DE102017205704A1 - Turbokompressor, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents

Turbokompressor, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Turbokompressor (10), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (1). Der Turbokompressor (10) weist eine von einer Antriebsvorrichtung (20) antreibbare Welle (14) auf. Auf der Welle (14) sind ein Verdichter (11) und eine Abgasturbine (13) angeordnet. Weiterhin ist auf der Welle (14) ein weiterer Verdichter (12) angeordnet.

Description

  • Stand der Technik
  • Turbokompressoren für ein Brennstoffzellensystem sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 224 052 A1 . Der bekannte Turbokompressor weist eine von einer Antriebsvorrichtung antreibbare Welle auf. Auf der Welle sind ein Verdichter und eine Abgasturbine angeordnet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Turbokompressor weist demgegenüber eine höhere Effizienz auf, insbesondere wenn er in einem Brennstoffzellensystem verwendet wird. Weiterhin kann er eine Verringerung der Lagerbelastung und eine Verbesserung des Temperaturhaushalts erzielen.
  • Dazu umfasst der Turbokompressor eine von einer Antriebsvorrichtung antreibbare Welle. Auf der Welle sind ein Verdichter und eine Abgasturbine angeordnet. Weiterhin ist auf der Welle ein weiterer Verdichter angeordnet. Der Verdichter und der weitere Verdichter bilden einen gemeinsamen Strömungspfad aus, so dass ein Arbeitsfluid stärker verdichtet werden kann als mit nur einem Verdichter. Beispielsweise ist das Arbeitsfluid dabei ein Oxidationsmittel eines Brennstoffzellensystems. Durch diese Anordnung können weitere zwischen dem Verdichter und dem weiteren Verdichter angeordnete Bauteile, beispielsweise Lager, wirkungsvoll mit dem Arbeitsfluid gekühlt werden.
  • Vorzugsweise sind der Verdichter, der weitere Verdichter und die Abgasturbine jeweils Läuferräder, beispielsweise Radialläufer. Die Abgasturbine ist in einem weiteren Strömungspfad angeordnet bzw. im gleichen Strömungspfad stromabwärts einer Brennstoffzelle, so dass sie das reagierte Oxidationsmittel, also quasi das Abgas der Brennstoffzelle, als Energiequelle nutzt. Durch die Abgasturbine wird somit die Antriebsvorrichtung entlastet.
  • In vorteilhaften Ausführungen sind der Verdichter und der weitere Verdichter in einer Luftzuführungsleitung eines Brennstoffzellensystems angeordnet, und die Abgasturbine in einer Abgasleitung des Brennstoffzellensystems. Die Luftzuführungsleitung dient dabei der Zuströmung des Oxidationsmittels in eine Brennstoffzelle, und die Abgasleitung dient der Abfuhr des Oxidationsmittels bzw. des reagierten Oxidationsmittels bzw. einem Gemisch daraus aus der Brennstoffzelle.
  • In vorteilhaften Weiterbildungen weist die Antriebsvorrichtung einen Stator und einen Rotor auf, ist vorzugsweise also als Elektromotor ausgeführt. Der Rotor ist auf der Welle zwischen dem Verdichter und dem weiteren Verdichter angeordnet. Dadurch kann der Rotor wirkungsvoll mit dem durch die beiden Verdichter geförderten Arbeitsfluid gekühlt werden.
  • Vorteilhafterweise ist die Welle dabei zu beiden Seiten des Rotors mittels je eines Lagers rotierbar gelagert. Die Lager können dazu sowohl als Wälzlager als auch als Gleitlager ausgeführt sein. Vorzugsweise sind der Verdichter auf der einen Seite des Rotors und der weitere Verdichter und die Abgasturbine auf der anderen Seite des Rotors angeordnet. Dadurch ist die Lagerbelastung für beide Lager etwa gleich groß, es können sogar baugleiche Lager verwendet werden.
  • In vorteilhaften Ausführungen sind der Verdichter und der weitere Verdichter axial anströmbar und radial abströmbar ausgeführt. Die beiden Verdichter sind somit als Radialläufer ausgeführt. Die beiden Verdichter können daher als Kreiselpumpen betrachtet werden. Dadurch können vergleichsweise hohe Förderdrücke erzielt werden. Für eine Anwendung in einem Brennstoffzellensystem kann das Oxidationsmittel der Brennstoffzelle so mit einem Druck von mehreren bar zugeführt werden.
  • In vorteilhaften Weiterbildungen sind der Verdichter und der weitere Verdichter axial aus entgegen gerichteten Richtungen anströmbar. Dadurch können die fluidisch wirksamen Kräfte auf die beiden Verdichter bzw. auf deren Laufräder in axialer Richtung ausgeglichen werden. Vorzugsweise ist es so, dass dazu auch noch das Laufrad der Abgasturbine berücksichtigt wird und die resultierende Axialkraft auf die Welle nahezu Null ist, so dass die Anforderungen an ein Axiallager sehr gering sind bzw. sogar von Radiallagern übernommen werden können. Die Abgasturbine ist dazu vorzugsweise ebenfalls als Radialläufer ausgeführt.
  • Die beschriebenen Ausführungen des Turbokompressors sind vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle, eine Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle und eine Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle auf. Das abgeführte Oxidationsmittel kann dabei in der Brennstoffzelle vollständig oder teilweise chemisch reagiert haben. Der Verdichter und der weitere Verdichter des Turbokompressors sind in der Luftzuführungsleitung angeordnet. Und die Abgasturbine des Turbokompressors ist in der Abgasleitung angeordnet. Die beiden Druckstufen durch die beiden Verdichter sind in der Luftzuführungsleitung besonders wirksam; zusätzlich kann ein Rotor bzw. Elektromotor des Turbokompressors über die Zuführungsleitung gekühlt werden. Weiterhin können so auch noch die Lager der Welle gekühlt werden. Das aus der Brennstoffzelle ausströmende reagierte Oxidationsmittel kann sehr wirkungsvoll als Leistungsquelle für die Abgasturbine verwendet werden.
  • Das Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben.
  • Figurenliste
  • Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
  • Es zeigen:
    • 1 schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einem Turbokompressor aus dem Stand der Technik,
    • 2 schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Turbokompressor.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • 1 zeigt ein aus der DE 10 2012 224 052 A1 bekanntes Brennstoffzellensystem 1. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, eine Luftzuführungsleitung 3, eine Abgasleitung 4, einen Verdichter 11, eine Abgasturbine 13, ein Bypassventil 5 zur Druckabsenkung und eine nicht näher gezeigte Zuführungsleitung für Brennstoff zu der Brennstoffzelle 2. Das Bypassventil 5 kann beispielsweise eine Regelklappe sein. Als Bypassventil 5 kann beispielsweise ein Wastegate-Ventil eingesetzt werden.
  • Die Brennstoffzelle 2 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über die nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt, das bei der hier gezeigten Ausführungsform Ansaugluft ist, die über die Luftzuführungsleitung 3 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf oder Wasserdampf und Kohlendioxid. Die Brennstoffzelle 2 ist beispielsweise eingerichtet, eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Beispielsweise treibt die durch die Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Energie dabei einen Elektromotor des Kraftfahrzeugs an.
  • Der Verdichter 11 ist in der Luftzuführungsleitung 3 angeordnet. Die Abgasturbine 13 ist in der Abgasleitung 4 angeordnet. Der Verdichter 11 und die Abgasturbine 13 sind über eine Welle 14 mechanisch verbunden. Die Welle 14 ist von einer Antriebsvorrichtung 20 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 13 dient der Unterstützung der Antriebsvorrichtung 20 zum Antreiben der Welle 14 bzw. des Verdichters 11. Der Verdichter 11, die Welle 14 und die Abgasturbine 13 bilden zusammen einen Turbokompressor 10.
  • Erfindungsgemäß werden nun die Effizienz und die Lebensdauer des Turbokompressors 10 verbessert.
  • Dazu zeigt 2 einen erfindungsgemäßen Turbokompressor 10, insbesondere zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem 1. Der Turbokompressor 10 umfasst die Antriebsvorrichtung 20, den Verdichter 11, die Abgasturbine 13 und einen weiteren Verdichter 12. Der Verdichter 11, der weitere Verdichter 12 und die Abgasturbine 13 sind auf der gemeinsamen Welle 14 angeordnet, so dass sie bei Rotation der Welle 14 in gleicher Weise rotieren.
  • Die Antriebsvorrichtung 20 ist als Elektromotor ausgeführt und umfasst einen Rotor 22 und einen Stator 21. Der Rotor 22 ist ebenfalls auf der Welle 14 angeordnet. Der Stator 21 ist ortsfest in einem nicht dargestellten Gehäuse des Turbokompressors 10 positioniert. Die Welle 14 ist zu beiden Seiten der Antriebsvorrichtung 20 mittels je eines Lagers 15 drehbar gelagert.
  • Ein Luftkanal 31 ist als Teil der Luftzuführungsleitung 3 so gestaltet, dass er von außen in den Turbokompressor 10 führt, dort in den Verdichter 11 axial mündet und radial aus dem Verdichter 11 führt, weiter zum weiteren Verdichter 12 führt, dort ebenfalls axial in den weiteren Verdichter 12 mündet und radial aus dem weiteren Verdichter 12 führt und anschließend aus dem Turbokompressor 10 herausführt. Danach führt die Luftzuführungsleitung 3 in die Brennstoffzelle 2, welche in der 2 allerdings nicht dargestellt ist.
  • Die Abgasleitung 4 wiederum führt von der Brennstoffzelle 2 in den Turbokompressor 10, mündet dort radial in die Abgasturbine 13 und führt axial aus der Abgasturbine 13, um anschließend wieder aus dem Turbokompressor 10 herauszuführen.
  • Durch den Einsatz des weiteren Verdichters 12 kann die über die Luftzuführungsleitung 3 angesaugte Luft - bzw. das angesaugte Oxidationsmittel - stärker komprimiert werden, als wenn nur ein einziger Verdichter 11 in dem Turbokompressor 10 vorhanden wäre. Weiterhin können der Verdichter 11, der weitere Verdichter 12 und die Abgasturbine 13 bezüglich ihrer Strömungsführungen und Druckgradienten so gestaltet werden, dass die resultierende axiale Kraft auf die Welle 14 im Betrieb des Turbokompressors 10 nahezu Null ist. Der Turbokompressor 10 ist damit druckausgeglichen, so dass die Lager 15 nahezu keine Axialkräfte aufnehmen müssen.
  • In alternativen Verwendungen kann der Turbokompressor 10 auch für Verbrennungsmotoren eingesetzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012224052 A1 [0001, 0014]

Claims (8)

  1. Turbokompressor (10), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (1), mit einer von einer Antriebsvorrichtung (20) antreibbaren Welle (14), wobei auf der Welle (14) ein Verdichter (11) und eine Abgasturbine (13) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Welle (14) ein weiterer Verdichter (12) angeordnet ist.
  2. Turbokompressor (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11) und der weitere Verdichter (12) in einer Luftzuführungsleitung (3) eines Brennstoffzellensystems (1) angeordnet sind und dass die Abgasturbine (13) in einer Abgasleitung (4) des Brennstoffzellensystems (1) angeordnet ist.
  3. Turbokompressor (10) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (20) einen Stator (21) und einen Rotor (22) aufweist, wobei der Rotor (22) auf der Welle (14) zwischen dem Verdichter (11) und dem weiteren Verdichter (12) angeordnet ist.
  4. Turbokompressor (10) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (14) zu beiden Seiten des Rotors (22) mittels je eines Lagers (15) rotierbar gelagert ist.
  5. Turbokompressor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11) und der weitere Verdichter (12) axial anströmbar und radial abströmbar ausgeführt sind.
  6. Turbokompressor (10) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11) und der weitere Verdichter (12) axial aus entgegen gerichteten Richtungen anströmbar sind.
  7. Turbokompressor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (13) radial anströmbar und axial abströmbar ausgeführt ist.
  8. Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (2), einer Luftzuführungsleitung (3) zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle (2) und einer Abgasleitung (4) zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) einen Turbokompressor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, wobei der Verdichter (11) und der weitere Verdichter (12) in der Luftzuführungsleitung (3) angeordnet sind und wobei die Abgasturbine (13) in der Abgasleitung (4) angeordnet ist.
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