Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Effiziente Kühlung für Hochdrehzahlantriebe
Brennstoffzellensysteme stellen hohe Anforderungen an die Komponenten des Luftpfads, da die zuverlässige Versorgung des Stacks mit Sauerstoff entscheidend für die Leistungsfähigkeit ist. Besonders elektrische Luftverdichter müssen dabei hohe Drehzahlen erreichen, was zu einer starken Wärmeentwicklung führt und die Effizienz sowie die Lebensdauer des Systems beeinflussen kann.
Am Fraunhofer IFAM wurde daher ein elektrischer Luftverdichter mit integrierter Flüssigkeitsinnenkühlung entwickelt. Durch ein gezielt ausgelegtes Kühlsystem kann die entstehende Wärme direkt im Rotor über die Welle abgeführt werden, wodurch kritische Temperaturbereiche vermieden werden.
Ziel ist es, die Leistungsdichte und Zuverlässigkeit von Brennstoffzellensystemen deutlich zu erhöhen und gleichzeitig den sicheren Betrieb bei hohen Drehzahlen zu gewährleisten.
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.