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Title:
DEVICE FOR SUPPLYING AIR TO FUEL CELLS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/054025
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a device for supplying air to fuel cells, comprising a compressor, which is connected up from the fuel cell, and an expander, which is connected down from the fuel cell. The compressor is provided in the form of a claw compressor having at least two intermeshing compressor wheels, and the expander is provided in the form of a claw expander having at least two intermeshing expander wheels.

Inventors:
STUTE MANFRED (DE)
SCHOLZ FRITZ-MARTIN (DE)
Application Number:
PCT/DE2003/004042
Publication Date:
June 24, 2004
Filing Date:
December 09, 2003
Export Citation:
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Assignee:
DAIMLER CHRYSLER AG (DE)
STUTE MANFRED (DE)
SCHOLZ FRITZ-MARTIN (DE)
International Classes:
F01C1/12; F01C21/10; F04C18/12; F04C23/00; H01M8/04; (IPC1-7): H01M8/04
Domestic Patent References:
WO2002023046A12002-03-21
WO2002010593A12002-02-07
Foreign References:
US5645950A1997-07-08
DE2062007A11972-07-06
DE10040977A12001-04-05
DE19949730A12000-05-31
DE19709202A11998-09-17
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Claims:
Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen, mit einem der Brennstoffzelle vorgeschalteten Verdichter und einem der Brennstoffzelle nachgeschalteten Expander, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (5) als Klauenverdichter mit wenigs tens zwei ineinandergreifenden Verdichterrädern (7, 7') und der Expander (6) als Klauenexpander mit wenigstens zwei ineinandergreifenden Expanderrädern (9, 9') ausge führt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterräder (7, 7') und die Expanderräder (9, 9') jeweils wenigstens zwei Verdichterklauen (8, 8') bzw. Expanderklauen (10, 10') aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterräder (7, 7') und die Expanderräder (9, 9') jeweils auf gemeinsamen Wellen (15, 15') gelagert sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsamen Wellen (15, 15') mit einem Synchroni sationsgetriebe (18) verbunden sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (5) und der Expander (6) dieselbe Drehrichtung (A) und einen spiegelverkehrten Aufbau auf weisen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Verdichter (5) und den Expander (6) erzeugten Verdichtungsverhältnisse (P2/Pl, P3/P4) durch den Aufbau derselben festgelegt sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Verdichter (5) und den Expander (6) erzeugten Verdichtungsverhältnisse (P2/Pl, P3/P4) ein stellbar sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schöpfraum des Expanders (6) kleiner ist als der Schöpfraum (21) des Verdichters (5).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Schöpfraums des Expanders (6) das 0,3 bis 0,6fache des Schöpfraums (21) des Verdichters (5) beträgt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (5) und der Expander (6) mittels Ex pansionskühlung gekühlt sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen der Expansionskühlung des Verdichters (5) und des Expanders (6) sich der Expander (6) auf der Seite des Synchronisationsgetriebes (18) befindet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das den Expander (6) verlassende Gas dem Verdichter (5) zugeführt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10,11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (5) und der Expander (6) in einem ge meinsamen Gehäuse (20) untergebracht sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20) doppelwandig ausgeführt ist.
Description:
Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Aus der DE 197 55 116 Cl ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen bekannt. Hierbei wird der Brennstoffzelle über einen Verdichter Luft zugeführt und anschließend in einem Expander expandiert. Dabei wird der Ex- pander mit der Abluft eines ebenfalls der Brennstoffzelle nachgeschalteten katalytischen Brenners betrieben.

Problematisch bei diesen bekannten Luftversorgungseinheiten ist jedoch häufig die Tatsache, dass der Brennstoffzelle nicht genug Luft zugeführt werden kann und außerdem die Ver- dichter und die Expander schlechte Wirkungsgrade aufweisen.

Eine Pumpe zur Erzeugung von Druck oder Unterdruck ist aus der WO 00/57062 AI bekannt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen zu schaffen, die ei- nen einfachen Aufbau aufweist und effektiv arbeitet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäß als Klauenverdichter bzw. -expander mit jeweiligen Verdichter-bzw. Expanderrädern ausgebildeten Ver- dichter bzw. Expander der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen ermöglichen sehr hohe Verdichtungsverhältnisse und somit eine sehr gute Versorgung der Brennstoffzelle mit Frischluft. Dabei weisen sie einen einfachen Aufbau und eine zuverlässige Funktion auf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- dung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus dem nach- folgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Aus- führungsbeispiel.

Dabei zeigen : Fig. 1 eine Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Vor- richtung zur Luftversorgung ; Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Luftversorgung in einem Schnitt ; Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung einer Einheit aus Ver- dichter und Expander ; und Fig. 4 die Wirkungsweise des Verdichters der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung ; Fig. 5 ein Diagramm, in dem das Drehmoment des Verdichters und des Expanders über dem Drehwinkel aufgetragen ist.

Fig. 1 zeigt in sehr schematischer Darstellung eine Brenn- stoffzelle 1, welche in an sich bekannter Weise einen Katho- denraum 2 und einen Anodenraum 3 aufweist. In nicht darge- stellter, jedoch an sich bekannter Weise wird dem Anodenraum 3 ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt. Dem Kathodenraum 2 wird Luft bzw. Luftsauerstoff zugeführt, wozu eine nachfol-

gend detailliert beschriebene Vorrichtung 4 zur Luftversor- gung der Brennstoffzelle 1 vorgesehen ist.

Die Vorrichtung 4 weist einen der Brennstoffzelle 1 vorge- schalteten Verdichter 5 und einen der Brennstoffzelle 1 nach- geschalteten Expander 6 auf. Die Art und Weise der Verbindung des Verdichters 5 und des Expanders 6 mit der Brennstoffzelle 1 ist nicht explizit dargestellt, kann jedoch beispielsweise durch gewöhnliche Leitungen erfolgen.

Wie ebenfalls in Fig. 1 erkennbar, ist der Verdichter 5 als Klauenverdichter ausgebildet und weist zwei Verdichterräder 7, 7'auf, die ihrerseits jeweils mit zwei Verdichterklauen 8, 8'versehen sind. Der Expander 6 ist im Prinzip identisch wie der Verdichter 5 aufgebaut und weist zwei Expanderräder 9,9'auf, die wiederum mit jeweiligen Expanderklauen 10, 10' versehen sind. Durch die Rotation der Verdichterräder 7, 7' wird das an einem Zulauf 11 zu dem Verdichter 5 gelangende Gas mit einem Druck P1 angesaugt und auf einen an einem Ab- lauf 12 herrschenden Druck P2 verdichtet, was später noch nä- her erläutert wird. Mit dem Druck Pa wird das Gas der Brenn- stoffzelle 1 zugeführt. Nach der Brennstoffzelle 1 herrscht in dem Gas ein Druck P3, mit dem das Gas dem Expander 6 an einem Zulauf 13 desselben zugeführt wird. Durch die Rotation der Expanderräder 9 wird das Gas auf einem Druck P4 ent- spannt, der an einem Ablauf 14 des Expanders 6 herrscht.

Hierbei geben die mit"A"bezeichneten Pfeile die jeweiligen Drehrichtungen der Verdichterräder 7, 7'und der Expanderrä- der 9, 9'an. Somit ist zu erkennen, dass der Verdichter 5 und der Expander 6 dieselbe Drehrichtung aufweisen. Um jedoch bei dem Verdichter 5 eine Verdichtung von dem Druck P1 auf den Druck P2 und bei dem Expander 6 eine Entspannung von dem Druck P3 auf den Druck P4 zu erreichen, weisen der Verdichter 5 und der Expander 6 einen spiegelverkehrten Aufbau auf.

Die Verdichtungsverhältnisse P2/P1 und P3/P4 sind im vorlie- genden Fall durch die Geometrie der Verdichterräder 7, 7'und der Expanderräder 9, 9', also durch den Aufbau des Verdich- ters 5 und des Expanders 6, vorgegeben, sie können jedoch auch durch einen nicht dargestellten Mechanismus einstellbar sein.

Wie in Fig. 2 erkennbar, sind die Verdichterräder 7, 7'und die Expanderräder 9, 9'jeweils auf gemeinsamen Wellen 15, 15'gelagert. Sowohl die Welle 15 als auch die Welle 15'ist jeweils mittels zweier Lagerelementen 16 und 17 bzw. 16'und 17'gelagert. Des weiteren sind die gemeinsamen Wellen 15 und 15'durch ein Synchronisationsgetriebes 18 verbunden, welches für einen Gleichlauf des Verdichterrads 7 mit dem Verdichter- rad 7'und des Expanderrads 9 mit dem Expanderrad 9'sorgt.

Die Welle 15 ist mit einem Antriebsmotor 19 verbunden, der zum Antrieb der Vorrichtung 4 dient.

Bei der beschriebenen Vorrichtung 4, die eine Kombination aus dem Verdichter 5 und dem Expander 6 darstellt, wird das in dem Verdichter 5 verdichtete Gas dem Expander 6 zugeleitet, wo demselben durch Entspannung Restenergie entzogen wird.

Durch die gemeinsame Lagerung führt der Expander 6 die zu- rückgewonnene Leistung direkt den beiden Wellen 15 und 15'zu und verringert somit die für den Verdichter 5 erforderliche Leistung des Antriebsmotors 19.

Wie aus Fig. 3 erkennbar, werden der Verdichter 5 und der Ex- pander 6 mittels Expansionskühlung gekühlt. Zum einen befin- det sich hierzu, wie in Fig. 2 erkennbar, der kühlere Expan- der 6 auf der Seite des Synchronisationsgetriebes 18. Des weiteren wird das Gas nach dem Verlassen des Expanders 6 zur Kühlung des Verdichters 5 sowie der sich daran anschließenden Lagereinrichtungen 16 und 16'verwendet. Um dies zu errei- chen, sind im vorliegenden Fall der Verdichter 5 und der Ex- pander 6 in einem gemeinsamen Gehäuse 20 untergebracht, wel- ches doppelwandig ausgeführt ist.

In Fig. 4 ist das Arbeitsprinzip des Verdichters 5 in insge- samt sechs Stufen dargestellt. In Stufe a) wird durch die Ro- tation der Verdichterräder 7, 7'gemäß dem Pfeil A das Volu- men eines sich im Bereich des Zulaufs 11 sich befindlichen Schöpfraums 21 vergrößert und das Gas über den auch als Saug- kanal bezeichneten Zulauf 11 angesaugt. Schritt b) zeigt ei- nen durch die Rotation entsprechend vergrößerten Schöpfraum 21.

Durch die in Schritt c) dargestellte Trennung der Fördervolu- mina der beiden Verdichterräder 7, 7'ergibt sich eine iso- chore Förderung des Gases in Richtung der Druckseite bzw. dem Ablauf 12. Schritt d) zeigt die Vereinigung der beiden Volu- mina, die mit einer Verdichtung einhergeht. Das Gas kann den Verdichter 5 allerdings nicht verlassen, da das untere Ver- dichterrad 7'den Ablauf 12 verschließt. Erst wenn der Ablauf 12 freigegeben ist, wie in Schritt e) dargestellt, kann das vorverdichtete Gas ausgeschoben werden, wie dies in Schritt f) dargestellt ist. Auf diese Weise wird also das Gas von dem Druck Pi auf den Druck P2 verdichtet und in Richtung der Brennstoffzelle 1 gefördert.

In Fig. 2 ist erkennbar, dass die Verdichterräder 7, 7'eine erheblich größere Breite aufweisen als die Expanderräder 9, 9'. Damit ist auch der nicht dargestellter Schöpfraum des Ex- panders 6 kleiner als der entsprechende Schöpfraum 21 des Verdichters 5. Im allgemeinen beträgt die Größe des Schöpf- raums des Expanders 6 das 0, 3- bis 0,6-fache des Schöpfraums 21 des Verdichters 5.

Zur Herstellung der Verdichterräder 7, 7'und der Expanderrä- der 9, 9'können relativ einfache Herstellungsverfahren ange- wendet werden, weil im Gegensatz zu beispielsweise Schrauben- verdichtern die Geometrie der Verdichterräder 7, 7'sowie der Expanderräder 9, 9'in axialer Richtung nicht verdreht ist.

Da die Verdichtung, wie oben beschrieben, radial und nicht in

Achsrichtung erfolgt, ist die Länge bzw. Breite der Verdich- terräder 7, 7'und der Expanderräder 9,9'kleiner als ihr Durchmesser, so dass sich insbesondere bei mehrstufiger An- ordnung von Verdichtern bzw. Expandern kompakte Bauformen re- alisieren lassen. Eine solche mehrstufige Bauform kann zur Realisierung größerer Druckdifferenzen oder zur Erzielung un- abhängiger Volumenströme bei unterschiedlichen Einzeldrücken genutzt werden.

Fig. 5 zeigt einen Drehmomentverlauf des Verdichters 5 und des Expanders 6 über dem Drehwinkel der Verdichterräder 7,7' bzw. der Expanderräder 9, 9'. Da der Verdichter 5 in Dreh- richtung verdichtet während der Expander 6 in Drehrichtung expandiert und da, wie oben beschrieben, die Längen der Ver- dichterräder 7, 7'und der Expanderräder 9, 9'unterschied- lich sind, ergeben sich die dargestellten Drehmomentverläufe.

Der Expander 6 ist dabei zunächst phasengleich zu dem Ver- dichter 5, wobei durch eine geeignete Winkelverschiebung sich die Differenz von maximalem zu minimalem Drehmoment um ca.

20% verringern lässt.