(57)【要約】  燃料電池システム（１）は、燃料電池（２）と、周囲空気を前記燃料電池（２）内に供給するための空気供給管路（３）と、反応した周囲空気を前記燃料電池（２）から導出するための排気管路（４）とを有しており、前記空気供給管路（３）内に圧縮機（５）が配置されているとともに、前記圧縮機（５）の下流で前記燃料電池（２）に対して並列に、周囲空気の、少なくとも１つの別の消費器（２１，２２，２３）が配置されている。  【選択図】  図１
2021517723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム（１）であって、燃料電池（２）と、周囲空気を前記燃料電池（２）内に供給するための空気供給管路（３）と、反応した周囲空気を前記燃料電池（２）から導出するための排気管路（４）とを有しており、この場合、前記空気供給管路（３）内に圧縮機（５）が配置されている形式のものにおいて、
前記圧縮機（５）の下流で前記燃料電池（２）に対して並列に、周囲空気の、少なくとも１つの別の消費器（２１，２２，２３）が配置されていることを特徴とする、燃料電池システム（１）。
【請求項２】
前記圧縮機（５）が、駆動ユニット（１１）によって駆動可能な軸（７）上に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池システム（１）。
【請求項３】
前記排気管路（４）内に排気タービン（６）が配置されており、前記排気タービン（６）が前記軸（７）上に配置されていることを特徴とする、請求項１または２記載の燃料電池システム（１）。
【請求項４】
前記燃料電池（２）に供給弁（２ａ）が対応配設されていて、少なくとも１つの前記別の消費器に制御弁（２１ａ，２２ａ，２３ａ）が対応配設されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料電池システム（１）。
【請求項５】
前記空気供給管路（３）内に別の圧縮機（５２）が配置されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料電池システム（１）。
【請求項６】
前記別の圧縮機（５２）が、前記圧縮機（５）に直列に接続されていることを特徴とする、請求項５記載の燃料電池システム（１）。
【請求項７】
前記圧縮機（５）と前記別の圧縮機（５２）との間に供給弁（２ａ）が配置されていることを特徴とする、請求項６記載の燃料電池システム（１）。
【請求項８】
前記供給弁（２ａ）および前記別の圧縮機（５２）に対して並列に圧縮機バイパス弁（２ｃ）が配置されていることを特徴とする、請求項７記載の燃料電池システム（１）。
【請求項９】
前記供給弁（２ａ）および前記圧縮機（５）に対して並列に圧縮機バイパス弁（２ｃ）が配置されていることを特徴とする、請求項７記載の燃料電池システム（１）。
【請求項１０】
前記別の圧縮機（５２）が前記圧縮機（５）に対して並列に接続されていることを特徴とする、請求項５記載の燃料電池システム（１）。
【請求項１１】
前記圧縮機（５）に供給弁（２ａ）が対応配設されており、前記別の圧縮機（５２）に圧縮機バイパス弁（２ｃ）が対応配設されていることを特徴とする、請求項１０記載の燃料電池システム（１）。
【請求項１２】
周囲空気が前記圧縮機（５）によってもまた前記別の圧縮機（５２）によっても、前記燃料電池（２）にもまた少なくとも１つの前記別の消費器（２１，２２，２３）にも供給可能であるように、前記別の圧縮機（５２）が前記弁（２ａ，２ｃ，２ｄ，２ｅ）を用いて前記圧縮機（５）に接続されていることを特徴とする、請求項１０または１１記載の燃料電池システム（１）。
【請求項１３】
前記別の圧縮機（５２）が前記圧縮機（５）に対して直列にもまた並列にも接続可能であることを特徴とする、請求項５から１２までのいずれか１項記載の燃料電池システム（１）。
【請求項１４】
少なくとも１つの前記別の消費器（２１，２２，２３）に、前記別の圧縮機（５２）からも周囲空気が供給可能であることを特徴とする、請求項５から１３までのいずれか１項記載の燃料電池システム（１）。
【請求項１５】
請求項１から１４までのいずれか１項記載の燃料電池システム（１）および運転室を備えた車両において、別の消費器（２１，２２，２３）が前記運転室を換気するために構成されている、車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
燃料電池システムは、従来技術、例えば特許文献１により公知である。公知の燃料電池システムは、燃料電池、周囲空気を燃料電池内に供給するための空気供給管路、および反応した周囲空気を燃料電池から導出するための排気管路を有している。空気供給管路内に、周囲空気を圧縮するための圧縮機が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】独国特許出願公告第１０２００４０５１３５９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、燃料電池システム、特に周囲空気の圧縮若しくは圧送をより効果的に行う燃料電池システムを提供することである。これは、圧縮機が燃料電池の他に別の消費器に周囲空気を供給できるように、圧縮機を構成することによって得られる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
このために、燃料電池システムは、燃料電池と、周囲空気を燃料電池内に供給するための空気供給管路と、反応した周囲空気を燃料電池から導出するための排気管路とを有している。圧縮機は空気供給管路内に配置されている。圧縮機の下流で燃料電池に対して並列に、周囲空気の、少なくとも１つの別の消費器が配置されている。これによって、圧縮機は、燃料電池にもまた別の消費器にも周囲空気を供給することができる。この場合、複数の別の消費器は、例えば空調装置、冷却システム、遮断空気システムまたは燃料電池の陽極側のための希釈器であってよい。この場合、好適な形式で、各別の消費器にそれぞれ１つの制御弁が対応配設されているので、すべての消費器に必要に応じて周囲空気が供給され得る。
【０００５】
好適な構成では、圧縮機が、駆動ユニットによって駆動可能な軸上に配置されている。駆動ユニットは好適な形式で電動機である。これによって、好適にはラジアルロータとして構成された圧縮機の回転数は、非常にダイナミックに制御可能であるので、この圧縮機によって圧送された周囲空気の質量流量は非常に迅速にそれぞれの要求に合わせて調節され得る。
【０００６】
好適な発展形態では、排気管路内に排気タービンが配置されており、この排気タービンは好適な形式で軸上に配置されている。これによって、圧縮機は、好適には電動機によってサポートされて、排気タービンによって駆動される。排気内に存在する（損失）エネルギは、再び周囲空気を圧送するために再使用される。
【０００７】
好適な構成では、燃料電池に供給弁が対応配設されていて、少なくとも１つの別の消費器に制御弁が対応配設されている。これによって、空気供給管路内の空気質量流量が、必要に応じて燃料電池および別の消費器に分配され得る。好適な形式で、この場合、供給弁および制御弁は比例弁として構成されていて、それぞれ燃料電池若しくは別の消費器の上流に配置されている。
【０００８】
好適には、別の圧縮機が空気供給管路内に配置されている。この場合、別の圧縮機は、圧縮機に対して並列にまたは直列に接続され得る。特別な制御弁配置を有する実施例では、別の圧縮機は、燃料電池内への空気供給が２段階で圧縮されて行われるか、または２つの圧縮機のうちの一方が燃料電池に１段階で供給するように、圧縮機に接続されていてよい。特に、車両の燃料電池システムにおいて、別の圧縮機は、隣接するシステム、例えば空調システムからも得ることができる。従って、いずれにしろ車両内に存在する別の圧縮機が特に効果的に使用される。
【０００９】
好適な構成では、別の圧縮機が、圧縮機に直列接続されていて、圧縮機と別の圧縮機との間に供給弁が配置されている。供給弁によって、別の圧縮機が一方では燃料電池と、他方では付属の制御弁を備えた別の消費器と並列接続されている。従って、圧縮機によって別の消費器に１段階で圧縮された周囲空気の供給が行われる。燃料電池には、２段階で、圧縮機および別の圧縮機によって、圧縮された周囲空気の供給が行われる。
【００１０】
好適な発展形態では、供給弁および別の圧縮機に対して並列に圧縮機バイパス弁が配置されている。これによって、一方では複数の別の消費器から成る並列接続、他方では圧縮機バイパス弁と供給弁を備えた別の圧縮機とから成る並列接続が得られる。それによって圧縮機バイパス弁は、圧縮機を介して燃料電池に通じる、１段階で圧縮された流路を開放および閉鎖する。供給弁は、圧縮機および別の圧縮機を介して燃料電池に通じる、２段階で圧縮された流路を開放および閉鎖する。従ってこの構成では、燃料電池に、１段階式に圧縮された周囲空気も、また２段階式に圧縮された周囲空気も供給され得る。
【００１１】
別の好適な発展形態では、供給弁および圧縮機に対して並列に圧縮機バイパス弁が配置されている。これによって、圧縮機バイパス弁と供給弁を有する圧縮機とから成る並列接続が得られる。従って、燃料電池への供給は、圧縮機バイパス弁と別の圧縮機とから成る流路を介して行われるか、または圧縮機と供給弁と別の圧縮機とから成る流路を介して行われ得る。従って、燃料電池への供給は、１段階式でもまた２段階式でも行うことができる。複数の別の消費器には、この構成では圧縮機によって供給される。これによって、圧縮機の下流で、別の消費器への、および供給弁への分岐ポイントが得られる。
【００１２】
選択的な好適な構成では、別の圧縮機は圧縮機と並列接続されている。圧縮機に供給弁が対応配設されており、別の圧縮機に圧縮機バイパス弁が対応配設されている。これによって燃料電池への周囲空気の供給は、供給弁を備えた圧縮機を介しても、また圧縮機バイパス弁を備えた別の圧縮機を介しても行われる。２つの制御弁が開放されていれば、圧縮機および別の圧縮機によって圧送された質量流量から、同様に圧縮機によって供給される別の消費器への質量流量を差し引いた、燃料電池内への周囲空気の全質量流量が得られる。しかしながら、燃料電池への周囲空気供給は、圧縮機によってまたは別の圧縮機によって冗長に行われてもよい。
【００１３】
圧縮機と別の圧縮機とから成る並列接続を有する構成では、２つの圧縮機がそれぞれ排気タービンおよび／または駆動ユニットによって駆動され、この場合、２つの圧縮機のうちの少なくとも一方が駆動ユニットを有していなければならない。
【００１４】
好適な発展形態では、周囲空気が圧縮機によってもまた別の圧縮機によっても、燃料電池にもまた少なくとも１つの別の消費器にも供給可能であるように、別の圧縮機が弁を用いて圧縮機に接続されている。このために、圧縮機と別の圧縮機とは並列に配置されている。圧縮機および別の圧縮機の下流に、燃料電池および複数の別の消費器に対して弁が交差接続で配置されている。交差接続は、圧縮機に対応配設された供給弁と、別の圧縮機に対応配設された別の圧縮機バイパス弁と、燃料電池に対応配設された別の供給弁と、それぞれ１つの別の消費器に対応配設されたそれぞれ１つの制御弁と、これら４つの弁の交差点に配置された圧縮機バイパス弁とから成っている。これによって、この燃料電池システムは非常に適応性があり：燃料電池にもまた別の消費器にも、圧縮機および別の圧縮機から任意の質量流量配分で供給され得る。この場合、圧縮機および別の圧縮機は、燃料電池のためにおよび別の消費器のためにそれぞれ冗長に設計されている。燃料電池および別の消費器に、圧縮機によってもまた別の圧縮機によっても、ひいては２つの圧縮機によって共同でも、周囲空気が供給され得る。
【００１５】
特に好適な構成では、別の圧縮機は、圧縮機に対して直列にもまた並列にも接続可能である。これによって、燃料電池のための周囲空気は、１段階式にもまた２段階式にも圧縮され、１段階式の圧縮は同時に冗長に構成されている。
【００１６】
好適な発展形態では、少なくとも１つの別の消費器に、別の圧縮機からも周囲空気が供給可能である。これによって、別の消費器のための１段階式の圧縮も冗長に構成されている。
【００１７】
この燃料電池システムは好適な形式で、自動車の駆動ユニットを駆動するために設計されていてよい。好適な形式で、車両は、前記実施形態の１つによる燃料電池システムおよび運転室を有しており、この場合、別の消費器が運転室を換気するために構成されている。これによって、圧縮機は運転室に必要に応じて、場合によっては加熱または冷却された周囲空気を供給する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による燃料電池システムの概略図である。
【図２】別の本発明による燃料電池システムの概略図である。
【図３】さらに別の本発明による燃料電池システムの概略図である。
【図４】さらに別の本発明による燃料電池システムの概略図である。
【図５】さらに別の本発明による燃料電池システムの概略図である。
【図６】さらに別の本発明による燃料電池システムの概略図である。
【図７】さらに別の本発明による燃料電池システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明のその他の追加的な詳細と構成要件は、図面に概略的に示された好適な実施例の以下の説明から得られる。
【００２０】
図１は、本発明による燃料電池システム１の概略図を示す。燃料電池システム１は、陰極および陽極を備えた燃料電池２と、空気供給管路３と、陰極回路内の排気管路４と、圧縮機５、好適な構成では排気タービン６とを有している。
【００２１】
燃料電池２はガルヴァーニ電池であって、このガルヴァーニ電池は、図示していない燃料供給管路を介して供給された、陽極回路内の燃料および陰極回路内の酸化剤の化学反応エネルギを電気エネルギに変換し、この場合、ここに図示されている実施形態では周囲空気１０が酸化剤として使用され、この周囲空気１０が空気供給管路３を介して燃料電池２の圧縮機５によって供給される。燃料は好適な形式で水素またはメタンまたはメタノールであってよい。燃料電池２は好適な形式で、自動車の駆動ユニットを駆動するために設計されている。例えば、燃料電池２によって生ぜしめられた電気エネルギは、この場合、自動車の電動機を駆動する。
【００２２】
圧縮機５は空気供給管路３内に配置されている。排気タービン６は排気管路４内に配置されている。圧縮機５と排気タービン６とは、好適な形式で軸７を介して機械的に接続されていて、追加的に駆動ユニット１１によって電気式に駆動可能である。従って、排気タービン６は、軸７若しくは圧縮機５を駆動するために駆動ユニット１１をサポートするのに役立つ。圧縮機５、軸７、排気タービン６および電動機として構成された駆動ユニット１１は、一緒に電気式のターボ圧縮機を形成する。
【００２３】
好適な発展形態では、周囲空気１０は、空気供給管路３内で圧縮機５の上流でフィルタ８によってフィルタ処理され、圧縮機５の下流で熱交換器９によって冷却される。
【００２４】
本発明によれば、燃料電池２の下流に、周囲空気の複数の別の消費器（２１，２２，２３）が燃料電池２に対して並列に接続されている。好適な発展形態では、これらの消費器（２１，２２，２３）に、それぞれ１つの付属の制御弁（２１ａ，２２ａ，２３ａ）によって周囲空気が任意に供給可能である。同様に、燃料電池への周囲空気の供給もそれぞれ付属の供給弁（２ａ）によって絞られるかまたは完全にスイッチオフされる。好適な形式で、この場合、制御弁（２ａ，２１ａ，２２ａ，２３ａ）は、比例弁としてまたは遮断弁としても構成されている。
【００２５】
この場合、周囲空気の別の消費器（２１，２２，２３）は、例えば：
−自動車の車内換気／車内空調、
−駆動ユニット１１若しくは圧縮機５の冷却、
−圧縮機５のパワーエレクトロニクスの冷却、
−軸７の軸受の冷却、
−シールのための遮断空気、
−軸７のラジアル軸受若しくはアキシャル軸受のための空気
−自動車のバッテリの空気冷却、
−（例えばアジア地域における）特に低価格帯のための電動機付き車両において、駆動Ｅ機械および／または自動車のパワーエレクトロニクスの空気冷却、
−燃料電池システム１の陽極回路の洗浄排出を希釈するための空気、
であってよい。
【００２６】
これにより、圧縮機５が複数の消費器（２，２１，２２，２３）に周囲空気を供給する。好適には、圧縮機５は、自動車内の唯一の空気供給ユニットであり、さらに電動機およびパワーエレクトロニクスを有している。これにより、自動車のために以下の利点が得られる：
−圧縮機５若しくは駆動ユニット１１のスタートストップの回数は、繰り返し使用に基づいて著しく減少される。
−これに伴って低下された、軸７の軸受に対する要求によって、比較的安価な軸受バリエーションが可能となる。
−発生剤若しくは燃料（例えば水素）のためのタンクを含む燃料電池システム（化学エネルギを電気エネルギに変換する変換器）は、大きい取り付け所要スペースに基づいて、その他の駆動方式と比較してしばしば欠点を有している。本発明によって、空気供給システム／空気圧縮システムの高い組み込み密度が得られ、ひいては必要な取り付けスペースもまた減少され得る。
−燃料電池システムは、現在はまだコストが高い。複数の消費器２，２１，２２，２３を圧縮機５に接続することは、コスト削減の可能性を提供する。
【００２７】
図２は、本発明による別の燃料電池システム１の概略図を示す。この場合、以下に、図１の構成との実質的な相違点について詳しく説明する。
【００２８】
燃料電池システム１は、駆動ユニット１１および２段階式の圧縮機を備えたターボ機械１００を有しており：２段階式の圧縮機は、圧縮機５と別の圧縮機５２とを有しており、この圧縮機５と別の圧縮機５２は、図２の構成では共通の軸７に配置されている。さらに、オプション的な排気タービン６が軸７に配置されている。
【００２９】
圧縮機５と別の圧縮機５２とは、空気供給管路３内で燃料電池２に対して直列接続されている。２つの圧縮機５，５２の間において分岐ポイント１０１で並列接続が分岐しており、この並列接続は、
−供給弁２ａ、別の圧縮機５２、熱交換器９、燃料電池２の直列接続と、
−制御弁２１ａを備えた別の消費器２１と、
−制御弁２２ａを備えたさらに別の消費器２２と、
−制御弁２３ａを備えたさらに別の消費器２３と、
から成っている。
【００３０】
これによって、燃料電池２に、比較的高い圧力を有する周囲空気が供給される。何故ならば、周囲空気は、２つの圧縮機５，５２によって２段階式に圧縮されるからである。これに対して、複数の別の消費器２１，２２，２３には比較的低い圧力を有する周囲空気が供給される。何故ならば、周囲空気は、圧縮機５による１段階式の圧縮後に分岐ポイント１０１で分岐されるからである。特にエネルギ最適化を考慮して、必要に応じて消費器に様々な圧力レベルの空気を供給するための利点を、以下にさらに詳しく説明する。
【００３１】
さらに改良された構成では、燃料電池システム１が、燃料電池２の陰極回路を迂回できるように、空気供給管路３と排気管路４との間にバイパス弁２ｂを有している。さらに、液滴の衝撃に対して排気タービン６を保護するために、排気タービン６の上流で排気管路４内に水分離機４１が配置されていてよい。
【００３２】
図３は、本発明によるさらに別の燃料電池システム１の概略図を示す。この場合、以下に、図２の構成との実質的な相違点について詳しく説明する。
【００３３】
燃料電池システム１は、燃料電池２に、１段階で圧縮された周囲空気もまた２段階で圧縮された周囲空気も供給することができる。
【００３４】
このために、圧縮機５の後ろで分岐ポイント１０１に次の並列接続が分岐しており、この並列接続は、
−供給弁２ａ、別の圧縮機５２、熱交換器９の直列接続と、
−圧縮機バイパス弁２ｃと、
−制御弁２１ａを備えた別の消費器２１と、
−制御弁２２ａを備えたさらに１つの別の消費器２２と、
−制御弁２３ａを備えたさらに１つの別の消費器２３と、
から成っている。
【００３５】
一方では供給弁２ａ、別の圧縮機５２、熱交換器９と、他方では圧縮機バイパス弁２ｃとから成る並列接続は、燃料電池２の前で再び集合される。これにより、燃料電池２に周囲空気を供給するために、供給弁２ａおよび圧縮機バイパス弁２ｃの以下の弁位置が得られる：
−燃料電池２のために２段階式の圧縮の高い圧力レベルが必要とされる場合、供給弁２ａは開放され、圧縮機バイパス弁２ｃは閉鎖されている。
−部分負荷運転中に燃料電池２のために比較的低い圧力だけが必要とされる場合、供給弁２ａが閉鎖され、圧縮機バイパス弁２ｃが開放される。次いで、燃料電池２には、圧縮機５だけを介して供給される。熱交換器９はこの運転時点で迂回されてよい。何故ならば、圧縮された空気の温度は、圧縮機５の後ろでさらにそれ以上圧縮されることなしに、燃料電池２若しくは燃料電池スタック内への周囲空気の許容可能な流入温度より低いかまたはこれと同じだからである。
−燃料電池２のために周囲空気が必要とされない場合、供給弁２ａも圧縮機バイパス弁２ｃも閉鎖されている。
【００３６】
特にエネルギ最適化を考慮して、必要に応じて消費器に様々な圧力レベルの空気を供給するための利点を、以下にさらに詳しく説明する。
【００３７】
図４は、本発明によるさらに別の燃料電池システム１の概略図を示す。この場合、以下に、図３の構成との実質的な相違点について詳しく説明する。
【００３８】
燃料電池システム１は、燃料電池２に、１段階式に圧縮された周囲空気も、また２段階式に圧縮された周囲空気も供給することができる。この場合、１段階式の圧縮は、別の圧縮機５２によって行われ、この別の圧縮機５２は、図４の構成では、排気タービン６と一緒に軸７に配置されている。
【００３９】
圧縮機バイパス弁２ｃは、圧縮機５に対して並列接続されているが、選択的な構成では省略されていてもよい、従って周囲空気は常に圧縮機５を通って流れなければならない。圧縮機５の下流に分岐ポイント１０１が配置されており、この分岐ポイント１０１で、回路は、複数の別の消費器２１，２２，２３（付属の制御弁２１ａ，２２ａ，２３ａを含む）と供給弁２ａとから成る並列接続に分割する。圧縮機バイパス弁２ｃおよび供給弁２ａの回路は再び集合して、別の圧縮機５２内に開口し、ここから燃料電池２に供給される。
【００４０】
これにより、開放された供給弁２ａおよび閉鎖された圧縮機バイパス弁２ｃで、燃料電池２のために、例えば燃料電池２の高い電力出力のために周囲空気の２段階式の圧縮が行われる。さらに、この接続回路は、排気タービン６若しくは別の圧縮機５２の除氷のためにも利用され得る。例えば排気タービン６の着氷に基づいて軸７が始動され得ない場合、圧縮機５を介して、オプション的に予熱もされ得る周囲空気が、固定された別の圧縮機５２を介して陰極回路内若しくは空気供給管路３内に導入され、燃料電池２内で暖まり、次いで排気タービン６が除氷されるか若しくは再びうまく機能する。次いで、オプション的に電動機によって駆動される、別の圧縮機５２と排気タービン６とから成るユニットが始動され得る。これによって、追加的な手段、例えば排気タービン６のヒータは省かれる。
【００４１】
さらに、好適には燃料電池２のためのメイン圧縮機である別の圧縮機５２を省いた場合、燃料電池２の部分負荷運転が可能であり、この部分負荷運転中に、圧縮機５が空気質量流量を空気供給管路３内にガイドする。
【００４２】
追加的に、低い駆動出力において（例えばのろのろ運転、渋滞、低速の市街地走行）、別の圧縮機５２はスイッチオフされたままであり、燃料電池２の運転が圧縮機５の空気質量流量による低い部分負荷範囲内で行われることによって、別の圧縮機５２のスタートストップ操作の回数は減少され得る。ひいては軸７の軸受に対する低下された要求によっても、より安価な軸受バリエーションが可能である。しかも、スイッチオフされた別の圧縮機５２による部分負荷運転によって、場合によってはエネルギ的な利点も得られる。
【００４３】
図５は、圧縮機５および別の圧縮機５２が燃料電池２の空気供給管路３内に並列接続されている、本発明による別の燃料電池システム１の概略図を示す。この場合、圧縮機バイパス弁２ｃが、別の圧縮機５２の部分回路内に配置されていて、供給弁２ａが燃料電池２に通じる圧縮機５の部分回路内に配置されている。圧縮機５の下流で、周囲空気の流れが一方では供給弁２ａに分岐していて、他方では別の消費器２１，２２に分岐している。
【００４４】
従って、別の消費器２１，２２に、圧縮機５によって周囲空気が供給される。燃料電池２に、弁の位置に応じて、圧縮機５によって、別の圧縮機５２によってまたは２つの圧縮機５，５２によって同時に並列的に周囲空気が供給され得る：
−閉じた圧縮機バイパス弁２ｃおよび開放した供給弁２ａにおいて、別の圧縮機がバイパスされ、燃料電池２への供給が圧縮機５によって行われる。
−開放した圧縮機バイパス弁２ｃおよび閉じた供給弁２ａにおいて、燃料電池２への供給は別の圧縮機５２によって行われる。
−開放した圧縮機バイパス弁２ｃおよび開放した供給弁２ａにおいて、燃料電池２への供給は圧縮機５および別の圧縮機５２によって行われる。この回路装置は、特に燃料電池２の高い質量流量要求において使用される。
【００４５】
図５の構成においても、すべての他の構成と同じように、排気管路４内に、水分離機４１および／または排気タービン６が配置されていてよい。この場合、排気タービン６は、燃料電池システム１の設計に応じて、圧縮機５を駆動するためにまたは別の圧縮機５２を駆動するために構成されていてよい。さらに、燃料電池２および排気タービン６も、特に燃料電池システム１の始動運転または除氷運転のために、バイパスを有していてよい。
【００４６】
制御弁２１ａ，２２ａは、エアフラップとして構成されていてよく、空気質量流量の分割のための若しくは圧力分割のための様々な位置で使用され得る。変化実施例（空気利用および運転方式）に従って、エアフラップは、パッシブに例えば逆止弁として構成されているか、またはアクティブに特に制御可能性を有する構成であってよい。多段式の圧縮において、圧力レベルおよび温度レベルに従って熱交換器は、２つの圧縮段の間の中間冷却器として使用されてよい。
【００４７】
図６は、本発明のさらに別の燃料電池システム１を概略的に示し、この燃料電池システム１では、圧縮機５と別の圧縮機５２とが燃料電池２の空気供給管路３内で並列接続されている。図６の構成では、圧縮機５および排気タービン６が軸７に配置されている。以下に、図５の構成との実質的な相違点について説明する。
【００４８】
圧縮機５および別の圧縮機５２は、図６の構成では、弁位置に応じて次の消費器に周囲空気を供給できるように、空気供給管路３内に並列に配置されている：
−個別にまたは共通に燃料電池２に、および／または
−個別にまたは共通に別の消費器２１，２２，２３に、
【００４９】
この場合、例えば次の運転状況が可能である：
−圧縮機５が燃料電池２に供給し、別の圧縮機５２が別の消費器２１，２２，２３に供給する。
−圧縮機５が別の消費器２１，２２，２３に供給し、燃料電池２がスイッチオフされているか若しくは低酸素運転されている。
−別の圧縮機５２が燃料電池２に供給し、別の消費器２１，２２，２３がスイッチオフされているか若しくは周囲空気を必要としない。
−別の圧縮機５２が別の消費器２１，２２，２３に供給し、燃料電池２がスイッチオフされているか若しくは低酸素運転されている。
【００５０】
このために、供給弁２ａ、圧縮機バイパス弁２ｃ、別の消費器２１，２２，２３の制御弁２１ａ，２２ａ，２３ａ、別の供給弁２ｄおよび別の圧縮機バイパス弁２ｅは、交差配置で配置されている：
−圧縮機５の下流に供給弁２ａが配置されている。
−供給弁２ａの下流に分岐ポイント１０１が配置されており、この場合、流路は、燃料電池２に向かう方向と、別の消費器２１，２２，２３に向かう方向とに分割されている。
−別の圧縮機５２の下流に別の圧縮機バイパス弁２ｅが配置されている。
−別の圧縮機バイパス弁２ｅの下流に別の分岐ポイント１０１ｂが配置されており、この場合、流路は、燃料電池２に向かう方向と、別の消費器２１，２２，２３に向かう方向とに分割されている。
−２つの分岐ポイント１０１，１０１ｂの間に圧縮機バイパス弁２ｃが配置されており、これによりこの圧縮機バイパス弁２ｃは、好適な形式で２つの方向（燃料電池２に向かう方向および別の消費器２１，２２，２３に向かう方向）に貫流可能である。
−分岐ポイント１０１の下流で燃料電池２に向かう方向に別の供給弁２ｄが配置されている。
−別の分岐ポイント１０１ｂの下流で、別の消費器２１，２２，２３に向かう方向に、付属の制御弁２１ａ，２２ａ，２３ａが並列接続で配置されている。
【００５１】
図７は、本発明によるさらに別の燃料電池システム１が概略的に示しており、この燃料電池システム１では、圧縮機５と別の圧縮機５２とが燃料電池２の空気供給管路３内で、直列接続にもまた並列接続にも接続され得る。このために、分岐ポイント１０１の下流に、圧縮機５と圧縮機バイパス弁２ｃとから成る並列接続が配置されており、この並列接続はさらに下流において、別の圧縮機５２の上流で供給弁２ａによって再び接続され得る、この場合、圧縮機バイパス弁２ｃは、特に停止している圧縮機５がほぼ損失なしで貫流される場合に、選択的に省かれてもよい。補足された別の代替案でも、並列接続は別の圧縮機５２の下流で初めて別の供給弁２ｄによって再び閉鎖され得る。
【００５２】
これによって、燃料電池２に周囲空気を供給するために、圧縮機バイパス弁２ｃ、供給弁２ａおよび別の供給弁２ｄの弁位置に応じて次の可能性が得られる：
−圧縮機５による１段階式の圧縮：閉じられた圧縮機バイパス弁２ｃ、閉じられた供給弁２ａ、開放された別の供給弁２ｄ、
−別の圧縮機５２による１段階式の圧縮：開放された圧縮機バイパス弁２ｃ、閉じられた供給弁２ａ、閉じられた別の供給弁２ｄ、
−圧縮機５および別の圧縮機５２による２段階式の圧縮：閉じられた圧縮機バイパス弁２ｃ、開放された供給弁２ａ、閉じられた別の供給弁２ｄ、
−第１の圧縮機５および第２の圧縮機５２より成る並列接続による高められた質量流量での１段階式の圧縮：開放された圧縮機バイパス弁２ｃ、閉じられた供給弁２ａ、開放された別の供給弁２ｄ。
【００５３】
この場合、供給弁２ａは好適な形式で別の圧縮機５２の方向でのみ貫流可能であり、別の供給弁２ｄは燃料電池２の方向でのみ貫流可能である。この実施例においても、それぞれ１つの排気タービン６が圧縮機５および別の圧縮機５２を駆動することができる。任意で複数の別の消費器２１，２２，２３に、圧縮機５によって周囲空気が供給されてよい。
【００５４】
図５、図６および図７の構成では、供給弁２ａ（図５）若しくは圧縮機バイパス弁２ｃ（図６）若しくは別の供給弁２ｄ（図７）が相応に２つの方向で貫流可能である限り、冗長な空気供給が、燃料電池２のためにも別の消費器２１，２２，２３のためにも保証されている。燃料電池システム１を有する車両の提供可能性が高められ、このことは、フルオートマチック化された車両においても、また商業的に使用される車両においても特に有利である。従って、安全性若しくは法律的な義務に関連した要求をより良好に満たすことができる（例えば水素の希釈または換気の保証）。
【００５５】
様々な実施例の好適な発展形態では、２つの空気供給システム、つまり圧縮機５および別の圧縮機５２は、異なるエネルギ源（例えば圧縮機５は１２Ｖまたは４８Ｖ、別の圧縮機５２が高電圧車載電源網）を用いることができ、これによってエネルギ供給において冗長性も得られる。
【００５６】
さらに、場合によっては、燃料電池システム１の下位の部分負荷運転中にも燃料電池２の空気供給を、いずれにしろ別の課題（例えば車両空調のための新鮮空気送風機として）のために駆動中でなければならない別の圧縮機５２を介して行うことができる。圧縮機５は、このような形式の運転状態では完全にスイッチオフされていてよい。このための例は：のろのろ運転、渋滞、低速の市街地走行、パーキングヒータ／暖気段階である。このような手段によって、燃料電池システム１はエネルギ的に最適化される。さらに、これによって圧縮機５のスタートストップ回数は最低限に抑えられるので、摩耗部分はより負荷が軽くなる。例えば、軸７の軸受に対する要求が低められることによって、相応に、より安価な軸受バリエーションを採用することができる。さらに、別の圧縮機５２の下位の部分負荷運転時若しくはアイドリング時に燃料電池２のための空気供給の課題を引き受けることによって、圧縮機５に対するダイナミックな要求が低下され得る。このことは、圧縮機５のためのパワーエレクトロニクスおよび駆動ユニット１１の設計に直接的な影響を及ぼす。圧縮機５のための駆動ユニット１１は、図４−図７には示されていない。それにもかかわらず、好適な実施例では、圧縮機５は、一方では軸７を排気タービン６とは無関係に駆動することができるようにするために、他方では、特に始動段階中に、すべての運転状況をもカバーできるようにするために、それぞれ１つの駆動ユニット１１を有している。
【００５７】
図３に示した実施例では、圧縮機５と別の圧縮機５２とが１つの共通の軸に配置されていなければ、制御弁配置に基づいて、例えば冗長性も、また２段階式の圧縮も実現され得る。これは、燃料電池システム１を最適化するために（効率、駆動ユニット１１、パワーエレクトロニクス）利用されてもよい。
【００５８】
排気タービン６を有する構成では、凍結時始動若しくは冷間始動のために次の利点が得られる：排気タービン６の凍結時（軸受および／またはインペラ―）に、連結された別の空気システム、つまり排気タービンと同じ軸７に懸架されていないシステムによって、圧縮機５または別の圧縮機５２の構成に応じて、空気が空気供給管路３内および排気管路４内に導入され、ここで加熱され、次いで排気タービン６に供給され、それによってこの排気タービンが除氷される。次いで、圧縮機５若しくは別の圧縮機５２は、これらに相対回動不能に結合された排気タービン６によって始動され得る。これによって、追加的な手段、例えば排気タービン６におけるヒータは省かれる。
【００５９】
弁２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２１ａ，２２ａ，２３ａとして、必要に応じて比例弁が選択され得るので、燃料電池２および別の消費器２１，２２，２３に対する周囲空気の質量流量は、理想的にはほとんど任意に調節され得る。しかしながら、遮断弁またはパッシブな弁２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２１ａ，２２ａ，２３ａ（例えば逆止弁）も使用することができ、この場合、これらの弁は、相対圧力に基づいて開放および閉鎖する。
【符号の説明】
【００６０】
１  燃料電池システム
２  燃料電池、消費器
２ａ  供給弁、制御弁
２ｂ  バイパス弁
２ｃ  圧縮機バイパス弁
２ｄ  別の供給弁
２ｅ  別の圧縮機バイパス弁
３  空気供給管路
４  排気管路
５  圧縮機
６  排気タービン
７  軸
８  フィルタ
９  熱交換器
１０  周囲空気
１１  駆動ユニット
２１，２２，２３  別の消費器
２１ａ，２２ａ，２３ａ  制御弁
４１  水分離器
５２  別の圧縮機
１００  ターボ機械
１０１  分岐ポイント
１０１ｂ  別の分岐ポイント
【図１】
2021517723.tif 000003
【図２】
2021517723.tif 000004
【図３】
2021517723.tif 000005
【図４】
2021517723.tif 000006
【図５】
2021517723.tif 000007
【図６】
2021517723.tif 000008
【図７】
2021517723.tif 000009
【国際調査報告】
2021517723.tif 000010
2021517723.tif 000011
2021517723.tif 000012
2021517723.tif 000013