WO2026017653A1 - Gebläse für eine brennstoffzellenanordnung für ein fahrzeug, insbesondere nutzfahrzeug, brennstoffzellenanordnung, fahrzeug - Google Patents

Gebläse für eine brennstoffzellenanordnung für ein fahrzeug, insbesondere nutzfahrzeug, brennstoffzellenanordnung, fahrzeug

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WO2026017653A1
WO2026017653A1 PCT/EP2025/070163 EP2025070163W WO2026017653A1 WO 2026017653 A1 WO2026017653 A1 WO 2026017653A1 EP 2025070163 W EP2025070163 W EP 2025070163W WO 2026017653 A1 WO2026017653 A1 WO 2026017653A1
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WO
WIPO (PCT)
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blower
fuel cell
vehicle
motor shaft
impeller
Prior art date
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Application number
PCT/EP2025/070163
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Hahn
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ZF CV Systems Global GmbH
Original Assignee
ZF CV Systems Global GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ZF CV Systems Global GmbH filed Critical ZF CV Systems Global GmbH
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D25/0606—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven the electric motor being specially adapted for integration in the pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/051—Axial thrust balancing
    • F04D29/0513—Axial thrust balancing hydrostatic; hydrodynamic thrust bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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

  • Blower for a fuel cell assembly for a vehicle in particular
  • One disclosure relates to a blower for a fuel cell arrangement for a vehicle, in particular a commercial vehicle.
  • the disclosure relates equally to a fuel cell arrangement for a vehicle, in particular a commercial vehicle, comprising a fuel cell stack that can be supplied with a gas mixture on the anode side and a blower, and to a vehicle, in particular a commercial vehicle, comprising a fuel cell arrangement.
  • a fuel cell array of this type comprises a fuel cell system with galvanic cells that can be used to convert chemical energy into electrical energy.
  • the electrical energy is generated from a so-called fuel cell reaction, a chemical reaction between a supplied fuel, for example hydrogen, and an oxidant, usually oxygen.
  • a fuel cell reaction a chemical reaction between a supplied fuel, for example hydrogen, and an oxidant, usually oxygen.
  • oxidant usually oxygen.
  • the fuel cell array typically includes other components, such as a compressor for supplying the fuel cell stack with the oxidant, for example air, on the cathode side.
  • recirculation For fuel cell systems, especially for mobile applications with different operating points, such as vehicles, particularly commercial vehicles, it is useful to incorporate recirculation of a gas mixture containing the fuel in the anode path.
  • the aim is to return fuel not consumed through chemical reactions, especially electrolysis, to the system, to remove harmful gases, such as nitrogen (also known as "purging"), and/or to allow purging of the fuel cell stack to prevent and/or remove liquid and/or water accumulation.
  • Recirculation can be implemented passively and/or actively. Active recirculation means that a blower is used to circulate the fuel or gas mixture within the anode path according to the operating points and other requirements.
  • a recirculation blower i.e., a blower for recirculation in the anode path
  • Known recirculation blowers therefore exhibit some characteristics of compressors, particularly Roots compressors, scroll compressors, claw compressors, and/or turbomachinery.
  • WO 2021/094491 A1 discloses a media-gap motor, in particular for a turbocharger.
  • the proposed media-gap motor comprises a rotor and a stator, the stator having fins which extend radially with an inner section into a flow space formed between the stator and the rotor in the direction of the rotor.
  • the fins do not extend with their inner sections to the rotor, so that a gap is formed between an inner end of the fins and the rotor.
  • EP 1 995 426 A1 discloses an electric motor for conveying media, comprising a stator, a rotor with a rotor magnet, and a media passage opening between the stator and rotor.
  • the smallest inner diameter of the stator is 1.5 to 8 times the largest outer diameter of the rotor magnet.
  • German patent application 102023210206.4 which was not yet published on the filing date of the present disclosure, describes a blower for a fuel cell arrangement for recirculating a gas mixture used for the operation of the fuel cell arrangement, with a drive motor comprising a rotor coupled to a motor shaft and a stator arranged radially outside the rotor.
  • the blower assembly should be designed to minimize tolerances between the motor shaft bearings.
  • existing technology includes solutions where, particularly in recirculation blowers with a media-gap motor, the tolerance chain extends across two or three components, resulting in one or two interfaces between components. These interfaces introduce coaxiality deviations or concentricity tolerances between the bearings. This can significantly reduce bearing lifespan, especially at high speeds. Furthermore, each mechanical interface adds to the assembly effort.
  • one objective of the present disclosure is to provide a blower for a fuel cell assembly of a vehicle, in particular a commercial vehicle, which is suitable for enriching the prior art and improving at least the aforementioned aspects of the prior art.
  • a blower for a fuel cell arrangement for a vehicle in particular a commercial vehicle
  • the blower for recirculating a gas mixture used for operating the fuel cell arrangement comprises a drive motor with a motor shaft defining an axis, a rotor coupled to the motor shaft and a stator arranged radially outside the rotor
  • the blower comprises a blower impeller coupled to the motor shaft, wherein the blower impeller is configured to convey the gas mixture when the motor shaft rotates
  • the blower comprises a support section having two radial bearings for rotatably supporting the motor shaft, wherein the support section and the two radial bearings are arranged in the direction of the axis on the same side of the blower impeller.
  • the disclosure thus enables a reduction in the tolerance for the arrangement of the bearings supporting the motor shaft by minimizing the number of mechanical interfaces. Furthermore, the assembly of the blower can be simplified by eliminating at least one mechanical interface compared to the prior art.
  • the blower can be used to recirculate a gas mixture associated with an anode region of the fuel cell assembly.
  • the gas mixture can contain hydrogen as fuel. It can also contain other components, particularly those resulting from the reaction of hydrogen in the anode region of the fuel cell assembly.
  • the gas mixture can contain water, which is a byproduct of the hydrogen reaction. The gas mixture can be passed through the anode region of the fuel cell assembly.
  • the blower can be operated by the drive motor, which can be an electric motor.
  • the electric motor can be a brushless motor.
  • the drive motor can be a media-gap motor. In this case, the medium conveyed by the blower, especially the fluid during the The gas mixture used in the fuel cell arrangement is conveyed through a ring channel.
  • the fan impeller has an upstream side exposed to the gas mixture and a backside located opposite the upstream side with respect to the axis of the upstream side; and the support section and the two radial bearings are arranged along the axis on the backside of the fan impeller.
  • This makes it possible to arrange the support section and the radial bearings in an impeller backspace, i.e., on the backside of the fan impeller. This allows the upstream side to remain unobstructed, and the bearings and the electric drive can be arranged efficiently on the backside.
  • the blower comprises a main housing and a support component attached to the main housing, forming the support section.
  • the radial bearings can be arranged on this support component so that the corresponding bearing seats are located within the support component, thus enabling high accuracy to be achieved with corresponding tolerance references within the support component as a single component.
  • the radial bearings are designed as foil bearings. This allows the motor shaft to be supported with low friction and wear, especially at comparatively high speeds.
  • the rotor and stator, the two radial bearings, and the axial bearing for supporting the motor shaft are arranged on the same side of the fan impeller. This allows for a space-saving arrangement of the aforementioned components.
  • the rotor, stator, two radial bearings, and axial bearing are located on the rear side of the fan impeller.
  • the blower impeller is arranged at one end of the motor shaft. This allows the shaft to be stably supported while the blower impeller is positioned at the shaft end, thus forming a direct interface to the media inlet.
  • the blower comprises a main housing and a volute-forming component mounted to the main housing, and/or the volute is integrated into the main housing.
  • a separate volute component may be unnecessary depending on the arrangement of the axial bearing.
  • Both the inlet and outlet can be integrated into a single volute component.
  • flexible angular orientation of the volute is easily achievable.
  • a fuel cell arrangement for a vehicle comprising a fuel cell stack that can be supplied with a gas mixture on the anode side and a blower described above.
  • the blower includes one or more optional and/or advantageously described features in order to achieve an associated technical effect.
  • the blower can be connected via appropriate piping within the fuel cell assembly to one or more fuel cell modules or fuel cell stacks in such a way that the blower can guide the gas mixture through the anode area of the fuel cell assembly.
  • the blower can also be connected to a fuel source or fuel storage system, which allows the fuel content of the recirculated gas mixture to be adjusted.
  • the blower can be connected to a fuel cell module via a piping system within the fuel cell assembly.
  • the blower can be designed to recirculate hydrogen-containing gas within the fuel cell assembly.
  • the recirculation of the hydrogen-containing gas can be configured for the anode side of the fuel cell assembly.
  • the blower can be controlled as needed via a control unit, which can take into account the operating state of the fuel cell assembly.
  • the fuel cell assembly can also include several blowers of the type described above, which are integrated into the fuel cell assembly via corresponding piping systems.
  • a vehicle in particular a commercial vehicle, comprising a fuel cell arrangement as described above.
  • the blower and/or the fuel cell arrangement has one or more features described as optional and/or advantageous in order to achieve an associated technical effect.
  • the blower and/or the fuel cell assembly can be used in a mobile application.
  • the blower and/or the fuel cell assembly can be used in an electrically powered vehicle, with the electrical power being generated by the fuel cell assembly. and can optionally be supplied with a buffer battery or traction battery.
  • the fuel cell assembly with the blower can be used in a stationary application.
  • the blower can also be used to provide gas flow in other areas.
  • the blower can be used to achieve flow through the cathode side of the fuel cell assembly.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a vehicle, in particular a commercial vehicle, according to one aspect of the disclosure
  • Fig. 2 shows a cross-section of a blower according to one aspect of the revelation
  • Fig. 3 shows a cross-section of a blower according to one aspect of the revelation
  • Fig. 4 shows a cross-section of a blower according to one aspect of the disclosure.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a vehicle 200a, in particular a commercial vehicle 200b, according to one aspect of the disclosure.
  • Vehicle 200a in particular commercial vehicle 200b, is hereinafter referred to as vehicle 200a, 200b.
  • Vehicle 200a, 200b is, for example, a land vehicle or a watercraft.
  • the vehicle 200a, 200b comprises a fuel cell assembly 205, an energy storage device 260, and an electric main drive 250.
  • the fuel cell assembly 205 is configured to supply 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 storing electrical energy 65.
  • the energy storage device 260 is also referred to as a traction battery.
  • the energy storage device 260 is connected to the electric main drive 250 to supply the electric main drive 250 with electrical energy 65. supply so that the main electric drive 250 can drive the vehicle 200a, 200b.
  • the fuel cell assembly 205 comprises a blower 1, a compressor 210, a fuel cell system 204 or a fuel cell stack 206 and optionally an expander 270.
  • the fuel cell stack 206 has a cathode 207 and an anode 208.
  • the blower 1 of the present embodiments is used in a fuel cell arrangement 205 in which hydrogen-containing gas is circulated as a gas mixture 40 and reacts electrochemically to generate electrical energy 65.
  • the blower 1 described here is used to purge an anode region of the fuel cell stack 206 and/or to ensure a predetermined composition of the gas mixture 40 located in the anode region.
  • the blower 1 is configured to supply the anode 208 with the gas mixture 40 and thus with the fuel.
  • the fuel cell assembly 205 generally includes a control unit (not shown) which, among other things, controls the operation of the blower 1. This includes controlling the speed of the blower 1, which allows the blower output to be adjusted. In addition, the operating state of the fuel cell assembly 205 is taken into account to determine whether or not operation of the blower 1 is necessary. If the blower 1 is not operated, the gas mixture 40 can easily pass through the blower 1 due to its design as a media-gap motor.
  • the compressor 210 is configured to supply an airflow to the cathode side of the fuel cell stack 206, i.e., to the cathode 207.
  • the compressor 210 is configured to be powered by electrical energy 65 in order to draw in air, compress it, and supply it to the fuel cell stack 206 as supply air 240.
  • the expander 270 is configured to be supplied with exhaust air 245 from the fuel cell stack 206 in order to convert energy from the exhaust air 245 into electrical energy 65.
  • Blower 1 is further described with reference to Figures 2 to 4.
  • Figure 2 shows a cross-section of a blower 1 according to one aspect of the disclosure.
  • the blower 1 according to Figure 2 is a blower 1 for a fuel cell arrangement 205 for a vehicle 200a, in particular a commercial vehicle 200b.
  • a blower 1 and vehicle 200a, 200b are each described with reference to Figure 1.
  • Figure 2 is described with reference to Figure 1.
  • the blower 1 is designed to recirculate the gas mixture 40 used for operating the fuel cell arrangement 205.
  • the blower 1 has a drive motor 7, 8, 9 with a motor shaft 7, a rotor 9 coupled to the motor shaft 7, and a stator 8 arranged radially outside the rotor 9.
  • the motor shaft 7 defines an axis A, which corresponds to the axis of rotation of the motor shaft 7.
  • the stator 8 is rotationally fixed to the main housing 2.
  • the rotor 9 comprises one or more permanent magnet elements 9a (only schematically indicated in Figure 2).
  • the stator 8 When energy is applied, the stator 8 generates a rotating magnetic field, so that the rotor 9 rotates together with the motor shaft 7 when energy is applied to the stator 8.
  • the rotor 9 is connected to the rotatable motor shaft 7, so that the rotor 9 can rotate together with the motor shaft 7.
  • the motor shaft 7 is rotatably supported on both sides by radial bearings 11, 12.
  • the radial bearings 11, 12 are designed as foil bearings 11', 12'.
  • the blower 1 comprises a main housing 2, a housing cover 6, and a volute component 43b forming a volute 43.
  • the volute component 43b and the housing cover 6 can be formed as one component and/or the volute 43 can be integrated into the main housing 2.
  • the blower 1 according to Figure 2 thus comprises the main housing 2, the housing cover 6, and the volute component 43b, which forms the volute 43 and is mounted on the main housing 2.
  • the volute component 43b has an inlet flange 13 or an inlet pipe.
  • the volute component 43b is designed to guide the gas mixture 40.
  • the volute component 43b has an inlet side 41 and an outlet side 42.
  • the main housing 2 forms an outer circumference of a main section of the blower 1 and, in the present embodiment, is essentially cylindrical.
  • the drive motor 7, 8, 9 is arranged radially inside the main housing 2 and comprises the radially outer stator 8, the radially inner rotor 9, and the motor shaft 7 connected to the rotor 9.
  • the blower 1 has a housing cover 6 attached to the main housing 2.
  • the blower 1 has fastening elements 45 for attaching the housing cover 6 and the support component 31 to the main housing 2.
  • the fastening elements 45 are, for example, screws and/or bolts and are designed to secure a mechanical interface between the main housing 2, a support component 31, and the housing cover 6.
  • the housing cover 6 has a passage and/or a recess in its center through which the motor shaft 7 passes.
  • the blower 1 has a support section 30 which includes two radial bearings 11, 12 for rotatably supporting the motor shaft 7.
  • the support section 30 is arranged within the main housing 2.
  • the blower 1 comprises the main housing 2 and the support section 30 attached to the main housing 2.
  • the support section 30 forms the support component 31.
  • the support component 31 is fixed to the main housing 2 and to the housing cover 6 via the fastening elements 45.
  • the blower 1 has a blower impeller 5 coupled to the motor shaft 7.
  • the blower impeller 5 is rotationally fixed to the motor shaft 7.
  • the blower impeller 5 is located at one end 7a of the motor shaft 7.
  • the motor shaft 7 extends in the direction of axis A approximately and/or exactly to the blower impeller 5. Rotation of the motor shaft 7 causes rotation of the blower impeller 5.
  • volute component 43b and the housing cover 6 form the volute 43, or outlet volute, which has a circumferentially variable diameter and is open towards the blower impeller 5.
  • the volute 43 is designed to be in operative contact with the blower impeller 5 during operation in order to improve the blower performance 1.
  • a housing flange 6a is attached to the housing cover 6 for connecting the main housing 2 and the support component 31 to the housing cover 6. This flange has a passage in the center into which the motor shaft 7 projects.
  • the blower impeller 5 has an upstream side 5a, which is exposed to the gas mixture 40, and a backside 5b, which is arranged opposite the upstream side 5a with respect to the axis A.
  • the blower impeller 5 is bounded along the axis A by the upstream side 5a and opposite the upstream side 5a by the backside 5b.
  • the upstream side 5a points towards the inlet side 41, and the backside 5b points in the opposite direction, i.e., towards the housing cover 6 and/or the main housing 2.
  • the blower impeller 5 is designed to convey the gas mixture 40 from the inlet side 41 to the outlet side 42 when the motor shaft 7 rotates.
  • the blower impeller 5 has blades arranged on the upstream side 5a, which are designed with a predetermined shape to achieve a conveying or pumping function.
  • the inside of the housing cover 6 and the The volute 43 is adapted to the contour of the blower impeller 5 in the radial area where the blower impeller 5 is provided. Radially outside the blower impeller 5 is an annular gap that is open to the volute 43.
  • the support section 30 and the two radial bearings 11, 12 are arranged in the direction of axis A on the same side 18 of the blower impeller 5.
  • the support section 30 and the two radial bearings 11, 12 are arranged in the direction of axis A on side 18 of the rear 5b of the blower impeller 5.
  • the blower 1 has an axial bearing 19 arranged in or on the housing cover 6 for supporting the motor shaft 7.
  • the rotor 9, the stator 8, the two radial bearings 11, 12 and the axial bearing 19 are arranged in the direction of axis A on the same side 18 of the blower impeller 5, namely on the rear side 5b of the blower impeller 5.
  • the axial bearing 19 is arranged on the housing cover 6.
  • the blower 1 has an annular channel 10 arranged radially between the rotor 9 and the stator 8.
  • the annular channel 10 is located on the rear side 5b of the blower impeller 5.
  • the annular channel 10 is provided radially between the stator 8 and the rotor 9.
  • the blower 1 has sealing elements 10a for fluidic sealing of the annular channel against the stator 8.
  • a radial inner wall of the annular channel 10 is formed by an outer circumference of the support section 30.
  • a radial outer wall of the annular channel 10 is formed by an outer wall 17 arranged radially outside the support section 30 and radially inside the stator 8.
  • the radial inner wall is formed by an outer surface of the rotor 9.
  • the annular channel 10 can have a cylindrical inner wall and a cylindrical outer wall.
  • the gas mixture 40 can flow between the cylindrical inner wall and the cylindrical outer wall of the annular channel 10.
  • the stator 8 is located radially outside the annular channel 10 and the support component 31.
  • the volute component 43b has a flow guide device 14 in the inlet flange 13.
  • the flow guide device 14 is explained below.
  • the flow guide device 14 is provided in the form of a guide grid 14 on the right-hand section of the inlet flange 13 in Figure 2, i.e., on the inlet side 41.
  • the flow guide device 14, or guide grid 14 has an arrangement of guide vanes (not shown) distributed around its circumference. Flow can pass through the guide grid 14 via a passage in the direction of the upstream side 5a of the fan impeller 5.
  • the guide grid 14 is integrated with the elements of the inlet flange 13.
  • the radial outer wall in the inlet area of the inlet flange 13 incorporates the guide vanes of the guide grid 14.
  • the guide vanes are formed integrally with a tube of the inlet flange 13. This design simplifies the manufacturing of the inlet flange 13, as the outer tube can be manufactured with the guide vanes of the guide grid 14.
  • the flow guide device 14 can be integrated into the volute component 43b in such a way that liquid components from the gas mixture 40 can be separated onto the outer wall of the inlet pipe.
  • the liquid components can be separated via a water separation channel 16, shown only schematically and provided in the volute component 43.
  • Figure 3 shows a cross-section of a blower 1 according to one aspect of the revelation.
  • the blower 1 according to Figure 3 is an alternative to the blower 1 according to Figure 2.
  • Figure 3 is described with reference to Figures 1 and 2, outlining the differences between the blowers 1 according to Figures 2 and 3.
  • the outer wall 17 of the annular channel 10 is omitted. This allows the stator 8 and rotor 9 to be arranged closer together, which can improve the efficiency of the electric drive 7, 8, 9.
  • Figure 4 shows a cross-section of a blower 1 according to one aspect of the revelation.
  • the blower 1 according to Figure 4 is an alternative to the blowers 1 according to Figures 2 and 3.
  • Figure 4 is described with reference to Figures 1 to 3, outlining the differences between the blower 1 according to Figure 4 and the blowers 1 according to Figures 2 and 3.
  • the blower 1 has a thrust bearing carrier 19a that supports the thrust bearing 19. This allows the thrust bearing 19a to be positioned opposite the shaft end 7a on the shaft 7.
  • the drive 7, 8, 9 is thus located between the thrust bearing 19 and the blower impeller 5.
  • the housing cover 6 can be of a simpler design, integrated with the support component 31 (see schematically in Figure 4), i.e., designed as a single assembly unit, and/or integrated into the main housing 2.

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Abstract

Gebläse (1 ) für eine Brennstoffzellenanordnung (205) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b); wobei das Gebläse (1) zur Rezirkulation eines für den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung (205) eingesetzten Gasgemischs (40) einen Antriebsmotor (7, 8, 9) mit einer eine Achse (A) definierenden Motorwelle (7), einem mit der Motorwelle (7) gekoppelten Rotor (9) und einen radial außerhalb des Rotors (9) angeordneten Stator (8) aufweist; das Gebläse (1) ein mit der Motorwelle (7) gekoppeltes Gebläselaufrad (5) aufweist, wobei das Gebläselaufrad (5) dazu eingerichtet ist, bei einer Rotation der Motorwelle (7) das Gasgemisch (40) zu fördern; und das Gebläse (1) ein zwei Radiallager (11, 12) zum drehbaren Lagern der Motorwelle (7) aufweisenden Trägerabschnitt (30) umfasst, wobei der Trägerabschnitt (30) und die zwei Radiallager (11, 12) in Richtung der Achse (A) auf derselben Seite (18) des Gebläselaufrads (5) angeordnet sind.

Description

Gebläse für eine Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug, insbesondere
Nutzfahrzeug, Brennstoffzellenanordnung, Fahrzeug
Die ein Offenbarung betrifft ein Gebläse für eine Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug. Die Offenbarung betrifft gleichermaßen eine Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend einen anodenseitig mit einem Gasgemisch beaufschlagbaren Brennstoffzellenstapel und ein Gebläse, und ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzellenanordnung.
Derartige Gebläse für Brennstoffzellenanordnungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine derartige Brennstoffzellenanordnungen umfasst ein Brennstoffzellensystem mit galvanischen Zellen, die zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie genutzt werden können. Die elektrische Energie wird dabei aus einer sogenannten Brennstoffzellenreaktion gewonnen, einer chemischen Reaktion zwischen einem zugeführten Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und einem Oxidationsmittel, üblicherweise Sauerstoff. Zur Erhöhung der Energiegewinnung können mehrere Zellen beziehungsweise Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengeführt werden. Die Brennstoffzellenanordnung umfasst neben dem Brennstoffzellenstapel typischerweise weitere Komponenten, beispielsweise einen Kompressor beziehungsweise Verdichter zum kathodenseitigen Beaufschlagen des Brennstoffzellenstapels mit dem Oxidationsmittel, beispielsweise mit Luft.
Für Brennstoffzellenanordnungen ist es insbesondere für mobile Anwendungen mit verschiedenen Betriebspunkten, beispielsweise für Fahrzeuge, insbesondere Nutzfahrzeuge, nützlich, im Anodenpfad eine Rezirkulation eines den sogenannten Brennstoff umfassenden Gasgemischs vorzusehen. Dabei soll erzielt werden, nicht durch chemische Reaktionen, insbesondere durch Elektrolyse, verbrauchten Brennstoff, dem System wieder zuzuführen, schädliche Gase, beispielsweise Stickstoff, abzuführen (auch als „purgen“ bezeichnet) und/oder es zu ermöglichen, den Brennstoffzellenstapel durchzublasen, um Flüssigkeits- und/oder Wasseransammlungen zu vermeiden und/oder zu entfernen. Die Rezirkulation kann dabei passiv und/oder aktiv ausführt werden. Eine aktive Rezirkulation bedeutet, dass das Gebläse vorgesehen ist, um den Brennstoff beziehungsweise das Gasgemisch innerhalb des Anodenpfads entsprechend den Betriebspunkten und sonstigen Anforderungen fördern zu können.
Die Ausführungsform eines Rezirkulationsgebläses, also eines Gebläses zur Rezirkulation im Anodenpfad, ist herausfordernd, da Wasserstoff, Stickstoff sowie Feuchtigkeit herausfordernde Merkmale des Gasgemischs sind, die besondere Maßnahmen bezüglich der Dichtheit, der Robustheit und Lebensdauer erforderlich machen. Bekannte Rezirkulationsgebläse weisen daher teilweise Merkmale von Verdichtern auf, insbesondere von Roots-Verdichtern, Scroll- Verdichtern, Klauen- Verdichtern und/oder Turbomaschinen.
WO 2021/094491 A1 offenbart einen Medienspaltmotor, insbesondere für einen Turbolader. Der vorgeschlagene Medienspaltmotor enthält einen Rotor und einen Stator, wobei der Stator Finnen aufweist, die sich mit einem inneren Abschnitt radial in einem zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildeten Strömungsraum in Richtung des Rotors erstrecken. Die Finnen erstrecken sich mit ihren inneren Abschnitten nicht bis zum Rotor, sodass ein Spalt zwischen einem inneren Ende der Finnen und dem Rotor ausgebildet ist.
EP 1 995 426 A1 offenbart einen Elektromotor zur Förderung von Medien, wobei dieser einen Stator, einen Rotor mit einem Rotormagneten sowie zwischen Stator und Rotor eine Medien-Durchlassöffnung aufweist. Der kleinste Innendurchmesser des Stators ist 1 ,5- bis 8-mal so groß ist wie der größte Außendurchmesser des Rotormagneten.
Die am Anmeldetag der vorliegenden Offenbarung noch nicht veröffentliche deutsche Patentanmeldung 102023210206.4 beschreibt ein Gebläse für eine Brennstoffzellenanordnung zur Rezirkulation eines für den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung eingesetzten Gasgemischs mit einem Antriebsmotor, der einen mit einer Motorwelle gekoppelten Rotor und einen radial außerhalb des Rotors angeordneten Stator aufweist. Der Gebläseaufbau soll möglichst so gestaltet werden, dass eine Toleranzkette zwischen den Lagerstellen der Motorwelle möglichst gering ist. Aus dem Stand der Technik sind insbesondere Lösungen bekannt, bei denen sich die Toleranzkette insbesondere bei Rezirkulationsgebläsen mit Medienspaltmotor über beispielsweise zwei oder drei Bauteile erstreckt, sodass eine oder zwei Übergangsschnittstellen zwischen Bauteilen entstehen, die Koaxialitätsabweichungen beziehungsweise Konzentrizitätstoleranzen zwischen den Lagern bedingen. Dies kann die Lebensdauer der Lager signifikant herabsenken, insbesondere bei hohen Drehzahlen. Zudem bedingt jede mechanische Schnittstelle einen Montageaufwand.
Vor dem Hintergrund dieses Standes der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung darin, ein Gebläse für eine Brennstoffzellenanordnung eines Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, anzugeben, welche geeignet ist, den Stand der Technik zu bereichern und zumindest die oben genannten Aspekte des Standes der Technik zu verbessern. Insbesondere ist es die Aufgabe der Offenbarung, eine verbesserte Toleranz bezüglich der Anordnung der Lager und/oder einen verminderten Montageaufwand zu erzielen.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche haben Weiterbildungen der Offenbarung zum Inhalt.
Danach wird die Aufgabe gemäß einem Aspekt der Offenbarung durch ein Gebläse für eine Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, gelöst; wobei das Gebläse zur Rezirkulation eines für den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung eingesetzten Gasgemischs einen Antriebsmotor mit einer eine Achse definierenden Motorwelle, einem mit der Motorwelle gekoppelten Rotor und einen radial außerhalb des Rotors angeordneten Stator aufweist; das Gebläse ein mit der Motorwelle gekoppeltes Gebläselaufrad aufweist, wobei das Gebläselaufrad dazu eingerichtet ist, bei einer Rotation der Motorwelle das Gasgemisch zu fördern; und das Gebläse ein zwei Radiallager zum drehbaren Lagern der Motorwelle aufweisenden Trägerabschnitt umfasst, wobei der Trägerabschnitt und die zwei Radiallager in Richtung der Achse auf derselben Seite des Gebläselaufrads angeordnet sind. Dabei wurde erkannt, dass es möglich ist, die Radiallager in dem Trägerabschnitt anzuordnen und den Trägerabschnitt beziehungsweise die Radiallager in Richtung der Achse auf derselben Seite des Gebläselaufrads anzuordnen. Mit anderen Worten ergibt sich entlang der Achse beziehungsweise in Richtung der Achse und/oder bezogen auf die Achse eine Reihenfolge der Anordnung, bei der das Gebläselaufrad nicht zwischen den Radiallagern ist, sondern eines der Radiallager zwischen dem Gebläselaufrad und dem anderen der Radiallager angeordnet ist. Damit ist es bauraumeffizient und effektiv möglich, die Radiallager in den Trägerabschnitt zu integrieren. Damit können beide Radiallager zur Lagerung der Motorwelle in nur einem Bauteil angeordnet werden und lediglich der Trägerabschnitt muss beispielsweise im Bezug zu einem Hauptgehäuse angeordnet werden. Damit ist zur Lagerung der Motorwelle nur noch eine mechanische Schnittstelle vonnöten.
Die Offenbarung ermöglicht somit, dass durch die Verminderung der mechanischen Schnittstellen eine Toleranz zur Anordnung der Lager zur Lagerung der Motorwelle vermindert werden kann. Zudem kann durch die wenigstens eine gegenüber dem Stand der Technik entbehrliche mechanische Schnittstelle die Montage des Gebläses vereinfacht werden.
Das Gebläse kann zur Rezirkulation eines Gasgemischs eingesetzt werden, das einem Anodenbereich der Brennstoffzellenanordnung zugeordnet ist. Das Gasgemisch kann Wasserstoff als Brennstoff enthalten. Das Gasgemisch kann ferner weitere Komponenten enthalten, die sich insbesondere aus der Reaktion des Wasserstoffs im Anodenbereich der Brennstoffzellenanordnung ergeben können. Das Gasgemisch kann Wasser enthalten, das sich aus der Reaktion des Wasserstoffs ergibt. Das Gasgemisch kann durch den Anodenbereich der Brennstoffzellenanordnung hindurchgeführt werden.
Das Gebläse kann mit dem Antriebsmotor betrieben werden, der als Elektromotor ausgestaltet sein kann. Der Elektromotor kann als bürstenloser Motor ausgebildet sein. Der Antriebsmotor kann als Medienspaltmotor ausgebildet sein. In diesem Fall kann das von dem Gebläse geförderte Medium, insbesondere das bei der Brennstoffzellenanordnung eingesetzte Gasgemisch, durch einen Ringkanal gefördert werden.
Das mit der Motorwelle gekoppelte Gebläselaufrad kann an der Austrittsseite des derart vorgesehen sein, dass das Gasgemisch bei Rotation des Gebläselaufrads gefördert werden kann. Das Gebläselaufrad kann eine Anordnung von Schaufeln aufweisen, die um den Umfang des Gebläselaufrads verteilt sind. Durch Rotation des Gebläselaufrads kann das Gasgemisch auf der Grundlage einer entsprechenden Pumpfunktion gefördert werden. Dabei kann das Gebläselaufrad das Gasgemisch aufgrund der Rotation in einer radialen Richtung fördern.
Optional weist das Gebläselaufrad eine durch das Gasgemisch anströmbare Anströmseite und eine bezogen auf die Achse der Anströmseite gegenüberliegend angeordnete Rückseite auf; und der Trägerabschnitt und die zwei Radiallager sind in Richtung der Achse auf der Seite der Rückseite des Gebläselaufrads angeordnet. Damit ist es möglich, den Trägerabschnitt und die Radiallager in einem Impellerrückraum, also auf der Rückseite des Gebläselaufrads, anzuordnen. Damit kann die Anströmseite zur Anströmung frei bleiben und auf der Rückseite kann die Lagerung und der elektrische Antrieb bauraumeffektiv angeordnet werden.
Optional weist das Gebläse ein Hauptgehäuse und ein an dem Hauptgehäuse befestigtes und den Trägerabschnitt bildendes Trägerbauteil auf. Die Radiallager können so auf einem Trägerbauteil angeordnet werden, sodass die entsprechenden Lagersitze zur Aufnahme der Lager sich in dem Trägerbauteil befinden und somit entsprechende Toleranzbezüge innerhalb des Trägerbauteils als nur ein Bauteil hohe Genauigkeiten realisieren lassen.
Optional weist das Gebläse einen radial zwischen dem Rotor und dem Stator angeordneten Ringkanal auf; und das Gasgemisch ist durch den Ringkanal strömbar. Ringkanal kann an Trägerbauteil geformt oder separat sein. Mit anderen Worten kann der elektrische Antrieb als ein Medienspaltmotor ausgebildet sein. Da der elektrische Antrieb beispielsweise auf der Rückseite des Gebläselaufrads angeordnet ist, kann ein vergleichsweise engerer Spalt zwischen Rotor und Stator ermöglicht werden, da der Medienfluss nicht beabsichtigt zwischen Stator und Rotor hindurchgeführt wird. Der Stator also über den Ringkanal beziehungsweise ein Spaltrohr gekapselt, sodass dieser sich in einem gedichteten Raum befindet. Das Gasgemisch kann weiterhin durch den Ringkanal strömen und als Medium und/oder Schmierstoff für die Radiallager dienen.
Optional sind die Radiallager als Folienlager ausgebildet. Damit kann die Motorwelle insbesondere bei vergleichsweise hohen Drehzahlen reibungs- und verschleißarm gelagert werden.
Optional sind der Rotor und der Stator, die zwei Radiallager und ein Axiallager zur Lagerung der Motorwelle in Richtung der Achse auf derselben Seite des Gebläselaufrads angeordnet. Damit ist eine bauraumeffektive Anordnung der genannten Komponenten möglich. Insbesondere sind der Rotor, der Stator, die zwei Radiallager und das Axiallager auf der Rückseite des Gebläselaufrads angeordnet.
Optional ist das Gebläselaufrad an einem Wellenende der Motorwelle angeordnet. Dadurch wird ermöglicht, dass die Welle stabil gelagert werden kann, während das Gebläselaufrad am Wellendende angeordnet ist und so eine direkte Schnittstelle zum Medieneinlass bildet.
Optional umfasst das Gebläse ein Hauptgehäuse und ein eine Volute ausbildendes und an das Hauptgehäuse montiertes Volutenbauteil und/oder die Volute ist in das Hauptgehäuse integriert. Dabei wurde erkannt, dass der vorgeschlagene Aufbau vielerlei Varianten hinsichtlich der Volute ermöglich. Beispielsweise kann ein separates Volutenbauteil in Abhängigkeit von der Anordnung des Axiallager auch entbehrlich sein. In einem Volutenbauteil kann sowohl Einlass als auch Auslass in einem Bauteil integriert werden. Gleichzeitig ist eine flexible Winkelorientierung der Volute einfach möglich.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird eine Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, bereitgestellt, umfassend einen anodenseitig mit einem Gasgemisch beaufschlagbaren Brennstoffzellenstapel und ein oben beschriebenes Gebläse. Optional weist das Gebläse ein oder mehrere als optional und/oder vorteilhaft beschriebene Merkmale auf, um einen damit verbundenen technischen Effekt zu erzielen.
Das Gebläse kann über entsprechende Rohrleitungen innerhalb der Brennstoffzellenanordnung mit einem oder mehreren Brennstoffzellenmodulen beziehungsweise Brennstoffzellenstapeln derart verbunden sein, dass das Gebläse das Gasgemisch durch den Anodenbereich der Brennstoffzellenanordnung leiten kann. Das Gebläse kann ferner mit einer Brennstoffquelle beziehungsweise einem Brennstoffspeicher verbunden sein, über die das rezirkulierte Gasgemisch hinsichtlich des Brennstoffgehalts eingestellt werden kann.
Dabei kann das Gebläse mit einer Leitungsanordnung in der Brennstoffzellenanordnung mit einem Brennstoffzellenmodul verbunden sein. Das Gebläse kann zum Rezirkulieren von Wasserstoff enthaltendem Gas für die Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sein. Insbesondere kann die Rezirkulation des Wasserstoffs enthaltenden Gases für die Anodenseite der Brennstoffzellenanordnung ausgebildet sein. Das Gebläse kann bedarfsweise über eine Steuerungseinrichtung gesteuert werden, wobei ein Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung berücksichtigt werden kann. Die Brennstoffzellenanordnung kann auch mehrere Gebläse der vorstehend beschriebenen Bauart aufweisen, die entsprechend mit Leitungen in die Brennstoffzellenanordnung eingebunden sind.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, bereitgestellt, umfassend eine oben beschriebene Brennstoffzellenanordnung. Optional weist das Gebläse und/oder die Brennstoffzellenanordnung ein oder mehrere als optional und/oder vorteilhaft beschriebene Merkmale auf, um einen damit verbundenen technischen Effekt zu erzielen.
Das Gebläse und/oder die Brennstoffzellenanordnung können in einer mobilen Anwendung eingesetzt werden. Insbesondere können das Gebläse und/oder die Brennstoffzellenanordnung in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug eingesetzt werden, wobei die elektrische Leistung von der Brennstoffzellenanordnung erzeugt und optional einer Pufferbatterie beziehungsweise Traktionsbatterie bereitgestellt werden kann. Alternativ kann die Brennstoffzellenanordnung mit dem Gebläse in einer stationären Anwendung eingesetzt werden. Das Gebläse kann alternativ zum Bereitstellen einer Gasströmung in anderen Bereichen eingesetzt werden. Insbesondere kann das Gebläse zur Erzielung einer Durchströmung der Kathodenseite der Brennstoffzellenanordnung eingesetzt werden.
Weitere Merkmale der Offenbarung sowie deren technische Effekte ergeben sich aus den Figuren und der Beschreibung der in den Figuren gezeigten bevorzugten Ausführungsformen. Dabei zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, gemäß einem Aspekt der Offenbarung;
Fig. 2 einen Querschnitt eines Gebläses gemäß einem Aspekt der Offenbarung; Fig. 3 einen Querschnitt eines Gebläses gemäß einem Aspekt der Offenbarung; und
Fig. 4 einen Querschnitt eines Gebläses gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 200a, insbesondere Nutzfahrzeugs 200b, gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
Das Fahrzeug 200a, insbesondere Nutzfahrzeug 200b, wird im Folgenden als Fahrzeug 200a, 200b bezeichnet. Das Fahrzeug 200a, 200b ist beispielsweise ein Landfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug.
Das Fahrzeug 200a, 200b weist eine Brennstoffzellenanordnung 205, eine Energiespeichervorrichtung 260 und einen elektrischen Hauptantrieb 250 auf. Die Brennstoffzellenanordnung 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 wird auch als Traktionsbatterie bezeichnet. Die Energiespeichervorrichtung 260 ist mit dem elektrischen Hauptantrieb 250 verbunden, um den elektrischen Hauptantrieb 250 mit elektrischer Energie 65 zu versorgen, damit der elektrische Hauptantrieb 250 das Fahrzeug 200a, 200b antreiben kann.
Die Brennstoffzellenanordnung 205 umfasst ein Gebläse 1 , einen Kompressor 210, ein Brennstoffzellensystem 204 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 206 und optional einen Expander 270. Der Brennstoffzellenstapel 206 weist eine Kathode 207 und eine Anode 208 auf.
Das Gebläse 1 der vorliegenden Ausführungsformen wird in einer Brennstoffzellenanordnung 205 eingesetzt, in der Wasserstoff als Brennstoff enthaltendes Gas als ein Gasgemisch 40 zirkuliert wird und elektrochemisch unter Erzeugung von elektrischer Energie 65 reagiert. Insbesondere wird das hier beschriebene Gebläse 1 eingesetzt, um einen Anodenbereich des Brennstoffzellenstapels 206 zu spülen und/oder um für eine vorbestimmte Zusammensetzung des sich im Anodenbereich befindenden Gasgemischs 40 zu sorgen. Das Gebläse 1 ist dazu eingerichtet, die Anode 208 mit dem Gasgemisch 40 und somit mit dem Brennstoff zu beaufschlagen.
In der Brennstoffzellenanordnung 205 können mehrere der vorstehend beschriebenen Gebläse 1 eingesetzt werden. Ferner weist die Brennstoffzellenanordnung 205 grundsätzlich eine Steuerungseinrichtung (nicht gezeigt) auf, die unter anderem die Steuerung des Betriebs des Gebläses 1 vornimmt. Hierzu gehört die Steuerung einer Drehzahl des Gebläses 1 , mit der die Gebläseleistung eingestellt werden kann. Außerdem wird unter Berücksichtigung des Betriebszustands der Brennstoffzellenanordnung 205 bestimmt, ob ein Betrieb des Gebläses 1 erforderlich ist oder nicht. Für den Fall, dass das Gebläse 1 nicht betrieben wird, ist aufgrund der Struktur des Gebläses 1 als Medienspaltmotor eine Durchleitung des Gasgemischs 40 durch das Gebläse 1 ohne weiteres möglich.
Durch die vorstehend beschriebene Struktur des Gebläses 1 und insbesondere einer Strömungsleiteinrichtung 14 beziehungsweise eines Leitgitters 14 ist es auch bei nicht betriebenem Gebläse 1 denkbar, dass durch die Durchströmung des Gebläses 1 die Abscheidefunktion zum Abscheiden von Wasser aus dem Gasgemisch 40 herbeigeführt werden kann, da das Leitgitter 14 einen Drall auf die Gasströmung aufprägt. Der Kompressor 210 ist dazu eingerichtet, dem Brennstoffzellenstapel 206 kathodenseitig, also der Kathode 207, einen Luftstrom zuzuführen. Dazu ist der Kompressor 210 dazu eingerichtet, mit elektrischer Energie 65 beaufschlagt zu werden, um Luft anzusaugen, zu komprimieren und dem Brennstoffzellenstapel 206 als Zuluft 240 zuzuführen. Der Expander 270 ist dazu eingerichtet, mit einer Abluft 245 aus dem Brennstoffzellenstapel 206 beaufschlagt zu werden, um Energie aus der Abluft 245 in elektrische Energie 65 zu wandeln.
Das Gebläse 1 ist weiter mit Bezug zu Figuren 2 bis 4 beschrieben.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt eines Gebläses 1 gemäß einem Aspekt der Offenbarung. Das Gebläse 1 gemäß Figur 2 ist ein Gebläse 1 für eine Brennstoffzellenanordnung 205 für ein Fahrzeug 200a, insbesondere Nutzfahrzeug 200b. Ein derartiges Gebläse 1 und Fahrzeug 200a, 200b ist jeweils mit Bezug zu Figur 1 beschrieben. Figur 2 wird unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben.
Das Gebläse 1 ist zur Rezirkulation des für den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 205 eingesetzten Gasgemischs 40 eingerichtet. Dafür weist das Gebläse 1 einen Antriebsmotor 7, 8, 9 mit einer Motorwelle 7, einem mit der Motorwelle 7 gekoppelten Rotor 9 und einen radial außerhalb des Rotors 9 angeordneten Stator 8 auf. Die Motorwelle 7 definiert eine Achse A, die der Rotationsachse der Motorwelle 7 entspricht.
Der Stator 8 ist drehfest mit dem Hauptgehäuse 2 verbunden. Der Rotor 9 umfasst in der vorliegenden Ausführungsform ein oder mehrere Dauermagnetelemente 9a (in Figur 2 nur schematisch angedeutet). Der Stator 8 erzeugt bei Energiebeaufschlagung ein rotierendes Magnetfeld, so dass der Rotor 9 sich bei Energiebeaufschlagung des Stators 8 gemeinsam mit der Motorwelle 7 dreht.
Der Rotor 9 ist mit der drehbaren Motorwelle 7 verbunden, so dass der Rotor 9 sich gemeinsam mit der Motorwelle 7 drehen kann. Die Motorwelle 7 ist beidseitig drehbar über Radiallager 11 , 12 gelagert. Die Radiallager 11 , 12 sind als Folienlager 11 ‘ , 12' ausgebildet. Das Gebläse 1 weist ein Hauptgehäuse 2, einen Gehäusedeckel 6 und ein eine Volute 43 ausbildendes Volutenbauteil 43b. In einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt), können das Volutenbauteil 43b und der Gehäusedeckel 6 als ein Bauteil ausgebildet sein und/oder die Volute 43 kann in das Hauptgehäuse 2 integriert sein.
Das Gebläse 1 gemäß Figur 2 umfasst also das Hauptgehäuse 2, den Gehäusedeckel 6 und das die Volute 43 ausbildende und an das Hauptgehäuse 2 montierte Volutenbauteil 43b. Das Volutenbauteil 43b weist einen Eintrittsflansch 13 beziehungsweise ein Eintrittsrohr auf. Das Volutenbauteil 43b ist dazu eingerichtet, das Gasgemisch 40 zu leiten. Dafür weist das Volutenbauteil 43b eine Eintrittsseite 41 und eine Austrittsseite 42 auf.
Das Hauptgehäuse 2 bildet einen äußeren Umfang eines Hauptabschnitts des Gebläses 1 und ist in der vorliegenden Ausführungsform im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Radial innerhalb des Hauptgehäuses 2 ist der Antriebsmotor 7, 8, 9 angeordnet, der den radial außenliegenden Stator 8, den radial innenliegenden Rotor 9 und die mit dem Rotor 9 verbundene Motorwelle 7 aufweist.
An einem mittleren Abschnitt in Figur 2 weist das Gebläse 1 den an dem Hauptgehäuse 2 befestigten Gehäusedeckel 6 auf. Das Gebläse 1 weist Befestigungselemente 45 zum Befestigen des Gehäusedeckels 6 und des Trägerbauteils 31 an dem Hauptgehäuse 2 auf. Die Befestigungselemente 45 sind beispielsweise Schrauben und/oder Bolzen und sind dazu eingerichtet, eine mechanische Schnittstelle zwischen dem Hauptgehäuse 2, einem Trägerbauteil 31 und dem Gehäusedeckel 6 zu fixieren. Der Gehäusedeckel 6 weist im Zentrum einen Durchgang und/oder eine Ausnehmung auf, durch den beziehungsweise durch die die Motorwelle 7 hindurchtritt.
Das Gebläse 1 weist ein die zwei Radiallager 11 , 12 zum drehbaren Lagern der Motorwelle 7 aufweisenden Trägerabschnitt 30 auf. Der Trägerabschnitt 30 ist innerhalb des Hauptgehäuses 2 angeordnet. Das Gebläse 1 weist das Hauptgehäuse 2 und das an dem Hauptgehäuse 2 befestigtes und den Trägerabschnitt 30 bildendes Trägerbauteil 31 auf. Das Trägerbauteil 31 ist über die Befestigungselemente 45 an dem Hauptgehäuse 2 und an dem Gehäusedeckel 6 fixiert.
Das Gebläse 1 weist ein mit der Motorwelle 7 gekoppeltes Gebläselaufrad 5 auf. Im Bereich Gehäusedeckels 6 ist das Gebläselaufrad 5 drehfest mit der Motorwelle 7 verbunden. Dabei ist das Gebläselaufrad 5 an einem Wellenende 7a der Motorwelle 7 angeordnet. Mit anderen Worten erstreckt sich die Motorwelle 7 in Richtung der Achse A etwa und/oder genau bis zu dem Gebläselaufrad 5. Eine Rotation der Motorwelle 7 bewirkt eine Rotation des Gebläselaufrads 5.
Das Volutenbauteil 43b und der Gehäusedeckel 6 bilden die Volute 43 beziehungsweise Austrittsvolute, die einen in Umfangsrichtung variablen Durchmesser hat und die zum Gebläselaufrad 5 hin offen ist. Die Volute 43 ist dazu eingerichtet, im Betrieb mit dem Gebläselaufrad 5 in Wirkverbindung zu stehen, um die Gebläseleistung 1 zu verbessern. An dem Gehäusedeckel 6 ist ein Gehäuseflansch 6a zum Verbinden des Hauptgehäuses 2 und des Trägerbauteils 31 mit dem Gehäusedeckel 6 angebracht, der in der Mitte einen Durchgang aufweist, in den die Motorwelle 7 hineinragt.
Das Gebläselaufrad 5 weist eine durch das Gasgemisch 40 anströmbare Anströmseite 5a und eine bezogen auf die Achse A der Anströmseite 5a gegenüberliegend angeordnete Rückseite 5b auf. Mit anderen Worten ist das Gebläselaufrad 5 in Richtung der Achse A durch die Anströmseite 5a und der Anströmseite 5a gegenüberliegend durch die Rückseite 5b begrenzt. Die Anströmseite 5a zeigt in Richtung der Eintrittsseite 41 und die Rückseite 5b zeigt in entgegengesetzte Richtung, also in Richtung des Gehäusedeckels 6 und/oder des Hauptgehäuses 2.
Das Gebläselaufrad 5 ist dazu eingerichtet, bei einer Rotation der Motorwelle 7 das Gasgemisch 40 von der Eintrittsseite 41 zu der Austrittseite 42 zu fördern. Dazu weist das Gebläselaufrad 5 an der Anströmseite 5a angeordnete Schaufeln auf, die mit einer vorbestimmten Form zur Erzielung einer Förderfunktion beziehungsweise Pumpfunktion ausgestaltet sind. Die Innenseite des Gehäusedeckels 6 und die Volute 43 ist im radialen Bereich, an dem das Gebläselaufrad 5 vorgesehen ist, an die Kontur des Gebläselaufrads 5 angepasst. Radial außerhalb des Gebläselaufrads 5 befindet sich ein Ringspalt, der zu der Volute 43 offen ist.
Der T rägerabschnitt 30 und die zwei Radiallager 11 , 12 sind in Richtung der Achse A auf derselben Seite 18 des Gebläselaufrads 5 angeordnet. Insbesondere sind der der Trägerabschnitt 30 und die zwei Radiallager 11 , 12 in Richtung der Achse A auf der Seite 18 der Rückseite 5b des Gebläselaufrads 5 angeordnet.
Das Gebläse 1 weist ein in beziehungsweise an den Gehäusedeckel 6 angeordnetes Axiallager 19 zur Lagerung der Motorwelle 7 auf. Der Rotor 9, der Stator 8, die zwei Radiallager 11 , 12 und das Axiallager 19 sind in Richtung der Achse A auf derselben Seite 18 des Gebläselaufrads 5 angeordnet, nämlich auf der Rückseite 5b des Gebläselaufrads 5. Das Axiallager 19 ist an dem Gehäusedeckel 6 angeordnet.
Das Gebläse 1 weist einen radial zwischen dem Rotor 9 und dem Stator 8 angeordneten Ringkanal 10 auf. Mit anderen Worten ist der Ringkanal 10 auf der Rückseite 5b des Gebläselaufrads 5 angeordnet. Radial zwischen dem Stator 8 und dem Rotor 9 ist der Ringkanal 10 vorgesehen. Das Gebläse 1 weist Dichtungselemente 10a zum fluidtechnischen Abdichten des Ringkanals gegen den Stator 8 auf. Eine radiale Innenwand des Ringkanals 10 wird durch einen Außenumfang des Trägerabschnitts 30 gebildet. Eine radiale Außenwand des Ringkanals 10 wird durch eine radial außerhalb des Trägerabschnitts 30 und radial innerhalb des Stators 8 angeordnete Außenwand 17 gebildet. In einer alternativen Ausführungsform wird die radiale Innenwand durch eine Außenfläche des Rotors 9 gebildet. Der Ringkanal 10 kann dabei eine zylindrische Innenwand und eine zylindrische Außenwand aufweisen. Zwischen der zylindrischen Innenwand und der zylindrischen Außenwand des Ringkanals 10 kann das Gasgemisch 40 strömen. Der Stator 8 befindet sich radial außerhalb des Ringkanals 10 und des Trägerbauteils 31 .
Das Volutenbauteil 43b weist in dem Eintrittsflansch 13 eine Strömungsleiteinrichtung 14 auf. Im Folgenden wird die Strömungsleiteinrichtung 14 erläutert. Die Strömungsleiteinrichtung 14 ist in der Form eines Leitgitters 14 an dem in Figur 2 rechten Abschnitt des Eintrittsflanschs 13 also an der Eintrittsseite 41 vorgesehen. Das Strömungsleiteinrichtung 14 beziehungsweise das Leitgitter 14 weist eine Anordnung von Leitschaufeln auf (nicht gezeigt), die um einen Umfang der Strömungsleiteinrichtung 14 verteilt sind. Das Leitgitter 14 ist durch einen Durchlass in Richtung der Antrömseite 5a des Gebläselaufrads 5 durchströmbar. Das Leitgitter 14 ist mit den Elementen des Eintrittsflanschs 13 integriert. Insbesondere weist die radiale Außenwand im Eintrittsbereich des Eintrittsflanschs 13 die Leitschaufeln des Leitgitters 14 auf. Die Leitschaufeln sind dabei einstückig mit einem Rohr des Eintrittsflanschs 13 ausgebildet. Mit diesem Aufbau wird eine vereinfachte Herstellung des Eintrittsflanschs 13 ermöglicht, da das äußere Rohr mit den Leitschaufeln des Leitgitters 14 herstellbar ist.
Bei einer entsprechenden Dimensionierung des Einlassrohrs, kann die Strömungsleiteinrichtung 14 derart in das Volutenbauteil 43b integriert werden, dass eine Abscheidung flüssiger Bestandteile aus dem Gasgemisch 40 an die Außenwand des Einlassrohrs erreicht werden kann. Die flüssigen Bestandteile können über einen nur schematisch gezeigten und in dem Volutenbauteil 43 vorgesehen Wasserabscheidekanal 16 abgeschieden werden.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt eines Gebläses 1 gemäß einem Aspekt der Offenbarung. Das Gebläse 1 gemäß Figur 3 ist eine Alternative zu dem Gebläse 1 gemäß Figur 2. Figur 3 wird unter Bezugnahme auf Figuren 1 und 2 beschrieben, wobei die Unterschiede zwischen den Gebläsen 1 gemäß Figuren 2 und 3 beschrieben sind.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Außenwand 17 des Ringkanals 10 fortgelassen. Dadurch können Stator 8 und Rotor 9 näher aneinander angeordnet werden, was die Effizienz des elektrischen Antriebs 7, 8, 9 verbessern kann.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt eines Gebläses 1 gemäß einem Aspekt der Offenbarung. Das Gebläse 1 gemäß Figur 4 ist eine Alternative zu den Gebläsen 1 gemäß Figuren 2 und 3. Figur 4 wird unter Bezugnahme auf Figuren 1 bis 3 beschrieben, wobei die Unterschiede zwischen dem Gebläse 1 gemäß Figuren 4 und den Gebläsen 1 gemäß Figuren 2 und 3 beschrieben sind. Das Gebläse 1 weist einen das Axiallager 19 tragenden Axiallagerträger 19a auf. Dadurch kann das Axiallager 19a bezüglich des Wellenendes 7a gegenüberliegend an der Welle 7 angeordnet werden. Der Antrieb 7, 8, 9 ist also zwischen dem Axiallager 19 und dem Gebläselaufrad 5 angeordnet. Durch das Axiallager 19 und den das Axiallager 19 tragenden Axiallagerträger 19a bezüglich des Wellenendes 7a gegenüberliegend an der Welle 7 kann der Gehäusedeckel 6 einfacher ausgebildet sein, mit dem Trägerbauteil 31 integriert (siehe nur schematisch Figur 4), also als eine Montageeinheit, ausgebildet sein, und/oder in das Hauptgehäuse 2 integriert werden.
Bezuqszeichen (Teil der Beschreibung)
1 Gebläse
2 Hauptgehäuse
5 Gebläselaufrad
5a Anströmseite
5b Rückseite
6 Gehäusedeckel
6a Gehäuseflansch
7 Motorwelle
7a Wellenende
8 Stator
9 Rotor
9a Dauermagnetelement
10 Ringkanal
10a Dichtungselement
11 Radiallager
11‘ Folienlager
12 Radiallager
12‘ Folienlager
13 Eintrittsflansch
14 Strömungsleiteinrichtung, Leitgitter
16 Wasserabscheidekanal
17 Außenwand
19 Axiallager
19a Axiallagerträger
30 Trägerabschnitt
31 Trägerbauteil
40 Gasgemisch
41 Eintrittsseite
42 Austrittseite
43 Volute 43b Volutenbauteil
45 Befestigungselemente
46 Brennstoff
47 anodenseitige Abluft
48 Flüssigkeit
65 elektrische Energie
200a Fahrzeug
200b Nutzfahrzeug
204 Brennstoffzellensystem
205 Brennstoffzellenanordnung
206 Brennstoffzellenstapel
207 Kathode
208 Anode
240 Zuluft
245 Abluft
250 Hauptantrieb
260 Energiespeichervorrichtung
A Achse

Claims

Patentansprüche
1 . Gebläse (1) für eine Brennstoffzellenanordnung (205) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b); wobei
- das Gebläse (1 ) zur Rezirkulation eines für den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung (205) eingesetzten Gasgemischs (40) einen Antriebsmotor (7, 8, 9) mit einer eine Achse (A) definierenden Motorwelle (7), einem mit der Motorwelle (7) gekoppelten Rotor (9) und einen radial außerhalb des Rotors (9) angeordneten Stator (8) aufweist;
- das Gebläse (1) ein mit der Motorwelle (7) gekoppeltes Gebläselaufrad (5) aufweist, wobei das Gebläselaufrad (5) dazu eingerichtet ist, bei einer Rotation der Motorwelle (7) das Gasgemisch (40) zu fördern; und
- das Gebläse (1 ) ein zwei Radiallager (11 , 12) zum drehbaren Lagern der Motorwelle (7) aufweisenden Trägerabschnitt (30) umfasst, wobei
- der Trägerabschnitt (30) und die zwei Radiallager (11 , 12) in Richtung der Achse (A) auf derselben Seite (18) des Gebläselaufrads (5) angeordnet sind.
2. Gebläse (1) nach Anspruch 1 , wobei
- das Gebläselaufrad (5) eine durch das Gasgemisch (40) anströmbare Anströmseite (5a) und eine bezogen auf die Achse (A) der Anströmseite (5a) gegenüberliegend angeordnete Rückseite (5b) aufweist; und
- der Trägerabschnitt (30) und die zwei Radiallager (11 , 12) in Richtung der Achse (A) auf der Seite (18) der Rückseite (5b) des Gebläselaufrads (5) angeordnet sind.
3. Gebläse (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gebläse (1 ) ein Hauptgehäuse (2) und ein an dem Hauptgehäuse (2) befestigtes und den Trägerabschnitt (30) bildendes Trägerbauteil (31) aufweist.
4. Gebläse (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- das Gebläse (1) einen radial zwischen dem Rotor (9) und dem Stator (8) angeordneten Ringkanal (10) aufweist; und
- das Gasgemisch (40) durch den Ringkanal (10) strömbar ist.
5. Gebläse (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Radiallager (11 , 12) als Folienlager (11‘, 12‘) ausgebildet sind.
6. Gebläse (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Rotor (9) und der Stator (8), die zwei Radiallager (11 , 12) und ein Axiallager (19) zur Lagerung der Motorwelle (7) in Richtung der Achse (A) auf derselben Seite (18) des Gebläselaufrads (5) angeordnet sind.
7. Gebläse (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gebläselaufrad (5) an einem Wellenende (7a) der Motorwelle (7) angeordnet ist.
8. Gebläse (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gebläse (1) ein Hauptgehäuse (2) und ein eine Volute (43) ausbildendes und an das Hauptgehäuse (2) montiertes Volutenbauteil (43b) umfasst und/oder die Volute (43) in das Hauptgehäuse (2) integriert ist.
9. Brennstoffzellenanordnung (205) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend einen anodenseitig mit einem Gasgemisch (40) beaufschlagbaren Brennstoffzellenstapel (206) und ein Gebläse (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche.
10. Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend eine Brennstoffzellenanordnung (205) nach Anspruch 9.
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