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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftversorgung, insbesondere
einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren Brennstoffzellen, umfassend
mindestens eine Turbine und mindestens einen teilweise von der Turbine
angetriebenen und/oder elektrisch angetriebenen Verdichter, wobei
die Turbine und der Verdichter über eine Welle fest gekoppelt sind.
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Luftversorger
der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik bekannt und
dienen beispielsweise zur Luftversorgung einer Brennstoffzellenanordnung,
insbesondere eines Brennstoffzellenstapels, und weisen einen teilweise
von der Turbine und/oder von einem Elektromotor betriebenen Strömungsverdichter,
insbesondere mit einem Verdichterrad und einem Radialdiffusor, auf.
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Zukünftige
Luftversorgungssysteme für Brennstoffzellenanordnungen
umfassen als Kern einen Strömungsverdichter, der mit einem
Elektromotor angetrieben wird. In einer erweiterten Form wird zur
Rückgewinnung von Energie eine Turbine adaptiert, die über
ein variables Luftleitgitter-Element verfügt, wodurch bisherige
Gegendruckklappen der Brennstoffzellenanordnung entfallen.
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In
der Offenlegungsschrift
DE
101 20 947 A1 wird eine Vorrichtung einer zweistufigen
Luftversorgungseinheit gezeigt, bei der die erste Verdichterstufe
mit einem Elektromotor angetrieben wird und in der zweiten Stufe
eine Freiläuferanordnung entsprechend einem Abgasturbolader
angeordnet ist. Die Freiläuferanordnung umfasst einen Strömungsverdichter
und eine Turbine, die ihren Strömungsquerschnitt (= so
genannte Schluckfähigkeit) den Betriebszuständen
der Brennstoffzellenanordnung über ein einstellbares oder
variables Element optimal anpasst.
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Aus
der
DE 103 06 234
A1 ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Luftversorgung einer
Brennstoffzelle bekannt, welche einen Expander (= Turbine) und einen
zumindest teilweise davon angetriebenen Verdichter aufweist. Dabei
wird die Turbine zumindest zeitweise von den heißen Abgasen
der Verbrennung der Brennstoffzellenanordnung durchströmt.
Dabei sind der Verdichter und die Turbine über eine möglichst ölfrei
gelagerte Welle miteinander verbunden.
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Bedingt
durch die zwischen der Turbine und dem Verdichter vorgesehene Lagerung
der Welle besteht die Gefahr, dass aus einem Lagergehäuse
austretendes Schmiermittel in die Luftzuführung der Brennstoffzelle
gelangt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber
dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Luftversorgung
anzugeben, bei welcher insbesondere die Luftzuführung sicher ölfrei
gehalten wird.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Vorrichtung zur Luftversorgung, insbesondere einer Brennstoffzellenanordnung
mit mehreren Brennstoffzellen, umfasst mindestens eine Turbine und
mindestens einen zumindest teilweise von der Turbine und/oder elektrisch angetriebenen
Verdichter, wobei die Turbine und der Verdichter über eine Welle
fest gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist die Welle
strömungsausgangsseitig der Turbine gelagert.
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Durch
eine derartige Anordnung der Wellenlagerung bei Verwendung der Luftversorgungsvorrichtung
für eine Brennstoffzellenanordnung stromab der Brennstoffzellenanordnung
ist die Luftzuführung zur Brennstoffzellenanordnung absolut ölfrei
gehalten. Falls geringe Schmiermittelmengen aus einem Lagergehäuse
der Lagerung austreten sollten, besteht keinerlei Gefahr, dass das
Schmiermittel entgegen der Gasstromrichtung in die Brennstoffzelle
gelangen könnte, da die Lagerung stromab des einströmenden
Gasstroms angeordnet ist. Darüber hinaus kann anfallendes
Kondensat (Wasserausfall) vor und in der Turbine sicher vermieden
werden. Ferner kann die bei der Verdichtung entstehende Wärme
auf der Luftseite für die Abgasseite genutzt werden.
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In
einer möglichen Ausführungsform ist die Welle
in einem Lagergehäuse gelagert, das mittels Streben an
einem Turbinengehäuse der Turbine fixiert ist. Da die Lagerung
der Welle strömungsausgangsseitig im Abgasstrom der Turbine
angeordnet ist, sind die Streben zweckmäßigerweise
strömungsdynamisch derart ausgebildet, dass der Abgasstrom homogen
abgeführt wird.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest
einer der oder mehrere oder alle der Streben mit zumindest einer
Hohlkanalstruktur versehen ist bzw. sind. Dabei weist die jeweilige
Hohlkanalstruktur der Strebe/n eine Anschlussöffnung auf.
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Über
diese Anschlussöffnung/en ist vorteilhafterweise zumindest
ein Schmiermedium, insbesondere ein flüssiges Schmiermedium,
z. B. Öl, zuführbar. Alternativ oder zusätzlich
ist der Lagerung über die Anschlussöffnung zumindest
ein Kühlmedium, z. B. Luft oder ein anderes geeignetes
Kühlmedium, zuführbar.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist die Turbine strömungseingangsseitig
mit mindestens einem einstellbaren Verstellelement (auch Varioeinheit genannt)
versehen, um insbesondere variable Strömungseingangsquerschnitte
an der Turbine zu erzielen. Auch können nach der Turbine
Verstellelemente angeordnet sein, um eine Aufstaufunktion zu erzielen.
Für eine hohe Energierückgewinnung und somit zur
Erzielung eines besseren Wirkungsgrads ist der Strömungsquerschnitt
turbineneingangsseitig mittels des Verstellelements variabel einstellbar.
Hierzu ist beispielsweise vor dem Turbinenrad als Verstellelement
ein einstellbares Leitgitter mit Leitschaufeln angeordnet, dessen
engste Kanalquerschnitte durch dreh- oder translatorische Bewegungen
von Elementen des Leitgitters veränderbar sind. Hierdurch
wird nicht nur die engste Durchströmfläche verändert, sondern
auch die Zuströmrichtung zum Turbinenrad, wodurch der Wirkungsgrad
der Turbine und der Energierückgewinn sowie der Gesamtwirkungsgrad
verbessert wird.
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In
einer möglichen Ausführungsform umfasst das Verstellelement
mindestens einen stationären Leitgitterring mit mehreren
festen Leitschaufeln und eine axial bewegliche Matrize mit Öffnungen.
Dabei dienen die Öffnungen der Aufnahme der Leitschaufeln,
wobei durch axiales Bewegen der Matrize in Richtung auf die Enden
der Leitschaufeln zu oder von diesen weg die Öffnungen
und somit der Strömungsquerschnitt vergrößert
oder verkleinert wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind der Verdichter und
die Turbine als eine Baueinheit ausgebildet, wobei zumindest eine
der beiden Komponenten Mittel zur Beeinflussung eines anströmenden
und/oder abströmenden Mediums, insbesondere der einströmenden
Frischluft oder des ausströmenden Abgases, aufweist, z.
B. ein turbinenseitig angeordnetes Leitgitter. Zusätzlich
kann die elektrische Maschine in die Baueinheit integriert sein.
Somit ist eine weitgehend kompakte Baueinheit gegeben, so dass die
Luftversorgungsvorrichtung für verschiedene Anwendungen,
z. B. für eine Brennstoffzellenanordnung, aber auch für
eine Hilfsenergieversorgung eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs
geeignet ist.
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Zweckmäßigerweise
ist die Baueinheit als ein Wärmeleitelement ausgebildet.
Hierzu ist die Baueinheit vorzugsweise aus einem Wärme
leitenden Material, insbesondere aus Aluminium. Dies führt
zu einer hohen Wärmekopplung und -ableitung.
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In
einer weiteren Ausführung sieht die Erfindung vor, dass
der Verdichter und die Turbine durch ein Trennelement zumindest
bereichsweise voneinander getrennt sind. Vorzugsweise ist das Trennelement
mit mindestens einem Stellelement, insbesondere mit Regel- oder
Steuerventilen versehen. Hierdurch ist ein Bypass-Strom für
die Brennstoffzellenanordnung ermöglicht, so dass durch
entsprechende Steuerung und/oder Regelung des Stellelements eine
geforderte Durchsatzmenge für die Brennstoffzellenanordnung
erreicht wird. Dabei werden die Stellelemente insbesondere im unteren
Durchsatzmengenbereich betätigt, um Instabilitäten
des Verdichters bei zu geringen Durchsatzmengen zu vermeiden. Auch
kann das Stellelement zum Thermomanagement, insbesondere zur Beeinflussung
der Luftströme bei einem Kaltstart, betätigt werden.
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Vorzugsweise
findet die Luftversorgungsvorrichtung in einer mobilen Brennstoffzellenanordnung zur
Versorgung dieser mit Verbrennungsluft Anwendung. Es ist auch möglich,
den erfindungsgemäßen Luftversorger anstatt für
eine Brennstoffzellen-Luftversorgung für die Aufladung
von Verbrennungsmotoren oder für andere geeignete Anwendungen
einzusetzen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 schematisch
eine Vorrichtung zur Luftversorgung für eine Brennstoffzellenanordnung,
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2 schematisch
in Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel für
eine Vorrichtung zur Luftversorgung als eine integrierte Baueinheit
mit einer strömungsausgangsseitig der Turbine vorgesehenen Wellenlagerung.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
eine Brennstoffzellenanordnung 1, umfassend mehrere Brennstoffzellen,
die insbesondere zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind.
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Der
Brennstoffzellenanordnung 1 wird über eine Luftzufuhr 2 Umgebungs-
oder Frischluft FL durch eine Verdichteranordnung 3 aus
einem Niederdruckverdichter 3.1 und einem Hochdruckverdichter 3.2 zugeführt.
Alternativ kann die Verdichteranordnung 3 nur aus einem
Verdichter, der elektrisch zeitweise angetrieben sein kann, bestehen
(nicht näher dargestellt).
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Die
Verdichteranordnung 3 verdichtet die Luft ausgehend von
einem Umgebungsdruck auf ein für die Versorgung der Brennstoffzellenanordnung 1, insbesondere
den Kathodenraum notwendiges Druckniveau und führt die
verdichtete Luft über einen Einlasskanal 11 der
Brennstoffzellenanordnung 1 zu.
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Der
Niederdruckverdichter 3.1 ist über eine Antriebswelle 4 mit
einer elektrischen Maschine 5 verbunden. Die elektrische
Maschine 5 kann dabei über eine direkte Energiezuführung 6 von
der Brennstoffzellenanordnung 1 oder einem Energiespeicher 7 angetrieben
werden und die Verdichteranordnung 3 zeitweise antreiben.
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Der
Hochdruckverdichter 3.2 ist über eine Welle 8 mit
einer Turbine 9 gekoppelt.
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Das
aus der Brennstoffzellenanordnung 1 austretende Abgas wird über
einen Auslasskanal 10 der Turbine 9 zugeführt,
wodurch der Hochdruckverdichter 3.2 über die Turbine 9 zeitweise
angetrieben wird.
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Vom
Einlasskanal 11 führt ein Bypass-Kanal 12 in
den Auslasskanal 10. Der Bypass-Kanal 12 (auch
Umblasekanal genannt) dient der Vermeidung eines Pumpens der Verdichteranordnung 3 und/oder einem
Thermomanagement z. B. bei einem Kaltstart. Hierzu ist in den Bypass-Kanal 12 eine
Betätigungseinrichtung 13, z. B. ein Steuer- oder
Regelventil, angeordnet. Je nach Verdichterkennfeld wird die Betätigungseinrichtung 13 gegebenenfalls
geöffnet, wenn ein Betriebsbereich nahe einer Pumpgrenze
erreicht ist, damit der Massenstrom durch die Verdichteranordnung 3 größer
als der Brennstoffzellen-Luftstrom ist, wodurch ein Pumpen der Verdichteranordnung 3 vermieden
ist.
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Im
dem in der Turbine 9 nachgeschalteten Kondensator 14 erfolgt
die Trennung der Wasseranteile W von der Luft L.
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Für
eine variable Einstellung des Strömungsquerschnitts der
Turbine 9 umfasst diese strömungseingangsseitig
ein Verstellelement 15, insbesondere ein variables Luftleitgitter,
wie es in 2 näher dargestellt
ist.
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Zur
Steuerung der Luftzufuhr in die Brennstoffzellenanordnung 1 und
der Abgasabfuhr aus dieser heraus sowie zur Einstellung von Bypass-Strömen
zur Vermeidung von Pumpbetriebszuständen ist eine Steuer-
und/oder Regelungseinheit 16 vorgesehen, die über
Steuerleitungen 17.1 bis 17.3 mit dem Verstellelement 15,
mit der Betätigungseinrichtung 13 und dem Energiespeicher 7 in
Verbindung steht.
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Von
Bedeutung ist die Sicherstellung der Ölfreiheit der Brennstoffzellen-Zufuhr über
den Einlasskanal 11. Hierzu sind der Hochdruckverdichter 3.2 und
die Turbine 9 als eine integrierte Baueinheit 18 ausgebildet,
die als Wärmeleitelement dient und aus Aluminium gefertigt
ist und anhand des Ausführungsbeispiels nach 2 nachfolgend
näher erläutert wird.
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Hierzu
ist in 2 die integrierte Baueinheit 18 dargestellt,
die als ein so genannter Zweiradmonolith aus einem Verdichterrad 3.2.1 des
Hochdruckverdichters 3.2 und aus einem Turbinenrad 9.1 der Turbine 9 besteht.
Bei der integrierten Baueinheit 18 handelt es sich insbesondere
um eine Freiläuferanordnung entsprechend einem Abgasturbolader.
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Das
Verdichterrad 3.2.1 und das Turbinenrad 9.1 sind über
die Welle 8 miteinander gekoppelt. Die Welle 8 ist
in einem Lagergehäuse 8.1 mittels einer nicht
näher dargestellten Lagerung gelagert. Dabei ist die Welle 8 strömungsausgangsseitig
des Turbinenrades 9.1 der Turbine 9 im Bereich
eines Abgasauslasses A und somit stromab der Brennstoffzellenanordnung 1 gelagert.
Dabei kann es sich um eine geeignete Lagerung handeln, so kann es
sich um eine zu schmierende oder auch eine auf Lebensdauer autarke,
fettgeschmierte Lagerung handeln. Es kann sich aber auch um eine ölfreie
Lagerung, insbesondere eine Luft- oder Magnetlagerung handeln.
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Das
Lagergehäuse 8.1 ist mittels strömungsgünstig
gestalteter Streben 19 am Turbinengehäuse 9.2 der
Turbine 9 fixiert. Über eine verschließbare
Anschlussöffnung 20 und eine innere Hohlkanalstruktur 19.1 der
Streben 19 kann den Lagerstellen der Lagerung ein insbesondere
flüssiges Schmiermittel, insbesondere ein Schmieröl,
zugeführt werden. Für ölfreie Lagerungen
ist dies nicht erforderlich. Alternativ kann zur Kühlung
der Lagerung ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, über
die Anschlussöffnung 20 der Hohlkanalstruktur 19.1 zugeführt
werden.
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Zur
Einstellung des Strömungsquerschnitts für das
Abgas A und somit für eine effektive Energierückgewinnung
ist strömungseingangsseitig über dem Turbinenrad 9.1 das
Verstellelement 15 (auch Varioeinheit oder Leitgitter genannt)
angeordnet, mit dem der engste Querschnitt des Brennstoffzellensystems
für eine optimale Brennstoffzellenluftversorgung eingestellt
werden kann.
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Das
Verstellelement 15 umfasst einen festen Leitgitterring 15.1 mit
mehreren Leitschaufeln und eine axial bewegliche Matrize 15.2,
die mit Öffnungen 15.3 versehen ist, in welche
die Enden der Leitschaufeln aufnehmbar sind. Durch axiales Verschieben
der Matrize 15.2 und den in den Öffnungen 15.3 aufnehmbaren
Enden der Leitschaufeln des Leitgitterrings 15.1 ist der Öffnungsquerschnitt
variabel einstellbar. Hierzu ist die Matrize 15.2 über
die Steuerleitung 17.1 (siehe 1) und einen
zugehörigen nicht näher dargestellten Antrieb
axial verschiebbar.
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Das
Konzept der unmittelbaren benachbarten Anordnung von Verdichter 3.2 und
Turbine 9 in der integrierten Baueinheit 18 bietet
eine sehr gute Voraussetzung für die Wärmenutzung
der Luftseite, durch einen Wärmefluss und eine Wärmeübertragung
vom Verdichter 3.2 zur Turbine 9 hin. Bedingt durch
die auf der Verdichterseite deutlich höheren Temperaturen
erfolgt die Wärmeübertragung zur Turbinenseite und
somit in die gewünschte Richtung. Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten
in den Strömungskanälen des Verdichters 3.2 und
der Turbine 9, insbesondere in deren Radkanälen,
im Verdichter-Diffusor und in Turbinendüsen, werden hohe
Wärmeübergangszahlen erreicht, wodurch der gewünschte
Wärmefluss zur Turbine 9 hin begünstigt ist.
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Somit
dient die integrierte Baueinheit 18 aus Verdichter 3.2 und
Turbine 9 auch als ein Wärmeleitelement. Dabei
bestehen beispielsweise im Betriebsnennpunkt der Brennstoffzellenanordnung 1 Temperaturdifferenzen
zwischen Verdichter 3.2 und Turbine 9, die merklich über
100°C liegen können, wodurch die Voraussetzung
für einen effizienten Wärmetransport in der integrierten
Baueinheit 18 von der Luftseite ”Verdichter 3.2” zur
Abgasseite ”Turbine 9” gegeben ist.
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Diese
Wärmekopplung führt zu einer verbesserten Verwertung
der Energie der Turbine 9, wobei die Energie bei Nutzung
für die elektrische Maschine 5 quasi über
die elektrische Maschine 5 in das Luftversorgungssystem
eingespeist werden kann.
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Je
nach Größe und Anwendung der Brennstoffzellenanordnung 1 und
der Luftversorgungsvorrichtung aus Verdichteranordnung 3 und
Turbine 9 mit der integrierten Baueinheit 18 liegen
die üblichen Betriebstemperaturen unterhalb von 250°C.
Hierdurch kann die integrierte Baueinheit 18, d. h. das Turbinenrad 9.1 und
das Verdichterrad 3.2.1 aus einem besonders Wärme
leitenden Material, insbesondere aus Aluminium, gefertigt sein,
was eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht.
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Alternativ
zu der Ausführung von Verdichterrad 3.2.1 und
Turbinenrad 9.1 als Vollkörper oder Vollmonolith
mit Welle 8 können andere konstruktive Lösungen,
z. B. Zuganker aus Stahl oder Lagerhülsenvarianten oder
andere geeignete Mittel, vorgesehen sein, um die Funktionen der
Wärmeleitung auf der Einen und der Verschleißfestigkeit
an den Lagerstellen auf der anderen Seite in kostengünstiger
Weise sicherzustellen.
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Die
Zielsetzung, die Kondensatmenge im Kondensator 14 gering
zu halten, wird durch eine derart aufgebaute integrierte Baueinheit 18 als
Wärmeleitelement mit strömungsausgangsseitiger
Lagerung unterstützt, besonders wenn man die integrierte Baueinheit 18 ohne
große Verrohrungslängen direkt an den Brennstoffzellenaustritt
der Brennstoffzellenanordnung 1 anordnet oder sogar in
die Brennstoffzellenanordnung 1 integriert.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die
nah aneinander angrenzenden Komponenten Verdichter 3.2 und
Turbinen 9 zur Erzielung einer gewünschten Umblasung
U für eine integrierten Bypass-Führung der Brennstoffzellenanordnung 1 genutzt
werden. Hierzu ist zwischen dem Verdichter 3.2 strömungsausgangsseitig
und der Turbine 9 strömungseingangsseitig ein
Trennelement 21 angeordnet. Dabei ist das Trennelement 21 mit
nicht näher dargestellten Stellelementen, z. B. regelbare oder
steuerbare Ventile, versehen, wodurch eine in der Baueinheit 18 integrierte
Umblasung U zwischen den beiden Spiralgehäusen von Verdichter 3.2 und Turbine 9 ermöglicht
ist. Durch eine derart integrierte Umblasung U kann der Bypass-Kanal 12 mit
dem zugehörigen Stellelement 13 entfallen. Mit
dieser integrierten Umblasfunktion der Baueinheit 18 kann
die Luftversorgungsvorrichtung für die Brennstoffzellenanordnung 1 zur
Vermeidung einer Pumpneigung oder für ein effektives Thermomanagement,
z. B. beim Kaltstart, wirksam beeinflusst werden.
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- 1
- Brennstoffzellenanordnung
- 2
- Luftzufuhr
- 3
- Verdichteranordnung
- 3.1
- Niederdruckverdichter
- 3.2
- Hochdruckverdichter
- 3.2.1
- Verdichterrad
- 4
- Antriebswelle
- 5
- elektrische
Maschine
- 6
- Energiezuführung
- 7
- Energiespeicher
- 8
- Welle
- 9
- Turbine
- 9.1
- Turbinenrad
- 9.2
- Turbinengehäuse
- 10
- Auslasskanal
- 11
- Einlasskanal
- 12
- Bypass-Kanal
- 13
- Betätigungselement
- 14
- Kondensator
- 15
- Verstellelement
- 15.1
- Leitgitterring
- 15.2
- axial
bewegliche Matrize
- 15.3
- Öffnung
- 16
- Steuer-
und/oder Regelungseinheit
- 17.1
bis 17.3
- Steuerleitungen
- 18
- integrierte
Baueinheit
- 19
- Streben
- 19.1
- Hohlkanalstruktur
- 20
- Anschlussöffnung
- 21
- Trennelement
- A
- Abgasauslass
- FL
- Frischluft
- L
- Luft
- U
- Umblasung
- W
- Wasser
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10120947
A1 [0004]
- - DE 10306234 A1 [0005]