DE102011119881A1

DE102011119881A1 - Aufladeeinrichtung für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftwagens

Info

Publication number: DE102011119881A1
Application number: DE102011119881A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser; Andreas Knoop; Paul Löffler; Hans-Jörg Schabel; Benjamin Steinhauser
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-06-06
Also published as: WO2013079155A2; CN103975127A; EP2785977A2; US20140370412A1; WO2013079155A3; CN103975127B; JP2015505927A; JP5921706B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung (34) für eine Brennstoffzelle (10), mit einer Turbine (52), welche ein Gehäuseteil (86) mit einem Aufnahmeraum aufweist, in welchem ein Turbinenrad (50) der Turbine (52) um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuseteil (86) drehbar aufgenommen ist, wobei das Turbinenrad (50) Laufradschaufeln (90) umfasst, über die das Turbinenrad (50) in einem Eintrittsbereich von einem Medium, insbesondere von einem gasförmigen Abgas der Brennstoffzelle (10), anströmbar ist und die zumindest in dem Eintrittsbereich vorwärtsgekrümmt ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß Patentanspruch 1.
Die DE 10 2008 007 616 A1 offenbart eine Wellsturbine mit einer Nabe, mit der eine Vielzahl von Rotorblättern verbunden ist. Die Rotorblätter weisen ein von einer Profilnase ausgehend tropfenförmig ausgebildetes, symmetrisches Profil auf. Die Rotorblätter weisen auch eine Auffädellinie auf, deren Verlauf in der Rotationsebene der Wellsturbine gegenüber einem dem jeweiligen Rotorblatt zugeordneten Radialstrahl wenigstens in Teilen der radialen Erstreckung des Rotorblatts abweicht.
Bei der Lagerung von Rotoren von Aufladeeinrichtungen, beispielsweise von Abgasturboladern für Verbrennungskraftmaschinen, treten Axialkräfte auf, die beispielsweise mittels hydrodynamischen Axiallagern aufgenommen werden. Auch ist es bekannt, zur Lagerung der Rotoren und zur Aufnahme der Axialkräfte Wälzlager, insbesondere Kugellager, zu verwenden. Derartige Kugellager weisen insbesondere bei schnell drehenden Rotoren sowie bei hohen Axialkräften und deren Schwankungen eine nur unbefriedigende Lebensdauer auf, falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es zudem bekannt, Kraftwagen mit wenigstens einer Brennstoffzelle bzw. einer Brennstoffzelleneinrichtung zu versehen. Die Brennstoffzelleneinrichtung dient dazu, elektrischen Strom bereitzustellen, um den Kraftwagen mittels des elektrischen Stroms anzutreiben.
Aufladeeinrichtungen für eine solche Brennstoffzelle bzw. Brennstoffzelleneinrichtung können die Brennstoffzelle mit einem verdichteten Medium, insbesondere verdichteter Luft, versorgen, woraus ein besonders effizienter Betrieb der Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzelleneinrichtung resultiert. Dabei ist auch ein besonders effizienter Betrieb der Aufladeeinrichtung von Vorteil.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aufladeeinrichtung für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftwagens, bereitzustellen, welche einen besonders effizienten Betrieb aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Aufladeeinrichtung für eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Aufladeeinrichtung für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kraftwagens, umfasst ein Gehäuseteil. Das Gehäuseteil weist einen Aufnahmeraum auf, in welchem ein Turbinenrad einer Turbine der Aufladeeinrichtung um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuseteil drehbar zumindest teilweise aufgenommen ist.
Das Turbinenrad weist Laufradschaufeln auf, über die das Turbinenrad in einem Eintrittsbereich von einem Medium anströmbar und antreibbar ist. Bei dem Medium handelt es sich vorzugsweise um ein gasförmiges Abgas der Brennstoffzelle.
Die Laufradschaufeln sind dabei zumindest in dem Eintrittsbereich vorwärtsgekrümmt ausgebildet. Mittels der Vorwärtskrümmung der Laufradschaufeln kann der Eintrittsbereich des Turbinenrads aerodynamisch besonders groß dargestellt werden. So kann der Beitrag des Turbinenrads zu den auftretenden Axialkräften und insbesondere der Beitrag des Turbinenrads zu der Kompensation der insbesondere von einem Verdichter der Aufladeeinrichtung bewirkten Axialkräfte sehr stark gewichtet werden. Mit anderen Worten ist es möglich, mittels der Vorwärtskrümmung der Laufradschaufeln des Turbinenrads die Axialkräfte der Aufladeeinrichtung zumindest teilweise zu kompensieren, so dass die Belastung einer Lagerung, mittels welcher das Turbinenrad um die Drehachse drehbar gelagert ist, in einem geringen Rahmen gehalten wird.
In der Folge ist es möglich, die Lagerung entsprechend der nur geringen Belastung auszugestalten, so dass sich Lagerverluste der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung geringhalten lassen. Dies führt zu einem effizienten Betrieb der Aufladeeinrichtung, was einem effizienten Betrieb der Brennstoffzelle zugute kommt.
Insbesondere ist es möglich, zur Lagerung des Turbinenrads eine Wälzlagerung, insbesondere eine Kugellagerung, zu verwenden, so dass das Turbinenrad bzw. ein Rotor der Aufladeeinrichtung, welche das Turbinenrad, eine mit dem Turbinenrad drehfest verbundene Welle und das mit der Welle drehfest verbundene Verdichterrad umfasst, verlustarm gelagert werden kann.
Das Verwenden der Wälzlagerung ist auch daher vorteilhaft, da bei der Aufladeeinrichtung bei niedrigen Turbineneintrittstemperaturen in einem Bereich von ca. 80°C bis 120°C eine autarke Mangelschmierung der Lagerung bzw. Wälzlagerung realisiert werden kann. Dies ermöglicht es auch, einen Schmiermitteleintrag in ein weiteres Medium, insbesondere Luft, mit welcher die Brennstoffelle mittels der Aufladeeinrichtung zu versorgen ist, zumindest nahezu vollständig auszuschließen und energetisch sehr günstige mechanische Wirkungsgrade der Lagerung zu realisieren. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung bei gleichzeitiger Realisierung einer hohen Lebensdauer der Lagerung und damit der gesamten Aufladeeinrichtung möglich, da die Belastung der Lagerung infolge der zumindest teilweisen Kompensation der Axialkräfte mittels der Vorwärtskrümmung der Laufradschaufeln gering gehalten werden kann.
Eine Lagerung des Turbinenrads bzw. des Rotors mittels einer Luftlagerung ist insofern vorteilhaft, als dadurch im Gegensatz zu Kugellagern kein Schmiermittel notwendig ist. Die zumindest teilweise kompensierten Axialkräfte kommen dabei insbesondere der Luftlagerung zugute, da diese geringe Axialkräfte abstützen kann.
Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung ermöglicht auch insofern die Darstellung eines effizienten Betriebs der Brennstoffzelle, da mittels der Turbine der Aufladeeinrichtung eine Energierückgewinnung durchführbar ist. Die Turbine kann von der Brennstoffzelle emittiertes Abgas nutzen. Das Abgas treibt das Turbinenrad an, welches wiederum über die Welle das Verdichterrad antreibt, um so die Brennstoffzelle mit dem verdichteten, weiteren Medium, insbesondere Luft, zu versorgen.
Vorteilhafterweise weist die Aufladeeinrichtung ein Leitgitter, insbesondere ein variabel einstellbares Leitgitter auf, welches in Strömungsrichtung des Mediums, insbesondere des Abgases, stromauf des Turbinenrads insbesondere in dem Gehäuseteil angeordnet ist. Mittels des Leitgitters sind Strömungsbedingungen und insbesondere Anströmbedingungen des Turbinenrads für das Medium beeinflussbar. Dadurch kann eine Gegendruckklappe entfallen, wodurch die Teileanzahl und die Kosten der Aufladeeinrichtung gering gehalten werden können. Ein solches Leitgitter und/oder eine solche Gegendruckklappe gewährleisten die Darstellung eines einstellbaren und effektiven engsten Strömungsquerschnitts der Turbine, wodurch die Aufladeeinrichtung an unterschiedliche Betriebspunkte der Brennstoffzelle anpassbar ist. So kann beispielsweise eine Bewegung des Betriebspunkts im Kennfeld des Verdichters der Aufladeeinrichtung in Richtung der Pumpgrenze des Verdichters bei unpassenden Drücken und Luftmassendurchsätzen vermieden werden.
Der Verdichter und/oder die Turbine der Aufladeeinrichtung sind dabei vorteilhafterweise als Radialverdichter bzw. als Radialturbine ausgebildet, mittels welchen das der Brennstoffzelle zuzuführende, zumindest im Wesentlichen gasförmige, weitere Medium, insbesondere die Luft, effizient und mit einem nur geringen Bauraumbedarf zu verdichten ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind ein mit dem Turbinenrad verbundenes Kompensationselement zur zumindest teilweisen Kompensation der Axialkräfte sowie das um die Drehachse drehbare Verdichterrad vorgesehen. Mittels des Verdichterrads ist das der Brennstoffzelle zuzuführende weitere Medium verdichtbar.
Das Kompensationselement ist dabei zumindest bereichsweise über wenigstens einen Kanal mit einem in Strömungsrichtung des zu verdichtenden, weiteren Mediums stromab des Verdichterrads herrschenden Austrittsdruck beaufschlagbar.
Durch die Beaufschlagung des Kompensationselements mit dem Austrittsdruck können die Axialkräfte zumindest teilweise kompensiert und so besonders gering gehalten werden, was dem effizienten Betrieb der Aufladeeinrichtung und damit der Brennstoffzelle besonders zugute kommt. Insbesondere lassen sich dadurch die Lagerverluste, das Gewicht, sowie die äußere Dimensionierung der Lagerung gering halten.
Die Vorwärtskrümmung der Beschaufelung, wobei die Laufradschaufeln zumindest in dem Eintrittsbereich in Richtung der Drehrichtung, in welche sich das Turbinenrad beim Betrieb der Aufladeeinrichtung dreht, gekrümmt sind, beeinflusst die aerodynamische Größe des Turbinenrads auch insofern, als die spezifische Turbinenleistung nach Euler im Nennpunkt mit besonders hohen Umfangsgeschwindigkeiten bewerkstelligt wird.
Dies ergibt im Vergleich zu lediglich radial ausgerichteten Laufradschaufeln, welche sich lediglich in radialer Richtung erstrecken, bei zumindest im Wesentlichen identischen Austrittsströmungsverhältnissen eine wirkungsgradgünstige Reduzierung der Stromungsumlenkung des Mediums (Abgases) sowie die Erzielung einer geforderten Turbinenleistung über die höhere Umfangsgeschwindigkeit bei vorgegebener Drehzahl. Dabei kann sich ein zumindest im Wesentlichen optimaler Reaktionsgrad über den Wert von 0,5 einstellen.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Kompensationselement auch mit einem in dem Eintrittsbereich herrschenden Eintrittsdruck zumindest bereichsweise beaufschlagbar. So können die Axialkräfte besonders gering gehalten werden.
Vorzugsweise ist das Kompensationselement auf einer einem Radaustrittsbereich des Turbinenrads abgewandten Seite eines Radrücken des Turbinenrads angeordnet. Das Kompensationselement ermöglicht durch dessen Beaufschlagung die zumindest teilweise Kompensation der beispielsweise infolge von Gaskräften auftretenden Axialkräfte.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Kompensationselement einen von einem Eintrittsdurchmesser des Eintrittsbereichs unterschiedlichen Durchmesser auf. So kann die Beaufschlagung des Kompensationselements mit dem Eintrittsdruck und/oder dem Austrittsdruck bedarfsgerecht eingestellt werden, um die Axialkräfte besonders gering zu erhalten.
Vorzugsweise ist der Durchmesser des Kompensationselements größer als der Eintrittsdurchmesser des Eintrittsbereiches. So können besonders hohe Axialkräfte zumindest teilweise kompensiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verdichterrad Verdichterschaufeln zum Verdichten des weiteren Mediums, insbesondere der Luft, wobei die Verdichterschaufeln vorwärtsgekrümmt ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass auch die Verdichterschaufeln in Richtung der Drehrichtung, in die sich das Verdichterrad beim Betrieb der Aufladeeinrichtung dreht, gekrümmt sind. Dadurch kann das weitere Medium effizient verdichtet werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Kompensationselement mit dem stromab des Verdichterrads herrschenden Austrittsdrucks in einem Bereich des Kompensationselements beaufschlagbar, wobei mittels des Bereichs, mittels des Gehäuseteils und mittels zumindest zweier Dichtungselemente der Aufladeeinrichtung eine Kammer begrenzt ist. Dadurch beeinflussen sich die Beaufschlagungen des Kompensationselements mit dem Eintrittsdruck und mit dem Austrittsdruck nicht gegenseitig, so dass die Axialkräfte besonders gering gehalten werden können. Dies kommt dem effizienten Betrieb der Aufladeeinrichtung zugute.
Die Dichtungselemente sind dabei jeweils einerseits an dem Gehäuseteil und andererseits an dem Kompensationselement oder dem Turbinenrad oder an der Welle des Rotors abgestützt, mit welcher das Turbinenrad und/oder das Kompensationselement drehfest verbunden ist bzw. sind. Dadurch können der Bauraumbedarf und das Gewicht der Aufladeeinrichtung gering gehalten werden, woraus ein besonders effizienter Betrieb resultiert.
Zumindest eines der Dichtungselemente ist beispielsweise als Kolbenring für einen Kolben einer Hubkolbenmaschine ausgebildet. Dies kommt geringen Kosten der Aufladeeinrichtung zugute. Zumindest eines der Dichtungselemente kann auch als berührungslose Dichtung, insbesondere als Labyrinthdichtung ausgebildet sein. Dies führt zu einem geringen Bauraumbedarf sowie zu einem geringen Gewicht der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung.
Zur Darstellung eines besonders effizienten Betriebs der Aufladeeinrichtung sind Schaufeleintrittswinkel der Laufradschaufeln vorzugsweise größer als 100° und kleiner als 150°. Dies ergibt in Kombination mit der besonders großen aerodynamischen Ausgestaltung des Turbinenrads in dessen Eintrittsbereich günstige Strömungsbedingungen für das Abgas.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Längsschnittansicht einer Aufladeeinrichtung mit einer Turbine und einem Verdichter zur Veranschaulichung von Axialkräften, die auf eine Lagerung eines Rotors mit einer Welle, einem Turbinenrad der Turbine und einem Verdichterrad des Verdichters wirken;
2 ein Schaubild zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen Wirkungsgrad, optimalen Umfangsgeschwindigkeiten bei entsprechenden Turbineneintrittstemperaturen und Turbinendruckverhältnissen bei einer Schnelllaufzahl von 0,7 und einem Reaktionsgrad von 0,5;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Turbine gemäß 1;
4 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Turbine gemäß 3;
5 eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Aufladeeinrichtung gemäß 1;
6 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung von Kräften an einem Verdichterrad der Aufladeeinrichtungen;
7 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung von Kräften am Turbinenrad der Aufladeeinrichtungen;
8 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß den 1 und 3;
9 eine Prinzipdarstellung einer Brennstoffzelle, welche von einer Aufladeeinrichtung mit verdichteter Luft versorgbar ist;
10 ein Geschwindigkeitsdreieck eines Turbinenrads mit radialer Beschaufelung;
11 ein Geschwindigkeitsdreieck eines Turbinenrads mit vorwärtsgekrümmter Beschaufelung;
12 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht einer vorwärtsgekrümmten Beschaufelung eines Turbinenrads;
13 ein Schaubild zur Veranschaulichung des Verhaltens des Wirkungsgrads einer Turbine bei Vorwärtskrümmung ihrer Beschaufelung.
Die 9 zeigt eine Brennstoffzelle 10, mittels welcher eine Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelbar ist. Der Brennstoff liegt in Form von Wasserstoff vor, welcher in einem Tank 12 gespeichert ist und der Brennstoffzelle 10 über eine Brennstoffventil 14 zugeführt wird. Das Brennstoffventil 14 wird dabei von einer Regelungseinrichtung 16 geregelt. Als Oxidationsmittel nutzt die Brennstoffzelle 10 Luft aus der Umgebung bzw. Sauerstoff als Bestandteil dieser Luft, die der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Die Brennstoffzelle 10 ist über Leitungen 22 mit einer Batterie 25 verbunden, in welcher die erzeugte elektrische Energie, welche im Folgenden als Strom bezeichnet wird, speicherbar ist. Die Batterie 25 wiederum ist über Leitungen 24 mit einem Elektromotor 26 verbunden, welcher von dem in der Batterie 25 gespeicherten Strom antreibbar ist. Der Elektromotor 26 wandelt die elektrische Energie in mechanische Energie um und gibt diese in Form eines Drehmoments über eine drehbare Welle 30 ab. Die Brennstoffzelle 10 dient somit zum Antreiben des Elektromotors 26, welcher beispielsweise in einem Kraftwagen, insbesondere einem Personenkraftwagen zum Einsatz kommen kann.
Zur Einstellung eines von dem Elektromotor 26 bereitzustellenden und gewünschten Drehmoments, beispielsweise durch einen Fahrer des Personenkraftwagens, ist ein Fahrpedal 32 vorgesehen. Durch Betätigen des Fahrpedals 32 kann der Fahrer das gewünschte Drehmoment einstellen und den Personenkraftwagen fortbewegen. Das Fahrpedal 32 ist dabei sowohl mit der Regelungseinrichtung 16 als auch mit der dem Elektromotor 26 verbunden, um die Erzeugung des Stroms mittels der Brennstoffzelle 10 an den Drehmomentenwunsch anzupassen.
Um einen besonders effizienten Betrieb der Brennstoffzelle 10 darzustellen, ist eine Aufladeeinrichtung 34 vorgesehen, welche einen Verdichter 36 mit einem Verdichterrad 38 umfasst. Das Verdichterrad 38 ist mit einer Welle 40 der Aufladeeinrichtung 34 drehfest verbunden, wobei die Welle 40 in einem Lagergehäuse, der Aufladeeinrichtung 34 drehbar gelagert ist. Dadurch ist auch das Verdichterrad 38 drehbar und kann die angesaugte Luft von einem in Strömungsrichtung der Luft stromauf des Verdichterrads 38 herrschenden Druckniveau, welches dem Umgebungsdruck entspricht und als Verdichtereintrittsdruck P1 bezeichnet wird, auf ein demgegenüber höheres Druckniveau verdichten, welches stromab des Verdichterrads 38 vorliegt und als Verdichteraustrittsdruck P2t bezeichnet wird.
Infolge der Verdichtung der Luft durch das Verdichterrad 38 wird die Luft erwärmt. Zur Kühlung der Luft strömt die Luft zu einer Kühleinrichtung 46, mittels welcher die Luft gekühlt und anschließend der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird.
Zur Darstellung eines besonders effizienten Betriebs der Brennstoffzelle 10 wird ein Abgas der Brennstoffzelle 10 zu einer ein Turbinenrad 50 umfassenden Turbine 52 der Aufladeeinrichtung 34 geleitet. Auch das Turbinenrad 50 ist mit der Welle 40 drehfest verbunden und somit drehbar gelagert und von dem Abgas der Brennstoffzelle 10 antreibbar. Bei der Turbine 52 handelt es sich um eine Expansionsturbine, da das Abgas der Brennstoffzelle 10 in Strömungsrichtung desselbigen stromauf des Turbinenrads 50 ein höheres Druckniveau, welches als Turbineneintrittsdruck P3t bezeichnet wird, aufweist, als stromab des Turbinenrads 50. Mit anderen Worten wird das Abgas der Brennstoffzelle 10 mittels der Turbine 52 expandiert, wobei die Turbine 52 bzw. das Turbinenrad 50 die Abgas gespeicherte Energie zum Antreiben des Verdichterrads 38 nutzt. Der Druck des Abgases stromab der Turbine 52 wird als Turbinenaustrittsdruck P4 bezeichnet.
Nach Abströmen von dem Turbinenrad 50 strömt das Abgas zu einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 56, welche das Abgas von schädlichen Emissionen reinigt. Stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung 56 strömt das Abgas an die Umwelt.
Um die Turbine 52 an unterschiedliche Betriebspunkte des Elektromotors 26 und damit der Brennstoffzelle 10 anzupassen, ist die Turbine 52 als sogenannte Varioturbine ausgebildet. Dies bedeutet, dass stromauf des Turbinenrads 50 ein variabel einstellbares Leitgitter 60 angeordnet ist, mittels welchem Strömungsbedingungen der Anströmung des Turbinenrads 50 durch das Abgas beeinflussbar und an unterschiedliche Betriebspunkte der Brennstoffzelle 10, Druckverhältnisse des Verdichters 36 und/oder dergleichen anpassbar ist. Das Leitgitter 60 ist dabei ebenso von der Regelungseinrichtung 16 regelbar.
Ferner umfasst die Aufladeeinrichtung 34 einen weiteren Elektromotor 62, mittels welchem die Welle 40 und damit das Verdichterrad 38 sowie das Turbinenrad 50 antreibbar sind. Der Elektromotor 62 ist notwendig, da die von der Turbine 52 zur Verfügung gestellte Leistung nicht ausreicht um den Verdichter 34 alleine antreiben zu können. Daraus resultiert ein sehr effizienter Betrieb der Brennstoffzelle 10.
Durch die Verdichtung der Luft wirken auf das Verdichterrad 38 und damit das Turbinenrad 50 sowie die Welle 40 und auf eine Lagerung der Welle 40 in dem Lagergehäuse relativ hohe Axialkräfte, die die Lagerung stark beanspruchen und zu einer unerwünscht geringen Lebensdauer der Lagerung führen können, falls keine Gegenmaßnahmen getroffen sind. Um diese Belastung und Beanspruchung der Lagerung zu reduzieren oder gar zu vermeiden, umfasst die Aufladeeinrichtung 34 ein in der 9 schematisch dargestellte Axialschubkompensation 64, mittels welcher die Axialkräfte kompensierbar bzw. reduzierbar sind. Diese Axialschubkompensation 64 wird im Folgenden in Zusammenschau mit den übrigen Figuren näher erläutert.
Die 5 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Aufladeeinrichtung 34 mit dem Verdichter 36, dem weiteren Elektromotor 62 und der als Expansionsturbine in Form einer Varioturbine ausgebildeten Turbine 52. Bei der Versorgung der Brennstoffzelle 10 mit der verdichteten Luft ergeben sich infolge der Verdichtung der Luft relativ große Axialkräfte, welche von dem Verdichterrad 38 herrühren. Um eine bestimmte Drehzahlgrenze des weiteren Elektromotors 62 nicht zu überschreiten, welche beispielsweise in einem Bereich von 100.000 Umdrehungen pro Minute liegt, ist ein erster Durchmesser D2 des Verdichterrads 38 besonders groß auszulegen, um entsprechende Anforderungen hinsichtlich der Druckverhältnisse des Verdichters 36 (in Strömungsrichtung der zu verdichtenden Luft stromauf und stromab des Verdichterrads 38) zu erfüllen.
Da bei der Aufladeeinrichtung 34 die Turbine 52 vorgesehen ist, kann sich eine geringe Entlastung der Axialkräfte ergeben, wobei diese in Richtung eines Verdichtereintritts 66 wirken und von der Lagerung des Verdichterrads 38 und des Turbinenrads 50 bzw. der Welle 40 aufgenommen werden müssen. Die Turbine 52 bzw. das Turbinenrad 50, welche auf einen optimalen Wirkungsgrad im Nennpunkt, also bei maximaler Leistung des weiteren Elektromotors 62, konzipiert ist, erhält über die starre Kopplung zum Verdichter 36 die gleiche Drehzahl, die von dem weiteren Elektromotor 62 auf die Welle 40 bzw. auf das Verdichterrad 38 aufgebracht wird. Eine übliche Paarung des Turbinenrads 50 und des Verdichterrads 38 erfolgt über eine optimale Schnelllaufzahl u/co der Turbine 52, die im Nennpunkt den Wert von circa. 0,7 erreicht bzw. erreichen soll.
Da die Temperaturen des Abgases der Brennstoffzelle 10 mit circa 100° Celsius relativ gering sind, ergibt sich ein optimaler Wirkungsgrad der Turbine 52 bei kleinen zweiten Durchmessern D3 eines Radeintrittsbereichs, über welchen das Turbinenrad 50 von dem Abgas der Brennstoffzelle 10 anströmbar und antreibbar ist. Aufgrund diesen relativ großen Unterschiedes der Durchmesser D2, D3 ergibt sich die Problematik von hohen, auf die Lagerung wirkenden Axialkräften aufgrund einer nur geringen Kraftkomponente des Turbinenrads 50 entgegen den vom Verdichterrad 38 herrührenden Axialkräften.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste Durchmesser D2 des Verdichterrads 38 nahezu um den Faktor zwei größer ist als der zweite Durchmesser D3, woraus eine erste Fläche A2 eines ersten Radrückens 68 des Verdichterrads 38 resultiert, die um den Faktor vier größer ist als eine zweite Fläche A3 eines zweiten Radrückens 70 des Turbinenrads 50.
Daraus resultiert, dass im Einsatz der Brennstoffzelle 10 in herkömmlichen Personenkraftwagen Axialkräfte von mehreren 100, gegebenenfalls 300 bis 400 Newton auftreten können, die die Lagerung aufnehmen muss. Wünschenswert ist beispielsweise eine Lebensdauer von 6000 Stunden der Lagerung. Gleichzeitig soll die Lagerung der Welle 40 bzw. des Verdichterrads 38 und des Turbinenrads 50 verlustarm und daher möglichst reibungsarm erfolgen, was beispielsweise durch eine Lagerung mittels zumindest eines Wälzlagers, insbesondere eines Kugellagers, realisierbar ist. Solche Kugellager können allerdings die geschilderten, hohen Axialkräfte nur bedingt aufnehmen, woraus das Erfordernis zur Reduzierung bzw. Kompensation der Axialkräfte resultiert. Dies ist durch die zusammen mit der 9 geschilderte Axialschubkompensation 64 ermöglicht und in Zusammenschau mit der 8 weiter erläutert.
Wie der 8 zu entnehmen ist, umfasst die Axialschubkompensation 64 eine mit dem Turbinenrad 50 einstückig ausgebildete Kompensationsscheibe 72, wodurch eine Axialkraftkompensation der vom Verdichter 36 bewirkten Axialkräfte auf die Lagerung durch den zweiten Radrücken 70 des Turbinenrads 50 bewältigt ist. Die Kompensationsscheibe 72 weist dabei einen äußeren, dritten Durchmesser D_s auf, welcher gegenüber dem aerodynamischen, zweiten Durchmesser D3, welcher auch als Radeintrittsdurchmesser einer Beschaufelung des Turbinenrads 50 bezeichnet wird, unabhängig von der Größe abgestimmt ist und im vorliegenden Fall größer als der zweite Durchmesser D3 ausgebildet ist. Bevorzugt ist der dritte Durchmesser D_s eine Funktion der Axialkraft und größer als der zweite Durchmesser D3.
Bei der Turbine 52 bestimmt im Wesentlichen ein Düsendruck P3D an einem Austritt einer Düse 74 der Turbine 52, über welche das Turbinenrad 50 mit dem Abgas der Brennstoffzelle 10 anströmbar ist, ein Druckprofil auf einer Rückseite 76 des Turbinenrads 50 bzw. der Kompensationsscheibe 72, welche eine dritte Fläche As aufweist, die mit dem dritten Durchmesser D_s korrespondiert.
Eine Kraftresultierende des Turbinenrads 50 mit der Kompensationsscheibe 72 steht also einer Kraftresultierenden des Verdichterrads 38 gegenüber. Der Hauptanteil der Kraftresultierenden des Verdichterrads 38 wird durch den statischen Verdichteraustrittsdruck P2t direkt stromab des Verdichterrads 38 bestimmt, welcher mit einem repräsentativen Mitteldruck P2s einer Verdichterradscheibe 78 zusammenhängt. Analog dazu ist eine Turbinenradscheibe 81 vorgesehen, wobei ein repräsentativer Mitteldruck p3s der Turbinenradscheibe 81 mit einem Turbineneintrittsdruck p3t zusammen hängt.
Da der Turbineneintrittsdruck P3t durch Druckverluste in Verrohrungen, Wärmetauschern, Brennstoffzellenstacks und/oder dergleichen gegenüber dem Verdichteraustrittsdruck P2t schon merklich abgesenkt ist (bis an die 30%), erfordert die Kompensationsscheibe 72 am Turbinenrad 50 aufgrund des relativ geringen Düsendrucks P3D große Abmessungen, um eine merkliche Axialkraftreduktion zu bewirken.
Um den dritten Durchmesser D_s gering zu halten, wird vorteilhafterweise der Verdichteraustrittsdruck P2t mittels der Axialschubkompensation 64 über einen Kanal 79 im Bereich eines Verdichteraustritts oder gegebenenfalls einer Verdichtersammelspirale, also stromab des Verdichterrads 38, oder eines Verdichterdiffusors abgegriffen und auf die Kompensationsscheibe 72 auf Seiten des Turbinenrads 50 in eine Druckkammer 80 aufgeprägt. Der Verdichteraustrittsdruck P2t macht dabei einen deutlich größeren Druckwert aus als der Mitteldruck P2s der Verdichterradscheibe 78.
Um diesen deutlich erhöhten Verdichteraustrittsdruck P2t auf die Kompensationsscheibe 72 wirksam werden zu lassen und zur Bildung des Druckkammer 80, welche auch als Druckraum bezeichnet wird, sind Abdichtstellen 82, 83 vorgesehen, mittels welchen die Druckkammer 80 abgedichtet ist. Während die innere Abdichtstelle 83 als herkömmliche, einfache Kolbenringdichtung ausgebildet sein kann, ist die äußere Abdichtstelle 82 auf dem dritten Durchmesser D_s vortelihafterweise als berührungslose Abdichtung beispielsweise in Form einer Labyrinthdichtung ausgebildet. Etwaige Leckagen der äußeren Abdichtstelle 82 werden über die Beschaufelung des Turbinenrads 50 abgeströmt. Die Druckkammer 80 ist somit einerseits mittels eines Bereichs der Kompensationsscheibe 72, mittels der Abdichtstellen 82, 83 sowie mittels eines Gehäuseteils 86 eines Turbinengehäuses der Turbine 52 sowie mittels eines Teils eines Nabenkörpers des Turbinenrads 50 begrenzt.
Auf einer Ringfläche 84, welche sich gemäß der Formel (Π·((D_s/2)² – (D3/2)²)) ergibt, wobei die Ringfläche 84 auf Seiten der Beschaufelung des Turbinenrads 50 liegt, soll weitestgehend der erniedrigte Düsendruck P3D anliegen, um den deutlich größeren Verdichteraustrittsdruck P2t, welcher auch als statischer Kompensationsdruck bezeichnet wird, in seiner Wirkung in der Druckkammer 80 voll zu entfalten.
Im Falle, dass keine Turbine 52 vorliegt, würde die Kompensation der Axialkräfte analog zu den 5 und 8 durch eine reine Kompensationsscheibe 72 erfolgen, wobei der Düsendruck P3D dann im Bereich des Umgebungsdrucks bzw. geringfügig darüber mit dem Turbinenaustrittsdruck P4 auf eine Austrittsseite der Kompensationsfläche der Kompensationsscheibe 72 wirken würde.
Die Axialkräfte, welche in Richtung des Verdichtereintritts 66 wirken, sind in den 1 und 5 durch einen Kraftpfeil F angedeutet. Dabei dienen insbesondere die 1, 6 und 7 zur Veranschaulichung der Berechnung bzw. Abschätzung der Axialkräfte. Die Axialkräfte ergeben sich insbesondere aus Gaskräften und bewirken einen Axialschub, der auf den Rotor, welcher das Turbinenrad 50, das Verdichterrad 38 und die Welle 40 umfasst, wirkt. Der Axialschub ergibt sich insbesondere aus Axialkräften, die in Richtung des Turbinenaustritts auf die Verdichterradkontur, den Verdichterradeintritt wirken, sowie aus einem Verdichterimpuls resultieren. Ferner wirken auf das Verdichterrad 38 Axialkräfte in Richtung des Verdichtereintritts. Korrespondierend dazu wirken auf Seiten der Turbine 52 Axialkräfte in Richtung des Verdichtereintritts 66 auf die Turbinenradkontur und auf den Turbinenradaustritt. Zudem wirken Axialkräfte infolge eines Turbinenimpulses. Auf das Turbinenrad 50 wirken in Richtung des Turbinenaustritts ebenso Axialkräfte. Wie mittels des Kraftpfeils F angedeutet ist, ist der Axialschub auf der Verdichterradseite wesentlich größer als auf der Turbinenradseite. Dies ist der Fall, da Gasdrücke sowie die Radrückenfläche des Verdichterrads 38 größer sind als auf Seiten des Turbinenrads 50, falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind. Um den Axialschub bzw. die Axialkräfte insgesamt gering zu halten, ist daher eine zumindest im Wesentlichen optimale aerodynamische Anpassung des Turbinenrads 50 vorteilhaft.
Eine solche aerodynamische Anpassung kann zu relativ kleinen Turbinenraddurchmessern führen. Die 2 zeigt anhand eines Diagramms 88 den Zusammenhang zwischen wirkungsgradoptimalen Umfangsgeschwindigkeiten U_opt bei den entsprechenden Turbineneintrittstemperaturen T3t und Turbinendruckverhältnissen bei einem Wert der Schnelllaufzahl von 0,7 und des Reaktionsgrads von 0,5. Die wirkungsgradoptimale Umfangsgeschwindigkeit U_opt ergibt sich dabei bei einer Schnelllaufzahl von 0,7. In dem Diagramm 88 ist die Turbineneintrittstemperatur mit T3t bezeichnet. Das Druckverhältnis ist mit P3t/P4 bezeichnet. Dabei bezeichnen P3t den Turbineneintrittsdruck und P4 den Turbinenaustrittsdruck. Die Schnelllaufzahl ergibt sich aus u/c₀, wobei u die Umfangsgeschwindigkeit und c₀ die Absolutgeschwindigkeit des Abgases bezeichnet. Durch die optimale Verdichterdrehzahl für die Luftlieferung der Brennstoffzelle 10 ist somit der Radeintrittsdurchmesser (zweiter Durchmesser D3) der Turbine 52 auf kleine Werte festgeschrieben, bedingt durch die den relativ niedrigen Expansionstemperaturen im Bereich von 100°C zugeordneten optimalen Umfangsgeschwindigkeiten U_opt.
Der 2 ist auch ein Radgrenzfestigkeitsbereich B zu entnehmen, welcher sich beispielsweise auf den Werkstoff Inconel 713 LC bezieht. Darüber hinaus ist in der 2 ein Bereich C eingezeichnet, welcher sich auf die Turbine 52 der Aufladeeinrichtung 34 bezieht.
Die 6 zeigt eine vierte Fläche A1 sowie eine fünfte Fläche A1K, auf welche die Graskräfte wirken können, woraus Axialkräfte resultieren, welche auf den Rotor in Richtung des Turbinenaustritts wirken. Die 6 zeigt auch eine sechse Fläche A2R, welche dem Radrücken des Verdichterrads 38 zugeordnet ist und auf welche Gaskräfte wirken, woraus Axialkräfte resultieren, die in Richtung des Verdichtereintritts 66 wirken.
Der Reaktionsgrad beträgt beispielsweise 0,6 während der Verdichtereintrittsdruck P1 ein bar (1 bar) beträgt. Vorliegend beträgt der Verdichteraustrittsdruck P2T 3,2 bar. Ein auf den ersten Radrücken 68 des Verdichterrads 38 wirkender erster Druck P2 beträgt beispielsweise 2,32 bar.
Entsprechend dazu zeigt die 7 eine siebte Fläche A3R des zweiten Radrückens 70 des Turbinenrads 50, auf welche Gaskräfte wirken. Daraus ergeben sich Axialkräfte, die in Richtung des Turbinenaustritts wirken. Die 7 zeigt auch eine achte Fläche A4K und eine neunte Fläche A4, auf welche Gaskräfte wirken. Daraus resultieren Axialkräfte, welche in Richtung des Turbineneintritts gerichtet sind. Der Turbineneintrittsdruck P3t beträgt beispielsweise 2,7 bar. Der Turbinenaustrittsdruck beträgt 1,0 bar. Der Reaktionsgrad beträgt 0,5. Ein auf den zweiten Radrücken 70 des Turbinenrads 50 wirkender Druck beträgt beispielsweise 1,85 bar. Die Axialkräfte betragen dabei zum Beispiel 335,1 N und wirken in Richtung des Verdichtereintritts 66. Durch entsprechende Vergrößerung der sechsten Fläche A3R können die Axialkräfte kompensiert werden. Dazu dient die Kompensationsscheibe 72.
Darüber hinaus können, wie insbesondere der 12 zu entnehmen ist, die Laufradschaufeln 90 des Turbinenrads 50 zumindest in einem Eintrittsbereich 92, in welchem das Turbinenrad 50 von dem Abgas angeströmt wird, vorwärtsgekrümmt ausgebildet sein. Dadurch wird der Beitrag des Turbinenrads 50 Zur Kompensation der Axialkräfte stärker gewichtet, indem durch die Vorwärtskrümmung der Laufradschaufeln 90 das Turbinenrad 50 gegenüber einer rein axial verlaufende Beschaufelung vergrößert wird.
Die axiale Erstreckung der Kompensationsscheibe 72, d. h. ihre Breite, ist vorzugsweise sehr gering, um Strömungsverluste gering zu halten. Ihre Breite ist vorteilhafterweise vollständig zu vermeiden, was auf die Auslegung des Schaufeleintrittswinkels β_1s Einfluss haben kann, was anhand der 12 dargestellt ist. Eine vorteilhafte und besonders große Gestaltung des zweiten Durchmessers D3 und die entsprechende Ausgestaltung des Schaufeleintrittswinkels β_1s steht in Abhängigkeit zur Euler'schen Beziehung bei angestrebter Umfangsgeschwindigkeit u1 und der im Nennpunkt gewünschten Gasgeschwindigkeitskomponente c_u1, wie der 11 zu entnehmen ist.
Die 10 zeigt ein erstes Geschwindigkeitsdreieck 94, welches sich auf eine rein radiale Beschaufelung des Turbinenrads 50 bezieht. Demgegenüber zeigt die 11 ein zweites Geschwindigkeitsdreieck 96, welches sich auf eine vorwärtsgekrümmte Beschaufelung des Turbinenrads 50 bezieht, wobei das Turbinenrad 50 somit vorwärtsgekrümmte Laufradschaufeln 90 umfasst, die in Richtung der Drehrichtung, in welche sich das Turbinenrad 50 beim Betrieb der Aufladeeinrichtung 34 dreht, gekrümmt sind. Der Schaufeleintrittswinkel β_1s ist vorteilhafterweise größer als 100° und kleiner als 150°, was eine Vorwärtskrümmung Δβ_1s bis nahe an 60° bedeutet.
Wie der 12 zu entnehmen ist, wird der Schaufeleinsatzwinkel β_1s zwischen der Eintrittstangente 98 und der Umfangstangente 100 an der Laufradschaufel 90 eingeschlossen. Die Vorwärtskrümmung Δβ_1s bezieht sich auf den Winkel, um den die Laufradschaufel 90 gegenüber einer mittels einer punktierten Linie 102 angedeuteten radialen Erstreckung hinsichtlich ihrer Eintrittstangente 98 geneigt ist.
Da es sich bei der Turbine 52 um eine so genannte Kaltluft-Turbine handelt, ergeben sich bei entsprechender Gestaltung des Turbinenrads 50 Spannungen, die mit Aluminiumwerkstoffen noch beherrschbar sind. Das prinzipielle Wirkungsgradverhalten des Turbinenrads 50 mit den vorwärtsgekrümmten Laufradschaufeln 90 {vorwärtsgekrümmte Beschaufelung) im Vergleich zu einer rein radialen Erstreckung der Beschaufelung wird durch die 13 wiedergegeben.
Die 13 zeigt ein zweites Diagramm 104, auf dessen Abszisse 106 die Schnelllaufzahl aufgetragen ist. Auf der Ordinate 108 des zweiten Diagramms 104 ist der Turbinenwirkungsgrad η_T aufgetragen. Ein erster Verlauf 110 bezieht sich auf die rein radial verlaufende Beschaufelung, während sich ein zweiter Verlauf 112 auf die vorwärtsgekrümmte Beschaufelung des Turbinenrads 50 bezieht, wobei der Schaufeleintrittswinkel β_1s größer als 90° ist. Betrachtet wird dabei ein zumindest im Wesentlichen optimaler Reaktionsgrad von größer als 0,5. Das Wirkungsgradoptimum lässt sich über die Vorwärtskrümmung der Laufradschaufeln 90 hin zu höheren Schnelllaufzahlen verschieben, was für die Nennpunktauslegung der als Expansionsturbine ausgebildeten Turbine 52 vorteilhaft sein kann.
Für das Betriebsverhalten der Aufladeeinrichtung 34 ist die vorwärtsgekrümmte Beschaufelung neben dem Vorteil der zumindest teilweisen Kompensation der Axialkräfte, auch in vielen Betriebsphasen wie zum Beispiel in instationären Hochlauf- und Verzögerungsphasen, vorteilhaft. Hier sind aufgrund des Wirkungsgrads höhere Schnelllaufzahlen möglich, so dass gegenüber einer rein radial verlaufenden Beschaufelung die Ventilationsneigung der vorwärtsgekrümmten Beschaufelung bei den durch den weiteren Elektromotor 62 maßgebend bestimmten Drehzahl- und Gasdurchsatzänderungen geringer ausfällt. Dies führt in Summe der relevanten Fahrzyklen zu einer Wirkungsgraderhöhung der Aufladeeinrichtung 34 mit dem Turbinenrad 50, dessen Laufradschaufeln 90 vorwärtsgekrümmt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008007616 A1 [0002]

Claims

Aufladeeinrichtung (34) für eine Brennstoffzelle (10), mit einer Turbine (52), welche ein Gehäuseteil (86) mit einem Aufnahmeraum aufweist, in welchem ein Turbinenrad (50) der Turbine (52) um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuseteil (86) drehbar aufgenommen ist, wobei das Turbinenrad (50) Laufradschaufeln (90) umfasst, über die das Turbinenrad (50) in einem Eintrittsbereich von einem Medium, insbesondere von einem gasförmigen Abgas der Brennstoffzelle (10), anströmbar ist und die zumindest in dem Eintrittsbereich vorwärtsgekrümmt ausgebildet sind.
Aufladeeinrichtung (34) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Turbinenrad (50) verbundenes Kompensationselement (72) zur zumindest teilweisen Kompensation von Axialkräften und ein um die Drehachse drehbares Verdichterrad (38), mittels welchem ein der Brennstoffzelle (10) zuzuführendes weiteres Medium, insbesondere Luft, verdichtbar ist, vorgesehen sind, wobei das Kompensationselement (72) zumindest bereichsweise über wenigstens einen Kanal (79) mit einem in Strömungsrichtung des zu verdichtenden weiteren Mediums stromab des Verdichterrads (38) herrschenden Austrittsdruck (P2t) beaufschlagbar ist.
Aufladeeinrichtung (34) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (72) mit einem in dem Eintrittsbereich herrschenden Eintrittsdruck (P3t) zumindest bereichsweise beaufschlag bar ist.
Aufladeeinrichtung (34) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (72) einen von einem Eintrittsdurchmesser (D3) des Eintrittsbereiches unterschiedlichen Durchmesser (D_s) aufweist.
Aufladeeinrichtung (34) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D_s) des Kompensationselements (72) größer ist als der Eintrittsdurchmesser (D3) des Eintrittsbereiches.
Aufladeeinrichtung (34) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (38) Verdichterschaufeln zum Verdichten des weiteren Mediums umfasst, welche vorwärtsgekrümmt ausgebildet sind.
Aufladeeinrichtung (34) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (72) mit dem stromab des Verdichterrads (38) herrschenden Austrittsdruck (P2t) in einem Bereich des Kompensationselements (72) beaufschlagbar ist, wobei mittels des Bereichs, des Gehäuseteils (86) und zumindest zweier Dichtungselemente (82, 83) der Aufladeeinrichtung (34) eine Kammer (80) begrenzt ist.
Aufladeeinrichtung (34) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungselemente (82, 83) jeweils einerseits an dem Gehäuseteil (86) und andererseits an dem Kompensationselement (72) oder dem Turbinenrad (50) oder einer Welle abgestützt sind, mit welcher das Turbinenrad (50) und/oder das Kompensationselement (72) drehfest verbunden ist.
Aufladeeinrichtung (34) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Dichtungselemente (82, 83) als Kolbenring für einen Kolben einer Hubkolbenmaschine oder als berührungslose Dichtung, insbesondere als Labyrinthdichtung, ausgebildet ist.
Aufladeeinrichtung (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schaufeleintrittswinkel (β_1s) der Laufradschaufeln (90) größer als 100 Grad und kleiner als 150 Grad ist.