(57)【要約】【課題】不利な点を回避し、同時に、燃料電池に提供される流速および圧力に関連して、高いエネルギー効率を伴う高い自由度を与える構造を提示すること。【解決手段】本発明は、ターボチャージャ（２０）の第１の圧縮機（２１）を備えるよう設計された燃料電池（１０）の、優先的には２つの圧縮機段を介して水素を用いて動作される燃料電池（１０）の、空気供給のためのデバイス（１）に関するものであり、圧縮機（２１）は、燃料電池の排気ガス流（Ａ）によって駆動可能なターボチャージャ（２０）のタービン（２２）と、第２の圧縮機（３０）と、に駆動するように接続されており、第１の圧縮機（２１）の供給空気供給部（２１ｚ）は、第２の圧縮機（３０）によって圧縮された空気（Ｌ）を供給するための空気通路（３１）を介して第２の圧縮機（３０）に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャ（２０）の第１の圧縮機（２１）を備えるよう設計された燃料電池（１０）の空気供給のためのデバイス（１）であって、
前記第１の圧縮機（２１）は、前記燃料電池の排気ガス流（Ａ）によって駆動可能な前記ターボチャージャ（２０）のタービン（２２）と、第２の圧縮機（３０）と、に駆動するように接続されており、
前記第１の圧縮機（２１）の供給空気供給部（２１ｚ）は、前記第２の圧縮機（３０）によって圧縮された空気（Ｌ）を供給するための空気通路（３１）を介して前記第２の圧縮機（３０）に接続されることを特徴とするデバイス（１）。
【請求項２】
モータ（４０）が、駆動シャフト（４１）を介して前記第２の圧縮機を駆動するか、または前記第２の圧縮機（３０）の圧縮機ホイールが、前記駆動シャフト（４１）に直接配置されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス（１）。
【請求項３】
前記燃料電池の供給側に、前記燃料電池に水素を供給するための供給部（６１）に駆動するよう組み込まれたタービン（６０）が設けられており、
前記タービン（６０）は、シャフト（６２）を介して発電機（７０）に、駆動されるように接続されており、かつ、
前記発電機（７０）が前記シャフト（６２）を介して前記タービン（６０）によって駆動されるとすぐに前記発電機は電気接続ライン（７１）を介して前記モータ（４０）に電気エネルギーを提供することを特徴とする請求項２に記載のデバイス（１）。
【請求項４】
前記燃料電池（１０）によって生成されたエネルギーに加えて、前記発電機（７０）によって生成されたエネルギーは、部分的にまたは完全に前記燃料電池（１０）の出力部（１１）において利用可能となる請求項３に記載のデバイス（１）。
【請求項５】
前記燃料電池の供給側にタービン（６０）が設けられており、
前記タービン（６０）は、前記燃料電池に水素を供給するための供給部（６１）に、流動するように組み込まれており、
前記タービン（６０）は、シャフト（６２）を介して前記第２の圧縮機（３０）に、駆動するように接続されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス（１）。
【請求項６】
冷却デバイス（５０）が、前記第１および第２の圧縮機（２１，３０）の間の空気通路（３１）に、前記空気通路（３１）内で圧縮空気を冷却するために設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項７】
冷却デバイス（５１）が、前記第１の圧縮機（２１）の後の空気通路（２４）に前記空気通路（２４）内で前記第１の圧縮機（２１）によって圧縮された空気を冷却するために設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項８】
前記第１および第２の圧縮機（２１，３０）がターボ圧縮機として設計されていることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
【請求項９】
電力を消費体に提供する燃料電池システムの一部である燃料電池（１０）に空気を供給するための、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のデバイス（１）の使用法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に水素を用いて動作される燃料電池の空気供給のためのデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池は純粋な水素を用いて動作されており、水素は水を生成するよう燃料電池内で反応し、そしてターボ内で電気が放出される。通常は、水素は、この目的のために、圧力容器から膨張されて燃料電池に送られる。燃料電池での燃焼に必要な空気は、電動送風機を用いてその周囲から吸い込まれ、燃料電池に送られる。
【０００３】
一般的な先行技術は例えば特許文献１または特許文献２に開示されている。
【０００４】
示された特許文献１および２の両方において、２つの圧縮機段が設けられており、かつ従来のシステムバイパスが、第２の圧縮機段の後で分岐して、タービンの入口に通じている。
【０００５】
この構成は、空気供給の一定の調整を可能にするが、例えば、多様な動作状況で、ターボ圧縮機として設計された２つの圧縮機段を用いて燃料電池の領域における所望の流速および圧力をエネルギー効率のよい様式で設定可能にすることを妨げるため、必要な自由度をもたらすことができない。
【０００６】
自動車分野では、ターボチャージャを用いて充電される燃料電池も知られている。この場合の吸気はターボチャージャの圧縮機によって吸い込まれ、かつ燃焼中に発生した排気ガスはターボチャージャのタービンを駆動する。必要に応じて、２つの構成要素の熱力学的不均衡を相殺するために、さらなる電気エネルギーを、電気モータによってターボチャージャのシャフトに送ることができる。
【０００７】
公知の解決法の不利な点として、これら解決法は、工業的規模でのエネルギー生成に関して、エネルギー効率のよい様式では採用できないことが挙げられる。エネルギー効率ひいてはシステム全体の効率を高めることが必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０１  ２０  ９４７号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０  ２００４  ０５１  ３５９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、上述した不利な点を回避し、同時に、燃料電池に提供される流速および圧力に関連して、高いエネルギー効率を伴う高い自由度を与える構造を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、この構造は、請求項１における特徴を有するデバイスによって実現される。
【００１１】
本発明の基本的な発想は、タービンの２つの圧縮機のうちの一方が燃料電池の排気ガスによって駆動される、優先的には圧縮空気の中間冷却を伴う２段階充電システムを利用可能にすることである。
【００１２】
本発明によれば、水素を用いて動作される燃料電池の空気供給のためのデバイスは、ターボチャージャの第１の圧縮機を備えるよう設計された上記目的のための２つの圧縮機段を介して利用可能になっており、当該圧縮機は、燃料電池の排気ガス流によって駆動可能なターボチャージャのタービンと、第２の圧縮機とに駆動が有効となるように接続されており、第１の圧縮機の供給空気供給部は、第２の圧縮機によって圧縮された空気を供給するための空気通路を介して第２の圧縮機に接続されている。この様式で圧縮された空気は、２つの圧縮機段を介して燃料電池に供給される。
【００１３】
本発明の好ましい構成では、ここではモータ、優先的には電気モータが、駆動シャフトを介して第２の圧縮機（第１の圧縮機段）を駆動するか、または第２の圧縮機の圧縮機ホイールが、駆動シャフトに直接配置されるよう設けられる。このように、電気モータはもはやターボチャージャを駆動するのではなく、圧縮機段としてターボチャージャの上流に接続された別の圧縮機を駆動する。そのため上流に接続された圧縮機は、電気モータのシャフトに直接取り付けることができ、その結果、設計費用を大幅に低減できる。
【００１４】
本発明の代替的な構成では、燃料電池の供給側に、燃料電池に水素を供給するための供給部に流動が有効となるよう組み込まれたタービンが設けられており、タービンは、シャフトを介して発電機に、駆動が有効となるように接続されており、かつ発電機は、当該発電機がシャフトを介してタービンによって駆動されるとすぐに電気接続ラインを介してモータに電気エネルギーを提供する。
【００１５】
代替的には、燃料電池によって生成されたエネルギーに加えて、発電機によって生成されたエネルギーは、部分的にまたは完全に燃料電池の出力部において利用可能となる。補足的に、制御デバイスが、その都度負荷の関数として個別の電気負荷に応じて、電気モータと燃料電池における出力部との間でエネルギーを分割することもできる。
【００１６】
このため、発電機を備えるタービンが、水素を膨張させるために使用される。ここで、タービンは、その軸出力を、タービンが優先的に直接取り付けられているシャフトにおける発電機に伝達する。続いて電気出力は、第１の圧縮機を駆動するために使用できるか、あるいは燃料電池の出力に直接連結させて付加的な電気出力を利用可能にすることができる。
【００１７】
燃料電池の供給側において、燃料電池に水素を供給するための供給部に流動が有効となるように組み込まれたタービンが設けられ、タービンがシャフトを介して第２の圧縮機に駆動が有効となるように接続されている場合にさらに有利に提供される。
【００１８】
同様に、冷却デバイスが、第１および第２の圧縮機の間の空気通路に、優先的には冷却デバイスに供給される水素の膨張中に発生する膨張冷却によって空気通路内の圧縮空気を冷却するために、設けられるよう有利に提供できる。
【００１９】
冷却デバイスが、第２の圧縮機の後の空気通路に、優先的には冷却デバイスに供給される水素の膨張によって発生する膨張冷却によって空気通路内で第２の圧縮機によって圧縮された空気を冷却するために、設けられるように同様に提供できる。
【００２０】
上述の実施形態のバージョンでは、有利には、第１および第２の圧縮機がターボ圧縮機として設計されるよう設けられる。
【００２１】
本発明のさらなる態様は、優先的には１００ｋＷよりも大きい電力範囲で電力を消費体に提供する燃料電池システムの一部である燃料電池に空気を提供するための上述のデバイスの使用法に関するものである。
【００２２】
本発明の他のさらに有利な発展例は、従属請求項に記載されており、かつ本発明の好ましい実施形態の説明と共に以下の図面を用いてより詳細に示される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に基づく第１の例示的な実施形態の概略図である。
【図２】本発明に基づく代替的かつ例示的な実施形態の概略図である。
【図３】本発明に基づくさらなる代替的かつ例示的な実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下では、本発明は、図１から図３を参照して好ましい例示的な実施形態を用いてより詳細に説明され、図中の同じ参照符号は、同じ構造的および／または機能的な特徴を示す。
【００２５】
図示された例示的な実施形態では、燃料電池１０と、水素を用いて動作される燃料電池１０の空気供給のためのデバイス１とがそれぞれ示される。デバイス１は、ターボチャージャ２０の第１の圧縮機２１と第２の圧縮機３０とによって形成された２つの圧縮機段を備える。
【００２６】
圧縮機２１は、燃料電池１０の排気ガス流Ａによって駆動可能なターボチャージャ２０のタービン２２に駆動するように接続されている。燃料電池１０によって生成された排気ガス流は、タービン２２を通って流れ、かつシャフト２３を介して圧縮機２１の圧縮機ホイールを駆動する。ここで、第２の圧縮機３０によって圧縮機２１に送られた圧縮空気は、さらに圧縮され、かつ空気供給通路を経て燃料電池１０に供給される。
【００２７】
２つの圧縮機２１，３０の間には、第１の圧縮機２１の空気供給部２１ｚが、第２の圧縮機３０によって圧縮された空気Ｌを供給するための空気通路３１を介して第２の圧縮機３０に接続されるように、空気通路３１が配置されている。
【００２８】
図２に基づく例示的な実施形態では、駆動シャフト４１を介して第２の圧縮機を駆動する電気モータ４０が設けられている。このため、第２の圧縮機３０の圧縮機ホイールは、駆動シャフト４１上に直接配置されている。この例示的な実施形態では、さらに、供給側において、タービン６０が燃料電池に設けられており、タービン６０は、燃料電池に水素を供給するための供給部６１に、流れるように組み込まれており、タービン６０は、シャフト６２を介して発電機７０に駆動が有効となるように接続されている。
【００２９】
発電機７０は、発電機７０がシャフト６２を介してタービン６０によって駆動されるとすぐに、電気接続ライン７１を介して電気エネルギーをモータ４０に供給する。発電機７０によって生成されたエネルギーは、代替的に、燃料電池１０によって生成されたエネルギーに加えて、部分的にまたは完全に燃料電池１０の出力部１１にも提供できる。
【００３０】
図３に基づく実施形態では、燃料電池に水素を供給するための供給部６１に流動が有効となるように組み込まれたタービン６０が、燃料電池の供給側に設けられており、タービン６０は、シャフト６２を介して第２の圧縮機３０に駆動が有効となるように接続されている。
【００３１】
さらに、第１および第２の圧縮機２１，３０の間の空気通路３１には、具体的にはその中間に配置された冷却ラインを介して冷却デバイス５０に供給される水素の膨張中に発生する膨張冷却を用いて当該空気通路３１内の圧縮空気を冷却するために、第１の冷却デバイス５０が設けられている。
【００３２】
さらに、第１の圧縮機２１の後の空気通路２４には、同様に冷却ラインを介して冷却デバイス５１に供給可能な水素の膨張中に発生する膨張冷却を用いて、第１の圧縮機２１によって圧縮された空気を空気通路２４内で冷却するために、さらなる冷却デバイス５１を設けることができる。
【００３３】
その実施形態において、本発明は、上述の好ましい例示的な実施形態に限定されない。それどころか、根本的に異なるタイプの実施形態であっても示された解決法を利用する多くのバージョンが考えられる。
【符号の説明】
【００３４】
１  空気供給デバイス
１０  燃料電池
２０  ターボチャージャ
２１  第１の圧縮機
２１ｚ  空気供給部
２２  タービン
３０  第２の圧縮機
３１  空気通路
４０  電気モータ
４１  駆動シャフト
５０  冷却デバイス
５１  さらなる冷却デバイス
６０  タービン
６１  供給部
６２  シャフト
７０  発電機
７１  電気接続ライン
Ａ  排気ガス流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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