DE102023104856B4

DE102023104856B4 - charging system of a fuel cell

Info

Publication number: DE102023104856B4
Application number: DE102023104856.2A
Authority: DE
Inventors: Saša Slavić; Timm Kiener
Original assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2023-02-28
Filing date: 2023-02-28
Publication date: 2024-10-24
Anticipated expiration: 2043-03-01
Also published as: DE102023104856A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Aufladesystem (1) einer Brennstoffzelle, mit einem Gehäuse (2), umfassend einen Kompressionsabschnitt (5) zur Aufnahme eines drehbaren Kompressionsrades (3) und einen Expansionsabschnitt (6) zur Aufnahme eines drehbaren Expansionsrades (4), und mit einem Elektromotor (8) zum Antreiben einer Systemwelle (9), welche mit dem Kompressionsrad (3) und dem Expansionsrad (4) drehfest verbunden ist, wobei der Elektromotor (8) in einem Motorgehäuse (7) aufgenommen ist, und mit einem Rotor (10) des Elektromotors (8), wobei der Rotor (10) drehfest mit der Systemwelle (9) verbunden ist, und wobei das Kompressionsrad (3) und das Expansionsrad (4) auf derselben Seite des Rotors (10) angeordnet sind.
Erfindungsgemäß ist zur Lagerung der Systemwelle (9) eine Lagereinrichtung (26) ausgebildet, wobei der Rotor (10) mit Hilfe der Lagereinrichtung (26) einseitig gelagert im Motorgehäuse (7) angeordnet ist.

The invention relates to a charging system (1) of a fuel cell, with a housing (2) comprising a compression section (5) for receiving a rotatable compression wheel (3) and an expansion section (6) for receiving a rotatable expansion wheel (4), and with an electric motor (8) for driving a system shaft (9) which is connected in a rotationally fixed manner to the compression wheel (3) and the expansion wheel (4), wherein the electric motor (8) is accommodated in a motor housing (7), and with a rotor (10) of the electric motor (8), wherein the rotor (10) is connected in a rotationally fixed manner to the system shaft (9), and wherein the compression wheel (3) and the expansion wheel (4) are arranged on the same side of the rotor (10).
According to the invention, a bearing device (26) is designed to support the system shaft (9), wherein the rotor (10) is arranged in the motor housing (7) supported on one side by means of the bearing device (26).

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufladesystem einer Brennstoffzelle gemäß Patentanspruch 1.The invention relates to a charging system of a fuel cell according to claim 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 sogenannter Abgasturbolader.Drive systems, particularly in motor vehicles, are increasingly using fuel cells as drive units. Oxygen in the form of atmospheric oxygen must be supplied to the fuel cell during operation. A charging system that has already proven itself in supplying air and increasing the performance of an internal combustion engine is suitable for this purpose: a so-called exhaust gas turbocharger.

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.However, due to the significantly lower temperatures of an exhaust gas flowing out of the fuel cell, which in this context is referred to as expansion gas because it acts on an expansion wheel of the charging system and does not have a composition corresponding to the usual known exhaust gas, support of the charging system, which has a rotatably arranged compression wheel and the expansion wheel that is connected to the compression wheel in a rotationally fixed manner and is also rotatably arranged, may be necessary, which is preferably designed in the form of an electric motor. The electric motor is then usually positioned between the compression wheel and the expansion wheel, or in other words between a compression section of the charging system and an expansion section of the charging system.

Eine kostengünstige und insbesondere kompakte Bauweise kann erzielt werden, sofern das Kompressionsrad und das Expansionsrad auf einer Seite einer die beiden Räder drehfest miteinander verbindenden Welle angeordnet sind.A cost-effective and particularly compact design can be achieved if the compression wheel and the expansion wheel are arranged on one side of a shaft that connects the two wheels in a rotationally fixed manner.

So geht aus der Offenlegungsschrift DE 10 2021 202 889 A1 ein Aufladesystem hervor, wobei ein Kompressionsrad und ein Expansionsrad auf einer Seite einer die beiden Räder miteinander verbindenden Welle angeordnet sind. Es ist ein Elektromotor mit einem Permanentmagneten ausgebildet, wobei der Permanentmagnet innerhalb der Welle, welche einen Hohlraum aufweist, angeordnet ist. Die Welle ist mit Hilfe von Lagern in Form von Axial- und Radiallager drehbar gelagert, wobei zur Abstützung der Welle an der von der einen Seite abgewandt ausgebildeten anderen Seite der Welle ein Lager angeordnet ist. Der Permanentmagnet ist somit zwischen den beiden Rädern und dem Lager an der anderen Seite der Welle ausgebildet.This is what emerges from the disclosure document DE 10 2021 202 889 A1 a charging system, wherein a compression wheel and an expansion wheel are arranged on one side of a shaft connecting the two wheels to one another. An electric motor is formed with a permanent magnet, wherein the permanent magnet is arranged inside the shaft, which has a hollow space. The shaft is rotatably mounted with the aid of bearings in the form of axial and radial bearings, wherein a bearing is arranged on the other side of the shaft facing away from one side to support the shaft. The permanent magnet is thus formed between the two wheels and the bearing on the other side of the shaft.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2009 052 919 A1 offenbart eine Aufladeeinrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums mit einem Gehäuse und einer im Gehäuse aufgenommenen Welle, welche im Gehäuse radial mit Hilfe einer Luftlagerungseinrichtung gelagert ist. Die Welle ist im Gehäuse axial ausschließlich mit Hilfe einer Magnetlagerungseinrichtung gelagert.The disclosure document DE 10 2009 052 919 A1 discloses a charging device for compressing a gaseous medium with a housing and a shaft accommodated in the housing, which is mounted radially in the housing with the aid of an air bearing device. The shaft is mounted axially in the housing exclusively with the aid of a magnetic bearing device.

Der Offenlegungsschrift DE 10 2016 210 948 A1 kann ein als elektromotorisch betriebener Laufradverdichter ausgebildeter Elektro-Verdichter, insbesondere zur Anordnung in einem Aufladesystem eines Verbrennungsmotors, entnommen werden, der einen Laufradverdichter mit Verdichterlaufrad, sowie einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor aufweist. Das Verdichterlaufrad und der Rotor sind auf einer gemeinsamen Läuferwelle angeordnet und mit der Läuferwelle drehfest verbunden. Die Läuferwelle ist nur in einem zentralen Lagerbereich zwischen dem Verdichterlaufrad und dem Rotor mit Hilfe einer Lageranordnung um die Läuferdrehachse drehbar gelagert.The disclosure document DE 10 2016 210 948 A1 can be taken from an electric compressor designed as an electric motor-driven impeller compressor, in particular for arrangement in a charging system of an internal combustion engine, which has an impeller compressor with compressor impeller, as well as an electric motor with a stator and a rotor. The compressor impeller and the rotor are arranged on a common rotor shaft and are connected to the rotor shaft in a rotationally fixed manner. The rotor shaft is only rotatably mounted about the rotor axis of rotation in a central bearing area between the compressor impeller and the rotor with the help of a bearing arrangement.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2018 213 571 A1 geht ein Turbolader hervor, wobei ein Verdichterrad des Turboladers drehfest auf einer zumindest durch ein Loslager und ein Festlager drehbar in einem Gehäuse des Turboladers gelagerten Welle angeordnet ist.From the disclosure document DE 10 2018 213 571 A1 A turbocharger is produced, wherein a compressor wheel of the turbocharger is arranged in a rotationally fixed manner on a shaft which is rotatably mounted in a housing of the turbocharger by at least one loose bearing and one fixed bearing.

Die Patentschrift EP 1 504 488 B1 offenbart ein Stromerzeugnissystem mit einem Gasturbinenmotor umfassend ein Verdichterrad, ein Turbinenrad, einen Wärmetauscher und einen Brenner. Zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad ist ein Lager der das Turbinenrad mit dem Verdichterrad drehfest verbindenden Welle ausgebildet.The patent specification EP 1 504 488 B1 discloses a power generation system with a gas turbine engine comprising a compressor wheel, a turbine wheel, a heat exchanger and a burner. Between the turbine wheel and the compressor wheel, a bearing of the shaft that connects the turbine wheel to the compressor wheel in a rotationally fixed manner is formed.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 024 314 A1 ist ein Turbolader für einen Energiewandler bekannt, wobei ein Verdichterrad des Turboladers zur Abdichtung gegenüber einem Gehäuse des Turboladers eine Labyrinthdichtung an seinem Radrücken aufweist.From the disclosure document DE 10 2012 024 314 A1 A turbocharger for an energy converter is known, wherein a compressor wheel of the turbocharger has a labyrinth seal on its wheel back for sealing against a housing of the turbocharger.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein verbessertes Aufladesystem einer Brennstoffzelle bereitzustellen.The object of the present invention is to provide an improved charging system of a fuel cell.

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.This object is achieved by a charging system of a fuel cell with the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial further developments of the invention are specified in the remaining claims.

Die Erfindung betrifft ein Aufladesystem einer Brennstoffzelle, mit einem Gehäuse, umfassend einen Kompressionsabschnitt zur Aufnahme eines drehbaren Kompressionsrades und einen Expansionsabschnitt zur Aufnahme eines drehbaren Expansionsrades. Das Aufladesystem weist weiter einen Elektromotor zum Antreiben einer Systemwelle auf, welche mit dem Kompressionsrad und dem Expansionsrad drehfest verbunden ist. Der Elektromotor ist in einem Motorgehäuse aufgenommen. Er besitzt einen Rotor, wobei der Rotor drehfest mit der Systemwelle verbunden ist. Das Kompressionsrad und das Expansionsrad sind auf derselben Seite des Rotors angeordnet. Erfindungsgemäß ist zur Lagerung der Systemwelle eine Lagereinrichtung ausgebildet, wobei der Rotor mit Hilfe der Lagereinrichtung einseitig gelagert im Motorgehäuse angeordnet ist, und wobei

- sofern das Expansionsrad dem Rotor zugewandt angeordnet ist, ein erstes Lager der Lagereinrichtung zwischen dem Rotor und dem Expansionsrad angeordnet ist, oder
- sofern das Kompressionsrad dem Rotor zugewandt angeordnet ist, das erste Lager der Lagereinrichtung zwischen dem Rotor und dem Kompressionsrad angeordnet ist, und ein zweites Lager der Lagereinrichtung zwischen dem Kompressionsrad und dem Expansionsrad angeordnet ist.

The invention relates to a charging system of a fuel cell, with a housing comprising a compression section for receiving a rotatable compression wheel and an expansion section for receiving a rotatable expansion wheel. The charging system further comprises an electric motor for driving a system shaft, which is connected to the compression wheel and the expansion wheel in a rotationally fixed manner. The electric motor is accommodated in a motor housing. It has a rotor, whereby the rotor is connected to the system shaft in a rotationally fixed manner. The compression wheel and the expansion wheel are arranged on the same side of the rotor. According to the invention, a bearing device is designed to support the system shaft, whereby the rotor is arranged in the motor housing with the aid of the bearing device, supported on one side, and whereby

- if the expansion wheel is arranged facing the rotor, a first bearing of the bearing device is arranged between the rotor and the expansion wheel, or
- if the compression wheel is arranged facing the rotor, the first bearing of the bearing device is arranged between the rotor and the compression wheel, and a second bearing of the bearing device is arranged between the compression wheel and the expansion wheel.

Der Vorteil der einseitigen Lagerung ist darin zu sehen, dass ein grundsätzlich sehr kompaktes Aufladesystem herbeigeführt werden kann. Unter der einseitigen Lagerung des Rotors ist zu verstehen, dass der Rotor nur an einer seiner beiden Seiten, oder mit anderen Worten seiner Stirnflächen, ein Lager besitzt. Ein weiterer Vorteil der einseitigen Lagerung des Rotors ist darin zu sehen, dass eine insgesamt relativ kurze Systemwelle realisiert werden kann, welche bevorzugte rotordynamische Merkmale besitzt. Des Weiteren kann vorteilhaft auf einfache Weise die einseitige Lagerung des Rotors realisiert werden.The advantage of one-sided bearings is that a fundamentally very compact charging system can be achieved. One-sided bearings of the rotor mean that the rotor only has a bearing on one of its two sides, or in other words its front faces. Another advantage of one-sided bearings of the rotor is that a relatively short system shaft can be realized overall, which has preferred rotor dynamic characteristics. Furthermore, one-sided bearings of the rotor can be realized in a simple manner.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufladesystems ist zwischen dem Kompressionsabschnitt und dem Expansionsabschnitt eine Gehäusewand zur zumindest teilweisen Aufnahme der Lagereinrichtung angeordnet.In one embodiment of the charging system according to the invention, a housing wall for at least partially accommodating the bearing device is arranged between the compression section and the expansion section.

Zur gesicherten Aufnahme des zweiten Lagers, ist dieses in der Gehäusewand angeordnet. Insbesondere können Wälzlager, insbesondere in Form von Schrägkugellagern, als zweites Lager eingesetzt werden. Diese sind wesentlich günstiger als beispielsweise Luftlager und weisen eine hohe Tragkraft auf.The second bearing is arranged in the housing wall to ensure it is securely held. In particular, rolling bearings, particularly in the form of angular contact ball bearings, can be used as the second bearing. These are much cheaper than air bearings, for example, and have a high load-bearing capacity.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Systemwelle ein hohlzylinderförmiges Aufnahmeelement auf, mit einem in einem Hohlraum des Aufnahmeelementes aufgenommenen Permanentmagneten des Rotors. Der Vorteil ist die Integration des Permanentmagneten in dem Aufnahmeelement, somit in der Systemwelle, so dass diese bauraumoptimiert zumindest teilweise als Rotor des Elektromotors ausgebildet werden kann. Somit ist ein nur geringer Überhang zwischen dem Lager und dem Rotor, respektive dem Permanentmagneten, ausgebildet, wodurch ein sehr steifer Rotor realisiert ist.In a further embodiment, the system shaft has a hollow cylindrical receiving element with a permanent magnet of the rotor accommodated in a cavity of the receiving element. The advantage is the integration of the permanent magnet in the receiving element, and thus in the system shaft, so that this can be designed at least partially as the rotor of the electric motor in a space-optimized manner. This means that only a small overhang is formed between the bearing and the rotor, or rather the permanent magnet, which creates a very rigid rotor.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufladesystems ist zwischen dem Kompressionsrad und der Gehäusewand ein erstes Dichtelement angeordnet. Somit kann eine mit Hilfe des ersten Dichtelementes sichere Dichtheit des Kompressionsabschnitts realisiert werden.In a further embodiment of the charging system according to the invention, a first sealing element is arranged between the compression wheel and the housing wall. Thus, a secure seal of the compression section can be achieved with the help of the first sealing element.

Vorteilhaft ist das erste Dichtelement in Form einer Labyrinthdichtung ausgeführt. 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.The first sealing element is advantageously designed in the form of a labyrinth seal. Labyrinth seals, also known as contact-free shaft seals, are characterized by the fact that parts designed to be movable relative to one another have a seal in the spaces facing away from the seal.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufladesystems ist zwischen dem Expansionsrad und der Gehäusewand ein zweites Dichtelement angeordnet. Somit kann eine mit Hilfe des zweiten Dichtelementes sichere Dichtheit des Expansionsabschnitts realisiert werden. Auch das zweite Dichtelement ist vorteilhaft in Form einer Labyrinthdichtung ausgeführt.In a further embodiment of the charging system according to the invention, a second sealing element is arranged between the expansion wheel and the housing wall. This allows the expansion section to be reliably sealed with the help of the second sealing element. The second sealing element is also advantageously designed in the form of a labyrinth seal.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufladesystems weist dieses eine Strömungsquerschnittsänderungseinrichtung und/oder eine verstellbare Leitgeometrie auf. Dies kann in Form einer bekannten Leitvorrichtung eines Abgasturboladers bspw. eines so genannten VGS, VTG oder eines Axialschiebers ausgeführt sein. Der Vorteil ist in einer Verbreiterung eines effektiven Betriebsbereiches des Aufladesystems zu sehen.In a further embodiment of the charging system according to the invention, it has a flow cross-section changing device and/or an adjustable guide geometry. This can be designed in the form of a known guide device of an exhaust gas turbocharger, for example a so-called VGS, VTG or an axial slide. The advantage can be seen in a broadening of an effective operating range of the charging system.

Es ist ein Aufladesystem realisiert, welches einen vorteilhaften Wärmeaustausch aufgrund der Gehäusewand besitzt. Ein in den Expansionsabschnitt einströmendes Gas kann über die Gehäusewand mit Hilfe des benachbarten Kompressionsabschnitts erwärmt werden, wohingegen ein im Kompressionsabschnitt verdichtetes Gas mit Hilfe der Gehäusewand gekühlt werden kann. Des Weiteren kann bei einer Anordnung des Kompressionsabschnitts benachbart zum Motorgehäuse eine kostenintensive Wasserkühlung des Elektromotors entfallen, sofern das Motorgehäuse durchströmbar mit dem Kompressionsabschnitt verbunden ist.A charging system is implemented which has an advantageous heat exchange due to the housing wall. A gas flowing into the expansion section can be heated via the housing wall with the help of the adjacent compression section, whereas a gas compressed in the compression section can be cooled with the help of the housing wall. Furthermore, if the compression section is arranged adjacent to the motor housing, costly water cooling of the electric motor can be dispensed with, provided that the motor housing is connected to the compression section in a way that allows flow.

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 der Figur 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:

1 in einem Längsschnitt ein Aufladesystem mit einem Elektromotor gemäß dem Stand der Technik,
2 in einem Längsschnitt ein erfindungsgemäßes Aufladesystem mit einem Elektromotor in einem ersten Ausführungsbeispiel, und
3 in einem Längsschnitt ein erfindungsgemäßes Aufladesystem mit einem Elektromotor in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of preferred embodiments and from the drawing. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as those mentioned below in the description of the figures and/or in the figure The features and combinations of features shown alone can be used not only in the combination specified, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention. They show:

1 in a longitudinal section a charging system with an electric motor according to the state of the art,
2 in a longitudinal section a charging system according to the invention with an electric motor in a first embodiment, and
3 in a longitudinal section, a charging system according to the invention with an electric motor in a second embodiment.

Ein Aufladesystem 1 gemäß dem Stand der Technik, welches für einen Einsatz zur Luftlieferung einer Brennstoffzelle geeignet ist, ist gem. 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.A charging system 1 according to the prior art, which is suitable for use in supplying air to a fuel cell, is as follows. 1 The charging system 1 has a housing 2 for rotatably receiving a compression wheel 3 and an expansion wheel 4, wherein the housing 2 comprises a compression section 5 and an expansion section 6. The compression section 5 is designed to receive the compression wheel 3 and the expansion section 6 is designed to receive the expansion wheel 4. Between the compression section 5 and the expansion section 6 there is a motor housing 7 which is designed to receive an electric motor 8 and to rotatably support the compression wheel 3 and the expansion wheel 4. The electric motor 8 can be embedded or coated by means of sintering, melting, casting or spraying. A solid, closed structure of the electric motor 8 is thus formed, which can be surrounded by a cooling medium.

Das Kompressionsrad 3 ist mit Hilfe einer gebauten Systemwelle 9 mit einem Rotor 10 des Elektromotors 8, welcher einen den Rotor 10 umfassend ausgebildeten Stator 11 besitzt, verbunden. Ebenso ist das Expansionsrad 4 mit Hilfe der Systemwelle 9 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 3 ausgebildet.The compression wheel 3 is connected by means of a built-in system shaft 9 to a rotor 10 of the electric motor 8, which has a stator 11 that encompasses the rotor 10. The expansion wheel 4 is also connected to the rotor 10 by means of the system shaft 9. The expansion wheel 4 can be supplied with expansion gas from the fuel cell so that it exerts a rotating movement that is transmitted to the compression wheel 3 via the rotor 10. The rotor 10 is also designed to bring about and/or support the rotating movement of the expansion wheel 4 and the compression wheel 3.

In 2 ist ein erfindungsgemäßes Aufladesystem 1 einer Brennstoffzelle in einem ersten Ausführungsbeispiel abgebildet. Das erfindungsgemäße Aufladesystem 1 zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass zur Kühlung des Elektromotors 8 das Motorgehäuse 7 durchströmbar mit dem Expansionsabschnitt 6 ausgebildet ist.In 2 a charging system 1 according to the invention for a fuel cell is shown in a first exemplary embodiment. The charging system 1 according to the invention is characterized, among other things, in that the motor housing 7 is designed with the expansion section 6 through which air can flow for cooling the electric motor 8.

Des Weiteren zeichnet sich das erfindungsgemäße Aufladesystem 1 zur Herbeiführung einer besonders kompakten und kostengünstigen Bauweise durch einen einseitig gelagerten Rotor 10 aus. Oder mit anderen Worten gesagt, es ist der Rotor 10 im Bereich seiner den beiden Rädern 3,4 zugewandt ausgebildeten ersten Seite 12 mit Hilfe eines ersten Lagers 13, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielhaft als Wälzlager ausgeführt ist, gelagert. Im Bereich seiner von der ersten Seite 12 abgewandt ausgebildeten zweiten Seite 14 ist er lagerfrei ausgeführt. Somit ist er einseitig gelagert ausgebildet.Furthermore, the charging system 1 according to the invention is characterized by a rotor 10 mounted on one side in order to achieve a particularly compact and cost-effective design. In other words, the rotor 10 is mounted in the area of its first side 12 facing the two wheels 3, 4 with the aid of a first bearing 13, which in the present exemplary embodiment is designed as a roller bearing. In the area of its second side 14 facing away from the first side 12, it is designed without bearings. It is thus designed to be mounted on one side.

Die Systemwelle 9 besitzt ein hohlzylinderförmiges Aufnahmeelement 15, welches zur Aufnahme zumindest eines Permanentmagneten 16 ausgebildet ist. Damit ist im Abschnitt des zumindest einen Permanentmagneten 16 der Rotor 10 realisiert.The system shaft 9 has a hollow cylindrical receiving element 15, which is designed to receive at least one permanent magnet 16. The rotor 10 is thus realized in the section of the at least one permanent magnet 16.

In einem nicht näher abgebildeten Ausführungsbeispiel ist das Aufnahmeelement 15 topfartig ausgebildet, wobei an seinem von den Rädern 3, 4 abgewandt ausgebildeten Ende ein Boden des Aufnahmeelementes 15 ausgebildet ist, welcher einer axialen Begrenzung des Permanentmagneten 16 dient.In an embodiment not shown in detail, the receiving element 15 is pot-shaped, wherein a base of the receiving element 15 is formed at its end facing away from the wheels 3, 4, which base serves to axially limit the permanent magnet 16.

An der ersten Seite 12 ist eine Radachse 17 zur Aufnahme des Expansionsrades 4 und des Kompressionsrades 3 und zur drehfesten Verbindung der Räder 3, 4 mit der Systemwelle 9 im Aufnahmeelement 15 zumindest teilweise aufgenommen. Die Radachse 17 ist bevorzugt zur Herbeiführung einer drehfesten Verbindung mit dem Aufnahmeelement 15, mit diesem stoffschlüssig verbunden. Die Verbindung ist als Schweißverbindung ausgeführt. Ebenso könnte die Verbindung in Form einer Pressverbindung ausgebildet sein. Die Radachse 17 ist sich entlang einer Längsachse 18 des Aufladesystems 1 erstreckend ausgebildet. Sie ist in einem Hohlraum 19 des Aufnahmeelementes 15 drehfest aufgenommen. Die Systemwelle 9 ist somit zumindest das Aufnahmeelement 15 und die Radachse 17 aufweisend ausgebildet.On the first side 12, a wheel axle 17 for receiving the expansion wheel 4 and the compression wheel 3 and for the rotationally fixed connection of the wheels 3, 4 to the system shaft 9 is at least partially received in the receiving element 15. The wheel axle 17 is preferably integrally connected to the receiving element 15 to bring about a rotationally fixed connection. The connection is designed as a welded connection. The connection could also be designed in the form of a press connection. The wheel axle 17 is designed to extend along a longitudinal axis 18 of the charging system 1. It is rotationally fixedly received in a cavity 19 of the receiving element 15. The system shaft 9 is thus designed to have at least the receiving element 15 and the wheel axle 17.

Die Aufnahme des Permanentmagneten 16 in das Aufnahmeelement 15 ist für das erfindungsgemäße Aufladesystem 1 vorteilhaft, denn eine axiale Ausdehnung des Rotors 10 im Betrieb des Aufladesystems 1 ist aufgrund der einseitigen Lagerung unschädlich für das Expansionsrad 4 und das Kompressionsrad 3, welche durch die axiale Ausdehnung nicht beeinträchtigt sind, da eine axiale Positionsänderung der Räder 3, 4 nicht erfolgt, aufgrund der axialen Ausdehnung des Rotors 10 in die von den Rädern 3, 4 abgewandte Richtung. Die axiale Ausdehnung des Rotors 10 in die den Rädern 3, 4 zugewandte Richtung ist mit Hilfe der in das Aufnahmeelement 15 aufgenommenen Radachse 17 verhindert.The inclusion of the permanent magnet 16 in the receiving element 15 is advantageous for the charging system 1 according to the invention, because an axial expansion of the rotor 10 during operation of the charging system 1 is harmless for the expansion wheel 4 and the compression wheel 3 due to the one-sided bearing, which are not affected by the axial expansion, since an axial position change of the wheels 3, 4 does not occur due to the axial expansion of the rotor 10 in the direction of the Wheels 3, 4 away from the direction. The axial expansion of the rotor 10 in the direction facing the wheels 3, 4 is prevented by means of the wheel axle 17 received in the receiving element 15.

Zur kostengünstigen Herstellung des Aufladesystems 1 ist ein Außendurchmesser A des Aufnahmeelements 15 über seine Erstreckung entlang der Längsachse 18 konstant.For cost-effective production of the charging system 1, an outer diameter A of the receiving element 15 is constant over its extension along the longitudinal axis 18.

Zwischen dem Gehäuse 2 und dem Motorgehäuse 7 liegt ein durchströmbarer Gehäusekanal 20, welcher zur Kühlung des Elektromotors 8 vorgesehen ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein das Motorgehäuse 7 umfassender Gehäuseabschnitt 21 des Gehäuses 2 einstückig mit dem Motorgehäuse 7 ausgeführt. Insbesondere ist der Expansionsabschnitt 6 einstückig mit dem Motorgehäuse 7 und dem Gehäuseabschnitt 21 ausgebildet.Between the housing 2 and the motor housing 7 there is a flow-through housing channel 20 which is provided for cooling the electric motor 8. In the present exemplary embodiment, a housing section 21 of the housing 2 which encompasses the motor housing 7 is designed as one piece with the motor housing 7. In particular, the expansion section 6 is designed as one piece with the motor housing 7 and the housing section 21.

Zur axialen Begrenzung des Gehäuseabschnitts 21 weist dieser an seinem vom Expansionsabschnitt 6 abgewandt ausgebildeten Ende ein Abdeckelement 22 auf, welches bevorzugt lösbar am Gehäuseabschnitt 21 aufgenommen ist. Zwischen dem Kompressionsabschnitt 5 und dem Expansionsabschnitt 6 ist eine Gehäusewand 23 angeordnet. Zur Herbeiführung einer Dichtheit im Kompressionsabschnitt 5 ist zwischen dem Kompressionsrad 3 und der Gehäusewand 23 ein erstes Dichtelement 24 angeordnet. Des Weiteren ist zur Herbeiführung einer Dichtheit im Expansionsabschnitt 6 zwischen dem Expansionsrad 4 und der Gehäusewand 23 ein zweites Dichtelement 25 angeordnet. Beide Dichtelemente 24, 25 sind in Form einer Labyrinthdichtung ausgeführt. Ebenso könnten die Dichtungen 24, 25 auch andere Formen einer berührungslosen Dichtung aufweisen.To axially limit the housing section 21, it has a cover element 22 at its end facing away from the expansion section 6, which is preferably detachably received on the housing section 21. A housing wall 23 is arranged between the compression section 5 and the expansion section 6. To ensure a tight seal in the compression section 5, a first sealing element 24 is arranged between the compression wheel 3 and the housing wall 23. Furthermore, to ensure a tight seal in the expansion section 6, a second sealing element 25 is arranged between the expansion wheel 4 and the housing wall 23. Both sealing elements 24, 25 are designed in the form of a labyrinth seal. The seals 24, 25 could also have other forms of a contactless seal.

Zur Lagerung der Systemwelle 9 ist eine Lagereinrichtung 26, das erste Lager 13 und ein zweites Lager 27 umfassend, ausgebildet. Das zweite Lager 27 ist zwischen dem Kompressionsrad 3 und dem Expansionsrad 4 angeordnet und in der Gehäusewand 23 gehaltert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind beide Lager 13, 27 in Form eines Wälzlagers ausgeführt, wodurch ein zusätzliches Axiallager redundant, somit überflüssig ist.A bearing device 26 comprising the first bearing 13 and a second bearing 27 is designed to support the system shaft 9. The second bearing 27 is arranged between the compression wheel 3 and the expansion wheel 4 and is held in the housing wall 23. In the present embodiment, both bearings 13, 27 are designed in the form of a rolling bearing, whereby an additional axial bearing is redundant and therefore superfluous.

Im Bereich eines äußeren Umfanges der Gehäusewand 23 sind zur Realisierung einer bevorzugten Dichtheit zwischen der Gehäusewand 23 und dem Kompressionsabschnitt 5 bzw. zwischen der Gehäusewand 23 und dem Expansionsabschnitt 6 nicht näher abgebildete weitere Dichtelemente angeordnet. Über die Gehäusewand 23 findet ein Wärmeaustausch zwischen dem Kompressionsabschnitt 5 und dem Expansionsabschnitt 6 statt.In the area of an outer circumference of the housing wall 23, additional sealing elements (not shown in detail) are arranged to achieve a preferred seal between the housing wall 23 and the compression section 5 or between the housing wall 23 and the expansion section 6. A heat exchange takes place between the compression section 5 and the expansion section 6 via the housing wall 23.

Mit Hilfe der einseitigen Lagerung des Rotors 10 ist es möglich an die von den Rädern 3, 4 abgewandt ausgebildete Seite des Rotors 10 eine Leiterplatte 28 für beispielsweise einen Inverter anzuordnen.By means of the one-sided bearing of the rotor 10, it is possible to arrange a circuit board 28, for example for an inverter, on the side of the rotor 10 facing away from the wheels 3, 4.

In einem nicht näher abgebildeten Ausführungsbeispiel ist im Expansionsabschnitt 6 stromauf des Expansionsrads 4 eine Strömungsquerschnittsänderungseinrichtung ausgebildet, damit ein stromauf des Expansionsrads 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 an embodiment not shown in detail, a flow cross-section changing device is formed in the expansion section 6 upstream of the expansion wheel 4 so that a flow cross-section formed upstream of the expansion wheel 4 can be changed. The flow cross-section changing device can be designed, for example, in the form of an axial slide or in the form of rotatable guide vanes according to a known adjustable turbine geometry.

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 im Kompressionsabschnitt 5 ausgebildet sein. Ebenso könnte bei einer Kombination der Beschaufelungen eine der beiden Beschaufelungen starr ausgeführt sein.In a further embodiment not shown in detail, the compression section 5 has an adjustable guide geometry. The guide geometry can be formed from an adjustable guide blading upstream of the compression wheel 3 and/or an adjustable nozzle blading downstream of the compression wheel 3 in the compression section 5. Likewise, in a combination of the blading, one of the two bladings could be designed to be rigid.

Mit Hilfe der verstellbaren Leitbeschaufelung in Form von 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.With the help of the adjustable guide blading in the form of guide vanes that can be pivoted about an axis of the guide blading upstream of the compression wheel 3, an entry angle of an air mass flow can be optimized for different speeds. If the adjustable guide blading is designed in the form of a diaphragm, similar to an optical diaphragm, a mass flow can be easily adjusted. If the adjustable nozzle blading is designed in the form of rotatable guide vanes, an air mass flow exit angle emerging from the compression section 5 can be easily adjusted.

In einem weiteren, nicht näher abgebildeten Ausführungsbeispiel ist das Kompressionsrad 3 sowie der Kompressionsabschnitt 5 dem Rotor 10 zugewandt angeordnet und zwischen dem Expansionsrad 4 sowie dem Expansionsabschnitt 6 positioniert. Dies hat den Vorteil, dass Frischluft über den Stator 11 angesaugt werden kann, wodurch dieser gekühlt wird.In a further embodiment, not shown in detail, the compression wheel 3 and the compression section 5 are arranged facing the rotor 10 and positioned between the expansion wheel 4 and the expansion section 6. This has the advantage that fresh air can be sucked in via the stator 11, thereby cooling it.

In 3 ist das erfindungsgemäße Aufladesystem 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel abgebildet. Der Expansionsabschnitt 6 ist durchströmbar mit dem Gehäuseabschnitt 21 verbunden, so dass der Gehäusekanal 20 von kühlem Expansionsgas durchströmt werden kann. Somit kann auf eine Wasserkühlung des Elektromotors 8 verzichtet werden. Das heißt mit anderen Worten, dass der Stator 11 von dem kühlen Expansionsgas gekühlt werden kann, wobei die Kühlung in Form einer kostengünstigen Luftkühlung ausgebildet ist.In 3 the charging system 1 according to the invention is shown in a second embodiment. The expansion section 6 is connected to the housing section 21 in a flow-through manner, so that cool expansion gas can flow through the housing channel 20. This means that water cooling of the electric motor 8 can be dispensed with. In other words, this means that the sta gate 11 can be cooled by the cool expansion gas, wherein the cooling is in the form of a cost-effective air cooling.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11: Aufladesystemcharging system
22: GehäuseHousing
33: Kompressionsradcompression wheel
44: Expansionsradexpansion wheel
55: Kompressionsabschnittcompression section
66: Expansionsabschnittexpansion phase
77: Motorgehäuseengine housing
88: Elektromotorelectric motor
99: Systemwellesystem wave
1010: Rotorrotor
1111: Statorstator
1212: Erste Seitefirst page
1313: Erstes LagerFirst Camp
1414: Zweite Seitesecond page
1515: Aufnahmeelementreceiving element
1616: Permanentmagnetpermanent magnet
1717: Radachsewheel axle
1818: Längsachselongitudinal axis
1919: Hohlraumcavity
2020: Gehäusekanalhousing channel
2121: Gehäuseabschnitthousing section
2222: Abdeckelementcover element
2323: Gehäusewandhousing wall
2424: Erstes DichtelementFirst sealing element
2525: Zweites DichtelementSecond sealing element
2626: Lagereinrichtungstorage facility
2727: Zweites LagerSecond Camp
2828: Leiterplattecircuit board
AA: Außendurchmesserouter diameter

Claims

Charging system (1) of a fuel cell, with a housing (2) comprising a compression section (5) for receiving a rotatable compression wheel (3) and an expansion section (6) for receiving a rotatable expansion wheel (4), and with an electric motor (8) for driving a system shaft (9) which is connected in a rotationally fixed manner to the compression wheel (3) and the expansion wheel (4), wherein the electric motor (8) is accommodated in a motor housing (7), and with a rotor (10) of the electric motor (8), wherein the rotor (10) is connected in a rotationally fixed manner to the system shaft (9), and wherein the compression wheel (3) and the expansion wheel (4) are arranged on the same side of the rotor (10), characterized in that a bearing device (26) is designed to support the system shaft (9), wherein the rotor (10) is arranged in the motor housing (7) with the aid of the bearing device (26) mounted on one side, and wherein - if the expansion wheel (4) is mounted on the rotor (10) is arranged facing, a first bearing (13) of the bearing device (26) is arranged between the rotor (10) and the expansion wheel (4), or - if the compression wheel (3) is arranged facing the rotor (10), the first bearing (13) of the bearing device (26) is arranged between the rotor (10) and the compression wheel (3), and a second bearing (27) of the bearing device (26) is arranged between the compression wheel (3) and the expansion wheel (4).

charging system (1) after claim 1 , characterized in that a housing wall (23) for at least partially accommodating the bearing device (26) is arranged between the compression section (5) and the expansion section (6).

charging system (1) after claim 2 , characterized in that the second bearing (27) is arranged in the housing wall (23).

charging system (1) after claim 2 or 3 , characterized in that a first sealing element (24) is formed between the compression wheel (3) and the housing wall (23).

charging system (1) after claim 4 , characterized in that the first sealing element (24) is designed in the form of a labyrinth seal.

Charging system (1) according to one of the Claims 4 or 5 , characterized in that a second sealing element (25) is formed between the expansion wheel (4) and the housing wall (23).

charging system (1) after claim 6 , characterized in that the second sealing element (25) is designed in the form of a labyrinth seal.

Charging system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the system shaft (9) has a hollow cylindrical receiving element (15) with a permanent magnet (16) of the rotor (10) received in a cavity (19) of the receiving element (15).

Charging system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the system shaft (9) comprises a wheel axle (17) for rotatably receiving the compression wheel (3) and the expansion wheel (4).

Charging system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the charging system (1) has a flow cross-section changing device and/or an adjustable guide geometry.

Charging system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the electric motor (8) is cooled by means of cool expansion gas from the expansion section (6).