(57)【要約】  特に燃料電池システム（１）のためのターボマシン（１０）。このターボマシン（１０）は、圧縮機（１１）と、駆動装置（２０）と、シャフト（１４）とを含む。圧縮機（１１）は、シャフト（１４）の上に配置された羽根車（１５）と、圧縮機入口（１１ａ）と、圧縮機出口（１１ｂ）とを有する。作業流体を圧縮機入口（１１ａ）から圧縮機出口（１１ｂ）へと圧送可能である。駆動装置（２０）を冷却するための駆動冷却経路（９２）が圧縮機出口（１１ｂ）で分岐する。さらに、本発明によるターボマシン（１０）を有する燃料電池システム（１）、ターボマシン（１０）を作動させる方法、および燃料電池システム（１）を作動させる方法が提案される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に燃料電池システム（１）のためのターボマシン（１０）であって、圧縮機（１１）と、駆動装置（２０）と、シャフト（１４）とを有し、前記圧縮機（１１）は、前記シャフト（１４）の上に配置された羽根車（１５）と、圧縮機入口（１１ａ）と、圧縮機出口（１１ｂ）とを有し、作業流体を前記圧縮機入口（１１ａ）から前記圧縮機出口（１１ｂ）へと圧送可能である、そのようなターボマシンにおいて、
駆動装置（２０）を冷却するための駆動冷却経路（９２）が前記圧縮機出口（１１ｂ）で分岐することを特徴とするターボマシン。
【請求項２】
前記駆動冷却経路（９２）に前記駆動装置（２０）の上流側で熱交換器（９３）が配置されることを特徴とする、請求項１に記載のターボマシン（１０）。
【請求項３】
前記駆動装置（２０）はロータ（２１）とステータ（２２）を有し、前記ロータ（２１）は前記シャフト（１４）の上に配置され、前記駆動冷却経路（９２）は前記ロータ（２１）と前記ステータ（２２）の間の間隙を通ることを特徴とする、請求項１または２に記載のターボマシン（１０）。
【請求項４】
前記シャフト（１４）は２つのラジアル軸受（４１，４２）によって支承され、前記両方のラジアル軸受（４１，４２）は前記駆動冷却経路（９２）に配置されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のターボマシン（１０）。
【請求項５】
前記駆動冷却経路（９２）は第１の部分経路（９２ｂ）と第２の部分経路（９２ｃ）に分岐し、前記ラジアル軸受（４１）は前記第１の部分経路（９２ｂ）に配置され、前記ラジアル軸受（４２）は前記第２の部分経路（９２ｃ）に配置されることを特徴とする、請求項４に記載のターボマシン（１０）。
【請求項６】
前記シャフト（１４）はアキシャル軸受（４３）により支承され、前記アキシャル軸受（４３）は前記第１の部分経路（９２ｂ）に配置されることを特徴とする、請求項５に記載のターボマシン（１０）。
【請求項７】
前記シャフト（１４）はアキシャル軸受（４３）と少なくとも１つのラジアル軸受（４１，４２）とによって支承され、前記駆動冷却経路（９２）は第１の部分経路（９２ｂ）と第２の部分経路（９２ｃ）に分岐し、前記アキシャル軸受（４３）は前記第１の部分経路（９２ｂ）に配置され、前記ラジアル軸受（４１，４２）は前記第２の部分経路（９２ｃ）に配置されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のターボマシン（１０）。
【請求項８】
前記第１の部分経路（９２ｂ）に−好ましくは前記アキシャル軸受（４３）の下流側で−部分経路弁（９６）が配置されることを特徴とする、請求項５または７に記載のターボマシン（１０）。
【請求項９】
前記羽根車（１５）の裏面（１５ｂ）に向かい合うように裏壁（８９）が前記ターボマシン（１０）のハウジング（８）の一部として配置され、前記裏壁（８９）には換気孔（８８が構成され、前記換気孔（８８）は前記圧縮機出口（１１ｂ）から分岐する前記ターボマシン（１０）のホイール裏冷却経路（９１）に配置されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１０】
前記シャフト（１４）はアキシャル軸受（４３）により支承され、前記ホイール裏冷却経路（９１）は前記アキシャル軸受（４３）を通ることを特徴とする、請求項９に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１１】
前記シャフト（１４）は２つのラジアル軸受（４１，４２）によって支承され、前記駆動冷却経路（９２）は第１の部分経路（９２ｂ）と第２の部分経路（９２ｃ）に分岐し、前記ラジアル軸受（４１）は前記第１の部分経路（９２ｂ）に配置され、前記ラジアル軸受（４２）は前記第２の部分経路（９２ｃ）に配置され、前記ホイール裏冷却経路（９１）は前記第１の部分経路（９２ｂ）に連通することを特徴とする、請求項９または１０に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１２】
前記羽根車（１５）はラジアル羽根車として施工され、前記羽根車（１５）はその前面（１５ａ）で作業流体により流動経路（１６）に沿って貫流可能であり、前記流動経路（１６）は軸方向の流動端部（１８）と径方向の流動端部（１７）を含むことを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１３】
前記圧縮機出口（１１ｂ）でバイパス通路（９２）が特に圧力制限のために分岐することを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１４】
前記バイパス通路（９２）にバイパス弁（９５）が配置されることを特徴とする、請求項１３に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１５】
前記バイパス通路は前記駆動冷却経路（９２）によって構成されることを特徴とする、請求項１３または１４に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１６】
前記駆動冷却経路（９２）に冷却弁（９５）が好ましくは両方の前記部分経路（９２ｂ，９２ｃ）の上流側で配置されることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか１項に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１７】
前記バイパス弁は前記冷却弁（９５）によって構成されることを特徴とする、請求項１４を引用している限りにおける請求項１６に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１８】
好ましくは前記駆動冷却経路（９２）の下流側の端部の領域での前記駆動冷却経路（９２）における媒体の温度の実際値を温度の目標値に追従させるために前記冷却弁（９５）の開度を制御する調節ユニット（１００）が設けられることを特徴とする、請求項１６または１７に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１９】
前記調節ユニット（１００）は、前記駆動冷却経路（９２）における媒体の温度についての目標値に依存して、および所望のバイパス質量流量に依存して前記冷却弁（９５）の開度を制御することを特徴とする、請求項１８に記載のターボマシン（１０）。
【請求項２０】
燃料電池（２）と、前記燃料電池（２）に酸化剤を供給するための空気供給配管（３）と、前記燃料電池（２）から酸化剤を排出するための排ガス配管（４）とを有する燃料電池システム（１）において、前記燃料電池システム（１）は請求項１から１８のいずれか１項に記載のターボマシン（１０）を有し、前記圧縮機（１１）は前記空気供給配管（３）に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２１】
前記燃料電池システム（１）は別の羽根車（１３ａ）を備える排ガスタービン（１３）を有し、前記別の羽根車（１３ａ）は前記シャフト（１４）の上に配置され、前記排ガスタービン（１３）は前記排ガス配管（４）に配置される、請求項１９に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項２２】
前記駆動冷却経路（９２）は前記排ガスタービン（１３）の上流側で前記排ガス配管（４）に連通することを特徴とする、請求項２０に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項２３】
前記駆動冷却経路（９２）は前記排ガスタービン（１３）の下流側で前記排ガス配管（４）に連通することを特徴とする、請求項２０に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項２４】
請求項１８または１９に記載のターボマシン（１０）を作動させる方法において、前記駆動冷却経路（９２）における媒体の温度についての所定の目標値を調整するために前記冷却弁（９５）の開度が前記調節ユニット（１００）により制御されることを特徴とする方法。
【請求項２５】
検知された圧縮機サージに依存して、前記駆動冷却経路（９２）における媒体の温度についての目標値を調整するために必要な質量流量よりも大きい所望のバイパス質量流量を前記駆動冷却経路（９２）で調整するために、前記冷却弁（９５）の開度が前記調節ユニット（１００）により制御されることを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
請求項１９に記載のターボマシン（１０）を有する請求項２０から２３のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１）を作動させる方法において、前記燃料電池システム（１）の所望の動作状態に依存して、前記駆動冷却経路（９２）における媒体の温度についての目標値を調整するために必要な質量流量よりも大きい所望のバイパス質量流量を前記駆動冷却経路（９２）で調整するために、前記冷却弁（９５）の開度が前記調節ユニット（１００）により制御されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
燃料電池システムのためのターボコンプレッサとして施工されるターボマシンが従来技術から、たとえば特許文献１から知られている。公知のターボコンプレッサは、駆動装置により駆動可能なシャフトを有している。シャフトの上に、圧縮機と排ガスタービンとが配置される。
【背景技術】
【０００２】
より詳細な実施形態において、ターボコンプレッサとして施工されたターボマシンが特許文献２から公知である。この公知のターボコンプレッサは、シャフトの上に配置された羽根車ないし圧縮機を有している。このとき圧縮機はラジアル羽根車として施工され、作業流体が圧縮機入口から圧縮機出口へと圧送される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１２２２４０５２号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００８０４４８７６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の対象は、ターボマシンの、特に駆動装置の、作業流体による各コンポーネントの効率的な冷却である。
【０００５】
燃料電池をたとえば車両で作動させることができるようにするために、一方では水素が、他方では空気が周囲から提供されなければならない。その際に従来技術により、燃料電池に空気供給をする役目を果たす電気駆動式のターボ圧縮機が知られている。電気モータにより駆動される回転するシャフトの上に、必要な空気質量流を燃料電池の方向へ圧送する圧縮機ホイールが取り付けられる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によるターボマシンは、特に軸受個所と駆動装置を冷却する役目を果たす最善の冷却を有する。このときターボマシンは燃料電池システムに配置されるのが好ましい。
【０００７】
そのためにターボマシンは、圧縮機と、駆動装置と、シャフトとを有する。圧縮機は、シャフトの上に配置された羽根車と、圧縮機入口と、圧縮機出口とを有する。作業流体は圧縮機入口から圧縮機出口へと圧送可能であり、その際に好ましくは圧縮される。圧縮機出口で、駆動装置を冷却するための駆動冷却経路が分岐する。
【０００８】
このように圧縮された作業流体により、作業流体の圧力ないし質量流量が駆動冷却経路に存在し、これによって駆動装置から駆動冷却経路の作業流体への強制的な対流が具体化される。圧力のもとにある作業流体により、ターボマシンの内部で駆動冷却経路に流動が生じる；圧力に基づき、駆動冷却経路が高いコストをかけて封止されていなくてよく、相応の中空スペース、間隙などによって定義されていてよい。駆動装置と作業流体の間の伝熱係数がそれに応じて高くなり、それにより、駆動装置の冷却が非常に効率的になる。
【０００９】
特にターボマシンの摩擦個所で、たとえば軸受部や駆動装置で摩擦熱が発生し、これが駆動冷却経路を通じて、ないしはそこに流れる作業流体によって冷却されるのがよい。特に、そのために周囲空気を利用することができる。
【００１０】
特別に好ましい実施形態では、駆動冷却経路には駆動装置の上流側で熱交換器が配置される。圧縮され、それに伴って加熱もされた作業流体が、このようにして、冷却されるべき駆動装置の手前で冷却され、それにより駆動装置の冷却がいっそう効率的に構成される。
【００１１】
好ましい実施形態では、駆動装置はロータとステータを有する。このときロータはシャフトの上に配置される。駆動冷却経路は、ロータとステータの間の間隙を通って延びる。それにより、ロータとステータの冷却が非常に簡易に構成される。この間隙は駆動冷却経路の絞り個所であるのが好ましく、それにより駆動流体の流速がそこで特別に高くなり、これに伴って駆動装置と作業流体の間の伝熱係数も高くなる。
【００１２】
好ましい発展例では、シャフトは２つのラジアル軸受によって支承され、両方のラジアル軸受は駆動冷却経路に配置される。このように、駆動装置に追加してさらに両方のラジアル軸受も作業流体によって効果的に冷却される。このとき両方のラジアル軸受は、駆動装置の両方の軸方向端部に配置されるのが好ましい。
【００１３】
駆動冷却経路は第１の部分経路と第２の部分経路に分岐するのが好ましい。１つのラジアル軸受が第１の部分経路に配置され、１つのラジアル軸受が第２の部分経路に配置される。それにより、ターボマシンの内部での駆動冷却経路における作業流体の流動案内が非常に簡易に保たれる；高いコストのかかるシール個所を省略することができる。駆動冷却経路は、駆動装置のところで第１および第２の部分経路に分岐するのが好ましい。
【００１４】
好ましい実施形態では、シャフトはアキシャル軸受によって支承され、アキシャル軸受は第１の部分経路に配置される。このときアキシャル軸受は、アキシャル軸受ディスクを含むのが好ましい。それによってアキシャル軸受も効果的に冷却される。理想的には、アキシャル軸受と１つのラジアル軸受が第１の部分経路に配置され、他方のラジアル軸受ならびに駆動装置の大部分が第２の部分経路に配置される。それにより、吸収されるべき熱量によって両方の部分経路がいずれか過負荷を受けることがない。
【００１５】
別の好ましい実施形態では、シャフトはアキシャル軸受と少なくとも１つのラジアル軸受とによって支承される。駆動冷却経路は、第１の部分経路と第２の部分経路に分岐する。アキシャル軸受は第１の部分経路に配置され、ラジアル軸受は第２の部分経路に配置される。それにより、両方の軸受がそれぞれ異なる部分経路によって効果的に冷却される。ターボマシンがさらに第２のラジアル軸受を有しているとき、第１の部分経路からさらに第３の部分経路が分岐するのが好ましく、それにより、第２のラジアル軸受も独自の部分経路によって冷却される。
【００１６】
好ましい発展例では、第１の部分経路に−好ましくはアキシャル軸受の下流側に−部分経路弁が配置される。それにより、アキシャル軸受を通る空気ないし酸化剤の質量流量を制御することができる。部分経路弁はそのために比例弁として施工されるのが好ましい。部分経路弁は、最終的に、駆動冷却経路を通る空気ないし酸化剤の全体質量流量を個々の部分経路に分配する；その中に配置されているコンポーネントを、そのようにして必要に即して最善に冷却することができる。
【００１７】
好ましい発展例では、羽根車の裏面に向かい合うように裏壁がターボマシンのハウジングの一部として配置される。裏壁には換気孔が構成される。換気孔は、圧縮機出口から分岐するターボマシンのホイール裏冷却経路に配置される。このようにホイール裏冷却経路は駆動冷却経路に加えて、圧縮機出口から分岐する第２の冷却経路である。それにより、もともと存在する作業流体の漏れを利用することができ、ないしは、裏面で生じる作業流体の動圧を防止することができる；これと正反対に、裏面に向かって流れる作業流体が特にアキシャル軸受の冷却のために援用される。
【００１８】
それに応じてホイール裏冷却経路はアキシャル軸受を通って延びるのが好ましい。たとえばアキシャル軸受はそのために、バッファプレートと協同作用する、シャフトの上に配置されたアキシャル軸受ディスクとして施工されていてよい。そして作業流体は、バッファプレートとアキシャル軸受ディスクの間の間隙に流れ込む。このときバッファプレートはターボマシンのハウジングに配置され、ないしはハウジングの一部である。
【００１９】
好ましい実施形態では、シャフトは２つのラジアル軸受によって支承される。駆動冷却経路は第１の部分経路と第２の部分経路に分岐する。１つのラジアル軸受が第１の部分経路に配置され、１つのラジアル軸受が第２の部分経路に配置される。ホイール裏冷却経路が、好ましくはアキシャル軸受の上流側で、第１の部分経路に連通する。それにより第１の部分経路の質量流量が高くなり、これに伴って第１の部分経路の冷却作用が高くなる。
【００２０】
好ましい実施形態では、駆動冷却経路に冷却弁が配置される。駆動冷却経路は２つまたはそれ以上の部分経路に分岐し、冷却弁はこれらの部分経路の上流側に配置されるのが好ましい。それにより、好ましくは比例弁として構成される冷却弁が、ターボマシンの中の空気ないし酸化剤の質量流量全体を、コンポーネントの−特に駆動装置、アキシャル軸受、およびラジアル軸受の−冷却のために制御することができる。これらのコンポーネントの冷却が必要ないときには冷却弁が駆動冷却経路を閉じ、ターボマシンの容積効率にとっては損失質量流量となる、駆動冷却経路を通る空気の質量流量がブロックされる。それによってターボマシンの効率が最終的に向上する。
【００２１】
本発明の好ましい発展例では、圧縮機出口で特に圧力制限のためのバイパス通路が分岐することが意図される。このようにして圧縮機サージを回避することができ、それにもかかわらず、圧縮機を高い回転数で作動させることができる。たとえば燃料電池システムのケースでは本来の燃料電池で、圧縮機で圧送されるよりも少ない質量流量を利用することができる。この差異がバイパス通路を通じて運び出される。バイパス通路は、高い圧力比を低い質量流量のもとで具体化できるようにするために、部分的または全面的に開くことができる。このとき圧縮機は、その後に利用できるよりも大きい質量流量を圧送する。
【００２２】
バイパス通路にバイパス弁が配置されることによって、さらに別の利点がもたらされる。このようにして、バイパス通路を通る質量流量の調節または制御を具体化することができ、それにより、バイパス通路が恒常的に貫流されなくてよく、ターボマシンの所定の動作点でのみ、または圧縮機サージが検知されたときにのみ貫流される。
【００２３】
バイパス通路が駆動冷却経路によって構成されると特別に好ましい。このようにして、駆動冷却経路に追加しての別個のバイパス通路およびそれに伴う追加の配管をシステムで節減することができる。それによってターボマシンの所要スペースが明らかに削減され、ターボマシンをいっそうコンパクトに施工することができる。
【００２４】
バイパス弁が冷却弁により構成されると、やはり特別に好ましい。このようにして１つの弁が節減される。その結果、ターボマシンの原価と複雑性が下げられる。さらに、ターボマシンの連続使用時に潜在的に摩耗もしくは故障する可能性があるコンポーネントが不要になり、それにより、ターボマシンのエラーポテンシャルが緩和される。さらに、システムで必要な測定技術を縮小することができる。すなわち、駆動冷却経路およびこれと異なるバイパス通路で質量流量の別個の測定技術による検出をして、個々の通路での質量流量を知って制御できるようにする必要がない。両方の通路が統合されることで、一方の通路のセンサ機構が不要となる。それによっても、故障する可能性のあるコンポーネントの個数が減り、それにより、この方策はターボマシンの信頼性の向上を帰結する。
【００２５】
好ましくは駆動冷却経路の下流側の端部の領域での駆動冷却経路における媒体の温度の実際値を温度の目標値に追従させるために、冷却弁の開度を制御する調節ユニットが設けられるのが特別に好ましい。このようにして、駆動冷却経路を通る冷却質量流量を駆動装置の冷却需要に合わせて調整し、最小限に抑えることができる。冷却質量流量は、圧縮機により生成される全体質量流量の損失であり、燃料電池システムの駆動のケースでは、燃料電池のためにこれを利用することはできなくなる。冷却質量流量が圧縮機を通じて提供されるので、これを生成するためのエネルギーが必要である。このエネルギーは、ターボマシンの全体効率に対してマイナスの影響を及ぼす。したがって上述した制御により、全体効率に及ぼす冷却質量流量の分岐の影響を最小化することができる。
【００２６】
さらに調節ユニットは、駆動冷却経路における媒体の温度についての目標値に依存して、および所望のバイパス質量流量に依存して、冷却弁の開度を制御するのが好ましい。このようにして、駆動冷却経路での冷却質量流量ないし媒体の温度の制御と、バイパス質量流量の制御とを単一化することができ、そのようにして冷却弁の機能性を効率的に高めることができる。
【００２７】
好ましい発展例では、羽根車はラジアル羽根車として施工される。羽根車はその前面で作業流体により流動経路に沿って貫流可能である。この流動経路は、軸方向の流動端部と、径方向の流動端部とを含む；このとき軸方向の流動端部は圧縮機入口に相当し、径方向の流動端部は圧縮機出口に相当する。機能上、羽根車には流体で引き起こされる軸方向力が発生し、これがアキシャル軸受によって支承されるのが好ましい。アキシャル軸受は、駆動冷却経路によっても冷却されるのが好ましい。
【００２８】
好ましい発展例では、冷却弁に追加して部分経路弁が部分経路のうちの１つに配置され、それにより、空気ないし酸化剤の全体の質量流量だけでなく、部分経路での質量流量の分割も制御することができる。それに応じて、部分経路弁が比例弁として施工されるのも好ましい。
【００２９】
好ましい用途では、ターボマシンは燃料電池システムに配置される。ターボマシンはそのためにターボコンプレッサとして施工され、ないしは羽根車が圧縮機として施工される。燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に酸化剤を供給するための空気供給配管と、燃料電池から酸化剤を排出するための排ガス配管とを有する。圧縮機は空気供給配管に配置される。このとき空気供給配管は、燃料電池に作業流体ないし酸化剤を流入させるための役目を果たし、排ガス配管は、酸化剤ないし反応した酸化剤ないしこれらの混合物を燃料電池から排出するための役目を果たす。ターボコンプレッサは、上に説明した実施形態のうちの１つに基づいて構成される。このとき羽根車はラジアル羽根車として施工されるのが好ましい。酸化剤としては、周囲空気が用いられるのが好ましい。ターボマシンのできる限り多くのコンポーネントの駆動冷却経路による冷却が、その効率と耐用寿命を向上させる。
【００３０】
好ましい発展例では、燃料電池システムは別の羽根車を備えた排ガスタービンを有する。この別の羽根車も同じくシャフトの上に配置される。排ガスタービンは排ガス配管に配置される。排ガスタービンの別の羽根車はターボコンプレッサの羽根車と反対向きに配置されるのが好ましく、それにより、両方の羽根車に対してそれぞれ結果として生じる有効な軸方向力が部分的に補償される。燃料電池から流出する反応した作業流体ないし酸化剤を、排ガスタービンのための出力源として非常に有効に利用することができる；それにより、ターボコンプレッサのための駆動装置の必要な駆動出力が低減される。このとき排ガス配管は冷却流体経路から分離されているのが好ましく、それにより冷却流体経路に加熱した媒体が供給されることがない。
【００３１】
駆動冷却経路が排ガスタービンの上流で排ガス配管に連通することによって利点がもたらされる。このようにして、冷却質量流が排ガスタービンへと導入される。それにより、冷却質量流の残留エネルギーの回生が可能となり、それにより圧縮機の作動時のエネルギーを節約することができる。
【００３２】
駆動冷却経路が排ガスタービンの下流で排ガス配管に連通すると、やはり好ましい。このようにして駆動冷却経路にわたって最大の圧力勾配が達成され、それにより、最大限可能な冷却作用を帰結する高い質量流量が駆動冷却経路にわたって可能となる。なぜならば、このような質量流が、冷却されるべきコンポーネントによって吸収された熱を可能な限り迅速に運び出すからである。
【００３３】
ターボマシンを作動させる本発明の方法は、駆動冷却経路における媒体の温度についての所定の目標値を調整するために、冷却弁の開度が調節ユニットにより制御されるという利点を有する。このようにして、駆動冷却経路とバイパス通路が統合されている場合にも、ターボマシンの駆動装置ないし各コンポーネントのために少なくとも所要の冷却出力が提供されることが保証される。
【００３４】
さらに別の利点が上記に従属する方法請求項によって達成され、それによると、検知された圧縮機サージに依存して、駆動冷却経路における媒体の温度についての目標値を調整するために必要な質量流量よりも大きい所望のバイパス質量流量を駆動冷却経路で調整するために、冷却弁の開度が調節ユニットにより制御される。このようにして、こうして調整された結果として生じる冷却質量流量によって、駆動装置ないしターボマシンの各コンポーネントの十分な冷却だけでなく、圧縮機サージの回避も保証することができる。このように本発明に基づく冷却弁の制御によって、駆動冷却経路とバイパス通路が共通の通路に統合されることで、駆動冷却経路の機能もバイパス通路の機能も確保されることが保証される。
【００３５】
ターボマシンを有する燃料電池システムを作動させる本発明の方法は、燃料電池システムの所望の動作状態に依存して、駆動冷却経路における媒体の温度についての目標値を調整するために必要な質量流量よりも大きい、駆動冷却経路における所望のバイパス質量流量を調整するために、冷却弁の開度が調節ユニットにより制御されるという利点を有する。このようにして、こうして調整された結果として生じる冷却質量流量によって、駆動装置ないしターボマシンの各コンポーネントの十分な冷却だけでなく、燃料電池システムの所望の動作状態の調整も保証することができる。このように本発明に基づく冷却弁の制御によって、駆動冷却経路とバイパス通路が共通の通路に統合されることで、駆動冷却経路の機能もバイパス通路の機能も確保されることが保証される。
【００３６】
燃料電池システムは、自動車の駆動装置を駆動するためにセットアップされていてよいのが好ましい。
【００３７】
本発明のその他の任意選択の具体的事項や構成要件は、図面に模式的に示されている好ましい実施例についての以下の説明から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来技術に基づくターボコンプレッサとして施工されたターボマシンを有する燃料電池システムを模式的に示す図である。
【図２】本発明によるターボマシンを模式的に示す断面図であり、主要な領域だけが図示されている。
【図３】本発明による別のターボマシンを模式的に示す断面図であり、主要な領域だけが図示されている。
【図４】第１の実施例に基づくターボコンプレッサとして施工されたターボマシンを有する燃料電池システムを模式的に示す図である。
【図５】第２の実施例に基づくターボコンプレッサとして施工されたターボマシンを有する燃料電池システムを模式的に示す図である。
【図６】ターボマシンないし燃料電池システムを作動させる本発明の方法についての進行図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１は、特許文献１から公知となっている燃料電池システム１を示している。この燃料電池システム１は、燃料電池２と、空気供給配管３と、排ガス配管４と、圧縮機１１と、排ガスタービン１３と、圧力低減のためのバイパス弁５を有するバイパス通路１５０と、燃料電池２への燃料の詳しくは図示しない供給配管とを含んでいる。バイパス弁５は、たとえば制御フラップであってよい。バイパス弁５として、たとえばウェイストゲートバルブを利用することができる。
【００４０】
燃料電池２は、図示しない燃料供給配管を介して供給される燃料と、ここに示す実施形態では燃料電池２の空気供給配管３を介して供給される吸込空気である酸化剤との化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換するガルバニ電池である。燃料は水素またはメタンまたはメタノールであってよいのが好ましい。それに応じて、排ガスとして水蒸気または水蒸気と二酸化炭素が発生する。燃料電池２は、たとえば自動車の駆動装置を駆動するようにセットアップされる。たとえば燃料電池２によって生成される電気エネルギーが、自動車の電気モータを駆動する。
【００４１】
圧縮機１１は空気供給配管３に配置されている。排ガスタービン１３は排ガス配管４に配置されている。圧縮機１１と排ガスタービン１３はシャフト１４を介して機械的に結合されている。シャフト１４は駆動装置２０により電気駆動可能である。排ガスタービン１３は、シャフト１４ないし圧縮機１１を駆動する駆動装置２０を補助するための役目を果たす。圧縮機１１、シャフト１４、および排ガスタービン１３が共同でターボマシン１０を構成する。
【００４２】
図２は、特に燃料電池システム１で使用するための本発明によるターボマシン１０の縦断面図を模式的に示している。ターボマシン１０はハウジング８を有していて、その中にターボマシン１０の各コンポーネントが配置され、該ハウジングは多部分で施工されている。ターボマシン１０は、本実施形態ではターボコンプレッサ１０として施工されており、圧縮機１１ないしコンプレッサとして作用する、シャフト１４の上に配置された羽根車１５を有している。これに加えてターボマシン１０は任意選択で、シャフト１４の上に配置された別の羽根車１３ａを含む排ガスタービン１３を有する。このとき別の羽根車１３ａと羽根車１５は、シャフト１４の反対方向を向く端部に位置決めされるのが好ましい。
【００４３】
ターボマシン１０は燃料電池システム１に配置されて、燃料電池２に周囲空気ないし酸化剤を供給するために圧縮機１１の羽根車１５が空気供給配管３に配置されるとともに、排ガスタービン１３の別の羽根車１３ａが排ガス配管４に配置されているのが好ましい。
【００４４】
ターボマシン１０の駆動装置２０は電気モータとして施工され、圧縮機１１と排ガスタービン１３との間に配置され、ロータ２１とステータ２２を含んでいる。ロータ２１は同じくシャフト１４の上に配置される。ステータ２２は、ターボコンプレッサ１０のハウジング８の中で定置に位置決めされる。シャフト１４は駆動装置２０の両方の側で、それぞれ１つのラジアル軸受４１，４２によって回転可能に支承されている。駆動装置２０は両方のラジアル軸受４１，４２の間で位置決めされる。ステータ２２を径方向で取り囲むように、冷却部８０が配置されている。図２の実施形態では、冷却部８０はハウジング８に構成された冷却溝８１を有しており、それにより、冷却剤がステータ２２の周囲を流れて効果的に冷却をすることができる。
【００４５】
羽根車１５は図２の実施形態ではラジアル羽根車として施工されており、すなわち、ターボコンプレッサないし圧縮機１１として利用されるケースでは軸方向に流入を受けて径方向に流出を受ける；すなわち酸化剤ないし作業流体は、圧縮機入口１１ａから圧縮機出口１１ｂへと流れる。羽根車１５はそのためにその前面１５ａに、軸方向の流動端部１８と径方向の流動端部１７とを含む流動経路を有している。ラジアル羽根車において通常であるように、羽根車１５を通って流れる作業流体の方向が断面図で見てほぼ９０°だけ変化する。ターボコンプレッサとしての施工形態のケースでは、羽根車１５は軸方向の流動端部１８で−すなわち圧縮機入口１１ａ−で作業流体により軸方向に流入を受け、次いで、作業流体は前面１５ａの流動経路１６を貫流してその際に圧縮され、引き続いて径方向の流動端部１７で−すなわち圧縮機出口１１ｂで−径方向に羽根車１５から流出する。
【００４６】
羽根車１５の裏面１５ｂには、裏壁８９がハウジング８の一部として裏面１５ｂに向かい合うように配置されている。裏面１５ｂは径方向の流動端部１７と流体接続されており、場合により存在する絞り個所に依存してその圧力レベルも有する。裏壁８９は、好ましい実施形態では、羽根車１５のためのアキシャル軸受も構成することができる。しかし図２の実施形態では、アキシャル軸受４３はアキシャル軸受ディスク１４ａとバッファプレート８７の間に構成されている。アキシャル軸受ディスク１４ａはシャフト１４の上に配置されており、バッファプレート８７はハウジング８に配置され、ないしはハウジングの構成要素として施工される。
【００４７】
裏壁８９には、裏面１５ｂから離れていくようにターボマシン１０の内部の方向に通じる換気孔８８が構成されている。裏壁８９にある換気孔８８によって、羽根車１５のホイール裏ないし裏面１５ｂの換気が行われる。それにより、一方では圧縮機１１により生成される軸方向力が低減し、それによってアキシャル軸受４３で発生する損失出力を減らすことができる。さらに、換気孔８８を通る酸化剤の漏れが、アキシャル軸受ディスク１４ａとバッファプレート８７との間に構成される、貫流されるアキシャル軸受４３の冷却のために利用される。裏面１５ｂから換気孔８８およびアキシャル軸受４３を通る冷却経路をホイール裏冷却経路９１と呼ぶ。ホイール裏冷却経路９１の端部で圧力緩和された酸化剤がターボマシン１０から導出され、または、軸方向の流動端部１８に再び供給されることも可能である。
【００４８】
圧縮機出口１１ｂでは、さらに別の冷却経路が空気供給配管３から分岐する；駆動冷却経路９２である。酸化剤ないし作業流体の一部が圧縮機出口１１ｂのところで分岐して、ターボマシン１０の内部で駆動装置２０とラジアル軸受４１，４２を冷却する。ただし圧縮機出口１１ｂの下流側では、圧縮されて加熱された作業流体を冷却するために、駆動冷却経路９２にまず熱交換器９３が配置されるのが好ましい。
【００４９】
すなわち圧縮機１１により圧縮された空気−ないし圧縮された酸化剤−は、燃料電池２へと全面的に案内されるのではない。わずかな割合が圧縮機出口１１ｂで取り出されて、まず熱交換器９３を通じて冷却される。そのために、ステータ２２を冷却する冷却部８０の冷却水が利用されるのが好ましい。次いで、冷却された空気−ないし冷却された酸化剤−が、左側のラジアル軸受４１とステータ２２の間でハウジング８の中に案内される。そこで駆動冷却経路９２の質量流が分岐点９２ａのところで、第１の部分経路９２ｂと第２の部分経路９２ｃとに分岐する。
【００５０】
第１の部分経路９２ｂは分岐点９２ａの後、シャフト１４と左側のラジアル軸受４１の間の間隙の中へと通じ、さらにアキシャル軸受ディスク１４ａのそばを通り、最後にハウジング８から導出される。第２の部分経路９２ｃは分岐点９２ａの後、ロータ２１とステータ間の間隙の中に、さらにはシャフト１４と右側のラジアル軸受４２の間の間隙の中に通じ、排ガスタービン１３のそばを通ってハウジング８から導出される。
【００５１】
ロータ２１とステータ２２の間の間隙ならびに右側のラジアル軸受４２を通る第２の部分経路９２ｃの流動案内によって、さらに、発生する−場合により湿潤した−漏れがターボマシン１０から排出されるという利点がもたらされる。第１の部分経路９２ｂと第２の部分経路９２ｃは、各コンポーネントを冷却した後にターボマシン１０から出て、たとえば排ガスタービン１３の後に排ガス配管４に供給される。
【００５２】
圧縮機１１により圧縮され、それに伴って加熱された空気が熱交換器９３によって冷却され、次いで、再び駆動装置２０および軸受個所（ラジアル軸受４１，４２およびアキシャル軸受４３）へとハウジング８の中に送り返される；それにより、ターボマシン１０の冷却コンセプトが最適化される。ターボマシン１０には、できる限り各々のコンポーネント（ラジアル軸受４１，４２、アキシャル軸受４３、ロータ２１とステータ２２の間の間隙）を別々に冷却できるようにするために、駆動冷却経路９２の複数の部分経路９２ｂ，９２ｃが作られるのが好ましい。これらのコンポーネントは、駆動冷却経路９２ないしホイール裏冷却経路９１の中に直接的に位置しており、すなわち作業流体によって直接的に流入を受けて強制的な対流により冷却され、このことは非常に効率的である。伝熱に基づく冷却部８０が、特にロータ２１とステータ２２の間の間隙で、ならびに軸受個所で、そのようにして非常に良好にサポートされる。なぜならば、これらの位置は冷却部８０から比較的遠く離れて位置し、それに応じて、これらから冷却部８０への熱流がどちらかというと少ないからである。
【００５３】
熱交換器９３は、駆動冷却経路９２の空気を冷却部８０の冷却剤によって冷却する空気・水・熱交換器として構成されるのが好ましい。
【００５４】
図３は、図２の実施形態に類似するターボマシン１０の断面図を示している。したがって以下においては、基本的に両方の実施形態の相違点だけを説明する。
【００５５】
圧縮機１１により圧縮された空気は、図２の実施形態と同じように全面的に燃料電池２へと案内されるのではない。わずかな割合が取り出されて、まず熱交換器９３を通じて冷却される。そのために、ステータ２２を冷却する冷却部８０の冷却水が利用されるのが好ましい。次いで、冷却された空気が駆動冷却経路９２を介してハウジング８の中に案内されて、そこで分岐点９２ａにおいて第１の部分経路９２ｂと第２の部分経路９２ｃに分かれる。第１の部分経路９２ｂには、分岐点９２ａの下流側に別の分岐点９２ｄが配置されていて、そこから第３の部分経路９２ｅが分岐する。
【００５６】
第１の部分経路９２ｂは別の分岐点９２ｄの下流側でアキシャル軸受４３を通り、第３の部分経路９２ｅは左側のラジアル軸受４１を通る。第２の部分経路９２ｃは右側のラジアル軸受４２を通り、駆動装置２０の領域で第３の部分経路９２ｅと合流して、一緒にハウジング８から再び導出される。第１の部分経路９２ｂはこれとは別個にハウジング８から出ていく。それに伴い、３つすべての軸受４１，４２，４３がそれぞれ互いに別個に独自の部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅにより冷却される。ハウジング８からの部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅの出口の後に、これらを排ガスタービン１３の下流で排ガス配管４に接続できるのが好ましい。
【００５７】
それぞれの部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅにおける質量流量を調整するために、好ましい発展例では弁が取り付けられる。これらの弁は必要に応じて個々の部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅを絞ることができる：
−冷却弁９５が、部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅの上流側で駆動冷却経路９２に配置される。
−部分経路弁９６が、アキシャル軸受４３の下流側で第１の部分経路９２ｂに配置される。
【００５８】
冷却弁９５によって、駆動冷却経路９２を通る空気ないし酸化剤の質量流量全体を、すなわち３つの部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅを通る質量流量の合計を制御することができ、冷却弁９５はこれらの部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅの上流側に配置される。一方、部分経路弁９６は第１の部分経路９２ｂを通る空気ないし酸化剤の質量流量を別の分岐点９２ｄの後に制御し、アキシャル軸受４３の下流側に配置される。すなわち冷却弁９５が開いていて部分経路弁９６が閉じているとき、両方のラジアル軸受４１，４２は空気ないし酸化剤によって貫流されるが、アキシャル軸受４３はそうではない。
【００５９】
両方の弁９５，９６は任意選択で、駆動冷却経路９２ないし部分経路９２ｂ，９２ｃにおける質量流量を制御するために、図２の実施形態に準じて適用することもできる。
【００６０】
図４には、第１の実施例に基づくターボコンプレッサとして施工されたターボマシン１０を有する燃料電池システム１が模式的に示されている。ここでは、同じ符号はすでに説明した図面と同じ部材を表している。図１に示す燃料電池システムと比較すると、次のような相違が生じている：一方では、圧縮機１１の出口で駆動冷却経路９２が分岐している。ここでは図４に示すように、および図２に関して説明したように、圧縮機１１の出口側にまず作業流体を冷却するための熱交換器９３を設けて、駆動冷却経路９２を熱交換器９３の下流で分岐させることが追加的に意図されていてよい。ハウジング８への入口の手前に、図３にも見られるとおり、駆動冷却経路９２は冷却弁９５を有している。冷却弁９５が代替的にハウジング８の内部に配置されていてもよい。ハウジング８から出た後、図３に関しても説明したとおり、駆動冷却経路９２は排ガスタービン１３の下流で排ガス配管４に連通する。
【００６１】
それにより駆動冷却経路９２にわたって最大の圧力勾配が達成され、それにより、駆動冷却経路９２にわたって高い質量流量が可能となる。駆動冷却経路９２が絞り個所として作用するので、駆動冷却経路９２にわたる圧力勾配が冷却質量流量の生成のために必要である。このとき駆動冷却経路９２で生じる冷却質量流量は、主として圧縮機１１の後で発生する圧力に依存する。それによりサージ限界の周辺では、圧縮機出口１１ｂでの相応に高い圧力のもとで最大の冷却質量流量が生じ、チョーク限界の周辺では、圧縮機出口１１ｂでの相応に低い圧力のもとで最小の冷却質量流量が生じる。燃料電池システム１の動作点ないし動作状態に合わせて必要な冷却質量流量を適合化するために、もっとも単純なケースでは、燃料電池システム１のもっとも頻繁に適用される動作点ないし動作状態について駆動装置２０ないしターボマシン１０の各コンポーネントのための十分な冷却出力を保証する、所定の固定的な開度を有する固定スロットルとして冷却弁９５が構成されていてよい。このとき必要な冷却質量流量は、たとえば圧縮機回転数やターボマシン１０の圧縮比、ならびに駆動装置２０の出力などさまざまな要因に依存する。このとき、必要な冷却出力の観点から安全な側にとどめるために、必要な開度に比べて大きい冷却弁９５の開度が固定的に設定される。それに応じて、ターボマシン１０が効率最適化されて作動することはない。
【００６２】
したがって別案として、駆動冷却経路９２の絞り特性が燃料電池システム１の動作点ないし動作状態Ｂに応じて適合化される、制御ユニット１１０による冷却質量流量の制御ないし調節が提案される。このケースでは冷却弁９５は、たとえば電磁式または機械式の、たとえばバイメタル弁として構成される比例弁であり、そのようにして開度の可変の調整を可能にする。燃料電池システム１の最新の動作状態または動作点Ｂに合わせた駆動冷却経路９２の絞り特性の適合化は、たとえば特性マップをベースとする弁制御によって行うことができる。このとき燃料電池システム１の最新の動作状態に対して、ターボマシン１０の圧縮機回転数および圧縮比ならびに駆動装置２０の出力に依存して、それぞれ必要な冷却質量流量が、およびこれとの組み合わせで冷却弁９５の対応する開度が割り当てられる。それに応じて、所望の開度を調整するために冷却弁９５が制御される。このようにして、必要な冷却出力のために最小の冷却質量流量を調整することができ、そのようにして、燃料電池システムのいずれの動作点ないし動作状態のときでもターボマシン１０を効率最適化して作動させることができる。
【００６３】
特性マップは制御ユニット１１０に保存され、実験的に判定されている。ターボマシン１０の圧縮機回転数および圧縮比ならびに駆動装置２０の出力の形態の燃料電池システム１の最新の動作状態または動作点Ｂも制御ユニット１１０に同じく存在し、または、センサ機構によってこれに供給される。特性マップをベースとする制御ユニット１１０による冷却弁９５の制御が、図４に破線で示されている。
【００６４】
別案として、冷却弁９５の開度が調節され、その点に関して調節ユニット１００により制御がなされ、それに伴って制御ユニット１１０によって直接制御されることはなくなる。このとき冷却弁９５は、特性マップをベースとする制御について説明したのと同じように構成されていてよい。さらに調節ユニット１００は、センサユニット１０５からセンサ信号Ｓの供給を受ける。図４に示す燃料電池システム１の燃料電池２は、たとえば吸込空気の形態の酸化剤すなわち作業流体の質量流量に対する燃料電池２の絞り作用を明示するために、スロットルバルブとして図示されている。
【００６５】
そして調節ユニット１００はまず第１に、駆動装置２０ないしターボマシン１０の各コンポーネントを冷却するために必要な冷却作用が燃料電池システム１のそのつどの動作点ないし動作状態Ｂのときに達成されるように、冷却弁９５の開度を調整する。そのためにセンサユニット１０５には、駆動冷却経路９２における媒体の温度を、およびこれに伴って冷却質量流の温度を測定する温度センサ１１５が設けられる。この温度が、センサ信号Ｓを通じて調節ユニット１００に供給される実際値ないし実際温度となる。駆動冷却経路９２における媒体の温度について、調節ユニット１００に目標値が保存されている。冷却弁９５の開度を制御することで、調節ユニット１００は実際値を目標値に追従させる。このとき冷却弁９５の開度の増大は冷却質量流量の増加につながり、それに伴って駆動冷却経路９２における媒体の温度低下につながる。逆に冷却弁９５の開度の低減は冷却質量流量の減少につながり、それに伴って駆動冷却経路９２における媒体の温度上昇につながる。このようにして、必要な冷却出力のための最小の冷却質量流量を調整することができ、そのようにして、燃料電池システム１のどの動作点ないし動作状態のときでもターボマシン１０を効率最適化して作動させることができる。
【００６６】
好ましくは図４に示すように、駆動冷却経路９２における媒体の温度は、駆動冷却経路９２の下流側の端部にある、すなわち駆動冷却経路９２のいわゆる吐出部もしくは出口１２５にある温度センサ１１５によって測定され、すなわち、冷却質量流が駆動装置２０および冷却されるべきターボマシン１０の各コンポーネントをすでに通過して、それ以上の冷却機能を有さなくなっている駆動冷却経路９２の個所で測定される。このようにして駆動冷却経路９２の温度の上述した調節にあたって、冷却時に吸収された冷却質量流の熱が完全に検出され、したがって冷却作用が完全に考慮される。ここでは図４の出口１２５が模式にのみ図示されている。図２および３に関して説明したとおり、駆動冷却経路９２は複数の部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅに分割されていてよく、これらが駆動装置２０ないしターボマシン１０の各コンポーネントからさまざまな出口で出ていく。その場合、温度センサ１１５はこれらの出口のうちの１つで媒体の温度を測定する。別案として、出口の各々にそれぞれ温度センサが配置されていてもよく、それぞれの部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅのそこでの媒体の温度を測定する。実際値として、この場合、各出口で測定された温度の算術平均値を機能させることができる。
【００６７】
目標温度とも呼ぶ温度の目標値として、実験的に判定された出口１２５での温度の値、または上述した部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅのケースにあってはこれらの部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅの相応の出口での温度の値を利用することができる。このとき実験的に判定される値は、駆動装置２０ないしターボマシン１０の各コンポーネントの動作安全性を保証してこれらを損傷から守るために出口１２５ないしそれぞれの出口で超えてはならない限界値として選択することができる。
【００６８】
このとき制御回路の調節量は、冷却弁９５の絞り位置ないし開度である。駆動冷却経路９２の出口１２５にある温度センサ１１５の測定個所が、または上述した部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅのケースにあってはこれらの部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅの相応の出口にある温度センサ１５の測定個所が、ターボマシン１０および駆動装置２０の内部温度を代表する測定値に常に達していることを保証するために、駆動冷却経路に、ないしはそれぞれの部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅに、最小の冷却質量流量が常に存在していなければならない。したがって冷却弁９５の完全な閉止は調節ユニット１００により防止される。冷却弁９５が完全に閉じてしまうと、駆動冷却経路９２の出口における温度が、または上述した部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅのケースにあってはこれらの部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅの相応の出口における温度が関連する程度まで変化することなしに、ターボマシン１０または駆動装置が内部で過熱することになりかねない。
【００６９】
調節ユニット１００には燃料電池システム１の制御ユニット１１０から、燃料電池システム１ないし燃料電池システム１により駆動される車両の調整された動作状態または動作点Ｂを表す信号が供給される。このとき制御ユニット１１０は、同時に車両の制御ユニットであってもよい。
【００７０】
図１と比較したとき、図４に示す燃料電池システム１は、別個のバイパス弁５を備えた別個のバイパス通路１１０を有していない。図４に示す実施形態では、バイパス通路は駆動冷却経路９２によって形成される。換言すると駆動冷却経路９２は、駆動装置２０およびターボマシン１０の各コンポーネントの冷却に追加して、バイパス通路１１０の機能も担う。これに準じて冷却弁９５は、駆動冷却経路９２の出口１２５における冷却質量流量の目標温度の調整に追加して、所望のバイパス質量流量の調整の機能も担う。換言すると冷却弁９５は、バイパス弁５の機能を追加的に担う。このように、冷却質量流量が同時にバイパス質量流量の機能を担う。
【００７１】
調節ユニット１００はまず第１に、駆動装置２０およびターボマシン１０の各コンポーネントの冷却のために必要な目標温度が駆動冷却経路９２の出口１２５で可能な限り生じるように、冷却弁９５を制御する。換言すると、少なくとも駆動冷却経路９２の冷却機能が確保されているべきである。
【００７２】
調節ユニット１００は供給される別のセンサ信号Ｖを用いて、圧縮機１１がポンプ状態、いわゆる圧縮機サージに達したか否かを追加的に判定する。このことは圧縮機１１の破損、およびこれに伴う燃料電池システム１の失陥につながりかねず、したがって回避すべきである。圧縮機サージの検知は、たとえば特許文献１に記載されているように、当業者に周知の仕方で行うことができる。圧縮機サージが発生するサージ限界に近い高い圧力のもとでの燃料電池２の作動が好ましく、高い効率での圧縮機１１の動作を可能にする。それだけに、燃料電池システム１の作動時の圧縮機サージの検知と回避がいっそう重要になる。したがって目標となるのは、高い圧力と作業流体の低い質量流量のもとでの燃料電池２の動作である。このことは、駆動冷却経路９２のバイパス機能によって保証することができる。
【００７３】
すなわち調節ユニット１００により、受信されたセンサ信号Ｖを用いて圧縮機サージが検知されると、圧縮機サージを回避するための所望のバイパス質量流量を調整するために、冷却弁９５が開度の調整のために調節ユニット１００により制御される。そのために駆動冷却経路９２の出口１２５で質量流量測定器１２０によって、本例では一例としてエアマスメーターによって、出口１２５での冷却質量流量の実際値が検出される。本例では、質量流量測定器１２０も同じくセンサユニット１０５の一部である。そして冷却質量流量の実際値が、同じくセンサ信号Ｓを通じて調節ユニット１００に通知される。ただし質量流量測定器１２０がセンサユニット１０５とは別個に、たとえば駆動冷却経路９２の上流側の端部に、ハウジング８へ入る前の冷却質量流量の実際値を測定するために配置されていてもよい。このようにして、特に部分経路９２ｂ，９２ｃ，９２ｅが存在する場合に、冷却質量流量全体が検出されることが保証される。なぜならば、熱交換器９３の下流で分岐する冷却質量流量全体も、駆動冷却経路９２のバイパス機能のために寄与するからである。
【００７４】
そのつど所望のバイパス質量流量または目標バイパス質量流量が、燃料電池システム１のさまざまな動作状態または動作点について実験的に判定されて、特性マップとして調節ユニット１００に保存されていてよい。このバイパス質量流量がそのつどの動作状態について、圧縮機サージの回避を保証する。駆動冷却経路９２の絞り特性が、このようにして燃料電池システム１の動作状態ないし動作点Ｂに応じて適合化される。
【００７５】
調節ユニット１００は、燃料電池システム１の最新の動作状態または動作点Ｂに依存して目標バイパス質量流量を特性マップを用いて規定し、冷却質量流量についての実際値を目標バイパス質量流量に追従させる。調節量は冷却弁９５の開度である。
【００７６】
このように調節ユニット１００は、温度制御だけでなくバイパス質量流量の制御も実行する。
【００７７】
調節ユニット１００はまず第１に、駆動装置２０およびターボマシン１０の各コンポーネントの必要な冷却を保証するべきものであるから、冷却弁９５の調整された開度に基づいてもたらされる冷却質量流量は少なくとも、冷却質量流の出口１２５での目標温度を可能な限り遵守できるような大きさとなる。これに重ね合わされるバイパス質量流量の制御によって、駆動冷却経路９２の出口における媒体の温度についての目標値を調整するために必要な質量流量よりも大きい、結果として生じる冷却質量流量を駆動冷却経路９２で調整することができる。目標温度の調整のために必要な質量流量が調整されるか、または、目標バイパス質量流量が比較的大きい場合に、目標バイパス質量流量が調整されるかのいずれかである。このようにして、必要な冷却作用の調整に加えて圧縮機サージの回避も保証される。冷却弁９５を通じて調整される質量流量は、目標温度の調整を保証するばかりでなく、圧縮機サージの回避のために望ましい相応の圧力制限のためのバイパス質量流量の調整も保証する。
【００７８】
さらに調節ユニット１００は、燃料電池システム１の受信された動作状態ないし動作点Ｂを参照して、作業流体による燃料電池２の貫流が回避されるべき動作状態に燃料電池システム１があるか否かを認識することができる。こうしたケースでも調節ユニット１００は、場合により駆動装置２０の必要な冷却のための目標温度を調整するために生じる冷却質量流量を上回る冷却質量流量につながる開度を調整するために冷却弁９５を制御する。このようにして必要な冷却作用の調整に加えて、作業流体による燃料電池２の貫流の回避も保証される。このことは、たとえば冷却弁９５の完全な開放によって行うことができる。このような動作状態が成立するのは、たとえば燃料電池システム１への空気供給のための圧縮機１１の機能が検査されるべき場合である。その際には、圧縮機１１により十分な圧力と質量流量を提供することができるか否かを検査することが重要となる。このとき燃料電池２を通る作業流体の貫流は、場合により圧縮機１１の誤動作が生じるケースで燃料電池２を保護するためにも回避されるのがよい。このことは、冷却弁９５の完全な開放によって実現することができる。このようなケースでも、冷却弁９５を通じて調整される質量流量は、目標温度の調整だけでなく、燃料電池システム１の現在の動作状態または動作点Ｂにとって望ましいバイパス質量流量ないし目標バイパス質量流量の調整も保証する。
【００７９】
駆動冷却経路９２によって、作業流体が通常は全面的に案内される燃料電池２が、ある程度の部分もしくは完全に迂回される。なぜならば作業流体の一部が圧縮機１１の下流で、燃料電池２に入る前に分岐されるからである。このとき圧縮機１１は上述したとおり、燃料電池２を通る作業流体を圧送することなく、少なくとも１つの動作状態で作動することができる。
【００８０】
図５には、駆動冷却経路９２の出口１２５における目標温度と目標バイパス質量流量の調整の観点から、ターボマシン１０ないし燃料電池システム１を作動させる上述した本発明の方法の一例としての進行についての進行図が示されている。この方法は調節ユニット１００で進行する。
【００８１】
プログラムの開始後、プログラム点２００で、燃料電池システム１の最新の動作状態または動作点Ｂが判定される。その後、プログラム点２０５へと分岐する。
【００８２】
プログラム点２０５で、センサ信号Ｓを用いて、駆動冷却経路９２の出口１２５における実際温度が調節ユニット１００により受信されて、目標温度と比較される。目標温度と実際温度の差に依存して、実際温度を目標温度に追従させるために冷却弁９５の開度が調整される。次いで、プログラム点２１０へと分岐する。
【００８３】
プログラム点２１０で、判定された動作状態Ｂが、燃料電池２を通る作業流体の質量流量の低下を必要とするか否か、あるいは、さらにたとえば圧縮機１１の上述した機能検査のために、この質量流量の中断を必要とするか否かが確認される。それが該当する場合、プログラム点２１５へと分岐し、該当しない場合にはプログラム点２３０へ分岐する。
【００８４】
プログラム点２１５では、燃料電池２を通る質量流量の必要な低下を具体化するために、第１の目標バイパス質量流量が判定される。次いでプログラム点２２０へと分岐する。
【００８５】
プログラム点２２０では、センサ信号Ｓを参照して冷却質量流量についての実際値が調節ユニット１００により受信され、判定された第１の目標バイパス質量流量と比較されて、第１の目標バイパス質量流量が冷却質量流量の実際値よりも小さいか否かが確認される。それが該当する場合にはプログラム点２３０へと分岐し、冷却弁９５の制御が変わらずに維持される。そうでない場合にはプログラム点２２５へと分岐する。
【００８６】
プログラム点２２５では、冷却質量流量の実際値を第１の目標バイパス質量流量に追従させるために、冷却弁９５の開度が増やされる。圧縮機１１の機能検査の例では、冷却弁９５が完全に閉じられる。次いでプログラム点２３０へと分岐する。
【００８７】
プログラム点２３０では、別のセンサ信号Ｖが圧縮機サージの存在に関して評価がなされる。次いでプログラム点２３５へと分岐する。
【００８８】
プログラム点２３５で、圧縮機サージが生じているか否かが確認される。それが該当する場合にはプログラム点２４０へと分岐し、該当しない場合にはプログラムから離れて、燃料電池システム１の動作が継続される中で手順があらためて行われる。
【００８９】
プログラム点２４０で、サージ限界に対して十分な間隔をおくいわゆる安全動作で圧縮機サージが回避される第２の目標バイパス質量流量が、たとえば上述したように特性マップから判定される。サージ限界の近傍での動作は、このケースでは安全上の理由から調整されないのが好ましい。引き続きプログラム点２４５へと分岐する。
【００９０】
プログラム点２４５で、センサ信号Ｓを用いて冷却質量流量についての実際値が調節ユニット１００により受信され、判定された第２の目標バイパス質量流量と比較されて、第２の目標バイパス質量流量が冷却質量流量の実際値よりも小さいか否かが確認される。それが該当する場合、プログラムから離れて冷却弁９５の制御が変わらずに維持される。該当しない場合にはプログラム点２５０へと分岐する。
【００９１】
プログラム点２５０で、冷却質量流量の実際値を第２の目標バイパス質量流量に追従させるために冷却弁９５の開度が増やされる。引き続きプログラムから離れる。
【００９２】
バイパス弁５を備える別個のバイパス通路１５０を省略しなくてよいケースでは、冷却弁９５の制御について、上述した特性マップをベースとする制御または温度調節だけが考慮の対象となり、図５に示す進行図では、プログラムステップ２０５の後にプログラムから離れ、引き続き燃料電池システム１の動作が継続される中で手順があらためて進められることになる。
【００９３】
同じ符号が先行する各図面と同じ部材を表す図５に示す燃料電池システム１の第２の実施例では、図４に示す燃料電池システム１の第１の実施例とは異なり、駆動冷却経路９２がハウジング８から離れた後に、排ガスタービン１３の下流ではなく上流で排ガス配管４に連通する。それにより冷却質量流が排ガスタービン１３にフィードバックされ、その結果、冷却質量流の残留エネルギーの回生が可能となる。ただし、それによって図４に示す第１の実施例と比べて低い圧力勾配と質量流量しか駆動冷却経路９２にわたって可能でない。
【符号の説明】
【００９４】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  空気供給配管
４  排ガス配管
８  ハウジング
１０  ターボマシン
１１  圧縮機
１１ａ  圧縮機入口
１１ｂ  圧縮機出口
１３  排ガスタービン
１３ａ  別の羽根車
１４  シャフト
１５  羽根車
１５ａ  前面
１５ｂ  裏面
１６  流動経路
１７  径方向の流動端部
１８  軸方向の流動端部
２０  駆動装置
２１  ロータ
２２  ステータ
４１，４２  ラジアル軸受
４３  アキシャル軸受
８８  換気孔
８９  裏壁
９１  ホイール裏経路
９２  駆動冷却経路
９２ｂ  第１の部分経路
９２ｃ  第２の部分経路
９２ｅ  第３の部分経路
９３  熱交換器
９５  冷却弁
９６  部分経路弁
１００  調節ユニット
１５０  バイパス通路
【図１】
2021511645.tif 000003
【図２】
2021511645.tif 000004
【図３】
2021511645.tif 000005
【図４】
2021511645.tif 000006
【図５】
2021511645.tif 000007
【図６】
2021511645.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】令和2年7月15日(2020.7.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に燃料電池システム（１）のためのターボマシン（１０）であって、圧縮機（１１）と、駆動装置（２０）と、シャフト（１４）とを有し、前記圧縮機（１１）は、前記シャフト（１４）の上に配置された羽根車（１５）と、圧縮機入口（１１ａ）と、圧縮機出口（１１ｂ）とを有し、作業流体を前記圧縮機入口（１１ａ）から前記圧縮機出口（１１ｂ）へと圧送可能である、そのようなターボマシンにおいて、
駆動装置（２０）を冷却するための駆動冷却経路（９２）が前記圧縮機出口（１１ｂ）で分岐することを特徴とするターボマシン。
【請求項２】
前記駆動冷却経路（９２）に前記駆動装置（２０）の上流側で熱交換器（９３）が配置されることを特徴とする、請求項１に記載のターボマシン（１０）。
【請求項３】
前記駆動装置（２０）はロータ（２１）とステータ（２２）を有し、前記ロータ（２１）は前記シャフト（１４）の上に配置され、前記駆動冷却経路（９２）は前記ロータ（２１）と前記ステータ（２２）の間の間隙を通ることを特徴とする、請求項１または２に記載のターボマシン（１０）。
【請求項４】
前記シャフト（１４）は２つのラジアル軸受（４１，４２）によって支承され、前記両方のラジアル軸受（４１，４２）は前記駆動冷却経路（９２）に配置されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のターボマシン（１０）。
【請求項５】
前記駆動冷却経路（９２）は第１の部分経路（９２ｂ）と第２の部分経路（９２ｃ）に分岐し、前記ラジアル軸受（４１）は前記第１の部分経路（９２ｂ）に配置され、前記ラジアル軸受（４２）は前記第２の部分経路（９２ｃ）に配置されることを特徴とする、請求項４に記載のターボマシン（１０）。
【請求項６】
前記シャフト（１４）はアキシャル軸受（４３）により支承され、前記アキシャル軸受（４３）は前記第１の部分経路（９２ｂ）に配置されることを特徴とする、請求項５に記載のターボマシン（１０）。
【請求項７】
前記シャフト（１４）はアキシャル軸受（４３）と少なくとも１つのラジアル軸受（４１，４２）とによって支承され、前記駆動冷却経路（９２）は第１の部分経路（９２ｂ）と第２の部分経路（９２ｃ）に分岐し、前記アキシャル軸受（４３）は前記第１の部分経路（９２ｂ）に配置され、前記ラジアル軸受（４１，４２）は前記第２の部分経路（９２ｃ）に配置されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のターボマシン（１０）。
【請求項８】
前記第１の部分経路（９２ｂ）に−好ましくは前記アキシャル軸受（４３）の下流側で−部分経路弁（９６）が配置されることを特徴とする、請求項５または７に記載のターボマシン（１０）。
【請求項９】
前記羽根車（１５）の裏面（１５ｂ）に向かい合うように裏壁（８９）が前記ターボマシン（１０）のハウジング（８）の一部として配置され、前記裏壁（８９）には換気孔（８８が構成され、前記換気孔（８８）は前記圧縮機出口（１１ｂ）から分岐する前記ターボマシン（１０）のホイール裏冷却経路（９１）に配置されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１０】
前記シャフト（１４）はアキシャル軸受（４３）により支承され、前記ホイール裏冷却経路（９１）は前記アキシャル軸受（４３）を通ることを特徴とする、請求項９に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１１】
前記シャフト（１４）は２つのラジアル軸受（４１，４２）によって支承され、前記駆動冷却経路（９２）は第１の部分経路（９２ｂ）と第２の部分経路（９２ｃ）に分岐し、前記ラジアル軸受（４１）は前記第１の部分経路（９２ｂ）に配置され、前記ラジアル軸受（４２）は前記第２の部分経路（９２ｃ）に配置され、前記ホイール裏冷却経路（９１）は前記第１の部分経路（９２ｂ）に連通することを特徴とする、請求項９または１０に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１２】
前記羽根車（１５）はラジアル羽根車として施工され、前記羽根車（１５）はその前面（１５ａ）で作業流体により流動経路（１６）に沿って貫流可能であり、前記流動経路（１６）は軸方向の流動端部（１８）と径方向の流動端部（１７）を含むことを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１３】
前記圧縮機出口（１１ｂ）でバイパス通路（９２）が特に圧力制限のために分岐することを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１４】
前記バイパス通路（９２）にバイパス弁（９５）が配置されることを特徴とする、請求項１３に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１５】
前記バイパス通路は前記駆動冷却経路（９２）によって構成されることを特徴とする、請求項１３または１４に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１６】
前記駆動冷却経路（９２）に冷却弁（９５）が好ましくは両方の前記部分経路（９２ｂ，９２ｃ）の上流側で配置されることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか１項に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１７】
前記バイパス弁は前記冷却弁（９５）によって構成されることを特徴とする、請求項１４を引用している限りにおける請求項１６に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１８】
好ましくは前記駆動冷却経路（９２）の下流側の端部の領域での前記駆動冷却経路（９２）における媒体の温度の実際値を温度の目標値に追従させるために前記冷却弁（９５）の開度を制御する調節ユニット（１００）が設けられることを特徴とする、請求項１６または１７に記載のターボマシン（１０）。
【請求項１９】
前記調節ユニット（１００）は、前記駆動冷却経路（９２）における媒体の温度についての目標値に依存して、および所望のバイパス質量流量に依存して前記冷却弁（９５）の開度を制御することを特徴とする、請求項１８に記載のターボマシン（１０）。
【請求項２０】
燃料電池（２）と、前記燃料電池（２）に酸化剤を供給するための空気供給配管（３）と、前記燃料電池（２）から酸化剤を排出するための排ガス配管（４）とを有する燃料電池システム（１）において、前記燃料電池システム（１）は請求項１から１９のいずれか１項に記載のターボマシン（１０）を有し、前記圧縮機（１１）は前記空気供給配管（３）に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２１】
前記燃料電池システム（１）は別の羽根車（１３ａ）を備える排ガスタービン（１３）を有し、前記別の羽根車（１３ａ）は前記シャフト（１４）の上に配置され、前記排ガスタービン（１３）は前記排ガス配管（４）に配置される、請求項２０に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項２２】
前記駆動冷却経路（９２）は前記排ガスタービン（１３）の上流側で前記排ガス配管（４）に連通することを特徴とする、請求項２１に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項２３】
前記駆動冷却経路（９２）は前記排ガスタービン（１３）の下流側で前記排ガス配管（４）に連通することを特徴とする、請求項２１に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項２４】
請求項１８または１９に記載のターボマシン（１０）を作動させる方法において、前記駆動冷却経路（９２）における媒体の温度についての所定の目標値を調整するために前記冷却弁（９５）の開度が前記調節ユニット（１００）により制御されることを特徴とする方法。
【請求項２５】
検知された圧縮機サージに依存して、前記駆動冷却経路（９２）における媒体の温度についての目標値を調整するために必要な質量流量よりも大きい所望のバイパス質量流量を前記駆動冷却経路（９２）で調整するために、前記冷却弁（９５）の開度が前記調節ユニット（１００）により制御されることを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
請求項１９に記載のターボマシン（１０）を有する請求項２０から２３のいずれか１項に記載の燃料電池システム（１）を作動させる方法において、前記燃料電池システム（１）の所望の動作状態に依存して、前記駆動冷却経路（９２）における媒体の温度についての目標値を調整するために必要な質量流量よりも大きい所望のバイパス質量流量を前記駆動冷却経路（９２）で調整するために、前記冷却弁（９５）の開度が前記調節ユニット（１００）により制御されることを特徴とする方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
図１と比較したとき、図４に示す燃料電池システム１は、別個のバイパス弁５を備えた別個のバイパス通路１５０を有していない。図４に示す実施形態では、バイパス通路は駆動冷却経路９２によって形成される。換言すると駆動冷却経路９２は、駆動装置２０およびターボマシン１０の各コンポーネントの冷却に追加して、バイパス通路１５０の機能も担う。これに準じて冷却弁９５は、駆動冷却経路９２の出口１２５における冷却質量流量の目標温度の調整に追加して、所望のバイパス質量流量の調整の機能も担う。換言すると冷却弁９５は、バイパス弁５の機能を追加的に担う。このように、冷却質量流量が同時にバイパス質量流量の機能を担う。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
図６には、駆動冷却経路９２の出口１２５における目標温度と目標バイパス質量流量の調整の観点から、ターボマシン１０ないし燃料電池システム１を作動させる上述した本発明の方法の一例としての進行についての進行図が示されている。この方法は調節ユニット１００で進行する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９２】
バイパス弁５を備える別個のバイパス通路１５０を省略しなくてよいケースでは、冷却弁９５の制御について、上述した特性マップをベースとする制御または温度調節だけが考慮の対象となり、図６に示す進行図では、プログラムステップ２０５の後にプログラムから離れ、引き続き燃料電池システム１の動作が継続される中で手順があらためて進められることになる。
【国際調査報告】
2021511645.tif 000009
2021511645.tif 000010
2021511645.tif 000011
2021511645.tif 000012
2021511645.tif 000013
2021511645.tif 000014