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Die Erfindung betrifft eine Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung für eine Wasserstoffrückführung und eine Luftzufuhr in einem Brennstoffzellensystem. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem mit solch einer Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung.
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Ein Brennstoffzellensystem kann in einem Fahrzeug, beispielsweise einem Auto, einem Zug, einem Flugzeug oder einem Schiff vorgesehen sein. Elektrische Energie wird im Brennstoffzellensystem beispielsweise durch Wasserstoff generiert, um das Fahrzeug anzutreiben.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit, die mit gasförmigem Wasserstoff versorgt wird. Zur Zuführung von Frischluft, deren Sauerstoff mit dem Wasserstoff reagiert, kann ein Lader vorgesehen sein. Optional ist eine Rückführung für unverbrauchtes Wasserstoffgas zum Eingang der Brennstoffzelleneinheit vorgesehen. In der Rückführung ist ein Rezirkulationsgebläse vorgesehen, um das unverbrauchte Wasserstoffgas zum Eingang zurückzuführen und die Brennstoffzelle zu belüften. Dadurch lässt sich ein geringerer Kraftstoffverbrauch erzielen.
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Das Rezirkulationsgebläse kann als elektrisch betriebener Verdichter, beispielsweise Radialverdichter ausgebildet sein. Auch Seitenkanalverdichter und Drehkolbengebläse, sogenannte Roots-Gebläse, mit relativ niedrigem Solldruckverhältnis werden eingesetzt.
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Es stellt sich die Aufgabe, einen alternativen Ansatz anzugeben, um Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem zurückzufördern.
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Die Aufgabe wird durch eine Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung für eine Wasserstoffrückführung und eine Luftzufuhr in einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung umfasst ein Gebläse mit einem Gebläserad, das ausgebildet ist, einen wasserstoffhaltigen Rückführungsstrom zu einer Brennstoffzelleneinheit zu fördern, und einen Verdichter mit einem Verdichterrad, der ausgebildet ist, einen Luftstrom für eine Brennstoffzelleneinheit zu verdichten, wobei das Verdichterrad und das Gebläserad drehfest miteinander gekoppelt sind. Ein Elektroantrieb und/oder eine Turbine ist ausgebildet, gleichzeitig das Gebläserad und das Verdichterrad anzutreiben.
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In der Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung ist sowohl ein Gebläse zum Rücktransport des nicht verbrauchten Wasserstoffs zur Brennstoffzelleneinheit als auch ein Verdichter als Lader für die Zufuhr von verdichteter Frischluft zur Brennstoffzelleneinheit vorgesehen. Vorteilhafterweise wirkt das Gebläse auch als Verdichter für den wasserstoffhaltigen Rückführungsstrom. Der Verdichter fördert die verdichtete Frischluft zur Brennstoffzelleneinheit. Das Gebläserad und das Verdichterrad sind in einer Ausführung derart gekoppelt, dass sie gleichzeitig von einem Elektroantrieb angetrieben werden; eine Turbine ist nicht vorgesehen. Alternativerweise sind das Gebläserad und das Verdichterrad derart gekoppelt, dass sie gleichzeitig von der Turbine angetrieben werden und vorteilhafterweise durch einen Elektroantrieb unterstützt werden, sodass ein ausreichendes Antriebsmoment für das Gebläse und den Verdichter bereitgestellt wird. Die Turbine ist durch einen Brennstoffzellenabgasstrom aus der Brennstoffzelleneinheit, der im Wesentlichen Wasserdampf umfasst, antreibbar. Der Brennstoffzellenabgasstrom und der wasserstoffhaltige Rückführungsstrom werden an zwei Ausgängen der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellt und voneinander getrennt durch die Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung geführt.
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Die Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung integriert ein Rezirkulationsgebläse und einen Lader für eine Brennstoffzelleneinheit in einer Vorrichtung. Dies ist ein neuer Ansatz zur Bereitstellung eines Wasserstoff-Rezirkulationsgebläses, das die Effizienz und Lebensdauer von Brennstoffzellensystemen für alle Arten von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen, beispielsweise Autos, Züge, Flugzeuge oder Schiffe, erhöht.
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Die Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung erweitert den Funktionsbereich eines konventionellen elektrisch unterstützen Brennstoffzellenladers mit einem Verdichter zur Zuführung von Ansaugluft und einer Turbine, die den Verdichter durch einen Abgasstrom antreibt. In der Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung ist das Rezirkulationsgebläse in ein Lader-System zu integriert, dessen Konstruktion bereits einsatzbereit und getestet ist und auf den das Design bei der Integration des Rezirkulationsgebläses und der damit einhergehenden Anpassung des Laders aufbauen kann. Die Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung kann auf einem nur elektrisch angetriebenem Lader oder einem elektrisch unterstützten turbinenangetriebenem Lader basieren. Bei der Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung wird der Elektroantrieb oder der durch einen Elektroantrieb unterstützte Turbinenantrieb zusätzlich für die Förderung, und vorteilhafterweise Verdichtung, des zurückzuführenden Wasserstoffs genutzt. Dadurch ergibt sich Kosten- und Platzsparpotenzial.
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Die Kopplung von Verdichterrad und Gebläserad kann mittels einer Welle erfolgen, wobei der Elektroantrieb zwischen dem Verdichterrad und dem Gebläserad mit der Welle gekoppelt ist, sodass Verdichterrad und Gebläserad an den Endbereichen der Welle angeordnet sind. Der Elektroantrieb umfasst einen Elektromotor, der zwischen dem Verdichterrad und dem Gebläserad angeordnet ist und die Welle antreibt. Solch eine Welle kann von ölfreien Luftlagern gehalten werden. Bei dieser Ausführung ist eine Turbine nicht vorgesehen, da der Antrieb nur elektrisch erfolgt.
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In einer alternativen Ausführung ist eine Turbine vorgesehen. Die Welle ist mit dem Verdichterrad, dem Gebläserad und dem Turbinenrad gekoppelt, und ein Elektroantrieb ist zwischen zweien aus dem Verdichterrad, dem Gebläserad und dem Turbinenrad mit der Welle gekoppelt, sodass an beiden Endbereichen der Welle Räder vorgesehen sind. Solch eine Welle kann von ölfreien Luftlagern gehalten werden. Gebläse, Verdichter, Turbine und Elektromotor, der Teil des Elektroantriebs ist, können in verschiedener Reihenfolge angeordnet werden. Der Elektromotor weist einen drehbaren magnetisch wirkenden Bereich und einen stationären magnetisch wirkenden Bereich auf, wobei der drehbare magnetisch wirkende Bereich auf der Welle angeordnet ist. Solch ein Elektromotor kann beispielsweise ein 3-Phasen-Permanentmagnetmotor sein, dessen Steuerschaltung einen 3-Phasen-Wechselrichter umfasst, der mit mindestens 48V betrieben wird.
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In einer Ausführung ist ein Elektromotor zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad angeordnet und mit der Welle gekoppelt. Bei dieser Anordnung von Turbinenrad und Verdichterrad ähnlich wie bei einem konventionellen elektrisch unterstützen Lader ist das Rezirkulationsgebläse als zusätzliche, äußere Verdichterstufe auf der gleichen Welle angeordnet, vorteilhafterweise an der vom Elektromotor abgewandten Seite der Turbine, sodass Verdichter und Gebläse außen angeordnet sind.
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In einer alternativen Anordnung ist ein Elektromotor zwischen dem Turbinenrad und dem Gebläserad angeordnet, und an der vom Elektromotor abgewandten Seite des Gebläserads ist das Verdichterrad angeordnet.
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In einer Ausführung ist ein Elektromotor zwischen dem Verdichterrad und dem Gebläserad angeordnet und mit der Welle gekoppelt, wobei an der vom Elektromotor abgewandten Seite des Gebläserads das Turbinenrad angeordnet ist. Vorteilhafterweise wenden das Gebläserad und das Turbinenrad einander ihre Rückseiten zu, was auch als Back-to-Back-Anordnung bezeichnet wird. Diese Anordnung erleichtert die Zufuhr der einströmenden Gasströme und geht mit einem kompakten Aufbau einher.
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Auch in anderen Ausführungen können zwei benachbarte Räder einander ihre Rücken zuwenden.
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In einer Ausführung umfasst ein Gehäuse der Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung ein Gebläsegehäuse, ein Verdichtergehäuse und ein Turbinengehäuse und ist so ausgebildet, dass der wasserstoffhaltige Rückführungsstrom, der Luftstrom und der Brennstoffzellenabgasstrom räumlich voneinander getrennt durch das Gehäuse strömen. Die räumliche Trennung der Gasströme wird durch die Gehäusegestaltung sowie Dichtungen erreicht.
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Bei einer Ausführung ohne Turbine sind das Gebläsegehäuse und das Verdichtergehäuse so ausgebildet, dass der wasserstoffhaltige Rückführungsstrom und der Luftstrom räumlich voneinander getrennt durch das Gehäuse strömen.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung und eine Brennstoffzelleneinheit, die so miteinander gekoppelt sind, dass Wasserstoff aus der Brennstoffzelleneinheit durch das Gebläse zur Brennstoffzelleneinheit zurückgefördert wird und ein Luftstrom durch den Verdichter der Brennstoffzelleneinheit zugeführt wird. Die Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung erfüllt eine Doppelfunktion: Wasserstoffrückführung und Luftzufuhr, was mit einer kompakten Gestaltung der Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung und damit auch des Brennstoffzellensystems einhergeht.
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In einer Ausführung des Brennstoffzellensystems weist das Gebläse einen Gebläseeinlass und einen Gebläseauslass auf, und der Verdichter weist einen Verdichtereinlass zum Einströmen von Luft und einen Verdichterauslass auf. Die Brennstoffzelleneinheit ist ausgangsseitig mit dem Gebläseeinlass und eingangsseitig mit dem Gebläseauslass und dem Verdichterauslass gekoppelt. Die Kopplung kann durch weitere Komponenten, beispielsweise Ventile, erfolgen. Bei dieser Ausführung ist eine Turbine nicht erforderlich.
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In einer alternativen Ausführung des Brennstoffzellensystems weist das Gebläse einen Gebläseeinlass und einen Gebläseauslass auf. Der Verdichter weist einen Verdichtereinlass zum Einströmen von Luft und einen Verdichterauslass auf, und die Turbine weist einen Turbineneinlass und einen Turbinenauslass auf. Die Brennstoffzelleneinheit ist ausgangsseitig mit dem Turbineneinlass und dem Gebläseeinlass und eingangsseitig mit dem Gebläseauslass und dem Verdichterauslass gekoppelt. Die Kopplung kann durch weitere Komponenten, beispielsweise Ventile, erfolgen. Bei dieser Ausführung ist ein Turbinenantrieb vorgesehen, der vorteilhafterweise durch den Elektroantrieb elektrisch unterstützt ist, wodurch sich der Strombedarf im Vergleich zu einer Ausführung ohne Turbine verringert. Die Turbine wird durch den Brennstoffzellenabgasstrom angetrieben, und das Gebläse fördert den wasserstoffhaltigen Rückführungsstrom.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines konventionellen Brennstoffzellensystems,
- 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems,
- 3 schematisch einen Rotor mit Elektromotor aus der Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung aus 2,
- 4 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems,
- 5 schematisch einen Rotor mit Elektromotor aus der Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung aus 4,
- 6 schematisch noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems,
- 7 schematisch einen Rotor mit Elektromotor aus der Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung aus 6, und
- 8 eine Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel einer Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleichwirkende Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines konventionellen Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelleneinheit 1, die einen Stapel mit mehreren Brennstoffzellen umfasst. Die Brennstoffzellen weisen jeweils eine Anode und eine Kathode sowie eine dazwischen angeordnete Membran auf. Anodenseitig wird ein Brennstoff, in diesem Ausführungsbeispiel gasförmiger Wasserstoff, zugeführt. Die Zuführung erfolgt aus einem als Tank ausgebildeten Wasserstoffreservoir 3 über einen Druckminderer 5 und ein dem Druckminderer 5 nachgeschaltes Druckregelungsventil 7. Wasserstoff aus dem Druckminderungsventil 7 und aus der Brennstoffzelleneinheit 1 rückgeführter Wasserstoff werden über einen Ejektor 9 der Brennstoffzelleneinheit 1 anodenseitig zugeführt. Kathodenseitig wird ein Oxidationsmittel, üblicherweise Luft, zugeführt. Die Zuführung erfolgt über einen Filter 11 und einen Luftverdichter 13. Die verdichtete Luft durchläuft einen Luftbefeuchter 15, um den Wirkungsgrad zu verbessern, und wird kathodenseitig der Brennstoffzelleneinheit 1 zugeführt.
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Der Brennstoff und das Oxidationsmittel reagieren im Inneren der Brennstoffzellen und setzen Energie frei bei gleichzeitiger Erzeugung von Wasser. Das gasförmige Wasser ist der ausgangsseitige Brennstoffzellenabgasstrom 290 an der Kathode. Wasserstoff, der aus dem Wasserstoffreservoir 3 in die Anodenseite fließt, wird üblicherweise jedoch nicht vollständig in Wasser umgewandelt. Stickstoff und Wasser, die bei der Reaktion in der Anode gebildet werden und zunehmend den Wirkungsgrad verschlechtern würden, werden aus der Brennstoffzelleneinheit 1 abgelassen, um Platz zu schaffen für Wasserstoff. Dadurch wird eine effiziente Reaktion ermöglicht und die empfindliche Membran in den Brennstoffzellen nicht beschädigt, damit das Brennstoffzellensystem 1 auch bei Kälte gut funktioniert und eine lange Lebensdauer hat. Wegen der vorgenannten Punkte ist ein Rückführungskreislauf für einen wasserstoffhaltigen Rückführungsstrom 250 mit einem Rezirkulationsgebläse 17 in der Wasserstoffrückführung und einem Ablassventil 19 an der Anode vorgesehen. Ein Rezirkulationsgebläse 17 erhöht den Wirkungsgrad und die Robustheit des Systems, insbesondere hinsichtlich des Schutzes bei Kälte sowie der Lebensdauer. An der Anode ist ein separater Rückführungskreislauf mit dem Rezirkulationsgebläse 17 vorgesehen, der den nicht verbrauchten Wasserstoff zurückführt und den Stickstoff und das überschüssige Wasser aus der Zelle bläst. Der Rückführungskreislauf speist einerseits den nicht verbrauchten Wasserstoff zurück in den Anodeneingang und lässt andererseits den Stickstoff und das überschüssige Wasser durch das Ablassventil 19 ab. Das Wasser wird zum Luftbefeuchter 15 geführt, um die Eingangsluft zu befeuchten.
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Kühlanschlüsse 21 der Brennstoffzelleneinheit 1 sind mit einem Kühlsystem verbunden, um die Brennstoffzelleneinheit 1 zu kühlen.
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2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 1, die eingangsseitig mit einem Wasserstoffreservoir 3 gekoppelt ist, von dem Wasserstoff als Brennstoff in die Brennstoffzelleneinheit 1 geleitet wird. Die Kopplung kann über weitere Komponenten, beispielsweise Ventile, erfolgen.
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Die Brennstoffzelleneinheit 1 ist mit einer Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23 gekoppelt, die sowohl Luft zur Brennstoffzelleneinheit 1 zuführt als auch nicht verbrauchten Wasserstoff in die Brennstoffzelleneinheit 1 zurückführt. In der Brennstoffzelleneinheit 1 bewirkt die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff aus der zugeführten Luft eine Wandlung der chemischen Energie von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie, deren Leistungsabgabe 47 durch einen Pfeil veranschaulicht ist.
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Die Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23 umfasst ein Gebläse 25, das ausgebildet ist, einen wasserstoffhaltigen Rückführungsstrom 250 zu fördern und dabei zu verdichten, und einen Verdichter 27, der ausgebildet ist, einen Luftstrom 270 für die Brennstoffzelleneinheit 1 zu verdichten und zu fördern. Ein Elektroantrieb 31 treibt gemeinsam das Gebläse 25 und den Verdichter 27 an.
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Das Gebläse 250 umfasst einen Gebläseeinlass 251, einen Gebläseauslass 253 und ein Gebläserad 255. Der Verdichter 27 umfasst einen Verdichtereinlass 271, einen Verdichterauslass 273 und ein Verdichterrad 275. Eingangsseitig ist die Brennstoffzelleneinheit 1 mit dem Verdichterauslass 273, über den verdichtete Luft zugeführt wird, und dem Gebläseauslass 253, über den nicht verbrauchter Wasserstoff wieder bereitgestellt wird, gekoppelt. Ausgangsseitig ist die Brennstoffzelleneinheit 1 mit dem Gebläseeinlass 251 gekoppelt, sodass nicht verbrauchter Wasserstoff aus der Brennstoffzelleneinheit 1 in das Gebläse 25 strömt. Über den Verdichtereinlass 271 wird Luft zum Verdichter 27 geführt.
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Das Gehäuse der Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23 umfasst ein Gebläsegehäuse und ein Verdichtergehäuse, die so ausgebildet sind, dass der wasserstoffhaltige Rückführungsstrom 250 beziehungsweise der Luftstrom 270 räumlich voneinander getrennt durch das Gehäuse strömen, ohne sich zu mischen.
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Der Elektroantrieb 31 ist zwischen das Gebläse 25 und den Verdichter 27 gekoppelt und umfasst einen Elektromotor 33, der sowohl das Verdichterrad 275 im Verdichter 27 als auch das Gebläserad 255 im Gebläse 25 antreibt, sodass Luft zur Brennstoffzelleneinheit 1 gefördert wird beziehungsweise Wasserstoff zur Brennstoffzelleneinheit 1 zurückgefördert wird. Der Elektromotor 33 kann als 3-Phasen-Permanentmagnetmotor ausgebildet sein. Eine Steuerschaltung 35 steuert den Elektromotor 33 und ist mit einer elektrischen Versorgung 49 gekoppelt. Über die Steuerschaltung 35 erfolgt auch die Stromversorgung des Elektromotors 33.
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3 zeigt schematisch einen Rotor aus der Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23 aus 2. Der Rotor umfasst die drehbaren Komponenten der Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23.
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Der Rotor umfasst das Gebläserad 255 und das Verdichterrad 275, die über eine Welle 37 drehfest miteinander gekoppelt sind. Die Welle 37 wird durch den Elektromotor 33 angetrieben und von Lagern 39 gehalten. Der Elektromotor 33 ist zwischen dem Gebläserad 255 und dem Verdichterrad 275 angeordnet. Der Elektromotor 33 ist mit der Welle 37 gekoppelt, sodass sie durch den Elektromotor 33 antreibbar ist. Das Gebläserad 255 und das Verdichterrad 275 drehen sich mit der gleichen Geschwindigkeit. Durch eine unterschiedliche Gestaltung, insbesondere eine unterschiedliche Größe, kann ihre Leistungsfähigkeit sich jedoch unterscheiden und an die Betriebserfordernisse angepasst werden.
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4 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 1, die eingangsseitig mit einem Wasserstoffreservoir 3 gekoppelt ist, von dem Wasserstoff als Brennstoff in die Brennstoffzelleneinheit 1 geleitet wird.
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Die Brennstoffzelleneinheit 1 ist mit einer Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23 gekoppelt, die sowohl verdichtete Luft zur Brennstoffzelleneinheit 1 fördert als auch nicht verbrauchten Wasserstoff in die Brennstoffzelleneinheit 1 zurückfördert. Ein Brennstoffzellenabgasstrom 290 mit im Wesentlichen Wasserdampf, aber auch Sauerstoff wird durch die Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23 geführt, um die Luftzufuhr und Wasserstoffrückführung anzutreiben. Ein wasserstoffhaltiger Rückführungsstrom 250, der ebenfalls ausgangsseitig der Brennstoffzelleneinheit 1 bereitgestellt wird, wird durch die Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23 zum Eingang der Brennstoffzelleneinheit 1 zurückgefördert.
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Die Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23 umfasst ein Gebläse 25, das ausgebildet ist, einen wasserstoffhaltigen Rückführungsstrom 250 zu fördern, und einen Verdichter 27, der ausgebildet ist, einen Luftstrom 270 für die Brennstoffzelleneinheit 1 zu verdichten. Eine Turbine 29 ist mit dem Gebläse 25 und dem Verdichter 29 gekoppelt, sodass sie gleichzeitig das Gebläse 25 und den Verdichter 27 antreibt. Die Turbine 29 ist durch den Brennstoffzellenabgasstrom 290 antreibbar. Ein Elektroantrieb 31, der gemeinsam das Gebläse 25 und den Verdichter 27 antreiben kann, ist zur Unterstützung des Turbinenantriebs vorgesehen.
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Das Gebläse 25 umfasst einen Gebläseeinlass 251, einen Gebläseauslass 253 und ein Gebläserad 255. Der Verdichter 27 umfasst einen Verdichtereinlass 271, einen Verdichterauslass 273 und ein Verdichterrad 275. Die Turbine 29 umfasst einen Turbineneinlass 291, einen Turbinenauslass 293 und ein Turbinenrad 295. Eingangsseitig ist die Brennstoffzelleneinheit 1 mit dem Verdichterauslass 273, aus dem verdichtete Luft zugeführt wird, und dem Gebläseauslass 253, aus dem Wasserstoff zurückgeführt wird, gekoppelt. Ausgangsseitig ist die Brennstoffzelleneinheit 1 mit dem Gebläseeinlass 251, in den der wasserstoffhaltige Rückführungsstrom 250 strömt, und mit dem Turbineneinlass 291 gekoppelt, sodass der Brennstoffzellenabgasstrom 290 das Turbinenrad 295 antreibt. Über den Verdichtereinlass 271 wird Luft zum Verdichter 27 geführt, dort verdichtet und strömt dann in die Brennstoffzelleneinheit 1.
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Der Elektroantrieb 31 umfasst einen Elektromotor 33, der ausgebildet ist, sowohl das Verdichterrad 275 im Verdichter 27 als auch das Gebläserad 255 im Gebläse 25 anzutreiben, sodass Luft zur Brennstoffzelleneinheit 1 fördert wird beziehungsweise Wasserstoff zur Brennstoffzelleneinheit 1 zurückgefördert wird. Eine Steuerschaltung 35 steuert den Elektromotor 33 an. Über die Steuerschaltung 35 erfolgt auch die Stromversorgung des Elektromotors 33. Der Elektromotor 33 ist ausgebildet, den Turbinenantrieb zu unterstützen. Abhängig von der Menge des Brennstoffzellenabgas, das in die Turbine 29 strömt, und der gewünschten Leistung des Gebläses 25 und des Verdichters 27 kann die Ansteuerung des Elektromotors 33 durch die Steuerschaltung 35 erfolgen.
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5 zeigt schematisch einen Rotor aus der Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung aus 4.
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Der Rotor umfasst das Gebläserad 255, das Verdichterrad 275 und das Turbinenrad 295, die über eine Welle 37 drehfest miteinander gekoppelt sind. Die Welle 37 wird durch den Elektromotor 33 und/oder die Turbine 29 angetrieben. Der Elektromotor 33 ist zwischen dem Turbinenrad 295 und dem Verdichterrad 275 angeordnet, und der Elektromotor 33 ist mit der Welle 37 gekoppelt, sodass sie durch den Elektromotor 33 antreibbar ist. Auf der vom Elektromotor 33 abgewandten Seite der Turbine 29 ist das Gebläserad 255 angeordnet.
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Obgleich das Gebläserad 255, das Verdichterrad 275 und das Turbinenrad 295 über die Welle 37 gekoppelt sind, sind die Gasströme durch Gebläse 25, Verdichter 27 und Turbine 29 voneinander getrennt. Dies wird unter anderem durch die Gestaltung des Gehäuses des Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23 sowie Dichtungen erreicht.
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Bei der oben beschriebenen Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23 sind Verdichter 27 und Turbine 29 ähnlich wie bei einem konventionellen Turbolader angeordnet, allerdings um das Gebläse 25 an der äußeren Seite der Turbine 29 erweitert.
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Die oben beschriebene Anordnung geht wegen der drehfesten Kopplung von Turbinenrad 29, Verdichterrad 27 und Gebläserad 25 mit einem einfachen Aufbau einher, allerdings haben die Räder dieselbe Drehgeschwindigkeit. Eine Anpassung an die Leistungsanforderungen von Gebläse 25, Verdichter 27 und Turbine 29 kann durch unterschiedliche Radgestaltungen erfolgen, ebenso wie durch die Gestaltung des Strömungsweges im Inneren von Gebläse 25, Verdichter 27 und Turbine 29.
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6 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems. Die Beschreibung konzentriert sich auf Unterschiede zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind Gebläse 25 und Verdichter 27 auf einer Seite des Elektromotors 33 angeordnet und die Turbine 29 auf der anderen Seite. Das Gebläse 25 ist zwischen dem Elektromotor 33 und dem Verdichter 27 angeordnet. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können Gebläse 25 und Verdichter 27 vertauscht angeordnet sein.
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7 zeigt schematisch einen Rotor aus der Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23 aus 6.
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Der Rotor umfasst das Gebläserad 255, das Verdichterrad 275 und das Turbinenrad 295, die über eine Welle 37 drehfest miteinander gekoppelt sind. Die Welle 37 wird durch den Elektromotor 33 und/oder die Turbine 29 angetrieben. Der Elektromotor 33 ist zwischen dem Turbinenrad 295 und dem Gebläserad 255 angeordnet. Auf der vom Elektromotor 33 abgewandten Seite des Gebläserads 255 ist das Verdichterrad 275 angeordnet.
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8 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel einer Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23. Sie kann wie in den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen mit einer Brennstoffzelleneinheit 1 gekoppelt sein.
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Die Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23 umfasst ein Gebläse 25, das ausgebildet ist, einen wasserstoffhaltigen Rückführungsstrom 250 zu fördern, und einen Verdichter 27, der ausgebildet ist, einen Luftstrom 270 für eine Brennstoffzelleneinheit 1 zu verdichten. Eine Turbine 29 ist mit dem Gebläse 25 und dem Verdichter 27 gekoppelt ist, sodass sie gleichzeitig das Gebläse 25 und den Verdichter 27 antreibt. Die Turbine 29 ist durch den Brennstoffzellenabgasstrom 290 antreibbar. Ein Elektromotor 33 ist zur Unterstützung des Turbinenantriebs vorgesehen.
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Der Verdichter 27 und die Turbine 29 sind an den äußeren Seiten angeordnet. Zwischen dem Verdichter 27 und dem Gebläse 25 ist der Elektromotor 33 angeordnet.
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Der Verdichter 27 umfasst einen axialen Verdichtereinlass 271, einen Verdichterauslass 273 und ein Verdichterrad 275, das in einem Verdichtergehäuse 277 angeordnet ist. Das Verdichterrad 275 ist mit einer Welle 37 gekoppelt. Zwischen dem Verdichterauslass 273 und dem Verdichterrad 275 durchläuft der verdichtete Luftstrom 270 eine Volute 278, die sich spiralförmig um das Verdichterrad 275 erstreckt.
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Der Elektromotor 33 ist zwischen dem Verdichter 27 und dem Gebläse 25 angeordnet und mit der Welle 37 gekoppelt, sodass sie durch den Elektromotor 33 antreibbar ist. Der Elektromotor 33 umfasst einen magnetisch wirkenden Bereich 41 auf der Welle 37, der als permanentmagnetische Hülse ausgebildet ist. Um den magnetisch wirkenden Bereich 41 sind magnetisch wirkende Bereiche 43 eines Stators 45 angeordnet, die als Spulen mit Wicklungen ausgebildet sind, durch die ein zeitveränderlicher Strom fließt. In Abhängigkeit des zeitveränderlichen, durch die Wicklungen fließenden Stroms wird ein zeitveränderliches Magnetfeld induziert, das mit der permanentmagnetischen Hülse eine Drehung des Rotors und damit der Welle 37 bewirkt. Ölfreie Lager 39 halten die Welle 37.
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Das Gebläse 25, ausgebildet als Radialgebläse, umfasst einen Gebläseeinlass 251, einen Gebläseauslass 253 und ein Gebläserad 255, das in einem Gebläsegehäuse 257 angeordnet und mit der Welle 37 gekoppelt ist. Der zurückgeführte Wasserstoff strömt durch den Gebläseeinlass 251, der benachbart zum Elektromotor 33 verläuft, zunächst radial in Richtung Drehachse und dann axial auf das Gebläserad 255 und durchläuft anschließend eine Volute 258, die sich spiralförmig um das Gebläserad 255 erstreckt, bevor der wasserstoffhaltige Rückführungsstrom 250 das Gebläse 25 durch den Gebläseauslass 253 verlässt.
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Die Turbine 29 umfasst einen Turbineneinlass 291, einen Turbinenauslass 293 und ein Turbinenrad 295, das in einem Turbinengehäuse 297 angeordnet und mit der Welle 37 gekoppelt ist. Der Brennstoffzellenabgasstrom 290 strömt durch eine Volute 298 auf das Turbinenrad 295 und strömt dann axial heraus. Die Turbine 29 ist als Rekuperationsturbine ausgebildet, die das warme Brennstoffzellenabgas zur Erwärmung anderer Gasströme nutzt. Wasserstoff aus dem Brennstoffzellenabgasstrom 290 kann nach dem Durchströmen der Turbine 29 auf den Gebläseeinlass 251 geführt werden und durch das Gebläse 25 gefördert werden.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind das Gebläserad 255 und das Turbinenrad 295 Rücken an Rücken angeordnet, sodass ihre Rückseiten einander zugewandt sind. In diesem Ausführungsbeispiel berühren sich die Rückseiten. Alternativ sind das Gebläserad 255 und das Turbinenrad 295 einstückig ausgebildet. Die auch als Back-to-Back-Anordnung bezeichnete Anordnung von Turbinenrad 295 und Gebläserad 255 ermöglich die Ausbildung einer kompakten Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 23.
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Obgleich das Gebläserad 255, das Verdichterrad 275 und das Turbinenrad 295 über die Welle 37 gekoppelt sind, sind die Gasströme durch Gebläse 25, Turbine 29 und Verdichter 27 voneinander getrennt. Dies wird unter anderem durch die Gestaltung des Gehäuses der Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung 1 erreicht sowie durch Dichtungen, insbesondere im Bereich der Welle 37.
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Die Orientierung der Räder, nämlich des Gebläserads 255, des Verdichterrads 275 und gegebenenfalls des Turbinenrad 295, kann in Abhängigkeit der Betriebs- und Gestaltungserfordernisse gewählt werden. So ist in den 3, 5 und 7 eine Orientierung der Räder mit zum Elektromotor 33 zugewandten Rücken beispielhaft skizziert. Auch bei diesen Ausführungsbeipielen wäre eine Back-to-Back-Anordnung zweier benachbarter Räder denkbar. Auch eine Anordnung, wie in 8 gezeigt, bei der jedoch Gebläse 25 und Verdichter 27 vertauscht sind, sodass Verdichterrad 275 und Turbinenrad 295 Rücken an Rücken angeordnet sind, ist möglich.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
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Bezugszeichen
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- 1
- Brennstoffzelleneinheit
- 3
- Wasserstoffreservoir
- 5
- Druckminderer
- 7
- Druckregulierungsventil
- 9
- Ejektor
- 11
- Filter
- 13
- Luftverdichter
- 15
- Luftbefeuchter
- 17
- Rezirkulationsgebläse
- 19
- Ablassventil
- 21
- Kühlanschluss
- 23
- Rezirkulationsgebläse-Lader-Anordnung
- 25
- Gebläse
- 250
- wasserstoffhaltiger Rückführungsstrom
- 251
- Gebläseeinlass
- 253
- Gebläseauslass
- 255
- Gebläserad
- 257
- Gebläsegehäuse
- 258
- Volute
- 27
- Verdichter
- 270
- Luftstrom
- 271
- Verdichtereinlass
- 273
- Verdichterauslass
- 275
- Verdichterrad
- 277
- Verdichtergehäuse
- 278
- Volute
- 29
- Turbine
- 290
- Brennstoffzellenabgasstrom
- 291
- Turbineneinlass
- 293
- Turbinenauslass
- 295
- Turbinenrad
- 297
- Turbinengehäuse
- 298
- Volute
- 31
- Elektroantrieb
- 33
- Elektromotor
- 35
- Steuerschaltung
- 37
- Welle
- 39
- Lager
- 41
- magnetisch wirkender Bereich
- 43
- magnetisch wirkender Bereich
- 45
- Stator
- 47
- Leistungsabgabe
- 49
- elektrische Versorgung