 auf. Der Kompressor 280 stellt den Luftstrom 240 bereit und ist dazu eingerichtet, den Luftstrom 240 an einem Verdichterausgang 282 auszugeben. Der Verdichterausgang 282 kann beispielsweise mit einem kathodenseitigen Einlass (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 206 fluidtechnisch verbunden zu sein, um den Brennstoffzellenstapel 206 mit dem Luftstrom 240 beaufschlagen zu können.
Der Expander 270 ist dazu eingerichtet, mit einem Abgasstrom 245 beaufschlagt zu werden. Dafür weist die Strömungsmaschine 210 einen Expandereinlass 271 auf, der dazu eingerichtet sein kann, mit einem kathodenseitigen Auslass (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels fluidtechnisch verbunden zu sein, um von dem Brennstoffzellenstapel 206 mit dem Abgasstrom 245 beaufschlagt werden zu können. Der Expander 270 weist einen Expanderauslass 275 auf, um aus der Expansion das Abgasstrom 245 resultierende Abluft abzugeben.
Das Verdichterrad 216 und ein Expanderrad (nicht gezeigt) können auf einer gemeinsamen Welle (nicht gezeigt) angeordnet sein, dass eine gemeinsame zu kühlende Lagerung durch das Lager 217 ermöglicht.
Bezugszeichen (Teil der Beschreibung)
65 elektrische Energie
200a Fahrzeug
200b Nutzfahrzeug
210 Strömungsmaschine
205 Brennstoffzellensystem
206 Brennstoffzellenstapel
210 Strömungsmaschine
215 elektrischen Antrieb der Strömungsmaschine
216 Verdichterrad
217 Lager
220 Primärluftstrompfad
221 Primärstrom
222 Filter
225 Sekundärluftstrompfad
226 Sekundärstrom
227 zweites Filter
228 Regelventil
239 Zuluft
240 Luftstrom
245 Abgasstrom
250 elektrischer Antrieb des Fahrzeugs
260 Energiespeichervorrichtung
270 Expander
271 Expandereinlass
275 Expanderauslass
280 Verdichter
281 Verdichterstufe
282 Verdichterausgang
DP1 Primärdruckabfall
DP2 Sekundärdruckabfall

Claims

Patentansprüche
1. Strömungsmaschine (210) für ein Brennstoffzellensystem (205) mit einem Brennstoffzellenstapel (206) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), wobei
- die Strömungsmaschine (210) dazu eingerichtet ist, den Brennstoffzellenstapel (206) kathodenseitig mit einem Luftstrom (240) zu beaufschlagen,
- die Strömungsmaschine (210) einen elektrischen Antrieb (215) und mindestens ein von dem elektrischen Antrieb (215) antreibbares Verdichterrad (216) zum Ansaugen von Zuluft (239) und zum Bereitstellen des Luftstroms (240), einen Primärluftstrompfad (220) und einen Sekundärluftstrompfad (225) jeweils zum Ansaugen der Zuluft (239) aufweist,
- die Strömungsmaschine (210) dazu eingerichtet ist, die durch das Verdichterrad (216) angesaugte Zuluft (239) dem Primärluftstrompfad (220) und dem Sekundärluftstrompfad (225) zuzuführen, bevor die Zuluft (239) durch das Verdichterrad (216) komprimiert wird; und
- der Sekundärluftstrompfad (225) zum Kühlen der Strömungsmaschine (210) eingerichtet ist.
2. Strömungsmaschine (210) nach Anspruch 1 , wobei der Primärluftstrompfad (220) und der Sekundärluftstrompfad (225) zum Bereitstellen des Luftstroms (240) vor dem Verdichterrad (216) zusammengeführt werden.
3. Strömungsmaschine (210) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strömungsmaschine (210) in dem Primärluftstrompfad (220) einen Filter (222) aufweist, und der Primärluftstrompfad (220) und der Sekundärluftstrompfad (225) stromabwärts des Filters (222) zusammengeführt werden.
4. Strömungsmaschine (210) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Strömungsmaschine (210) in dem Sekundärluftstrompfad (225) einen zweiten Filter (227) aufweist.
5. Strömungsmaschine (210) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Strömungsmaschine (210) ein Regelventil (228) zum Regeln eines den Sekundärluftstrompfad (225) durchströmenden Sekundärstroms (226) aufweist.
6. Strömungsmaschine (210) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Strömungsmaschine (210) dazu eingerichtet ist, durch den Primärluftstrompfad (220) ein Primärstrom (221) zu fördern und durch den Sekundärluftstrompfad (226) ein Sekundärstrom (226) zu fördern, wobei der Primärstrom (221) mehr als 90 % der angesaugten Zuluft (239) entspricht und/oder der Sekundärstrom (226) weniger als 10 % der angesaugten Zuluft (239) entspricht.
7. Strömungsmaschine (210) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sekundärluftstrompfad (225) dazu eingerichtet ist, den elektrischen Antrieb (215) und/oder ein Lager (217) der Strömungsmaschine (210) zu kühlen.
8. Brennstoffzellensystem (205) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (206) und eine Strömungsmaschine (210) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Strömungsmaschine (210) dazu eingerichtet ist, den Brennstoffzellenstapel (206) kathodenseitig mit einem Luftstrom (240) zu beaufschlagen.
9. Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend das Brennstoffzellensystem (205) nach Anspruch 8.
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