(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック（１２）用の空気供給装置であって、該燃料電池スタック（１２）に管路（２８）を介して供給可能な空気を圧縮するコンプレッサ（２６）と、該コンプレッサ（２６）を駆動するために燃料電池スタック（１２）の排気が供給可能であるタービン（３４，７４，８４）と、燃料が供給可能である燃焼室（３８）とを有し、該タービン（３４，７４，８４）には燃焼室（３８）の排気ガスが供給可能であり、前記燃焼室の排気ガスの温度が前記燃料電池スタックの排気の温度よりも高い空気供給装置において、
前記管路（２８）は、燃焼室（３８）に圧縮空気を供給することのできる分岐管路（４２）を有すること、
前記タービン（３４，７４，８４）はダブルフロー型に構成されており、第１のスパイラルダクト（３６）には燃焼室（３８）の排気ガスが、第２のスパイラルダクト（４０）には燃料電池スタック（１２）の排気が供給可能であること、および
前記第２のスパイラルダクト（４０）は、前記第１のスパイラルダクト（３６）よりも、タービン（３４，７４，８４）のタービンホイール（６８）のベアリング（７０）と、コンプレッサ（２６）のコンプレッサホイールを担持するシャフト（３０）の近くに配置されていることを特徴とする空気供給装置。
【請求項２】
第２のスパイラルダクト（４０）の通流可能横断面は、第１のスパイラルダクト（３６）の通流可能横断面よりも大きい、ことを特徴とする請求項１に記載の空気供給装置。
【請求項３】
第２のスパイラルダクト（４０）は第１のスパイラルダクト（３６）よりも、コンプレッサ（２６）を駆動する電気駆動ユニット（３２）の近くに配置されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の空気供給装置。
【請求項４】
コンプレッサ（２６）の上流に低圧コンプレッサ（７２）が配置されており、該低圧コンプレッサ（７２）を駆動するために電気駆動ユニット（３２）が設けられている、ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の空気供給装置。
【請求項５】
コンプレッサ（２６）の下流に高圧コンプレッサ（８２）が配置されており、該高圧コンプレッサ（８２）を駆動するために電気駆動ユニット（３２）が設けられている、ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の空気供給装置。
【請求項６】
前記分岐管路（４２）は、高圧コンプレッサ（８２）の下流で前記管路（２８）に配置されている、ことを特徴とする請求項５に記載の空気供給装置。
【請求項７】
分岐管路（４２）の管路（２８）への接続個所には、燃焼室（３８）に供給可能な空気流を調整するための調量装置（４４）が配置されている、ことを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の空気供給装置。
【請求項８】
タービン（８４）が、少なくとも第１のスパイラルダクト（３６）を絞り、および／または遮断するための絞り装置（８６）を有する、ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の空気供給装置。
【請求項９】
タービン（３４）の上流に調量装置（９２）が配置されており、該調量装置によって燃焼室（３８）の排気ガスを、燃料電池スタック（１２）の排気とともに第１のスパイラルダクト（３６）および／または第２のスパイラルダクト（４０）に供給することができる、ことを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の空気供給装置。
【請求項１０】
タービン（３４，７４，８４）はとりわけ、可変の双流タービン（３４，８４）またはセグメント型タービン（７４）として構成されている、ことを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の空気供給装置。
【請求項１１】
燃焼室(３８)と燃料電池スタック（１２）のための燃料を備蓄するために、共通の備蓄容器（４６）が設けられている、ことを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項に記載の空気供給装置。
【請求項１２】
タービン（３４，７４，８４）の下流には、排気ガス後処理装置（６４）が配置されている、ことを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項に記載の空気供給装置。
【請求項１３】
燃料電池スタック（１２）に空気を供給するための空気供給装置（１０）を備える燃料電池システムにおいて、
空気供給装置（１０）が請求項１から１２までのいずれか１項にしたがい構成されている、ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック用の空気供給装置に関するものであり、この空気供給装置は、燃料電池スタックに管路を介して供給可能な空気を圧縮するコンプレッサと、該コンプレッサを駆動するために燃料電池スタックの排気が供給可能であるタービンと、燃料が装填可能である燃焼室とを有し、タービンには燃焼室の排気ガスを装填することができる。さらに本発明は、燃料電池スタックに空気を供給する空気供給装置を有する燃料電池システム、および燃料電池スタック用の空気供給装置の運転方法、に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車製造業から、燃料電池スタック用の空気供給装置が公知である。この空気供給装置は、燃焼機関用の空気供給装置と大きな類似部分を有する。燃料電池駆動と燃焼機関による駆動とは、その機能および構造に関して異なっているが、排気ターボチャージャに基づく空気供給装置は、燃料電池スタックに空気を供給するために非常に効率的な流体機械であることが判明している。燃料電池スタックは、燃料電池駆動時には自動車を駆動するための電気エネルギーを提供する。
【０００３】
燃料電池スタックに管路を介して供給可能な空気を圧縮するコンプレッサを有する、燃料電池スタック用の空気供給装置では、コンプレッサを駆動するためにタービンが設けられており、このタービンには燃料電池スタックの排気を供給することができる。加えて従来技術でも、燃料が装填可能な燃焼室が公知であり、ここではタービンに燃焼室の排気ガスが装填可能である。タービンに燃焼室の排気ガスをこのように付加的に装填することにより、ブースター機能が提供され、燃料電池スタックにとくに大量の空気質量流を供給することによって、このブースター機能により短時間で比較的急速に燃料電池スタックの出力上昇が達成される。コンプレッサを駆動するために電気駆動ユニットが設けられている場合、この電気駆動ユニットは、コンプレッサにより搬送されるとくに高い質量流の提供を可能にする出力要求に答えるよう設計されている必要はない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、タービンをとりわけ効率的に駆動することのできる空気供給装置および冒頭に述べた形式の方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による燃料電池スタック用の空気供給装置では、燃料電池スタックに管路を介して供給可能な空気を圧縮するコンプレッサと、該コンプレッサを駆動するために燃料電池スタックの排気が供給可能であるタービンと、燃料が装填可能である燃焼室とを有し、タービンには燃焼室の排気ガスを装填することができ、該管路は燃焼室に圧縮空気を供給することのできる分岐管を有する。
【０００６】
本発明は、燃焼室に容積単位当たりで比較的酸素濃度の高い空気が供給される場合に、タービンのとくに効率的な駆動が可能であるという知識に基づく。したがって燃焼室に圧縮空気が酸化剤として供給されると、燃料の供給と点火後に行われる燃焼は、急速連鎖反応の形でとくに大きなエネルギー放出を伴う。燃焼室のとくに高エネルギーな排気ガスは、タービンをとくに効率的に駆動する。
【０００７】
タービンに燃焼室の排気ガスを装填することにより生じるタービンの高い出力により、コンプレッサによって空気が燃料電池スタックに増強されて搬送され、その結果、燃料電池スタックの出力の上昇が可能になる。とりわけ短時間で使用可能なこのブースター機能を使用する際には、コンプレッサにより圧縮された空気の大部分が燃料電池スタックに供給され、流れの形成に使用される。これに対して分岐路で分岐する空気の部分流は、燃焼室での燃焼によってガスタービンに高エネルギーの排気ガスが装填されるようにし、これにより燃料電池スタックの出力が上昇する。
【０００８】
燃料電池スタックを空気の部分流が分岐管を介して迂回することは、燃焼室に点火すべき燃料が供給されない場合、すなわち燃焼室で燃焼が行われない場合にも実施可能である。この場合は、分岐路により形成されたバイパスが、燃料電池スタックに付加的に与えられる通流可能横断面を調達する。コンプレッサがそのポンプ限界の近傍で駆動される場合、圧縮比が所与の場合には、比較的大きな質量流がコンプレッサにより形成され、コンプレッサのポンプが回避される。ここで質量流が大きい場合に所与の圧縮比を維持するため、タービンとは別の駆動ユニットによって、例えば電気モータによってコンプレッサに必要な出力が提供される。
【０００９】
燃料電池スタックの排気に存在する残留ガスを燃焼に使用するために、燃焼室に少なくとも補充的に燃料電池スタックの排気を供給することも考えられる。
【００１０】
本発明の有利な形態では、タービンがダブルフロー型に構成されており、第１のスパイラルダクトには燃焼室の排気ガスが、第２のスパイラルダクトには燃料電池スタックの排気が装填可能である。したがって燃料電池の比較的冷たい排気は、燃焼室の比較的熱い排気ガスと同じようにタービンに供給することができる。燃料電池スタックの排気は１００℃の温度を格段には上回らないが、燃焼によって燃焼室の排気ガスは例えば６００から７００℃の温度に達することがある。したがってダブルフロー型タービンに供給される排気ガスまたは排気流は、異なる組成、異なる流入温度、および異なる流入圧を有する。
【００１１】
第１のスパイラルダクトと第２のスパイラルダクトは、燃焼室の排気ガスと燃料電池スタックの排気がまず直接、タービンのタービンホイールの上流で衝突するように設計されている。流れの分離を、タービンホイールの領域までは維持することが同じように考えられる。
【００１２】
第１のスパイラルダクトに対して与えられる燃焼室スループットパラメータ（このパラメータは、第１のスパイラルダクトを通る質量流量ｍＢＫを排気ガスの温度ＴＢＫの平方根と乗算し、燃焼室の排気ガスの圧力ＰＢＫにより割り算することにより計算される）を考察すると、このスループットパラメータは、排気ガスの温度ＴＢＫが高く、質量流量ｍＢＫが比較的小さいため、燃料電池スタックスループットパラメータと同等の大きさを有する。ここで燃料電池スタックスループットパラメータ（このパラメータは、燃料電池スタックの排気の質量流量ｍＢＺを排気温度ＴＢＺの平方根と乗算し、圧力ＰＢＺにより割り算することによって計算される）は、第２のスパイラルダクトを通るスループットを特徴付ける。燃焼室スループットパラメータは、値１を有することができる。同等の大きさを有する燃料電池スタックスループットパラメータでは、比較的低い温度において比較的大きな質量流量ｍＢＺが存在する。
【００１３】
本発明の別の有利な実施形態では、第２のスパイラルダクトの通流可能な横断面が、第１のスパイラルダクトの通流可能な横断面よりも大きい。ここで所与のダブルフロー型で非対称のタービンは、燃焼室スループットパラメータが絶対値で値１を有し、燃料電池スタックスループットパラメータが絶対値で値１．５を有する場合、コンプレッサを駆動するのにとくに適する。これにより、通常モードにおいても、タービンに燃焼室の排気ガスが装填されるブースターモードにおいても、とりわけ高い効率が可能である。
【００１４】
第２のスパイラルダクトが第１のスパイラルダクトよりも、タービンのタービンホイールとコンプレッサのコンプレッサホイールを担持するシャフトのベアリングの近くに配置されているとさらに有利であることが判明した。ここでは、比較的冷えた燃料電池スタックの排気が流れる第２のスパイラルダクトが、熱的バッファとして作用し、シャフトのベアリングの熱負荷を低減する。
【００１５】
本発明の別の有利な実施形態では、第２のスパイラルダクトが第１のスパイラルダクトよりも、コンプレッサを駆動する電気駆動ユニットの近くに配置されている。ここでは第２のスパイラルダクトが、電気駆動ユニットの熱負荷に関して熱的バッファとして作用する。
【００１６】
コンプレッサの上流に低圧コンプレッサが配置されていると有利であり、ここでは低圧コンプレッサを駆動するために電気駆動ユニットが設けられている。順次接続された２つのコンプレッサにより達成可能な２ステージの圧縮によって、コンプレッサと低圧コンプレッサの作用効率を対応して有利に設定することができる。
【００１７】
ここでは、電気的に駆動可能な低圧コンプレッサの下流に配置されたコンプレッサが電気駆動ユニットを有していなければ、すなわちそれ自体公知のターボチャージャと同じように構成されていれば有利である。コンプレッサに電気駆動ユニットを設けることを省略することによって、電気駆動ユニットを燃焼室の排気ガスによる熱負荷から特別に保護する必要がなくなる。したがって、この機構で高圧コンプレッサとして構成されたコンプレッサの動作範囲は、燃焼室の排気ガスによって、および／または燃料電池スタックの排気によってタービンに提供されるエネルギーに実質的に依存する。低圧コンプレッサを電気駆動ユニットによって付加的に駆動することによって、燃料電池スタックのとくに広い出力範囲を、２ステージの圧縮により達成することができる。
【００１８】
補充的にまたは代替的に、コンプレッサの下流に高圧コンプレッサを配置することができ、ここでは高圧コンプレッサを駆動するために電気駆動ユニットが設けられている。ここでも電気駆動ユニットがコンプレッサから熱的に分離されており、コンプレッサを駆動するタービンには燃焼室の熱い排気ガスを装填することができる。これが公知のターボチャージャと同じように構成されている場合、すなわち電気駆動部を有するコンプレッサが高圧コンプレッサの上流に配置されていない場合、このコンプレッサは比較的低い、例えば１０００００回転／分より低い固有回転数に設計することができる。このような低い固有回転数に設計されている場合、対応して比較的直径の大きなコンプレッサホイールとタービンホイールを使用することができる。これにより、タービンホイールとコンプレッサホイールを担持するシャフトに対して、面倒なベアリングが少数しか使用されない。
【００１９】
しかし２ステージの圧縮で、低圧コンプレッサと高圧コンプレッサをそれぞれ駆動する２つのタービンをカスケードに接続することも考えられる。ここでは２つのコンプレッサを付加的に、電気駆動ユニットにより駆動することができる。
【００２０】
コンプレッサの下流に高圧コンプレッサが配置されている場合、本発明の別の有利な実施形態によれば、分岐管路が高圧コンプレッサの下流で管路中に配置されている。これによって燃焼室に、とくに高圧の圧縮空気を供給することができる。
【００２１】
本発明の別の有利な実施形態では、分岐管路が管路に接続する個所に、燃焼室に供給可能な空気流を調整するための調量装置が配置されている。この調量装置により、好ましくは分岐管路を完全に遮断することも同様に可能である。これにより燃焼室に供給可能な空気の部分流を、燃料電池スタックの所望の出力に応じて調整することができる。
【００２２】
さらにタービンが、少なくとも第１のスパイラルダクトを絞り、および／または遮断するための絞り装置を有すると有利である。この場合、分岐管路の管路への接続個所に配置された調量装置を省略することができる。なぜなら、分岐路を介して燃料電池スタックに導かれる空気量の調量を、とりわけ絞り装置が第１のスパイラルダクト遮断を許容する場合には、絞り装置によって行うことができるからである。絞り装置として例えば可変仕切り弁を設けることができ、この可変仕切り弁によって第１のスパイラルダクトを、タービンホイールへの流入領域で遮断することができる。ここで、この可変仕切り弁によって好ましくは、タービン案内グリルのブレードのブレード高さを変化することができる。さらにこのような絞り装置によって、第１のスパイラルダクトに装填される燃焼室の排気ガス量をとりわけ微細に調整することができる。
【００２３】
絞り装置は、第１のスパイラルダクトと第２のスパイラルダクトを絞り、および／または遮断するように構成することもできる。これにより、第１のスパイラルダクトと第２のスパイラルダクトに対して可変性が与えられる。
【００２４】
本発明の別の有利な発展形態では、タービンの上流に調量装置が配置されており、この調量装置によって燃焼室の排気ガスを、燃料電池スタックの排気とともに第１のスパイラルダクトおよび／または第２のスパイラルダクトに供給することができる。調量装置は回転仕切り弁を含むことができ、この回転仕切り弁は、第１と第２のスパイラルダクトに、燃焼室の排気ガスまたは燃料電池スタックの排気を別個に装填することもできる。
【００２５】
回転仕切り弁の位置に応じて、燃焼室の全排気ガスを燃料電池スタックの排気と混合し、第１のスパイラルダクトと第２のスパイラルダクトに供給することができる。このような調量装置により、タービンへの排気および／または排気ガスの高効率な装填を、それぞれ存在する排気ガスまたは排気の質量流量に依存して適合することができる。この調量装置によって、とりわけ簡単かつ安価に、不変の幾何形状を有するダブルフロー型タービンへの装填を可変にすることができる。
【００２６】
さらに、タービンがとりわけ可変の、双流タービンとしてまたはセグメント型タービンとして構成されていると有利である。双流タービンでは、とくに簡単かつ安価に、これに前置接続された調量装置によって変化を達成することができる。しかしタービン側でも、例えば軸方向仕切り弁を有する可変の双流タービンを使用することができる。それに対してセグメント型タービンでは、スループット特性を、回転可能な舌片リング等によって調整することができ、排気ガスまたは排気が第２のスパイラルダクトまたは第１のスパイラルダクトに流れ込むようにすることができる。この種のセグメント型タービンは、構造的にとくに簡単であり、安価である。しかし固定不変の幾何形状を有するセグメント型タービンも、ブースター機能によってコンプレッサの効率的な駆動を可能にする。
【００２７】
さらに、燃焼室と燃料電池スタックのための燃料を備蓄するために、共通の備蓄容器が設けられていると有利である。これにより装置の複雑性が低減する。燃料はとりわけ水素ガスとすることができる。
【００２８】
本発明の別の実施形態では、タービンの下流に排気ガス後処理装置を配置することができる。これはとりわけ、燃料の燃焼の際に不所望の排気ガス、とりわけ窒素酸化物が、不所望に高い濃度で発生する場合に有利である。排気ガス後処理装置は、簡単なＮＯｘ除去触媒コンバータ等を含むことができる。
【００２９】
本発明の別の側面によれば、上記の課題は、本発明の空気供給装置を有する燃料電池システムによって解決される。
【００３０】
さらに、タービンのとくに効率的な駆動は、燃料電池スタック用の空気供給装置の運転方法によって可能となり、この方法では、コンプレッサが、燃料電池スタックに管路を介して供給される空気を圧縮し、コンプレッサを駆動するタービンに燃料電池スタックの排気が供給され、燃焼室に燃料が装填され、タービンに燃焼室の排気ガスが装填され、分岐管を介して管路から分岐された圧縮空気が燃焼室に供給される。
【００３１】
本発明の空気供給装置に対して記述された好ましい実施形態および利点は、燃料電池スタック用の空気供給装置の本発明の運転方法にも当てはまる。
【００３２】
本発明のさらなる利点、特徴、および詳細は、以下の好ましい実施形態の説明から、ならびに図面に基づいて得られる。図面中で、同じ要素または同じ機能の要素には同じ参照符合が付してある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】自動車の駆動ユニットと接続された燃料電池スタック用の空気供給装置の第１の実施形態を示し、ここではダブルフロー型タービンに燃料電池スタックの排気と燃焼室の排気ガスを供給することができる。
【図２】図１の空気供給装置のダブルフロー型双流タービンの断面図である。
【図３】燃料電池スタックに空気を供給するための空気供給装置の第２の実施形態を示す図である。
【図４】図３の空気供給装置のダブルフローのセグメント型タービンの断面図である。
【図５】燃料電池スタックに空気を供給するための空気供給装置の第３の実施形態を示す図である。
【図６】図５の空気供給装置の可変ダブルフロー型タービンの断面図である。
【図７】燃料電池スタックに空気を供給するための空気供給装置の第４の実施形態を示す図であり、ここではダブルフロー型タービンの上流に調量装置が配置されている。
【図８】図７の調量装置の第１の調量位置での断面図である。
【図９】図７の調量装置の第２の調量位置での断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、燃料電池スタック１２に空気を供給するための空気供給装置１０の第１の実施形態を示す。燃料電池スタック１２は、それ自体公知のように多数の個別の燃料電池を有し、アノード空間１４がカソード空間１６からダイヤフラム１８によって分離されている。燃料電池スタック１２は、燃料電池スタック１２によって形成された電気エネルギーを蓄積するための蓄電池２０と導電接続されている。蓄電池２０は電気駆動ユニット２２と導電接続されており、電気駆動ユニット２２により、ここには詳細に図示しない自動車のドライブトレーン２４に運動エネルギーを印加することができる。
【００３５】
空気供給装置１０はコンプレッサ２６を含んでおり、このコンプレッサ２６によって燃料電池スタック１２に圧縮空気を、管路２８を介して供給することができる。コンプレッサ２６のシャフト３０を駆動するために、電気モータ３２として実施された電気駆動ユニットが設けられている。さらにコンプレッサ２６のシャフト３０にはダブルフロー型タービン３４が配置されており、このダブルフロー型タービン３４によってコンプレッサ２６のコンプレッサホイールを駆動することができる。そのためにタービン３４の第１のスパイラルダクト３６には、燃焼室３８の排気ガスを供給することができる。さらにタービン３４の第２のスパイラルダクト４０には、燃料電池スタック１２の排気を供給することができる。
【００３６】
コンプレッサ２６から燃料電池スタック１２に至る管路２８は分岐管路４２を有しており、この分岐管路４２によって燃焼室３８に、コンプレッサ２６から圧縮された空気を供給することができる。分岐管路４２の管路２８への接続個所には、図１の実施形態では、燃焼室３８に供給可能な部分空気流を調整するために調量装置４４が配置されている。
【００３７】
燃焼室３８の燃料を備蓄するために備蓄容器４６が設けられており、この備蓄容器４６には燃料として水素ガスが貯蔵される。この備蓄容器４６から第１の管路４８が燃焼室３８に延在しており、ここでは燃焼室３８に供給可能な燃料の量が第１の弁５０によって調整可能である。第１の弁５４を有する第２の管路５２によって、燃料電池スタック１２には燃料が備蓄容器４６から供給可能である。
【００３８】
コンプレッサ２６により圧縮された空気の燃焼室３８への供給、および燃料の備蓄容器４６から燃焼室３８への供給は、燃料電池スタック１２の出力上昇が要求される場合に行われる。ここでタービン３４の第１のスパイラルダクト３６に燃焼室３８の排気ガスを、第２のスパイラルダクト４０に燃料電池スタック１２の排気を装填することに加えて装填することによって、タービン３４の出力がとくに高くなる。結果として、タービン３４により駆動されるコンプレッサ２６によって、とくに大量の圧縮空気が燃料電池スタック１２に提供され、これにより燃料電池スタック１２にとくに高い出力を呼び起こすことができる。燃焼室３８に圧縮空気が供給されることによって、燃焼室３８では燃料のとくに高エネルギーの燃焼が可能となり、したがってタービン３４は第１のスパイラルダクト３６に供給される燃焼室３８の排気ガスにより、とくに効率的に駆動可能である。
【００３９】
第１のスパイラルダクト３６に燃焼室３８の排気ガスを供給する排気ガス経路５６には、燃焼室スループットパラメータにより特徴付けられる排気ガスが存在する。燃焼室スループットパラメータには、排気ガスの質量流量ｍＢＫ、排気ガスの温度ＴＢＫおよび排気ガスの圧力ＰＢＫが関与する。同じようにして、燃料電池スタック１２から第２のスパイラルダクト４０に至る排気経路５８は、燃料電池スタックスループットパラメータにより特徴付けることができる。これを特徴付けるのは、排気の質量流量ｍＢＺ、その温度ＴＢＺおよびその圧力ＰＢＺである。
【００４０】
分岐管路４２の下流で、燃料電池スタック１２への管路２８はインタークーラー６０を有する。さらに図１の実施形態の空気供給装置は制御装置６２を示しており、この制御装置６２によって調量装置４４を制御することができ、したがって燃料電池スタック１２に供給可能な空気の主流および弁５０，５４、ならびに燃焼室３８に供給可能な空気流の部分質量量を制御することができる。燃焼室３８への部分空気流が、分岐管路４２と燃焼室３８への燃料の調量を介して解放されると、燃焼室で６００から７００℃に加熱される排気ガスが、タービンホイールへ第１のスパイラルダクト３６から供給された後に、機械的仕事を放出しながら膨張する。同じようにして、燃料電池スタック１２の排気は、この排気をタービン３４のタービンホイールに第２のスパイラルダクト４０を介して供給することにより膨張する。タービン３４には下流で、排気ガス後処理装置６４が後置接続されている。
【００４１】
図２は、図１の空気供給装置１０のダブルフロー型タービン３４の断面図である。タービンハウジング６６は、第１のスパイラルダクト３６と第２のスパイラルダクト４０を有する。ここで第２のスパイラルダクト４０の通流可能横断面は、第１のスパイラルダクト３６の通流可能横断面よりも大きい。したがってタービン３４は、非対称の双流タービンであり、そのタービンホイール６８がシャフト３０により担持されている。非対称の双流タービンの択一的に好ましい実施形態では、燃焼室３８の排気ガスを案内する第１のスパイラルダクト３６が、第２のスパイラルダクト４０よりもシャフト３０のベアリング７０からさらに離れていることができる。これによって、１００℃を実質的に越えない比較的冷たい燃料電池スタック１２の排気を案内する第２のスパイラルダクト４０が、ベアリング７０と電気モータ３２に対して熱的バッファとして用いられる。
【００４２】
図３は、空気供給装置１０の第２の実施形態を示す、この空気供給装置では燃料電池スタック１２に２段階で圧縮空気が供給可能である。ここでコンプレッサ２６には、電気モータ３２によって駆動可能な低圧コンプレッサ７２が前置接続されている。これに対してコンプレッサ２６のシャフト３０は電気モータによって駆動されず、非対称のセグメント型タービンとして構成されたダブルフロー型タービン７４を介して駆動されるだけである。図１に示された双流タービンと同じように、図３のタービン７４も第１のスパイラルダクト３６と第２のスパイラルダクト４０を有する。ここで第１のスパイラルダクト３６には燃焼室３８の排気ガスが装填可能であり、第２のスパイラルダクト４０には燃料電池スタック１２の排気が装填可能である。
【００４３】
ここではとくに効率的に有利に駆動することのできる高圧コンプレッサとして機能するコンプレッサ２６には、駆動のために、燃焼室３８の排気ガスのエネルギーと燃料電池スタック１２の排気のエネルギーが提供される。その他の点で、この空気供給装置１０は図１に示した実施形態に対応する。
【００４４】
図４は、図３の非対称ダブルフローのセグメント型タービン７４を部分断面側面図に示す。ここでタービン７４は、可変非対称セグメント型タービンとして構成されている。第１のスパイラルダクト３６または第２のスパイラルダクト４０を介してタービンホイール６８に供給可能な排気ガスまたは排気の量を変化するために、ここでは回転可能な舌片仕切り弁７６が設けられている。図４の示した舌片仕切り弁７６の位置では、その舌片７８が、排気ガスが第１のスパイラルダクト３６から第２のスパイラルダクト４０へ流れ込むことを、また排気が第２のスパイラルダクト４０から第１のスパイラルダクト３６へ流れ込むことを可能にする。
【００４５】
これに対して、舌片仕切り弁７６が反時計方向に回転することにより、舌片７８は、タービンホイール６８のセグメントに第１のスパイラルダクト３６を介して排気ガスが、また第２のスパイラルダクト４０を介して排気が別個に装填されることを可能にする。タービン７４はここではダブルフランジ８０を有しており、これを介して排気ガス系統５６と排気系統５８が、互いに平行にタービン７４に接続することができる。
【００４６】
図５の空気供給装置１０の実施形態では、同様に燃料電池スタック１２に２段階で圧縮空気が管路２８を介して供給可能であり、コンプレッサ２６には高圧コンプレッサ８２が後置接続されている。ここでは電気モータ３２が高圧コンプレッサ８２の駆動のために設けられているが、これに対してコンプレッサ２６のシャフト３０は電気駆動ユニットを有していない。さらにコンプレッサ２６を駆動するタービン８４は、可変双流タービンとして構成されている。このタービン８４でも、第１のスパイラルダクト３６には燃焼室３８の排気ガスが、第２のスパイラルダクト４０には燃料電池スタック１２の排気が供給可能である。
【００４７】
しかしタービン８４は、第１のスパイラルダクト３６を絞り、遮断するための絞り装置８６を有している。第１のスパイラルダクト３６が絞り装置８６によって遮断可能であることによって、図５の空気供給装置１０の実施形態では、図１と図３に示された調量装置４４を省略することができる。第１のスパイラルダクト３６が遮断されているとき、管路２８から燃焼室３８に至る分岐管路４２を、２段階で圧縮された空気が通流することはできない。
【００４８】
図６は、図５のタービン８４の部分断面図を示す。絞り装置８６としてここでは、可変仕切り弁がタービンハウジング６６内に配置されており、この可変仕切り弁によって、タービン案内グリル８８の、溢れることのできる面積が変化可能である。ここで可変仕切り弁は凹部であり、これによってタービン案内グリル８８のブレードを異なる幅で覆うことができる。図６に示された可変仕切り弁の位置では、タービン案内グリル８８がほぼ完全に、凹部によって覆われている。細い通流横断面だけが、この位置で可変仕切り弁により解放されており、したがって燃料電池スタック１２の排気が、第２のスパイラルダクト４０からタービンホイール６８を収容するタービンハウジング６６の領域へ、高い通流速度で流入することができる。
【００４９】
これに対して、燃焼室３８の排気ガスが装填可能である第１のスパイラルダクト３６は、ここでは第２のスパイラルダクト４０より小さな通流可能横断面を有しており、図６に示した可変仕切り弁の位置ではこの可変仕切り弁により完全に閉鎖されている。したがって排気ガスは、第１のスパイラルダクト３６から、タービンホイール６８を収容するタービンハウジング６６の領域へ流入することができない。
【００５０】
可変仕切り弁によって、排気が第２のスパイラルダクト４０を介して、そして排気ガスが第１のスパイラルダクト３６を介してタービン案内グリル８８に当たるのを変化することができる。ここで可変仕切り弁は、軸方向に第１のスパイラルダクト３６を第２のスパイラルダクト４０から分離する中間壁９０を越えて軸方向に移動可能である。択一的な実施形態では、中間壁９０が半径方向に、タービン案内グリル８８を越えてタービンホイール６８の外周囲まで伸長している。この場合、可変仕切り弁は、第１のスパイラルダクト３６を遮断だけし、対応してタービン案内グリル８８の案内ブレード高さを、第１のスパイラルダクト３６からの流出領域で変化させるのに適する。タービン案内グリル８８の案内ブレードは、スパイラルダクト４０，３６から流出する媒体を、それがタービンホイール６８に衝突する前に加速させるノズルとして作用する。
【００５１】
図７は、実質的には図１の実施形態に相当する空気供給装置１０の別の実施形態を示す。対応して、タービン３４は、不変の幾何形状を備える非対称の双流タービンとして構成されている。それでもタービンホイール６８に、燃焼室３８の排気ガスおよび／または燃料電池スタック１２の排気が当たるのを変化できるようにするため、タービン３４の上流に調量位置９２が配置されている。この調量装置９２は比較的粗野であるが、頑強かつ安価に、タービンホイール６８に第１のスパイラルダクト３６および／または第２のスパイラルダクト４０を介して当たることを可能にする。さらに調量装置９２により、分岐路４２を介して燃焼室３８に流入する圧縮空気を調量することができる。この調量装置９２は、図７の実施形態では、管路２８への分岐管路４２の接続個所に配置された調量装置４４および弁５０，５４とまったく同じように、制御装置６２によって制御可能である。
【００５２】
図８は、図７に概略的に示された調量装置９２を断面図に示す。調量装置９２は、図８に中央位置で示された回転仕切り弁９４を含む。この中央位置では、排気系統５８を介して第２のスパイラルダクト４０に供給可能な排気が、排気ガス系統５６からの排気ガスと混合することなくタービン３４に供給される。同じように回転仕切り弁９４のこの中央位置では、燃焼室３８から発して排気ガス系統５６を通流する排気ガスが、タービン３４の第１のスパイラルダクト３６に、燃料電池スタック１２の排気と混合することなく供給される。タービン３４と同じように調量装置９２はダブルフランジ９６を有し、このダブルフランジ９６によって調量装置９２がタービン３４と結合することができる。
【００５３】
図９に示した回転仕切り弁９４の位置では、調量装置９２に排気系統５８を介して流入する燃料電池スタック１２の排気も、調量装置９２に排気ガス系統５６を介して燃焼室３８から流入する燃焼室３８の排気ガスも、双流タービン３４の第１のスパイラルダクト３６に供給される。回転仕切り弁９４が時計方向に、対向するストッパまで移動された、ここに図示されていない回転仕切り弁９４の第３の位置では、燃焼室３８の排気ガスが燃料電池スタック１２の排気とともにもっぱら第２のスパイラルダクト４０に流入する。同じように図示しない回転仕切り弁９４の中間位置では、排気と排気ガスが混合されて第１のスパイラルダクト３６にも、第２のスパイラルダクト４０にも流入する。これによってとりわけ簡単かつ安価に、双流タービン３４のタービンホイール６８に当たる際に大きな変化が可能である。
【００５４】
アノード再循環に関連すべきであり、いわば漏れ量または損失量を意味する未使用の水素量を、有利には同様に燃焼室３８およびタービン３４に、ポジティブなエネルギー利用のために供給することができる。
【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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【図８】
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【図９】
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