Titel

Luftzuführvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einem Laufrad, das mit Hilfe einer axialen Spanneinrichtung an einer Welle befestigt ist.

Stand der Technik

Aus dem amerikanischen Patent US 10,069,154 B2 ist eine Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle bekannt, mit einer Welle; mit einem Verdichterrad, das in einem Verdichtergehäuse angeordnet ist und das in einem Ende der Welle befestigt ist, wobei die Welle zwei als separate Bauteile ausgebildete

Wellenlagerabschnitte und einen zwischen den Wellenlagerabschnitten angeordneten, ein separates Bauteil bildenden und einen einen Rotor eines Elektromotors bildenden Magnetabschnitt aufweist, wobei die

Wellenlagerabschnitte und der Magnetabschnitt über einen Zuganker gegeneinander verspannt sind.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einem Laufrad, das mit Hilfe einer axialen Spanneinrichtung an einer Welle befestigt ist, funktionell zu verbessern.

Die Aufgabe ist bei einer Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einem Laufrad, das mit Hilfe einer axialen Spanneinrichtung an einer Welle befestigt ist, dadurch gelöst, dass die axiale Spanneinrichtung mindestens ein Spannelement mit einer Spannfläche umfasst, die mit einer Gegenfläche am Laufrad zusammenwirkt, um das Laufrad radial zu verspannen. Bei der

Luftzuführvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen Verdichter mit einem Gehäuse, in welchem ein Laufrad um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Das Laufrad wird, zum Beispiel mit Hilfe eines Elektromotors, angetrieben, um mit Hilfe einer geeigneten Beschaufelung auf einer Laufradvorderseite zugeführte Luft zu verdichten. Daher wird der Verdichter auch als Luftverdichter oder Luftkompressor bezeichnet. Ein Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise mehrere Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode und eine Kathode umfassen.

Die mit Hilfe der Luftzuführeinrichtung zugeführte Luft enthält Sauerstoff als Oxidationsmittel, das einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird. Als Brennstoff wird vorzugsweise Wasserstoff verwendet, der zum Beispiel in einem Druckgasspeicher gespeichert und einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird. Das Laufrad ist um eine Drehachse drehbar gelagert. Die Drehachse des Laufrads definiert eine axiale Richtung, auf die sich der Begriff axial in Bezug auf die Spanneinrichtung bezieht. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse des Laufrads. Analog bedeutet radial quer zur Drehachse des Laufrads. Durch die radiale Pressung kann die Fixierung des Laufrads an der Welle optimiert werden. Daher kann besonders vorteilhaft ein unerwünschter Einfluss von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten reduziert werden. Das Laufrad ist zum Beispiel aus einem Aluminiummaterial gebildet. Die Welle ist zum Beispiel aus einem Stahlmaterial gebildet. Der radiale

Pressverband wird durch Verwendung des Laufrads als ein Spannelement, das mit dem vorab genannten Spannelement zusammenwirkt, optimiert.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad einen konischen Spannabschnitt umfasst, der die Gegenfläche am Laufrad darstellt. Das radiale Verspannen wird besonders vorteilhaft durch ein unmittelbares Zusammenwirken zwischen dem

Spannelement und dem Laufrad bewirkt. Dadurch werden die Herstellung und die Montage der Luftzuführvorrichtung vereinfacht.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad eine Spannaufnahme mit einem stetigen Änderungsverlauf eines Laufradinnendurchmessers ohne

Innendurchmessersprünge aufweist. Durch den stetigen oder kontinuierlichen Änderungsverlauf des Laufradinnendurchmessers werden vorteilhaft

unerwünschte Kerben am Laufrad vermieden. Dadurch können die Lebensdauer und die Festigkeit des Laufrads im Betrieb der Luftzuführvorrichtung verlängert beziehungsweise erhöht werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist durch eine strömungsoptimierte Anströmfläche der Welle, des Spannelements, eines Fixierelements und/oder des Laufrads gekennzeichnet. Dadurch können unerwünschte Strömungsverluste im Betrieb der Luftzuführvorrichtung minimiert werden, wodurch wiederum der Wirkungsgrad eines mit einer Brennstoffzelle und der Luftzuführvorrichtung ausgestatteten Brennstoffzellensystems erhöht wird.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Spanneinrichtung eine Fixiereinrichtung umfasst, mit der das Spannelement in axialer Richtung in dem Laufrad, in der Welle oder auf der Welle fixierbar ist. Die Fixiereinrichtung kann ein separates Fixierelement umfassen. Das separate Fixierelement kann durch eine Pressung in dem Laufrad, in der Welle oder auf der Welle fixiert werden. Das separate Fixierelement kann aber auch mit Hilfe einer Verschraubung in dem Laufrad, in der Welle oder auf der Welle fixiert werden. Die Fixiereinrichtung kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel auch in das Spannelement integriert werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement ein zentrales Durchgangsloch umfasst, mit dem das Spannelement auf einem Führungsabschnitt der Welle in axialer Richtung geführt ist. Das zentrale Durchgangsloch in dem Spannelement ist zum Beispiel als Innenbohrung ausgeführt. Durch die Führung des

Spannelements auf der Welle wird die Montage des Spannelements vereinfacht.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Welle eine Anschlagfläche für das Laufrad in axialer Richtung aufweist. Die Anschlagfläche ist zum Beispiel als Ringfläche ausgeführt. Die Anschlagfläche kann an einem Wellenabsatz der Welle vorgesehen sein, der den Führungsabschnitt der Welle begrenzt. Die Anschlagfläche kann aber auch radial außerhalb einer zentralen

Wellenausnehmung angeordnet sein. Durch die Anschlagfläche wird die

Montage des Laufrads vereinfacht.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement mit einem Ende in einem zentralen Aufnahmeraum der Welle angeordnet ist. Der zentrale Aufnahmeraum der Welle ist zum Beispiel als Wellenausnehmung in einem dem Laufrad zugewandten Wellenende ausgeführt. Dieses Ausführungsbeispiel liefert unter anderem den Vorteil, dass das Spannelement gleichzeitig zum Fixieren des Spannelements in der Welle verwendet werden kann.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Luftzuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement einen Fixierabschnitt aufweist, mit dem das Spannelement in dem zentralen Aufnahmeraum der Welle fixierbar ist. Zur Fixierung kann das Spannelement mit dem Fixierabschnitt in den zentralen Aufnahmeraum der Welle eingeschraubt oder eingepresst werden.

Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Montieren, insbesondere Befestigen, eines Laufrads an einer Welle einer vorab

beschriebenen Luftzuführvorrichtung.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Spannelement, eine Welle und/oder ein Laufrad für eine vorab beschriebene Luftzuführvorrichtung. Die genannten Teile sind separat handelbar.

Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Brennstoffzellensystem mit einer vorab beschriebenen Luftzuführvorrichtung.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Es zeigen:

Die Figuren 1 bis 3 zeigen drei Ausführungsbeispiele einer als Luftverdichter ausgeführten Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle mit einem Laufrad, das mit Hilfe einer zentralen Spanneinrichtung auf einer Welle befestigt ist, in einer schematischen Längsschnittdarstellung; und

Figur 4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Luftzuführvorrichtung, die als Luftverdichter ausgeführt ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 4 ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch dargestellt.

Brennstoffzellensysteme an sich sind bekannt, zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 224 052 Al. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, die nur durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Die Brennstoffzelle 3 umfasst mindestens einen Stack 2, der ersatzweise mit einem Ventilsymbol dargestellt ist.

Durch einen Pfeil 4 ist ein Luftmassenstrom angedeutet, der über eine als Luftverdichter ausgeführte Luftzuführvorrichtung 5 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 6 ist ein verdichteter Luftmassenstrom 6 angedeutet, von dem ein Kühlluftmassenstrom 7 abgezweigt wird. Der Kühlluftmassenstrom 7 ist ebenfalls nur durch einen Pfeil angedeutet und ist Teil eines Kühlluftpfades 19, über welchen dem Luftverdichter 5 Kühlluft zugeführt wird.

Die über den Kühlluftpfad 19 zugeführte Kühlluft dient zum Beispiel zur Kühlung von Luftlagern, mit denen eine Welle des Luftverdichters 5 drehbar gelagert ist. Der Kühlluftmassenstrom 7 stellt einen Verlust im verdichteten Luftmassenstrom 6 dar, da der abgezweigte Kühlluftmassenstrom 7 nicht mehr im Stack 2 der Brennstoffzelle 3 verfügbar ist.

Da der Kühlluftmassenstrom 7 über den Luftverdichter 5 zur internen Kühlung bereitgestellt wird, ist Energie, insbesondere elektrische Energie, notwendig, um ihn zu erzeugen. Diese Energie wirkt sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs aus, das über das Brennstoffzellensystem 1 angetrieben wird.

Der verbleibende Luftmassenstrom 6 wird über eine Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Die Brennstoffzelle 3 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über eine nicht gezeigte

Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt.

Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über die Luftzuführleitung 8 der

Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas

Wasserdampf und Kohlendioxid. Das Abgas wird in Form eines

Abgasmassenstroms 10 über eine Abgasleitung 9 abgeführt, wie durch einen Pfeil 10 angedeutet ist.

Der Abgasmassenstrom 10 wird über eine Abgasturbine 11 zu einem

Abgasaustritt 12 abgeführt, der durch einen Pfeil angedeutet ist. Der

Luftverdichter 5 ist in der Luftzuführleitung 8 angeordnet. Die Abgasturbine 11 ist in der Abgasleitung 9 angeordnet. Der Luftverdichter 5 und die Abgasturbine 11 sind über eine Welle mechanisch verbunden.

Die Welle ist durch einen Elektromotor 14 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 11 dient der Unterstützung des Elektromotors 14 beim Antreiben des

Luftverdichters 5. Der Luftverdichter 5, die Abgasturbine 11, die Welle und der Elektromotor 14 bilden zusammen einen Turboverdichter 15, der auch als Turbomaschine bezeichnet wird.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren eine Bypassleitung 13, in der ein Bypassventil 16 angeordnet ist. Über die Bypassleitung 13 mit dem Bypassventil 16 kann ein Bypassluftmassenstrom 17 zur Druckabsenkung von der Luftzuführleitung 8 unter Umgehung des Stacks 2 der Brennstoffzelle 3 in die Abgasleitung 9 abgeführt werden. Das ist zum Beispiel vorteilhaft, um eine Druckabsenkung in dem über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführten Luftmassenstrom zu bewirken. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren einen Zwischenkühler 18, der durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Der Zwischenkühler 18 dient dazu, den verdichteten Luftmassenstrom 6 zu kühlen, bevor der

Kühlluftmassenstrom 7 über den Kühlluftpfad 19 abgezweigt wird.

Das Brennstoffzellensystem 1 ist mit einer Regelung 20 ausgestattet, mit welcher der abgezweigte Kühlluftmassenstrom 7 auf den Kühlluftbedarf des

Turboverdichters 15 geregelt wird. Durch die Regelung des

Kühlluftmassenstroms 7 auf den Bedarf des Turboverdichters 15, der auch als Turbomaschine oder verkürzt als Maschine bezeichnet wird, kann der abgezweigte Kühlluftmassenstrom 7 gering gehalten werden. Dadurch wiederum kann der Wirkungsgrad eines Kraftfahrzeugs, dessen Antriebsmaschine über das Brennstoffzellensystem 1 angetrieben wird, gesteigert werden.

In den Figuren 1 bis 3 sind drei Ausführungsbeispiele der in Figur 4 mit 5 bezeichneten und als Luftverdichter ausgeführten Luftzuführvorrichtung schematisch im Längsschnitt dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den Figuren 1 bis 3 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zunächst werden die Gemeinsamkeiten der drei

Ausführungsbeispiele beschrieben. Danach wird auf die Unterschiede zwischen den drei Ausführungsbeispielen eingegangen.

Der in den Figuren 1 bis 3 in verschiedenen Ausführungsbeispielen schematisch dargestellte Luftverdichter 5 umfasst ein Gehäuse 28, in welchem ein Laufrad 30 mit einer Welle 40 drehbar gelagert ist, wie in den Figuren 1 bis 3 durch einen Pfeil 29 angedeutet ist. Das Laufrad 30 ist mit Hilfe einer axialen

Spanneinrichtung 50 an der Welle 40 befestigt. Die axiale Spanneinrichtung 50 verwendet zur Optimierung des Pressverbandes das Laufrad 30 zusammen mit einem Spannelement 51.

Im Unterschied zu herkömmlichen axialen Spanneinrichtungen ist das Laufrad 30 mit der axialen Spanneinrichtung 50 radial verspannt oder verpresst. So kann der Einfluss von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Materialien reduziert werden, aus denen das Laufrad 30 und die Welle 40 gebildet sind. Zur Realisierung der radialen Verspannung beziehungsweise Verpressung umfasst das Laufrad 30 einen konischen Spannabschnitt 31. Der konische Spannabschnitt 31 des Laufrads 30 wirkt mit einer ebenfalls konischen

Spannfläche 53 des Spannelements 51 der axialen Spanneinrichtung 50 zusammen. Dabei stellt der konische Spannabschnitt 31 des Laufrads 30 eine Gegenfläche 54 für die Spannfläche 53 des Spannelements 51 dar.

Bei einer Aktivierung der axialen Spanneinrichtung 50 wird das Spannelement 51 in den Figuren 1 bis 3 in dem Laufrad 30 nach rechts verschoben. Dabei stützt sich das Laufrad 30 in axialer Richtung an einer Anschlagfläche 49 ab, die an der Welle 40 vorgesehen ist. Das Laufrad 30 umfasst zur Aufnahme des

Spannelements 51 eine Spannaufnahme 35.

Die Spannaufnahme 35 ist in dem Laufrad 30 besonders vorteilhaft als zentrales Durchgangsloch mit einem stetigen Änderungsverlauf eines

Laufradinnendurchmessers ohne Innendurchmessersprünge ausgeführt. Durch den stetigen oder kontinuierlichen Änderungsverlauf des

Laufradinnendurchmessers in der Spannaufnahme 35 wird eine unerwünschte Kerbwirkung im Laufrad oder am Laufrad 30 vermieden.

Bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst die Welle an einem in den Figuren 1 und 2 linken Wellenende einen Fixierabschnitt 42 und einen Führungsabschnitt 44. Auf dem Führungsabschnitt 44 ist das Spannelement 51 beim Aufbringen einer axialen Spannkraft auf das

Spannelement 51 geführt.

In dem Fixierabschnitt 42 ist bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ein Fixierelement 52 einer Fixiereinrichtung 58

angeordnet, die dazu dient, das verspannte Spannelement 51 im verspannten Zustand zu fixieren. Das in den Figuren 1 und 2 linke Wellenende der Welle 40 weist zur Darstellung der Anschlagfläche 49 für das Laufrad 30 einen

Wellenabsatz 46 auf. Links von dem Wellenabsatz 46 hat die Welle 40 einen kleineren Außendurchmesser als rechts von dem Wellenabsatz 46. Das Fixierelement 52 ist mit einem Innengewinde versehen und auf das

Wellenende aufgeschraubt. Beim Aufschrauben des Fixierelements 52 stützt sich das Laufrad 30 an dem Absatz 46 der Welle 40 ab. Dadurch wird das Laufrad 30 an einer axialen Verschiebung verhindert.

Die konische Gestaltung oder Keilform des Spannelements 51 führt zu einer radialen Spannung im Laufrad 30, welche die notwendige Vorspannkraft im Reibkontakt zwischen Laufrad 30 und Spannelement 51 erzeugt. In gleicher Weise wird die Momentenübertragung zwischen Welle 40 und Spannelement 51 verwirklicht.

Der Einfluss der unterschiedlichen Wärmedehnungen wird minimiert, da der Durchmesser des Spannelements 51 beziehungsweise des Laufrads 30 sich aufgrund der relativ kleinen Dimensionen nur wenig ändert. Eine

Längenänderung des Laufrads 30, das zum Beispiel aus einem

Aluminiummaterial gebildet ist, hat keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die radiale Pressung mit der axialen Spanneinrichtung 50, da die axiale Länge des Laufrads 30 nicht im Kraftfluss der Fixierung über die radiale Verspannung oder Pressung liegt.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Fixierelement 52 mit einem Außengewinde in ein komplementäres Innengewinde des Laufrads 30 eingeschraubt. Je nach Ausführung wird das Laufrad 30 auf das Spannelement 51 gezogen, so dass die Anschlagfläche 49 an der Welle 40 gegebenenfalls entfallen kann. Wenn das Fixierelement 52 auf das Wellenende aufgepresst wird, dann kann eine axiale Position des Laufrads 30 auf der Welle 40 mit einem geeigneten Montagewerkzeug realisiert werden.

Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Spannelement 51 als kombiniertes Spann- und Fixierelement 55 ausgeführt. Das kombinierte Spann- und Fixierelement 55 ist mit einem Fixierabschnitt 56 in einen zentralen Aufnahmeraum 48 eingepresst, der als Wellenausnehmung 48 in dem

Wellenende der Welle 40 ausgeführt ist. Der zentrale Aufnahmeraum 48 ist als Sackloch in dem in Figur 3 dargestellten Wellenende der Welle 40 ausgeführt. In dem Fixierabschnitt 56 hat das Spannelement 51, das als kombinierte Spann- und Fixierelement 55 ausgeführt ist, die Gestalt eines geraden Kreiszylinders. An seinem in Figur 3 linken Ende weist das Spannelement 51 beziehungsweise Spann- und Fixierelement 55 einen Kopf 59 auf. Zwischen dem Kopf 59 und dem Fixierabschnitt 56 ist die konische Spannfläche 53 ausgebildet.

In Figur 3 ist darüber hinaus angedeutet, dass eine Anströmfläche 60 des Luftverdichters 5 strömungstechnisch optimiert sein kann. Zu diesem Zweck ist in Figur 3 ein Anströmflächenbereich 61 an einen halbkugelförmigen Kopf 59 des Spannelements 51 strömungstechnisch optimiert. Alternativ oder zusätzlich können, wie in den Figuren 1 und 2 angedeutet ist, entsprechende

Anströmflächenbereiche 62, 63 an dem Fixierelement 52 und an der Welle 40 ebenfalls strömungstechnisch optimiert werden.