(57)【要約】【課題】  特に燃料電池システム（１）のためのターボコンプレッサ（１０）。【解決手段】  ターボコンプレッサ（１０）は、第１の圧縮機ユニット（１０１）と第２の圧縮機ユニット（１０２）とを有する。第１の圧縮機ユニット（１０１）は、駆動ユニット（２０）により駆動可能な第１のシャフト（１４）に配置された第１の圧縮機（１１）を含む。第２の圧縮機ユニット（１０２）は、第２の圧縮機（１２）と排気ガスタービン（１３）とを含む。第２の圧縮機（１２）と排気ガスタービン（１３）は第２のシャフト（２４）に配置される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の圧縮機ユニット（１０１）と第２の圧縮機ユニット（１０２）とを有し、前記第１の圧縮機ユニット（１０１）は第１の駆動ユニット（２０）により駆動可能な第１のシャフト（１４）に配置された第１の圧縮機（１１）を含み、前記第２の圧縮機ユニット（１０２）は第２の圧縮機（１２）と排気ガスタービン（１３）とを含む、特に燃料電池システム（１）のためのターボコンプレッサにおいて、
前記第２の圧縮機（１２）と前記排気ガスタービン（１３）が第２のシャフト（２４）に配置されることを特徴とするターボコンプレッサ（１０）。
【請求項２】
前記第２のシャフト（２４）は第２の駆動ユニット（２５）により駆動可能であることを特徴とする、請求項１に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項３】
前記第１の駆動ユニット（２０）は高電圧電動モータとして施工され、前記第２の駆動ユニット（２５）は低電圧電動モータとして施工されることを特徴とする、請求項２に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項４】
前記第１の駆動ユニット（２０）は低電圧電動モータとして施工され、前記第２の駆動ユニット（２５）は高電圧電動モータとして施工されることを特徴とする、請求項２に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項５】
前記第１の圧縮機（１１）と前記第２の圧縮機（１２）は並列につながれることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項６】
前記第１の圧縮機（１１）と前記第２の圧縮機（１２）は直列につながれることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項７】
前記第１の圧縮機（１１）と前記第２の圧縮機（１２）の間に熱交換器（１９）が配置されることを特徴とする、請求項６に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項８】
前記第２のシャフト（２４）は少なくとも１つのシャフト軸受（２４１，２４２）によって支承され、前記第１の圧縮機（１１）と前記第２の圧縮機（１２）は空気供給配管（３）に配置され、前記第１の圧縮機（１１）と前記第２の圧縮機（１２）の間で軸受配管（２４３）が前記シャフト軸受（２４１，２４２）への流体圧力の供給のために前記空気供給配管（３）から分岐することを特徴とする、請求項６または７に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項９】
前記第２のシャフト（２４）に圧縮空気ブレーキが配置され、前記圧縮空気ブレーキは前記軸受配管（２４３）に接続されることを特徴とする、請求項８に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項１０】
前記軸受配管（２４３）の分岐部と前記第２の圧縮機（１２）の間で軸受配管弁（２４４）が前記空気供給配管（３）に配置されることを特徴とする、請求項８または９に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項１１】
前記第１の圧縮機（１１）と前記第２の圧縮機（１２）は燃料電池システム（１）の空気供給配管（３）に配置され、前記排気ガスタービン（１３）は前記燃料電池システム（１）の排気ガス配管（４）に配置されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項１２】
第３の圧縮機（１５）が前記第１のシャフト（１４）に配置されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項１３】
前記第１の圧縮機（１１）と前記第３の圧縮機（１５）は並列につながれることを特徴とする、請求項１２に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項１４】
前記第１の圧縮機（１１）と前記第３の圧縮機（１５）は直列につながれることを特徴とする、請求項１２に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項１５】
前記第１の圧縮機（１１）、前記第２の圧縮機（１２）、および前記第３の圧縮機（１５）は燃料電池システム（１）の空気供給配管（３）に配置され、前記排気ガスタービン（１３）は前記燃料電池システム（１）の排気ガス配管（４）に配置されることを特徴とする、請求項１２から１４のいずれか１項に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項１６】
前記第２の圧縮機（１２）と並列に圧縮機バイパス弁（１６）が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項に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項１７】
前記排気ガスタービン（１３）と並列に排気ガスバイパス弁（１７）が配置されることを特徴とする、請求項１から１６のいずれか１項に記載のターボコンプレッサ（１０）。
【請求項１８】
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）から酸化剤を運び出すための排気ガス配管（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１７のいずれか１項に記載のターボコンプレッサ（１０）を有し、前記第１の圧縮機（１１）と前記第２の圧縮機（１２）は前記空気供給配管（３）に配置され、前記排気ガスタービン（１３）は前記排気ガス配管（４）に配置されることを特徴とする燃料電池システム（１）。
【請求項１９】
燃料電池システム（１）を始動させる方法であって、前記燃料電池システム（１）は、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）から酸化剤を運び出すための排気ガス配管（４）とを含み、前記燃料電池システム（１）は請求項１０に記載のターボコンプレッサ（１０）を有する、そのような方法において、次の各方法ステップ：
軸受配管弁（２４４）が閉じられ、ないしは閉じたままに保たれ、
前記第１の駆動ユニット（２０）が始動することによって前記空気供給配管（３）での酸化剤の送出が始動し、
前記シャフト軸受（２４１，２４２）における最低圧力に達したときに前記軸受配管弁（２４４）が開かれる、方法ステップを有することを特徴とする方法。
【請求項２０】
燃料電池システム（１）を停止させる方法であって、前記燃料電池システム（１）は、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）から酸化剤を運び出すための排気ガス配管（４）とを含み、前記燃料電池システム（１）は請求項１０に記載のターボコンプレッサ（１０）を有する、そのような方法において、次の各方法ステップ：
前記軸受配管弁（２４４）が閉じられ、
前記第２のシャフト（２４）の回転数が限界回転数を下回ったときに前記第１の駆動ユニット（２０）を停止させる、方法ステップを有することを特徴とする方法。
【請求項２１】
燃料電池システム（１）を始動させる方法であって、前記燃料電池システム（１）は、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）から酸化剤を運び出すための排気ガス配管（４）とを含み、前記燃料電池システム（１）は請求項８に記載のターボコンプレッサ（１０）を有し、第２の圧縮機（１２）と並列に圧縮機バイパス弁（１６）が配置され、前記排気ガスタービン（１３）と並列に排気ガスバイパス弁（１７）が配置される、そのような方法において、次の各方法ステップ：
前記圧縮機バイパス弁（１６）と前記排気ガスバイパス弁（１７）が開かれ、ないしは開いたままに保たれ、
前記第１の駆動ユニット（２０）の始動によって前記空気供給配管（３）での酸化剤の送出が始動し、
前記シャフト軸受（２４１，２４２）で最低圧力に達したときに前記圧縮機バイパス弁（１６）と前記排気ガスバイパス弁（１７）が閉じられる、方法ステップを有することを特徴とする方法。
【請求項２２】
燃料電池システム（１）を停止させる方法であって、前記燃料電池システム（１）は、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）から酸化剤を運び出すための排気ガス配管（４）とを含み、前記燃料電池システム（１）は請求項８に記載のターボコンプレッサ（１０）を有し、前記第２の圧縮機（１２）と並列に圧縮機バイパス弁（１６）が配置され、前記排気ガスタービン（１３）と並列に排気ガスバイパス弁（１７）が配置される、そのような方法において、次の各方法ステップ：
前記圧縮機バイパス弁（１６）と前記排気ガスバイパス弁（１７）が開かれ、
前記第２のシャフト（２４）の回転数が限界回転数を下回ったときに前記第１の駆動ユニット（２０）が停止される、方法ステップを有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はターボコンプレッサ、特に燃料電池システムのためのターボコンプレッサに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムのためのターボコンプレッサは従来技術から知られており、たとえば先公開されていない特許文献１から知られている。公知のターボコンプレッサは、駆動ユニットにより駆動可能なシャフトを有している。このシャフトに２つの圧縮機と、１つの排気ガスタービンが配置されている。
【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１０２０１７２０５７０４号明細書
【発明の概要】
【０００４】
それに対して本発明によるターボコンプレッサは、特にそれが燃料電池システムで利用されたときに、向上した性能とダイナミクスとを有する。さらにこのターボコンプレッサは、発展形となる実施形態においては軸受負荷の低減を実現することができる。
【０００５】
そのためにターボコンプレッサは、第１の圧縮機ユニットと第２の圧縮機ユニットとを含む。第１の圧縮機ユニットは、駆動ユニットにより駆動可能な第１のシャフトに配置された第１の圧縮機を含む。第２の圧縮機ユニットは、第２の圧縮機と排気ガスタービンとを含む。第２の圧縮機と排気ガスタービンは第２のシャフトに配置される。
【０００６】
それにより第１の圧縮機の回転数が、第２の圧縮機および排気ガスタービンの回転数に依存しない。したがって、両方の圧縮機が並列につながれるか直列につながれるかに応じて、第１の圧縮機によって生成される圧力ないし質量流量が、第２の圧縮機によって生成される圧力ないし質量流量に依存しなくなる。それにより、ターボコンプレッサが一方ではその動作点に関していっそうフレキシブルとなり、他方では、いっそう迅速に動作点に到達することができる。
【０００７】
両方の圧縮機と排気ガスタービンは、圧縮機動作でも応力緩和動作でも非常に効率的であるラジアル羽根車として設計されるのが好ましい。
【０００８】
好ましい実施形態では、第２のシャフトは第２の駆動ユニットにより駆動可能である。それにより、第２の圧縮機ユニットを第２の駆動ユニットによりブーストすることができる。ターボコンプレッサの設計形態に応じて、第１の圧縮機または第２の圧縮機がマスタ圧縮機として施工されていてよく、これらに要求される質量流量の大部分について担当していてよい。そして、それぞれ他方の圧縮機は追加圧縮機として施工されて、たとえば負荷ピークのときに作動開始することができ、ないしは第２の駆動ユニットによって補助され得る。この実施形態では、ターボコンプレッサがその負荷点に関して特別にフレキシブルになる。マスタ圧縮機として施工される圧縮機−ないしその駆動ユニット−は高電圧で作動し、追加圧縮機として施工される圧縮機−ないしその駆動ユニット−は低電圧で作動するのが好ましい。高電圧は４８Ｖ、低電圧は１２Ｖであるのが好ましい。
【０００９】
好ましい発展例では、駆動ユニットは−および任意選択として第２の駆動ユニットも−それぞれステータとロータとを有し、すなわち電動モータとして施工されるのが好ましい。それにより、両方の圧縮機ユニットを非常に迅速に制御することができ、第１のシャフトと第２のシャフトの回転数の変更を非常に迅速に具体化可能であり、このことはターボコンプレッサの高いダイナミクスにつながる。
【００１０】
第２の駆動ユニットにより、高電圧圧縮機に不具合が生じても必ずしも燃料電池システムの失陥にはつながらない。低電圧圧縮機もその熱に関わる設計に依存して、低減された空気質量流量を比較的長期間にわたって送出することができ、それに伴い、少なくとも燃料電池システムの非常運転を可能にする。
【００１１】
第１の駆動ユニットは高電圧電動モータとして施工され、第２の駆動ユニットは低電圧電動モータとして施工されるのが特別に好ましい。それにより、第１の圧縮機ユニットが電動モータによって比較的強力に駆動される。第２の圧縮機ユニットは通常動作のとき主として排気ガスタービンにより駆動されるのが好ましい；しかしながら負荷ピークについては、第２の圧縮機をブーストするために第２の駆動ユニットを作動開始させることができる。
【００１２】
好ましい実施形態では、第１の圧縮機と第２の圧縮機が並列につながれる。それにより一方の圧縮機を、負荷ピークのための追加の質量流量を供給する追加圧縮機として施工することができる。
【００１３】
別案の好ましい実施形態では、第１の圧縮機と第２の圧縮機が直列につながれる。それにより、２段階ないし多段階の圧縮が行われることによって、送出される流体の圧力をいっそう高めることができる。
【００１４】
好ましい発展例では、第１の圧縮機と第２の圧縮機の間に熱交換器が配置される。熱交換器は、両方の圧縮機により送出される流体を冷却するための役目を果たす。それによって圧縮の効果が高められる。
【００１５】
好ましい実施形態では、第２のシャフトは少なくとも１つのシャフト軸受によって支承される。第１の圧縮機と第２の圧縮機は空気供給配管に配置される。第１の圧縮機と第２の圧縮機の間で、軸受配管がシャフト軸受に流体圧力を供給するために空気供給配管から分岐する。少なくとも１つのシャフト軸受は、第１の圧縮機によって送出される、圧力のもとにある流体の供給を受ける気体軸受として施工されるのが好ましい。このような流体圧力によって流体力学的な潤滑膜がシャフト軸受に生成され、それによりシャフト軸受における摩耗が低減され、ないしはさらに排除される。後置された第２の圧縮機によって引き続き流体が、たとえば燃料電池に酸化剤を供給するために必要な圧力にされる。さらに、シャフト軸受を冷却するためにも流体を利用することができる。
【００１６】
好ましい発展例では、軸受配管の分岐部と第２の圧縮機との間で軸受配管弁が空気供給配管に配置される。そのようにして軸受配管弁は、第２の圧縮機への流体の質量流を開放または遮断することができる。それによって第２の圧縮機が、およびそれに伴って第２のシャフトが、シャフト軸受が十分な流体圧力で付勢されたときに初めて回転することを保証することができる。
【００１７】
上記に応じて、燃料電池システムを始動させる方法は次の各方法ステップを有する：
−軸受配管弁が閉じられ、ないしは閉じたままに保たれ、
−次いで、駆動ユニットが始動することによって、空気供給配管での酸化剤の送出が始動し、
−最後に、シャフト軸受における最低圧力に達したときに軸受配管弁が開かれる。
【００１８】
このとき最低圧力は１．５バールから２．０バールの間であるのが好ましい。燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池へ酸化剤を供給するための空気供給配管と、反応した酸化剤を燃料電池から運び出すための排気ガス配管とを含む。さらに燃料電池システムは、特にシャフト軸受と、軸受配管と、軸受配管弁とを有する、上に説明したターボコンプレッサを含む。したがって、ターボコンプレッサによって送出される流体は酸化剤である。
【００１９】
上記に準じて、燃料電池システムを停止させる方法は次の各方法ステップを有する：
−軸受配管弁が閉じられ、
−次いで、第２のシャフトの回転数が限界回転数を下回ったときに駆動ユニットを停止させる。
【００２０】
このとき限界回転数は０から５，０００回転の範囲内にあり、このことは排気ガスターボチャージャにとっての低い回転数に相当する。燃料電池システムを始動および停止させる方法により、シャフト軸受が特別に低摩耗で作動する。なぜならシャフト軸受での流体力学的な潤滑膜を補助するための流体圧力が常に十分に形成されるからである。さらに、特に第１の圧縮機と軸受配管への分岐部との間に、流体を冷却するための熱交換器が配置されていれば、酸化剤によってシャフト軸受を冷却することもできる。
【００２１】
好ましい実施形態では、第１の圧縮機と第２の圧縮機は燃料電池システムの空気供給配管に配置され、排気ガスタービンは燃料電池システムの排気ガス配管に配置される。このとき空気供給配管は燃料電池へ酸化剤を流入させるための役目を果たし、排気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。
【００２２】
ターボコンプレッサの好ましい発展例では、第３の圧縮機が第１のシャフトに配置される。この圧縮機は、さらに別の圧縮機段または質量流量の増大が具体化されるべきであるか否かに応じて、第１の圧縮機と並列または直列につながれていてよい。
【００２３】
それに応じて第１の圧縮機、第２の圧縮機、および第３の圧縮機は燃料電池システムの空気供給配管に配置され、排気ガスタービンは燃料電池システムの排気ガス配管に配置されるのが好ましい。
【００２４】
特別に好ましい実施形態では、第２の圧縮機と並列に圧縮機バイパス弁が配置される。それにより、送出されるべき流体ないし酸化剤の質量流を、選択的に、第２の圧縮機を通るように案内するか、または圧縮機バイパスを通って第２の圧縮機のそばを通過するように案内することができる。第２の圧縮機を通る質量流量を正確に調量するための中間位置も可能である；このことは特に、第１の圧縮機に対する第２の圧縮機の並列回路の場合に好ましい。第２の圧縮機が第２の駆動ユニットにより駆動されるとき、ターボチャージャの動作点が第２の圧縮機の使用を必要としない場合には、圧縮機バイパスによってこれをエネルギー節減式に迂回することができる。さらに、好ましい始動・停止ストラテジーのために圧縮機バイパス弁を利用することもできる。
【００２５】
別の好ましい実施形態では、排気ガスタービンと並列に排気ガスバイパス弁が配置される。それにより、送出されるべき流体ないし反応した酸化剤の質量流を、選択的に、排気ガスタービンを通るように案内するか、または排気ガスバイパスを通って排気ガスタービンのそばを通過するように案内することができる。排気ガスタービンを通る質量流量を正確に調量するための中間位置も可能である；このことは特に、第２の圧縮機ユニットが減速される場合に好ましい。
【００２６】
それに応じて燃料電池システムを始動させる方法は、次の各方法ステップを有する：
−圧縮機バイパス弁と排気ガスバイパス弁が開かれ、ないしは開いたままに保たれ、
−次いで、駆動ユニットの始動によって空気供給配管での酸化剤の送出が始動し、
−最後に、シャフト軸受で最低圧力に達したときに、圧縮機バイパス弁と排気ガスバイパス弁が閉じられる。
【００２７】
このとき最低圧力は１．５バールから２．０バールの間であるのが好ましい。燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池へ酸化剤を供給するための空気供給配管と、反応した酸化剤を燃料電池から運び出すための排気ガス配管とを含む。さらに燃料電池システムは、特にシャフト軸受と、軸受配管と、圧縮機バイパス弁と、排気ガスバイパス弁とを有する、上に説明したターボコンプレッサを含む。したがって、ターボコンプレッサによって送出される流体は酸化剤である。
【００２８】
上記に準じて、燃料電池システムを停止させる方法は次の各方法ステップを有する：
−圧縮機バイパス弁と排気ガスバイパス弁が開かれ、
−次いで、第２のシャフトの回転数が限界回転数を下回ったときに駆動ユニットが停止する。
【００２９】
このとき限界回転数は０から５，０００回転の範囲内にあり、このことは排気ガスターボチャージャにとっての低い回転数に相当する。燃料電池システムを始動および停止させる方法により、シャフト軸受が特別に低摩耗で作動する。なぜならシャフト軸受での流体力学的な潤滑膜を補助するための流体圧力が常に十分に形成されるからである。さらに、特に第１の圧縮機と軸受配管への分岐部との間に流体を冷却するための熱交換器が配置されていれば、酸化剤によってシャフト軸受を冷却することもできる。
【００３０】
第２のシャフトに圧縮空気ブレーキが配置されるのが好ましく、圧縮空気ブレーキは軸受配管に接続される。圧縮機バイパス弁と排気ガスバイパス弁はある程度の圧力損失を有し得るので、そのようなケースでは、バイパス弁が完全に開いているときでも流体が排気ガスターボチャージャを通って流れて、これを回転開始させ得る。そこで、圧縮空気ブレーキが第２のシャフトに取り付けられる。圧縮空気ブレーキは、好ましくはシャフト軸受の最小の供給圧力を上回る圧力閾値に達したときに初めて解除され、それにより、シャフト軸受での流体圧力が低いときの第２のシャフトの回転開始が回避される。
【００３１】
ターボコンプレッサの上述した各実施形態は、燃料電池システムで適用されるのが好ましい。燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池へ酸化剤を供給するための空気供給配管と、酸化剤を燃料電池から運び出すための排気ガス配管とを含む。運び出される酸化剤は、燃料電池で全面的または部分的に化学反応することができる。ターボコンプレッサの圧縮機と第２の圧縮機は空気供給配管に配置される。そして、ターボコンプレッサの排気ガスタービンは排気ガス配管に配置される。両方の圧力段、ないし両方の圧縮機を通る酸化剤の合算された質量流は、空気供給配管で特別に効果的である。さらに、このようにして第１のシャフトおよび／または第２のシャフトのシャフト軸受も、特に熱交換器が事前につながれている場合に、酸化剤によって潤滑、冷却することができる。燃料電池から流出する反応した酸化剤を、排気ガスタービンのための出力源として非常に効果的に利用することができる。
【００３２】
燃料電池システムは、自動車の駆動ユニット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。
【００３３】
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】
【００３４】
【図１】従来技術に基づくターボコンプレッサ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】従来技術に基づくターボコンプレッサを示す模式的な断面図である。
【図３】燃料電池システムにおける本発明のターボコンプレッサを模式的に示す図であり、主要な領域だけが図示されている。
【図４】燃料電池システムにおける本発明の別のターボコンプレッサを模式的に示す図であり、主要な領域だけが図示されている。
【図５】燃料電池システムにおける本発明のさらに別のターボコンプレッサを模式的に示す図であり、主要な領域だけが図示されている。
【図６】燃料電池システムにおける本発明のさらに別のターボコンプレッサを模式的に示す図であり、主要な領域だけが図示されている。
【図７】燃料電池システムにおける本発明のさらに別のターボコンプレッサを模式的に示す図であり、主要な領域だけが図示されている。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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、排気ガス配管４と、圧縮機１１と、排気ガスタービン１３と、圧力低減のためのバイパスフラップ５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。バイパスフラップ５は、たとえば制御フラップであってよい。バイパスフラップ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。
【００３６】
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。燃料電池２は、たとえば自動車の駆動ユニット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。
【００３７】
圧縮機１１は空気供給配管３に配置されている。排気ガスタービン１３は排気ガス配管４に配置されている。圧縮機１１と排気ガスタービン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は駆動ユニット２０により電気駆動可能である。排気ガスタービン１３は、シャフト１４ないし圧縮機１１を駆動する駆動ユニット２０を補助するための役目を果たす。圧縮機１１、シャフト１４、および排気ガスタービン１３が共同でターボコンプレッサ１０を構成する。
【００３８】
図２は、特に燃料電池システム１で使用するための、特許文献１から公知となっているターボコンプレッサ１０を同じく示している。このターボコンプレッサ１０は、駆動ユニット２０と、第１の圧縮機１１と、排気ガスタービン１３と、第２の圧縮機１２とを含んでいる。第１の圧縮機１１、第２の圧縮機１２、および排気ガスタービン１３は共通のシャフト１４に配置されており、それによりシャフト１４の回転時にこれらが同じ仕方で回転する。
【００３９】
駆動ユニット２０は電気モータとして施工されており、ロータ２２とステータ２１を含んでいる。ロータ２２は同じくシャフト１４に配置されている。ステータ２１は、ターボコンプレッサ１０の図示しないハウジングで定置に位置決めされている。シャフト１４は駆動ユニット２０の両方の側で、それぞれ１つの軸受２３によって回転可能に支承されている。
【００４０】
空気通路３１が空気供給配管３の一部として、外部からターボコンプレッサ１０へと通じ、そこで第１の圧縮機１１に軸方向で連通して半径方向に第１の圧縮機１１から出て、さらに第２の圧縮機１２へと通じ、そこで同じく第２の圧縮機１２へ軸方向に連通し、半径方向に第２の圧縮機１２から出て、引き続いてターボコンプレッサ１０から導出されるように構成されている。その後、空気供給配管３は燃料電池２へと通じているが、これは図２には示されていない。
【００４１】
排気ガス配管４は燃料電池２からターボコンプレッサ１０へと通じていて、そこで半径方向に排気ガスタービン１３に連通して軸方向に排気ガスタービン１３から出て、引き続き同じくターボコンプレッサ１０から再度導出される。
【００４２】
第２の圧縮機１２を利用することで、空気供給配管３を介して吸い込まれる空気−ないし吸い込まれる酸化剤−を、ただ１つの圧縮機１１がターボコンプレッサ１０に存在する場合よりも強力に圧縮することができる。さらに、第１の圧縮機１１、第２の圧縮機１２、および排気ガスタービン１３はそれぞれの流動案内と圧力勾配に関して、ターボコンプレッサ１０の作動時にシャフト１４に対して生じる軸方向の合力がほぼゼロになるように構成することができる。それに伴ってターボコンプレッサ１０が圧力補償され、それにより、軸受２３がほぼ軸方向力を受け止めなくてよくなる。
【００４３】
図３は、燃料電池システム１における本発明のターボコンプレッサ１０を示している。このターボコンプレッサ１０は、第１の圧縮機ユニット１０１と第２の圧縮機ユニット１０２を有している。第１の圧縮機ユニット１０１は、第１の圧縮機１１と、第１のシャフト１４と、駆動ユニット２０とを含んでおり、第１の圧縮機１１は第１のシャフト１４に配置され、第１のシャフト１４は駆動ユニット２０により駆動される；このとき駆動ユニット２０は電動モータであるのが好ましい。第２の圧縮機ユニット１０２は、第２の圧縮機１２と、第２のシャフト２４と、排気ガスタービン１３とを含んでおり、第２の圧縮機１２と排気ガスタービン１３は第２のシャフト２４に配置されている。
【００４４】
第１の圧縮機１１と第２の圧縮機１２は、ラジアル羽根車として施工されるのが好ましい。これらは空気供給配管３で直列に配置されているが、別案の実施形態では、空気供給配管３で並列回路に配置されていてもよい。第２のシャフト２４は排気ガスタービン１３によって駆動され、これを通って排気ガスないし反応した酸化剤が排気ガス配管４に流れる。このように、第２の圧縮機ユニット１０２は排気ガスターボチャージャとして施工されている。
【００４５】
このように、燃料電池２のために必要なたとえば３バールの空気圧が、好ましくは電気駆動される圧縮機１１のΠ１１＝１．８の第１の圧力比と第２の圧縮機１２の同じくΠ１２＝１．８の第２の圧力比とをもって、２つの段階で生成される。こうして燃料電池２を３バールを超えて作動させることができ、それに伴って排気ガスタービン１３は第２の圧縮機ユニット１０２の駆動のために−および第２の圧力比Π１２＝１．８の生成のために−、約３の圧力比を利用することができる。このように高い圧力比によって排気ガスタービン１３は、第２の圧縮機１２を駆動することができる。
【００４６】
それにより両方の圧縮機１１，１２は、１段階の圧縮機の通常ケースにおけるよりも控えめな圧力比で設計されている。それに伴って設計可能性がいっそう広くロバストになっており、したがって、好ましくはラジアル羽根車として設計される圧縮機１１，１２の比較的低い円周速度によって、いっそう低コストな材料を使用することができる。
【００４７】
それぞれ最善の回転数も選択することができる：電気駆動される第１の圧縮機１１については比較的低い回転数（たとえば１分あたり約７０，０００回転）であり、第２の圧縮機１２についてはこれより明らかに高い回転数（たとえば１分あたり約２００，０００回転）である。このように、第１の圧縮機ユニット１０１の軸受コンセプトを簡素化することができる。転がり軸受を使用可能である。さらに、駆動ユニット２０による駆動をいっそう好都合に具体化できる。というのも、出力需要が低く、制御周波数が低下するからである。それに対して第２の圧縮機ユニット１０２は、最善の効率で作動させることができる。排気ガス配管４で利用可能な排気ガスエンタルピーをいっそう効果的に利用することができる。
【００４８】
駆動ユニット２０の出力需要が比較的低いことにより、燃料電池２での保留出力を低減することができ、これは燃料電池システム１のコストにポジティブな影響を有する。寄生出力が低減されるので、燃料消費量−たとえば水素−も減少する。
【００４９】
本発明の思想により、第１の圧縮機ユニット１０１の第１の圧縮機１１の慣性モーメントが低減される。なぜなら電気駆動される圧縮が、１段階の圧縮の通常ケースにおけるよりも小さいからである。それにより、第１の圧縮機ユニット１０１のパワーエレクトロニクスをいっそう小型にディメンショニングすることができる。なぜならその設計は駆動ユニット２０の、特にロータの高加速に依存して決まるからである。加速時には、駆動ユニット２０が一時的にいっそう大きいモーメントを放出する。このことはパワーエレクトロニクスにとっていっそう高い電流を意味し、チップ面積と冷却コンセプトに関わる帰結を伴う。加速要求事項はいわゆるｔ９０−加速時間として設定される。典型的な要求事項はｔ９０＿ｍａｘ＝１．０ｓである。
【００５０】
第１の圧縮機１１と第２の圧縮機１２による２段階の圧縮によって、燃料電池２における圧力のいっそうの引上げを、たとえば４バールへの引き上げを、具体化可能である。それに伴って燃料電池２の内部湿潤が改善され、場合により外部の加湿器を省略することができ、燃料電池システム１のコストにさらにポジティブな影響がもたらされる。このとき両方の圧縮機１１，１２は設計に関して調節可能であり、排気ガスタービン１３による出力回収がいっそう増大する。
【００５１】
好ましい発展例では図３の実施形態は、空気供給配管３から第１の圧縮機１１と第２の圧縮機１２の間へ分岐する軸受配管２４３をさらに有する。軸受配管２４３は、第２のシャフト２４を支承するシャフト軸受２４１，２４２の潤滑と冷却のための役目を果たす。ここでは軸受配管２４３は、図３に示すように、第２の圧縮機１２の上流側で再び空気供給配管３へ帰還することができ、またはスタブ配管として施工されていてよい。
【００５２】
第２の圧縮機ユニット１０２はターボチャージャとして施工されるのが好ましく、したがって第２のシャフト２４の回転数が非常に高いので、シャフト軸受２４１，２４２は気体軸受として施工されるのが好ましい。気体軸受は少なくとも部分的に空気静力学的な作用を有し、すなわち、軸受配管２４３を介して外部の空気圧が供給されることで、第２のシャフト２４とシャフト軸受２４１，２４２のコンポーネントとの間の接触を妨げる。
【００５３】
第２のシャフト２４が動くのは、排気ガスタービン１３よりも圧力比が優勢になったときに限られる。このことが可能であるのは、駆動ユニット２０により駆動される第１の圧縮機１１が制御されたときに限られる。システムにおける圧力損失によって、シャフト軸受２４１，２４２の領域で空気静圧がその供給のために生じる。
【００５４】
このような動圧をさらに引き上げるために、軸受配管弁２４４を第２の圧縮機１２の手前に取り付けることができる。軸受配管弁２４４は、たとえばスロットルフラップまたは逆止め弁として施工されていてよい。起動時にターボコンプレッサ１０を制御する方法は次の各ステップを設ける：空気供給配管３を通しての空気送出ないし酸化剤の送出が始動されるべきである場合、軸受配管弁２４４がまず完全に閉じられる。駆動される第１の圧縮機１１を通じての空気送出が始動する。シャフト軸受２４１，２４２の作動のために十分な空気圧に達したときに初めて、軸受配管弁２４４が制御されながら開く。その制御によって、シャフト軸受２４１，２４２の軸受領域の空気圧が所要の閾値ないし最低圧力を常に上回ることが保証される。
【００５５】
ターボコンプレッサ１０を停止させる別の方法は次のとおりである：軸受配管弁２４４がまず閉じられ、それにより燃料電池２への酸化剤の送出が終了する。その後、反応した酸化剤の質量流が排気ガスタービン１３になくなったために第２のシャフト２４の回転数がゼロに等しくなったときに初めて、駆動ユニット２０が第１のシャフト１４を駆動しなくなることによって、駆動される圧縮機１１の動作が調整される。
【００５６】
軸受配管弁２４４が逆止め弁として施工されているとき、このことは、リリース圧力を上回ったときに初めて空気が第２の圧縮機１２を介して燃料電池２へと流れるように作用する。このリリース圧力は、シャフト軸受２４１，２４２の供給圧力ないし最低圧力を上回っているのが好ましい。それに伴い、シャフト軸受２４１，２４２がすでに圧力の供給を受けているときに初めて第２のシャフト２４が回転することが保証される。それによって混合摩擦が理想的には完全に防止され、それによって生じるシャフト軸受２４１，２４２の耐用寿命の制約が取り除かれる。
【００５７】
図４は、ターボコンプレッサ１０を有する燃料電池システム１の別の実施形態を示している。ここでは第１の圧縮機ユニット１０１は第１の圧縮機１１に追加して、同じく第１のシャフト１４に位置決めされ、第１の圧縮機１１に対して並列回路で空気供給配管３に配置された第３の圧縮機１５を有している。別案として、第３の圧縮機１５が圧縮機１１に対して直列につながれていてもよく、それにより、後置される第２の圧縮機１２との協同作用で３段階の圧縮が生じる。
【００５８】
さらにこの燃料電池システム１は、フィルタ１８と熱交換器１９を有している。フィルタ１８は空気供給配管３で第１の圧縮機ユニット１０１の上流側に配置され、熱交換器１９は第１の圧縮機ユニット１０１と第２の圧縮機ユニット１０２の間に配置されるのが好ましい。熱交換器１９は、第１の圧縮機１１と第２の圧縮機１２の間で酸化剤−ないし周囲空気−を冷却し、それにより、第２の圧縮機１２での圧縮をいっそう効率的に形成することができる。
【００５９】
第１のシャフト１４に第１の圧縮機１１と第３の圧縮機１５が配置されることで、第１のシャフト１４に対して生じる軸方向の合力を低減ないし除去することができる。それによりターボコンプレッサ１０のコストを、特に第１のシャフト１４を支承するためのコストを、いっそう削減することができる。さらに、それによって圧縮ないし質量流量を高めることができる。
【００６０】
第１の圧縮機１１、第３の圧縮機１５、および第２の圧縮機１２が直列につながれているとき、燃料電池２についていっそう高い圧力比を具体化することができる。３つの圧縮機１１，１２，１５の個々の圧縮機ホイールを、その代替ないし補足として、比較的控えめな圧力比について設計することもできる。このように設計可能性がいっそう広く、いっそうロバストになる；比較的低い円周速度によって、たとえば圧縮機１１，１２，１５のホイールにいっそう好都合な材料を使用することもできる。
【００６１】
好ましい発展例では第２の圧縮機ユニット１０２は、燃料電池システム１を始動させるために、ないしは燃料電池２における圧力を制御するために、２つのバイパス弁１６，１７を有する：圧縮機バイパス弁１６により、排気ガスターボチャージャの第２の圧縮機１２が始動をする場合に、十分な圧力と質量流量が排気ガスタービン１３に来るまでバイパスされる。排気ガスタービン１３が第２の圧縮機１２を駆動できるようになるとただちに、圧縮機バイパス弁１６が次第に閉じられる。そして通常動作時には、圧縮機バイパスないし圧縮機バイパス弁１６は閉じたままに保たれ、それにより質量流の全体が第２の圧縮機１２を通るように案内される。圧力制御は、特に、第２のバイパス弁すなわち排気ガスバイパス弁１７を通じて行われる：比較的低い圧力が設定されるべきときには、排気ガス配管の排気ガス質量流が少なくとも部分的に排気ガスタービン１３を迂回する。排気ガスタービン１３が相応に低速で回転し、圧力生成が低減される。
【００６２】
凍結状態のもとでのコールドスタートの場合には、両方のバイパス弁１６，１７が開く。このようにして、場合により凍結している排気ガスタービン１３が迂回され、第１の圧縮機ユニット１０１によって生成される低減された圧力で燃料電池システム１を作動させることができる。ただし、このことは動作の制約にはつながらない。なぜならシステムが低温のときには、高い圧力が必要ないからである。排気ガス配管４の排気ガスが十分に温まるとただちに、温まった排気ガスが排気ガスタービン１３を霜取りできるようにするために、排気ガスバイパス弁１７が若干閉まる。それに伴い、排気ガスタービン１３の霜取りのための追加の加熱器を省略することができる；燃料電池システム１をただちに始動させることができる。
【００６３】
第１のシャフト１４からの排気ガスタービン１３の分断は、排気ガスタービン１３を介して駆動ユニット２０へ水分が侵入するのも防止する。ターボコンプレッサ１０でのシールコンセプトがそれによって簡易化される。
【００６４】
負荷の飛躍が生じると、圧縮機バイパス弁１６が完全に開かれる。このようにして、第１の圧縮機ユニット１０１により送出される酸化剤の質量流が、燃料電池２のカソードへいっそう迅速に到達することが保証される。高い質量流量を比較的迅速に引き出すことができ、第１の圧縮機ユニット１０１の低減される慣性モーメントに基づき、１段階の圧縮機の標準の動的挙動よりも動的挙動が良好になる。第２の圧縮機１２は、たとえば燃料電池２が温度上昇したときにさらに高い圧力が必要になった場合に初めて作動開始する。
【００６５】
複数の−すなわち２つまたは３つの−段階での圧縮により、ポンプ防護措置を省略することができる。従来技術のバイパスフラップ５を省略することができ、ポンプ防護制御ストラテジーが必要なくなり、燃料電池２への空気質量流量を、第１の圧縮機ユニット１０１の手前の低電圧領域のセンサによって一義的に測定することができる。
【００６６】
好ましい発展例では図４の実施形態も、シャフト軸受２４１，２４２に流体圧力を供給するための軸受配管２４３を有する。図４の実施形態では軸受配管はスタブ配管として施工されているが、空気供給配管３へ戻るように案内することもできる。軸受配管２４３と圧縮機バイパス弁１６および排気ガスバイパス弁１７との組み合わせは特別に好ましい。なぜならそれにより、第２のシャフト２４の不慮の回転開始を防止することができるからであり、そのようにして、シャフト軸受２４１，２４２が十分な流体圧力で付勢されたときに初めて第２のシャフト２４が回転するように、燃料電池システム１の制御を設定することができる。
【００６７】
ターボチャージャ１０のスタート・ストップ・プロセスのための動作ストラテジーは次のとおりである：空気供給配管３で燃料電池２への空気送出ないし酸化剤の送出が始動されるべきであるとき、まず圧縮機バイパス弁１６と排気ガスバイパス弁１７が完全に開く。そして第１の圧縮機ユニット１０１が作動化され、燃料電池２のスタックおよびその他のコンポーネントの動圧に基づき、シャフト軸受２４１，２４２で圧力が上昇していく。好ましくは空気静力学式のシャフト軸受２４１，２４２への十分な供給のための最低圧力に達したときに初めて第２のシャフト２４が回転し、そのようにして、第２の圧縮機ユニット１０２が第２の圧縮機１２を通じて燃料電池２への酸化剤供給に加わるように、圧縮機バイパス弁１６と排気ガスバイパス弁１７が制御されて閉じられる。
【００６８】
第２のシャフト２４には、軸受配管２４３を介して流体の供給を受ける圧縮空気ブレーキが配置されるのが好ましい。圧縮空気ブレーキは特定の圧力を過ぎたときに初めて、好ましくはシャフト軸受２４１，２４２の最小の供給圧力を過ぎたときに初めて解除される。それにより、混合摩擦領域でのシャフト軸受２４１，２４２の動作が妨げられる。シャフト軸受２４１，２４２の耐用寿命が長くなる。
【００６９】
図５は、ターボコンプレッサ１０を有する燃料電池システム１のさらに別の実施形態を示している。このターボコンプレッサ１０は第１の圧縮機ユニット１０１と第２の圧縮機１０２を含んでおり、第１の圧縮機１１と第２の圧縮機１２は空気供給配管３で並列につながれている。第１の圧縮機１１は駆動ユニット２０により、好ましくは電動モータにより駆動される。第２の圧縮機１２は排気ガスタービン１３により駆動され、すなわち、第２の圧縮機ユニット１０２は排気ガスターボチャージャとして施工されている。そのために、排気ガスタービン１３と第２の圧縮機１２は第２のシャフト２４に配置されている。
【００７０】
このようにターボコンプレッサ１０は、空気供給配管３での酸化剤の複流式の圧縮を有している。
【００７１】
図５の燃料電池システム１の実施形態は、特に、少なくとも３００ｇ／ｓの高い空気質量流量と、多くともΠ＝２の控えめな圧力比のときに好ましい。
【００７２】
燃料電池２の作動のために必要な３００ｇ／ｓの空気質量流量が両方の並列の圧縮機１１，１２で生成され、たとえば、電気駆動される第１の圧縮機１１のたとえば１００ｇ／ｓの第１の空気質量流量と、第２の圧縮機のたとえば２００ｇ／ｓの第２の空気質量流量とをもって生成される。そして排気ガスターボチャージャの排気ガスタービンが、３００ｇ／ｓの全体の空気質量流量を利用することができる。
【００７３】
図５の実施形態でも、上で説明したようにバイパス弁と熱交換器を利用することができる。
【００７４】
図６も、空気供給配管３での第１の圧縮機１１と第２の圧縮機１２の並列回路を示している。第１の圧縮機ユニット１０１は、第１のシャフト１４と、第１の圧縮機１１と、駆動ユニット２０とを含んでおり、駆動ユニット２０は低電圧電動モータとして施工されるのが好ましい。しかし第２の圧縮機１２を有する第２のシャフト２４は、高電圧電動モータとして施工されるのが好ましい第２の駆動ユニット２５により駆動される。このように第２の圧縮機ユニット１０２は、第２のシャフト２４と、第２の圧縮機１２と、第２の駆動ユニット２５と、排気ガスタービン１３とを含んでいる。このように、第２の圧縮機ユニット１０２はマスタ圧縮機として施工されており、第１の圧縮機ユニット１０１は追加圧縮機として施工されている。両方の圧縮機１１，１２は、空気供給配管３でのそれぞれ受動経路を通しての漏れないし逆流を回避するために、それぞれ逆止め弁１１１，１２１を有している。このことは、両方の圧縮機１１，１２の一方だけが作動する場合に、常に重要であり得る。通常動作のとき、図６の実施形態では第２の圧縮機１０２が作動することが意図され、第１の圧縮機ユニット１０１は、燃料電池２のために酸化剤のさらに多い質量流量が必要になったときに作動開始する。
【００７５】
燃料電池２によって電気出力を迅速に生成できるようにするためには、特に、十分に高い空気質量流ないし酸化剤流が空気供給配管３で必要である。高い圧力は主として定常動作でシステム温度が高いときに必要なので、圧力生成ダイナミクスに関わる要求事項は低くなる。システムはある程度の熱慣性を有しているので、燃料電池システム１の全負荷への負荷の飛躍が必ずしも高いシステム温度にはつながらない。以上により、高い圧力を生成することができる第２の圧縮機ユニット１０２のダイナミクスが、第１の圧縮機ユニット１０１のダイナミクスよりもはるかに低速であることが許容されるのは明らかである。その帰結として、第２の圧縮機ユニット１０２のパワーエレクトロニクスを連続出力に合わせて設計することができる。それに伴い、動的ケースに備えた過剰ディメンショニングやコンポーネントコストの増大が回避される。
【００７６】
第１の圧縮機１１は通常動作のとき、圧力を一時的に高めるために、ないしはブーストするために利用することもできる。それに伴って燃料電池システム１の一時的な負荷を、熱に関わる連続定格を超えて可能にすることができる；そのようにして、空気供給配管３の圧力と質量流量を一時的に高めることができる。
【００７７】
図７の実施形態は、図４の燃料電池システム１ないしターボコンプレッサ１０の発展例を示している。図７の実施形態では第２の圧縮機ユニット１０２は、排気ガスタービン１３と第２の圧縮機１２の間で第２のシャフト２４に配置されるのが好ましい第２の駆動ユニット２５を有している。ここでも図４の実施形態に準じて、空気フィルタ１８、熱交換器１９、および両方のバイパス弁１６，１７−すなわち圧縮機バイパス弁１６および排気ガスバイパス弁１７−は任意選択である。図７の実施形態では、第１の圧縮機ユニット１０１の第１の圧縮機１１と第３の圧縮機１５が直列につながれている。あるいは別案として並列回路も考えられる；さらに別の実施形態では、第３の圧縮機１５を省略することもできる。
【００７８】
第２の駆動ユニット２５によって第２の圧縮機ユニット１０２をブーストすることができ、すなわち図７の実施形態では、排気ガスタービン１３が第２の駆動ユニット２５によって補助される。第２の駆動ユニット２５は−特に１２Ｖの動作電圧を有する−低電圧モータとして施工されるのが好ましく、駆動ユニット２０は−特に４８Ｖの動作電圧を有する−高電圧モータとして施工される。電気式に補助をする排気ガスターボチャージャとして施工される第２の圧縮機ユニット１０２は第２の駆動ユニット２５によって、カソード圧力生成のシステムダイナミクスに対して非依存的である。このように第１の圧縮機１１での圧力生成を、第２の圧縮機１２での圧力生成と適合させることができる。
【００７９】
第２の駆動ユニット２５による燃料電池システム１の利点は次のとおりである：
−駆動ユニット２０の高電圧供給への非依存性による燃料電池システム１のいっそう高いフォールトトレランス；第２の駆動ユニット２５の低電圧供給のみによって非常動作（リンプホーム）が可能である。
−酸化剤による燃料電池２の供給がいっそうダイナミックになることによる、いっそう高い空気システムダイナミクスによる燃料電池システム１の改善された全体システムダイナミクス。
−駆動ユニット２０に関わる低減されたダイナミクス要求事項によるシステムコストの削減。
−使用される両方の圧縮機１１，１２−および任意選択で第３の圧縮機１５−を、ダイナミクスと連続動作に関して最善に設計することができる。
−高電圧駆動ユニット２０により作動する第１の圧縮機１１を電圧状況に関してプラットフォーム適合的かつ最善に設計することが可能である。
【００８０】
第２の駆動ユニット２５は、排気ガスタービン１３にまだ圧力が印加されていないとき、すでに第２の圧縮機ユニット１０２を高加速させることができる。このことは、第１の圧縮機ユニット１０１に関わるダイナミクス要求事項が低減され、ないしはターボコンプレッサ１０のダイナミクスが全体的に改善されるという帰結をもたらす。特に第１の圧縮機１１ないし第１の圧縮機ユニット１０１に関わるダイナミクス要求事項は、パワーエレクトロニクスのディメンショニングに基づいてコストドライバーとなる。空気供給のダイナミクス、ないし燃料電池２への酸化剤の供給のダイナミクスは、ひいては燃料電池システム１のダイナミクスに対して直接的に制限をするように作用する。燃料電池車両の電気駆動のための燃料電池システム１の不十分なダイナミクスは、ひいてはハイブリッドバッテリを使用する理由ともなる。このように、燃料電池システム１のダイナミクスの向上は、ハイブリッドバッテリに関わる要求事項がある場合にもこれを低減する。
【００８１】
第２の駆動ユニット２５の設計は、熱的に安定的である必要はない。能動的な冷却のなされない実施形態が考えられる。なぜなら第２の駆動ユニット２５は大半の実施形態においてまず第１にターボコンプレッサ１０の起動のために利用されるからである。このことはシステム設計に関して利点を有する。なぜならそれによって燃料電池システム１の冷却回路への接続が必要なくなり、第２の駆動ユニット２５の出力密度を非常に高く選択することができるからである。このことはひいては、好ましくは電動モータとして施工される第２の駆動ユニット２５の設計にあたって利点を有する：すなわち、比較的少ない材料使用量（銅、磁石材料）である。単純なブラシレスＤＣ機械の使用、あるいは単純な機械式に整流される機械の使用さえも考えられる。後者は非常にコストが低いという点で優れている。
【００８２】
好ましい発展例では図７の実施形態も、図３ないし図４についての説明で述べたように、第２のシャフト２４のシャフト軸受２４１，２４２に加圧流体を供給するための軸受配管２４３を有する。一般にこのことは、第１の圧縮機１１と第２の圧縮機１２が直列につながれている場合に好ましい。
【符号の説明】
【００８３】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  空気供給配管
４  排気ガス配管
１０  ターボコンプレッサ
１１  第１の圧縮機
１２  第２の圧縮機
１３  排気ガスタービン
１４  第１のシャフト
１５  第３の圧縮機
１６  圧縮機バイパス弁
１７  排気ガスバイパス弁
１９  熱交換器
２０  第１の駆動ユニット
２４  第２のシャフト
２５  第２の駆動ユニット
１０１  第１の圧縮機ユニット
１０２  第２の圧縮機ユニット
２４１，２４２  シャフト軸受
２４３  軸受配管
２４４  軸受配管弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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