Innovative Rotorentwicklung

Brennstoffzellen spielen für die Dekarbonisierung eine tragende Rolle. Die Optimierung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Brennstoffzellensystemen bei extremen Betriebsbedingungen ist daher aktuell stark gefragt. Besonders die hohen Drehzahlen stellen eine Herausforderung dar, da sie zu einer erhöhten Wärmeerzeugung führen und so die Leistung des elektrischen Luftverdichters und damit der Brennstoffzelle negativ beeinträchtigen können. Um dem entgegenzuwirken, wurde am Fraunhofer IFAM ein elektrischer Luftverdichter mit Flüssigkeitsinnenkühlung und erhöhter Fliehkraftfestigkeit entwickelt.

Rotor mit integriertem Kühlsystem

Durch die Verwendung einer Flüssigkeitskühlung kann die überschüssige Wärme effizient abgeführt und eine Überhitzung vermieden werden. Die Flüssigkeit wird einseitig dem Rotor zu- und abgeführt und durch einen Kühlkreislauf gepumpt, der in engem Kontakt mit der Rotoraußenwand und damit mit dem Blechpaket steht. Dabei absorbiert die Flüssigkeit die Wärme und wird dann durch einen Wärmetauscher gekühlt, bevor sie erneut in den Kreislauf zurückgeführt wird.

Magnetklebung und Vergussverfahren für optimalen Wärmetransport

Durch Entwicklungen zur Magnetklebung und Vergussverfahren wird der Wärmetransport optimiert und die Magneterwärmung erheblich reduziert. Dadurch wird eine sichere Betriebstemperatur für die Komponenten gewährleistet und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Systems erhöht. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Innenkühlung des Rotors die Magnettemperaturen durch die Kombination der Entwicklungen von Verguss, Magnetklebung und integrierter Flüssigkeitskühlung von über 200°C auf weniger als 60°C senken kann. Die Entwicklungen wurden in einem individuellen Prüfaufbau zur Rotorinnenkühlung mit verschiedenen Konzeptlösungen ermittelt.

Innovative Lösungen für die Steigerung der Leistungsdichte

Zusätzlich bieten diese Entwicklungen auf Basis der strukturmechanischen Auslegung die Möglichkeit einer homogeneren Spannungsverteilung der entstehenden Fliehkräfte im Rotor. Durch die Verwendung einer Hülse aus carbonfaserverstärkten Kunststoff wird im Zusammenspiel mit dem Verguss eine Drehzahlfestigkeitssteigerung erzielt. Hieraus werden Umfangsgeschwindigkeiten von mehr als 200m/s ermöglicht, welche die Leistungsdichte des elektrischen Luftverdichters auf über 30kW/kg erhöht. Diese Technologie spielt eine wichtige Rolle bei der Weiterentwicklung von Brennstoffzellensystemen und der Förderung der Elektromobilität sowohl im Nutzfahrzeugbereich als auch in der Luftfahrt.