Die Erfindung betrifft ein Aufladesystem einer Brennstoffzelle gemäß Patentanspruch 1 .

Antriebssysteme von insbesondere Kraftfahrzeugen weisen mehr und mehr Brennstoffzellen als Antriebsaggregate auf. Der Brennstoffzelle ist in ihrem Betrieb Sauerstoff in Form von Luftsauerstoff zuzuführen. Hierzu ist ein Aufladesystem geeignet, welches sich bereits bei einer Luftversorgung und Leistungssteigerung einer Verbrennungskraftmaschine bewährt hat und bekannt ist, ein Abgasturbolader.

Aufgrund der jedoch wesentlich geringeren Temperaturen eines aus der Brennstoffzelle ausströmenden Abgases, welches in diesem Kontext als Expansionsgas bezeichnet wird, da es ein Expansionsrad des Aufladesystems beaufschlagt und keine Zusammensetzung gemäß dem üblichen bekannten Abgas aufweist, kann eine Unterstützung des Aufladesystems, welches ein drehbar angeordnetes Kompressionsrad und das mit dem Kompressionsrad drehfest verbundene, ebenfalls drehbar angeordnete Expansionsrad aufweist, erforderlich sein, die bevorzugt in Form eines Elektromotors ausgebildet ist. Der Elektromotor wird dann üblicherweise zwischen dem Kompressionsrad und dem Expansionsrad, oder mit anderen Worten zwischen einem Kompressionsabschnitt des Aufladesystems und einem Expansionsabschnitt des Aufladesystems positioniert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Aufladesystem einer Brennstoffzelle bereitzustellen, welches eine kostengünstige Bauweise besitzt.

Diese Aufgabe wird durch ein Aufladesystem einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung betrifft ein Aufladesystem einer Brennstoffzelle, mit einem Gehäuse zur Aufnahme eines drehbaren Kompressionsrades und eines drehbaren Expansionsrades, wobei das Gehäuse einen Kompressionsabschnitt und einen Expansionsabschnitt umfasst, wobei der Kompressionsabschnitt zur Aufnahme des Kompressionsrades ausgebildet ist und der Expansionsabschnitt zur Aufnahme des Expansionsrades ausgebildet ist. Es ist ein Elektromotor zum Antreiben einer Welle, welche zumindest mit dem Expansionsrad drehtest verbunden ist, ausgebildet, wobei der Elektromotor in einem Motorgehäuse aufgenommen ist. Erfindungsgemäß ist zur Kühlung des Elektromotors das Motorgehäuse durchströmbar mit dem Gehäuse ausgebildet. So kann auf einfache Weise und kostengünstig eine bevorzugte Kühlung in Form einer Luftkühlung des sich während dem Betrieb erwärmenden Elektromotors realisiert werden. Eine Luftkühlung ist insbesondere vorteilhaft, da eine bei einer Wasserkühlung erforderliche Abdichtung des Elektromotors und des Gehäuses gegenüber einem Eindringen von Wasser aufwendig und daher kostenintensiv ist.

Es können hier zwei unterschiedliche Ausgestaltungen angestrebt werden, wobei sich eine der beiden Ausgestaltungen dadurch auszeichnet, dass vom Kompressionsrad angesaugte Luft über das Motorgehäuse in den Kompressionsabschnitt geführt wird, somit kühle Frischluft aus der Umgebung in das Motorgehäuse einströmt, welche nach Verlassen des Motorgehäuses im Kompressionsabschnitt verdichtet und der Brennstoffzelle zugeführt wird. Hierzu ist das Kompressionsrad zur Ansaugung der Luft über das Motorgehäuse derart im Gehäuse angeordnet, dass es in seiner einfachsten Anordnung zwischen dem Expansionsabschnitt und dem Motorgehäuse aufgenommen ist, damit eine unmittelbare Einströmung aus dem Motorgehäuse in den Kompressionsabschnitt realisiert werden kann.

Die andere der beiden Ausgestaltungen sieht vor, dass das Expansionsrad zur Förderung von das Expansionsrad durchströmendem Expansionsgas in das Motorgehäuse im Gehäuse angeordnet ist. Hierzu ist bevorzugt das Expansionsrad zwischen dem Kompressionsrad und dem Motorgehäuse angeordnet, damit eine unmittelbare Abströmung des Expansionsgases in das Motorgehäuse ausgebildet werden kann.

Die beiden Ausgestaltungen unterscheiden sich in Bezug auf eine Strömungsrichtung der Luftkühlung. Ist die Luft zur Kühlung mit Hilfe des Kompressionsrades ausgebildet, strömt diese aus der Umgebung über das Motorgehäuse in den Kompressionsabschnitt. Wird hingegen das Expansionsgas zur Kühlung des Motorgehäuses genutzt, strömt dieses aus dem Expansionsabschnitt in das Motorgehäuse und von dort in die Umgebung.

Das Kompressionsrad und das Expansionsrad sind vorteilhaft in Form eines einstückig ausgebildeten Systemrades, welches eine Welle aufweist, ausgeführt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Aufladesystems ist darin zu sehen, dass sich mit Hilfe der einstückigen Ausführung des Kompressionsrades und des Expansionsrades ein in seiner axialen Ausdehnung wesentlich reduzierteres Aufladesystem bereitstellen lässt, als es bislang bekannt ist. Des Weiteren können Komponenten des Aufladesystems, wie beispielsweise die Welle oder das Gehäuse, kostenreduziert hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass eine mögliche Leckage von Wasserstoff oder Schmiermittel mit dem Expansionsgas von dem Aufladesystem weg geleitet werden kann. So kann auch ein Eindringen von Schmiermittel in die Brennstoffzelle verhindert werden.

Das Systemrad kann aus zwei unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, das heißt mit anderen Worten, dass das Kompressionsrad aus dem ersten Material und das Expansionsrad aus einem zweiten, sich von dem ersten Material unterscheidenden Material hergestellt ist. Dabei ist ein üblicherweise kostenintensives Fügeverfahren einzusetzen. Da es sich jedoch bei den Temperaturen der Gase, des Kompressionsgases und des Expansionsgases, nicht um Temperaturen handelt, wie sie aus dem Verbrennungsmotorenbau und dessen Abgastemperaturen bekannt sind, ist kostengünstig das Expansionsrad aus einem zweiten Material hergestellt, das dem ersten Material entspricht. Das heißt mit anderen Worten, dass das Systemrad aus einem einzigen Material hergestellt ist, welches jedoch auch ein Kompositmaterial und/oder eine Legierung oder ähnliches sein kann.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufladesystems sind der Kompressionsabschnitt und der Expansionsabschnitt zur Herbeiführung eines Wandwärmeaustausches von im Kompressionsabschnitt strömenden Kompressionsgases und im Expansionsabschnitt strömenden Expansionsgases ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass die beiden Abschnitte, welche mit ihrem jeweiligen Gas durchströmt werden, so ausgebildet sind, dass das Expansionsgas das Kompressionsgas kühlen und das Kompressionsgas das Expansionsgas erwärmen kann. So kann auf einfache Weise auf einen so genannten Ladeluftkühler, einen Kühler zur Reduzierung einer Temperatur des Kompressionsgases nach dessen Kompression, verzichtet werden, oder dieser kann zumindest in seiner Dimensionierung reduziert werden.

Vorteilhaft ist hierzu der Expansionsabschnitt zumindest teilweise den Kompressionsabschnitt umfassend ausgebildet. So kann auf einfache Weise ein Wandwärmeaustausch realisiert werden, da zwischen dem Expansionsgas und dem Kompressionsgas lediglich eine Wandung ausgebildet ist, über die die Wärme der Gase geführt werden kann. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufladesystems ist der Expansionsabschnitt zumindest teilweise axial neben dem Kompressionsabschnitt angeordnet. Diese Anordnung ist bevorzugt im Bereich des Systemrades, welches das Kompressionsrad und das Expansionsrad quasi Radrücken an Radrücken, somit axial nebeneinander angeordnet aufweist, vorgesehen, damit das Kompressionsrad in seinen Kompressionskanal fördern und das Expansionsrad aus seinem Expansionskanal gespeist werden kann.

Vorteilhaft ist der Elektromotor von einem Motorgehäuse umfasst, welches zur Lagerung der Welle ausgebildet ist. Das heißt mit anderen Worten, dass eine drehbare Lagerung der Welle mit Hilfe des Motorgehäuses realisiert werden kann. Somit kann auf einfache Weise eine gesicherte Lagerung der Welle herbeigeführt werden, da unabhängig von einer Bauart der Lagerung, die Lagerung von dem Systemrad beabstandet und somit von dem Expansionsgas beabstandet und vor diesem zumindest weitestgehend geschützt ausgebildet werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufladesystems ist das Motorgehäuse zumindest teilweise mit dem Gehäuse einstückig ausgeführt. Insbesondere ist das Motorgehäuse einstückig mit zumindest einem Teil des Expansionsabschnitts ausgebildet, wodurch eine kostengünstige Herstellung und/oder eine bevorzugte Luftkühlung des Elektromotors realisiert werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufladesystems ist die Welle eine gebaute Welle. Das heißt mit anderen Worten, dass die Welle aus zumindest zwei Teilen ausgebildet ist, die miteinander gefügt sind. Sie können beispielsweise stoffschlüssig und/oder kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden sein. Der Vorteil ist darin zu sehen, dass in Abhängigkeit von einer Bauart des Elektromotors, ein Stator oder ein Rotor des Elektromotors in einem Abschnitt der Welle aufgenommen werden kann.

Bevorzugt ist die Welle den Rotor des Elektromotors aufnehmend ausgebildet, und ist mit ihm insbesondere drehfest verbunden. Ebenso könnte eine drehfeste Verbindung mit dem Rotor auch bedarfsabhängig ausgebildet sein. Mit Hilfe der gebauten Welle kann der Rotor auf einfache Weise in einem Hohlraum der Welle gesichert aufgenommen werden.

Zur Vermeidung einer Reduzierung einer Leistung des Aufladesystems oder zumindest zur Reduzierung eines Leistungsverlustes des Aufladesystems aufgrund des einteiligen Systemrades, welches einer bevorzugten Abdichtung des Kompressionsabschnitts gegenüber dem Expansionsabschnitt bedarf, weist eine den Kompressionsabschnitt und den Expansionsabschnitt trennende Gehäusewand eine Dichtung in Form einer Labyrinthdichtung auf. Labyrinthdichtungen, auch als berührungsfreie Wellendichtungen bezeichnet, zeichnen sich dadurch aus, dass relativ zueinander bewegbar ausgebildete Teile eine Abdichtung ihrer der Dichtung abgewandt ausgebildeten Räume besitzen.

Insbesondere ist die Labyrinthdichtung zwischen dem Kompressionsrad und der Gehäusewand ausgebildet, und es kann mit Hilfe der Labyrinthdichtung ein zwischen dem Kompressionrad und der Gehäusewand ausgebildeter Spalt verlängert und ein Strömungswiderstand im Spalt wesentlich erhöht werden. Somit ist eine fluidische Abdichtung des Kompressionsabschnitts und des Expansionsabschnitts herbeigeführt.

Die Welle ist vorteilhaft mit Hilfe eines Radiallagers gelagert, welches ein Gleitlager oder ein Wälzlager oder ein Luftlager ist. Es besteht die Möglichkeit die Lagerarten zu kombinieren. Das heißt mit anderen Worten, dass die Welle mit einem Radiallager bspw. in Form eines Gleitlagers und mit einem Radiallager bspw. in Form eines Wälzlagers gelagert sein kann. Oder eine Radiallagerpaarung kann in Form einer Luftlager- Wälzlagerpaarung ausgeführt sein. Unterschiedliche Kombinationen sind denkbar.

Weiter weist die Welle vorteilhaft ein Axiallager auf, welches ein Gleitlager oder ein Wälzlager oder ein Luftlager ist. Üblicherweise besteht die Notwendigkeit nur ein Axiallager vorzusehen, sodass eine Paarung unterschiedlicher Lagerarten nicht notwendig ist. Sofern jedoch mehr als ein Axiallager ausgebildet werden muss, so beispielsweise sofern zwei voneinander getrennt ausgeführte Wellenstücke vorliegen, kann auch hier eine Paarung unterschiedlicher Lagerarten erfolgen.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass mit einer Nutzung eines Wälzlagers ein Axiallager redundant ist. So ist es vorteilhaft zur Kostenreduzierung eine so genannte Hybridisierung der Lagerarten vorzunehmen, insbesondere ein Luftlager vorzusehen im Bereich nach dem Systemrad und ein Wälzlager anzuordnen im vom Systemrad entfernten Bereich. Werden noch zusätzlich Dichtmittel vorgesehen, so ist ein möglicher Schmiermitteleintrag in den Kompressionsabschnitt des Gehäuses mit dem Systemrad, welches das Kompressionsrad und das Expansionsrad einteilig ausgebildet aufweist, eliminiert oder zumindest weitestgehend reduziert. Ein weiteres Dichtmittel, welches die Welle umfassend angeordnet ist und einer Abdichtung zwischen dem Gehäuse und dem Motorgehäuse, insbesondere dem Elektromotor, dient, ist auf einem konisch ausgebildeten Abschnitt der Welle und/oder auf einer die Welle umfassend ausgebildeten konisch geformten Hülse angeordnet. Das weitere Dichtmittel ist bevorzugt in Form einer Labyrinthdichtung ausgebildet. Der Vorteil ist, dass mit Hilfe der konischen Ausbildung des Abschnitts der Welle oder Hülse insbesondere bei stehender Welle, somit bei nichtrotierender Welle, oder bei sehr geringen Drehzahlen der Welle Flüssigkeiten wie Schmiermittel, Wasser oder Schmiere in das weitere Dichtmittel eindringen können. Mit Hilfe der konischen Ausbildung der Welle und/oder der Hülse, welche sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass ein größter Konusdurchmesser der konischen Ausbildung dem Expansionsabschnitt zugewandt und ein kleinster Konusdurchmesser der konischen Ausbildung dem Motorgehäuse zugewandt angeordnet ist, wird das eingedrungene Liquid beim Anfahren oder bei Steigerung der Drehzahl aufgrund der Zentrifugalkraft in Richtung des Expansionsrades gefördert und aus der weiteren Dichtung entfernt. Bei dem Konusdurchmesser kann es sich um einen Wellendurchmesser der Welle und/oder einen Hülsendurchmesser der Hülse handeln.

Bevorzugt ist zur ergänzenden Abdichtung das Systemrad liquidabweisend ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass das Systemrad zur Flüssigkeitsabweisung und/oder gegenüber einer durch ein Aufprallen von Wassertropfen entstehenden Beschädigung geschützt ausgeführt ist. Dies kann durch eine entsprechende Formgebung des Systemrades realisiert sein oder durch eine Beschichtung und/oder durch bspw. Härten des Systemrades, insbesondere des Expansionsrades.

Zur Liquidabweisung ist hierzu eine dem Elektromotor zugewandt ausgebildete Nabenfläche des Systemrades liquidabweisend ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass diese Nabenfläche beispielsweise flüssigkeitsabweisend beschichtet sein kann. Bevorzugt jedoch ist sie mit Hilfe ihrer geometrischen Form flüssigkeitsabweisend ausgeführt. Sie könnte beispielsweise in Richtung des Motorgehäuses konkav ausgeführt sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Nabenfläche eine Nase, insbesondere an einem Außenumfang der Nabenfläche auf. Somit besteht auf besonders effektive Weise die Möglichkeit, die sich aufgrund der Zentrifugalkraft in Richtung des Expansionsrades geförderte Flüssigkeit in die Richtung eines Austritts des Expansionsabschnitts zu bringen. Zur Vermeidung einer Beschädigung des Systemrades durch Wassertropfen, welche mit einem bestimmten Impuls, somit mit einer bestimmten Kraft auf das Systemrad aufprallen können, kann eine entsprechend verschleißfeste und/oder harte Beschichtung auf das Systemrad aufgebracht werden, öder es kann beispielsweise das Systemrad vollständig oder teilweise gehärtet werden. Somit ist es liquidbeständig ausgebildet.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass sofern beispielsweise das Systemrad das Kompressionsrad zwischen dem Motorgehäuse und dem Expansionsrad angeordnet aufweist, die vorstehende Erläuterung zur Flüssigkeitsabweisung selbstredend für das Kompressionsrad gilt.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufladesystems ist stromauf des Expansionrades im Expansionsabschnitt eine Strömungsquerschnittsänderungseinrichtung ausgebildet. Dies kann in Form einer bekannten Leitvorrichtung eines Abgasturboladers bspw. eines so genannten VGS, VTG oder eines Axialschiebers ausgeführt sein.

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. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Längsschnitt ein Aufladesystem mit einem Elektromotor gemäß dem Stand der Technik, welches zur Nutzung für eine Brennstoffzelle einsetzbar ist,

Fig. 2 in einem Längsschnitt ein erfindungsgemäßes Aufladesystem einer Brennstoffzelle in einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 in einem Längsschnitt das erfindungsgemäße Aufladesystem einer Brennstoffzelle in einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 4 in einem Längsschnittausschnitt das erfindungsgemäße Aufladesystem einer Brennstoffzelle gern. Fig. 2,

Fig. 5 in einem Längsschnittausschnitt das erfindungsgemäße Aufladesystem einer Brennstoffzelle in einem dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 in einer Detailansicht VI das erfindungsgemäße Aufladesystem gern. Fig. 5,

Fig. 7 in einem Längsschnittausschnitt das erfindungsgemäße Aufladesystem einer Brennstoffzelle in einem vierten Ausführungsbeispiel,

Fig. 8 in einem Längsschnittausschnitt das erfindungsgemäße Aufladesystem einer Brennstoffzelle in einem fünften Ausführungsbeispiel,

Fig. 9 in einem Längsschnitt das erfindungsgemäße Aufladesystem einer Brennstoffzelle in einem sechsten Ausführungsbeispiel,

Fig. 10 in einem Längsschnitt das erfindungsgemäße Aufladesystem einer Brennstoffzelle in einem siebten Ausführungsbeispiel,

Fig. 11 in einem Längsschnitt das erfindungsgemäße Aufladesystem einer Brennstoffzelle in einem achten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 12 in einem Längsschnitt das erfindungsgemäße Aufladesystem einer Brennstoffzelle in einem neunten Ausführungsbeispiel.

Ein Aufladesystem 1 gemäß dem Stand der Technik, welches für einen Einsatz zur Luftlieferung einer Brennstoffzelle geeignet ist, ist gern. Fig. 1 ausgebildet. Das Aufladesystem 1 weist ein Gehäuse 2 zur drehbaren Aufnahme eines Kompressionsrades 3 und eines Expansionsrades 4 auf, wobei das Gehäuse 2 einen Kompressionsabschnitt 5 und einen Expansionsabschnitt 6 umfasst. Der Kompressionsabschnitt 5 ist zur Aufnahme des Kompressionsrades 3 ausgebildet und der Expansionsabschnitt 6 ist zur Aufnahme des Expansionsrades 4 ausgebildet. Zwischen dem Kompressionsabschnitt 5 und dem Expansionsabschnitt 6 ist ein Motorgehäuse 7 angeordnet, welches zur Aufnahme eines Elektromotors 8 und zur drehbaren Lagerung des Kompressionsrades 3 und des Expansionsrades 4 ausgebildet ist. Der Elektromotor 8 kann eingebettet oder überzogen sein mit Hilfe von Sintern, Schmelzen, Gießen oder Spritzen. Somit ist eine solide geschlossene Struktur des Elektromotors 8 ausgebildet, die von einem Kühlmedium umfasst werden kann.

Das Kompressionsrad 3 ist mit Hilfe einer Kompressionsradwelle 9 mit einem Rotor 10 des Elektromotors 8, welcher einen den Rotor 10 umfassend ausgebildeten Stator 12 besitzt, verbunden. Ebenso ist das Expansionsrad 4 mit Hilfe einer Expansionsradwelle 11 mit dem Rotor 10 verbunden. Das Expansionsrad 4 kann mit Expansionsgas aus der Brennstoffzelle beaufschlagt werden, so dass es eine rotierende Bewegung ausübt, welche sich über den Rotor 10 auf das Kompressionsrad 3 übertragt. Ebenso ist der Rotor 10 zur Herbeiführung und/oder Unterstützung der rotierenden Bewegung des Expansionsrades 4 und des Kompressionsrades 5 ausgebildet.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Aufladesystem 1 einer Brennstoffzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel abgebildet. Das erfindungsgemäße Aufladesystem 1 zeichnet sich dadurch aus, dass zur Kühlung des Elektromotors 8 das Motorgehäuse 7 durchströmbar mit dem Gehäuse 2 ausgebildet ist.

Des Weiteren zeichnet sich das erfindungsgemäße Aufladesystem 1 zur Herbeiführung einer kompakten und kostengünstigen Bauweise durch ein Systemrad 13 aus, welches das Kompressionsrad 3 und das Expansionsrad 4 einstückig ausgebildet aufweist. Das Kompressionsrad 3 ist aus einem ersten Material hergestellt, welches einem zweiten Material, aus dem das Expansionsrad 4 ausgeführt ist, entspricht. Ebenso könnten es auch zwei unterschiedliche Materialien sein, wobei eine kostengünstige Herstellung des Systemrades 13 mit Hilfe eines einzigen Materials, welches aus unterschiedlichen Materialkomponenten zusammengesetzt ist, realisiert werden kann.

Im ersten Ausführungsbeispiel gern. Fig. 2 ist das Expansionsrad 4 zur Förderung von das Expansionsrad 4 durchströmendem Expansionsgas in das Motorgehäuse 7 im Gehäuse 2 angeordnet. Das heißt mit anderen Worten, dass das Expansionsrad 4 zwischen dem Kompressionsrad 3 und dem Motorgehäuse 7 angeordnet ist. Demgemäß ist der Expansionsabschnitt 6 zwischen dem Kompressionsabschnitt 5 und dem Motorgehäuse 7 ausgebildet. Der Kompressionsabschnitt 5 und der Expansionsabschnitt 6 sind zur Herbeiführung eines Wärmeaustausches von im Kompressionsabschnitt 5 strömenden Kompressionsgases und im Expansionsabschnitt 6 strömenden Expansionsgases ausgebildet. Es ist an dieser Stelle hervorzuheben, dass es sich nicht um einen Gasaustausch zwischen den beiden Abschnitten 5, 6 handelt, sondern um einen Wärmeaustausch der Gase über geschlossene Wände der Abschnitte 5, 6, somit um Wandwärmeübergänge.

Der Expansionsabschnitt 6 ist zumindest teilweise den Kompressionsabschnitt 5 umfassend ausgeführt, insbesondere im Bereich einer Spirale 37 des Kompressionsabschnitts 5. Dies ist in Fig. 4 in einem Längsschnittausschnitt des erfindungsgemäßen Aufladesystems 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel detailliert abgebildet. Zur verbesserten Montage des Gehäuses 2 sind der Kompressionsabschnitt 5 und ein den Kompressionsabschnitt 5 umfassend ausgebildeter erster Expansionsabschnittsteil 38 einstückig hergestellt. Der Vorteil ist darin zu sehen, dass das verdichtete Kompressionsgas, welches eine Kompressionsgastemperatur TK mit einem Wert von über 200°C, das Expansionsgas, welches eine Expansionsgastemperatur TE von ca. 90°C aufweist, erwärmt, damit ein die Leistung des Aufladesystems 1 bestimmendes thermodynamisches Gefälle am Expansionsrad 4 gesteigert werden kann und vice versa, da das kältere Expansionsgas das wärmere Kompressionsgas kühlt und somit eine Luftkühlung des Kompressionsgases entfallen kann. Stromab des Expansionsrades 4 besitzt das Expansionsgas eine Expansionsgastemperatur TE mit einem Wert von ca. 20°C und kann zur Kühlung des Motorgehäuses 7 genutzt werden, wobei der Kühlmantel 35 durchströmbar mit dem Expansionsabschnitt 6 verbunden ist. Es kann somit vollständig auf eine Wasserkühlung des Motorgehäuses 7 verzichtet werden, da insbesondere kleinste Wassertröpfchen Wärme des Motorgehäuses 7 aufnehmen und verdampfen. Das über den Kühlmantel 35 geführte Expansionsgas wird über einen nicht näher dargestellten Gehäusesaustritt an die Umgebung abgeführt. Die Lager 33, 34 sind in Form von Luftlagern ausgebildet.

Ein zweiter Expansionsabschnittsteil 39, welcher dem Motorgehäuse 7 zugewandt angeordnet ist, kann einstückig mit dem Motorgehäuse 7 hergestellt sein. So können Dichtmittel kostengünstig reduziert werden. In Fig. 3, in welcher das erfindungsgemäße Aufladesystem 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel abgebildet ist, ist das Motorgehäuse 7 ebenfalls durchströmbar mit dem Gehäuse 2 verbunden. Der wesentliche Unterschied ist hier jedoch, dass das Kompressionsrad 3 und der Kompressionsabschnitt 5 zwischen dem Expansionsrad 4 und dem Motorgehäuse 7 bzw. dem Expansionsabschnitt 6 und dem Motorgehäuse 7 angeordnet sind. Hier erfolgt die Kühlung des Elektromotors 8 dadurch, dass Frischluft, welche im Kompressionsabschnitt 5 verdichtet wird, über das Motorgehäuse 7 vom Kompressionsrad 3 angesaugt wird, wodurch ein den Kühlmantel 35 kühlender Luftstrom herbeigeführt wird.

Das Systemrad 13 ist mit Hilfe einer gebauten Welle 14 antreibbar. Unter einer gebauten Welle 14 ist in diesem Zusammenhang insbesondere eine zweiteilige Welle zu verstehen, welche den Rotor 10 aufnehmend ausgebildet ist. Die Welle 14 ist in dem Motorgehäuse 7 drehbar gelagert. Der Rotor 10 ist in einem ersten Wellenabschnitt 15 der Welle 14, dessen dem Systemrad 13 zugewandt ausgebildeter Endabschnitt 16 hohlzylindrisch ausgebildet ist, verdrehtest mit dem ersten Wellenabschnitt 15 verbunden. Ein zweiter Wellenabschnitt 17 der Welle 14, weicher drehfest mit dem Systemrad 13 ausgebildet ist, ist an seinem dem ersten Wellenabschnitt 15 zugewandt angeordneten Wellenende ebenfalls im Endabschnitt 16 aufgenommen und mit diesem stoffschlüssig verbunden. Die abgebildete Ausführungsform der gebauten Welle 14 ist lediglich eine Möglichkeit den Rotor 10 in die Welle 14 zu integrieren. Andere Ausführungsformen, beispielsweise dass der erste Wellenabschnitt 15 den hohlzylinderförmigen Endabschnitt aufweist, und/oder eine kraft-und formschlüssige Verbindung der beiden Wellenabschnitte 15, 17 sind ebenfalls möglich.

Das Gehäuse 2 des erfindungsgemäßen Aufladesystems 1 des ersten Ausführungsbeispiels weist den Kompressionsabschnitt 5 und den Expansionsabschnitt 6 in axialer Richtung entlang einer Längsachse 18 des Aufladesystems 1 vollständig nebeneinander angeordnet auf, wobei eine gemeinsame Gehäusewand 19 einen stromab des Kompressionsrades 3 ausgebildeten Kompressionskanal 20 des Kompressionsabschnitts 5 und einen stromauf des Expansionsrades 4 ausgebildeten Expansionskanal 21 des Expansionsabschnitts 6 fluidisch voneinander trennt. Die Gehäusewand 19 ist zur Herbeiführung eines druckdichten Gehäuses 2 zwischen dem Kompressionsabschnitt 5 und dem Expansionsabschnitt 6 mit Hilfe von Dichtmitteln 22 angeordnet. Zur Herbeiführung eines im Wesentlichen gegenüber dem Expansionsabschnitt 6 dichten Kompressionsabschnitts 5 und vice versa, ist eine Dichtung 23 in Form einer Labyrinthdichtung zwischen diesen beiden Abschnitten 5, 6 ausgebildet, wobei die Labyrinthdichtung 23 vorteilhaft zwischen dem Kompressionsrad 3 und einer dem Kompressionsrad 3 zugewandt ausgebildeten Wandfläche 24 der Gehäusewand 19 ausgeführt ist.

Zur Vermeidung eines Schmiermittelübertritts ausgehend von dem Motorgehäuse 7 in den Expansionsabschnitt 6 und möglicherweise in den Kompressionsabschnitt 5, und/oder zur Vermeidung eines Expansionsgasübertritts in das Motorgehäuse 7, ist zwischen dem Motorgehäuse 7 und dem Expansionsrad 4 den zweiten Wellenabschnitt 17 umfassend ausgebildet ein weiteres Dichtmittel 25 angeordnet, welches bevorzugt in Form einer Labyrinthdichtung ausgeführt ist.

Die Reduktion oder bevorzugt die Vermeidung eines Schmiermittelübertritts aus dem Motorgehäuse 7 in den Expansionsabschnitt 6 kann mit Hilfe weiterer Ausführungsbeispiele unterstützt werden, wobei insbesondere ein siebtes Ausführungsbeispiel gern, der Figuren 5 und 6, wobei die Fig. 6 eine der Fig. 5 entnommene Detailzeichnung VI ist, hierzu dienlich ist, wobei eine dem weiteren Dichtmittel 25 zugewandt ausgebildete Nabenfläche 26 des Systemrades 13 relativ zum weiteren Dichtmittel 25 konkav gekrümmt ausgeführt ist. Insbesondere ist die Krümmung in Form einer das weitere Dichtmittel 25 in axialer Richtung teilweise überragend, nasenartig ausgeführt. Das heißt mit anderen Worten, dass die Nabenfläche 26 eine Nase 27 aufweist, die eine Außenfläche 28 des weiteren Dichtmittels 25 teilweise umfassend ausgeführt ist. Das heißt mit anderen Worten, dass das Systemrad 13 liquidabweisend ausgebildet ist. So kann Schmiermittel, welches über das weitere Dichtmittel 25 in Richtung des Systemrades 13 gefördert wird, mit Hilfe einer Zentrifugalkraft des Systemrades 13 in radialer Richtung nach außen gefördert und mit Hilfe der Nase 27 in Richtung eines Austritts 40 des Expansionsabschnitts 6 gebracht werden. Ebenso kann im Expansionsabschnitt 6 vorliegende Flüssigkeit in Form von Wasser in den Austritt 40 gefördert werden, wodurch die Gefahr eines Eintritts des Wassers in das Motorgehäuse 7 reduziert ist. Weitere die Reduktion oder Vermeidung des Schmiermittelübertritts unterstützende Ausführungsbeispiele sind in den Figuren 7 und 8 abgebildet, wobei selbstredend die Ausführungsbeispiele additiv und nicht zwingend getrennt ausgebildet sein können. In Fig. 7, welche in einem Längsschnittausschnitt das erfindungsgemäße Aufladesystem 1 in einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt, ist ein das weitere Dichtmittel 25 aufweisender Zwischenwellenabschnitt 29 kegelstumpfförmig ausgeführt, wobei ein dem Motorgehäuse 7 nächster erster Wellendurchmesser W1 kleiner ist als ein dem Expansionsrad 4 zugewandt ausgebildeter zweiter Wellendurchmesser W2. Es ist somit zwischen einem Abschnittsmantel 31 des Zwischenwellenabschnitts 29 und einer senkrecht zur Längsachse 18 ausgebildeten Abschnittswandung 32 ein Winkel cp ausgebildet, welcher einen Wert kleiner als 90° aufweist. Das heißt mit anderen Worten, dass sich der Wellendurchmesser in Richtung der Längsachse 18 ausgehend vom Motorgehäuse 7 in Richtung des Expansionsabschnitts 6 vergrößert. Dies kann kontinuierlich ausgeführt sein, kann jedoch auch diskontinuierlich ausgeführt sein.

In Fig. 8 ist in einem Längsschnittausschnitt das erfindungsgemäße Aufladesystem 1 in einem fünften Ausführungsbeispiel abgebildet, wobei eine Hülse 30 den Zwischenwellenabschnitt 29 umfassend ausgebildet ist und in Form eines hohlen Kegelstumpfes ausgeführt ist. Dies hat den Vorteil, dass eine kostengünstige Herstellung der Welle 14 realisiert ist. Im Längsschnitt gern. Fig. 8 besitzt ein Hülsenmantel 36 einen Öffnungswinkel ß in Richtung des Systemrades 13, dessen Wert größer 0° ist.

Mit Hilfe der konischen Ausbildung der Welle 14 und/oder der Hülse 30 und/oder der entsprechend ausgebildeten Nabenfläche 26, konkav und/oder mit Nase 27, insbesondere die Nase 27 an einem größten Flächendurchmesser der Nabenfläche 26 angebracht, besteht die Möglichkeit sich in dem weiteren Dichtmittel 25 angesammelte Flüssigkeiten in den Austritt 40 des Expansionsabschnitts 6 zu fördern.

Das Aufladesystem 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, weist die Welle 14 luftgelagert auf. Das heißt mit anderen Worten, dass die Wellenabschnitte 15, 17 mit Hilfe jeweils eines Radiallagers 33 in Form eines Luftlagers und der vom Systemrad 13 abgewandt ausgebildete erste Wellenabschnitt 15 des Weiteren mit Hilfe eines Axiallagers 34 in Form eines Luftlagers drehbar gelagert sind. Es könnten die Lager 33, 34 auch in Form von Gleitlager oder Wälzlager ausgeführt sein, oder sich durch eine Kombination der verschiedenen Lagerarten auszeichnen. Eine Kombination ist möglich. Es sei zu beachten, dass zur Vermeidung eines Wasserstoffeindringens in das in Form eines Wälzlagers ausgebildete Lager 33; 34 an einer dem Systemrad 13 zugewandt angeordneten Seite des Lagers 33; 34 ein zusätzliches Dichtmittel anzuordnen ist. Der Kühlmantel 35 ist zur Wasserkühlung ausgebildet.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Dichtmittel 22, 25 selbstredend auch in Form einer Lippendichtung ausgebildet sein können.

In einem nicht näher abgebildeten Ausführungsbeispiel weist das Motorgehäuse 7 an seinem vom Systemrad 13 abgewandt ausgebildeten Ende einen Inverter auf, welcher zur Aufnahme von Platinen ausgebildet ist. Die Form der so genannten "power electronic" kann rund oder gebogen oder dreiecksförmig sein, sie kann jede mögliche Form aufweisen.

In einem weiteren, nicht näher abgebildeten Ausführungsbeispiel, ist der Expansionskanal 21 stromauf des Expansionsrades 4 mit einer

Strömungsquerschnittsänderungseinrichtung ausgestattet, damit ein stromauf des Expansionsrades 4 ausgebildeter Strömungsquerschnitt veränderbar ist. Die Strömungsquerschnittsänderungseinrichtung kann bspw. in Form eines Axialschiebers oder in Form von rotierbaren Leitschaufeln gemäß einer bekannten verstellbaren Turbinengeometrie ausgebildet sein.

In weiteren Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Aufladesystems 1 , einem sechsten Ausführungsbeispiel gern. Fig. 9 und einem siebten Ausführungsbeispiel gern. Fig. 10, ist zur Anpassung einer Leistung des Aufladesystems 1 ein so genanntes "Trimmen" des Systemrades 13 vorgesehen, welches mit Hilfe der Gehäusewand 19 erzielbar ist, wobei zwischen dem Expansionsrad 4, welches bevorzugt einen kleineren Durchmesser aufweist als das Kompressionsrad 3, und der Gehäusewand 19 ein Abstand A veränderbar zu gestalten ist, durch Änderung eines inneren Gehäusewanddurchmessers D. Dabei sind Durchmessergrenzwerte, ein kleinster innerer Gehäusewanddurchmesser D _m in und ein größter innerer Gehäusewanddurchmesser D _ma x zu beachten. Mit Hilfe des inneren Gehäusedurchmessers D kann eine Abstimmung einer Schubkraft herbeigeführt werden, die auf die beiden Räder, das Expansionsrad 4 und das Kompressionsrad 3 wirkt.

In einem weiteren, nicht näher abgebildeten Ausführungsbeispiel ist ein Vorspannungssystem ausgebildet, welches zur axialen Vorspannung der Wälzlagerung vorgesehen ist, zur Aufnahme axialer Lasten.

Sofern die Lager in Form von Wälzlagern ausgebildet sind, können diese zusätzliche Dämpfungselemente aufweisen, bspw. in Form einer metallischen elastischen Struktur oder in Form eines Kunststoffes mit Dämpfungseigenschaften, der um das Wälzlager angeordnet ist.

In den Figuren 11 und 12 ist das erfindungsgemäße Aufladesystem 1 einer Brennstoffzelle in einem achten bzw. einem neunten Ausführungsbeispiel, abgebildet. Das gemäß Fig. 11 ausgebildete Aufladesystem 1 des achten Ausführungsbeispiels entspricht weitestgehend dem Aufladesystem 1 des ersten Ausführungsbeispiels, s. Fig.

2, wobei jedoch das Motorgehäuse 7 eine erste Gehäuseöffnung 41 und eine zweite Gehäuseöffnung 42 aufweist, damit zur Kühlung des Stators 12 und des Rotors 10 das Expansionsgas ausgehend von der ersten Gehäuseöffnung 41 über einen zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 12 ausgebildeten Luftspalt 43 in die zweite Gehäuseöffnung 42 strömen kann. Somit ist eine zusätzliche Kühlung des Elektromotors 8 ausgebildet.

Das gemäß Fig. 12 ausgebildete Aufladesystem 1 des neunten Ausführungsbeispiels entspricht weitestgehend dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aufladesystems 1 , welches in Fig. 3 abgebildet ist. Die zur zusätzlichen Kühlung des Elektromotors 8 vorgesehene Frischluft strömt ausgehend den der ersten Gehäuseöffnung 41 über den Luftspalt 43 in die zweite Gehäuseöffnung 42 und wird dem Expansionsabschnitt 6 zugeführt. Hier ist die erste Gehäuseöffnung 41 im Bereich eines von dem Systemrad 13 abgewandt angeordneten Endes des Gehäuses 7 vorgesehen.

Bevorzugt ist in beiden Fällen zur gerichteten Durchströmung des Luftspaltes 43 die erste Gehäuseöffnung 41 des achten Ausführungsbeispiels bzw. die zweite Gehäuseöffnung 42 des neunten Ausführungsbeispiels auf Höhe des Luftspaltes 43, oder mit anderen Worten in einem radialen Abstand zur Längsachse 18 angeordnet, der einem radialen Abstand des Luftspaltes 43 zur Längsachse 18 entspricht. In einem weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Kompressionsabschnitt 5 eine verstellbare Leitgeometrie auf. Die Leitgeometrie kann aus einer verstellbaren Leitbeschaufelung stromauf des Kompressionsrades 3 und/oder einer verstellbaren Düsenbeschaufelung stromab des Kompressionsrades 3 um Kompressionsabschnitt 5 ausgebildet ist. Ebenso könnte bei einer Kombination der Beschaufelungen eine der beiden Beschaufelungen starr ausgeführt sein.

Mit Hilfe der verstellbaren Leitbeschaufelung in Form einer um eine Achse verschwenkbaren Leitschaufeln der Leitbeschaufelung stromauf des Kompressionsrades 3 ist ein Eintrittswinkel eines Luftmassenstromes für unterschiedliche Drehzahlen optimierbar. Ist die verstellbare Leitbeschaufelung in Form einer Blende ausgebildet, ähnlich einer optischen Blende, ist ein Massenstrom auf einfache Weise anpassbar. Sofern die verstellbare Düsenbeschaufelung in Form von verdrehbaren Leitschaufeln ausgebildet ist, kann auf einfache Weise ein aus dem Kompressionsabschnitt 5 austretender Luftmassenstromaustrittswinkel angepasst werden.

Der Elektromotor 8 kann unterschiedlich ausgebildet sein. So kann der Stator 12 unterschiedlich gewickelt sein. Beispielsweise kann die Wicklung nutenlos oder mit Nuten sein, und/oder konzentrierte Wicklungen oder verteilte Wicklungen aufweisen.

In einem weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel kann eines der Räder 3; 4, das Kompressionsrad 3 oder das Expansionsrad 4, zur Aufnahme der Welle 14 eine Öffnung mit einem Innengewinde aufweisen, oder die Welle 14 wird in die Öffnung gepresst.

In einem weiteren, nicht näher abgebildeten Ausführungsbeispiel ist eine Messeinrichtung zur Messung einer Geschwindigkeit und/oder einer Beschleunigung und/oder einer Temperatur und/oder eines Druckes, etc. vorgesehen, wobei Sensoren der Messeinrichtung bevorzugt auf der von den Rädern 3, 4 abgewandt ausgebildeten Seite des Elektromotors 8 angeordnet sind.

In einem weiteren, nicht näher abgebildeten Ausführungsbeispiel ist ein weiteres Kompressionsrad vorgesehen, welches auf der von den Rädern 3, 4 abgewandt ausgebildeten Seite des Elektromotors 8 angeordnet ist. Bezugszeichenliste

1 Aufladesystem

2 Gehäuse

3 Kompressionsrad

4 Expansionsrad

5 Kompressionsabschnitt

6 Expansionsabschnitt

7 Motorgehäuse

8 Elektromotor

9 Kompressionsradwelle

10 Rotor

11 Expansionsradwelle

12 Stator

13 Systemrad

14 Welle

15 Erster Wellenabschnitt

16 Endabschnitt

17 Zweiter Wellenabschnitt

18 Längsachse

19 Gehäusewand

20 Kompressionskanal

21 Expansionskanal

22 Dichtmittel

23 Dichtung

24 Wandfläche

25 Weiteres Dichtmittel

26 Nabenfläche

27 Nase

28 Außenfläche

29 Zwischenwellenabschnitt

30 Hülse

31 Abschnittsmantel 32 Abschnittswandung

33 Radiallager

34 Axiallager

35 Kühlmantel

36 Hülsenmantel

37 Spirale

38 Erster Expansionsabschnittsteil

39 Zweiter Expansionsabschnittsteil

40 Austritt

41 Erste Gehäuseöffnung

42 Zweite Gehäuseöffnung

43 Luftspalt

A Abstand

D Innerer Gehäusewanddurchmesser

Dmin. Kleinster innerer Gehäusewanddurchmesser

Dmax. Größter innerer Gehäusewanddurchmesser

TE Expansionsgastemperatur

TK Kompressionsgastemperatur

W1 Erster Wellendurchmesser

W2 Zweiter Wellendurchmesser

<p Winkel ß Öffnungswinkel