JP2019204783A - 燃料電池の空気供給のためのデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、従来の不利な点を回避し、燃料電池に提供される流速および圧力に関して高い自由度を与える燃料電池の空気供給用デバイスを提供すること。【解決手段】本発明は、排気ガスターボチャージャ（２０）の圧縮機（２１）を介して、燃料電池（１０）の、特に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）に関し、圧縮機（２１）は、シャフト（２３）を介して、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）に、駆動するように接続されており、かつターボチャージャ（２０）は、さらに、シャフト（２５）を介してモータ（４０）に、駆動するように接続されており、圧縮機（２１）は、圧縮空気（Ｌ）を供給するための空気供給ダクト（２４）を介して燃料電池（１０）に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の、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。

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当該燃料電池内で反応し、その過程で電気が放出される。通常は、この目的のため、水素は、圧力容器から膨張されて燃料電池へ供給される。燃料電池内での燃焼に必要な空気は、電動送風機によってその周囲から吸い込まれ、燃料電池に供給される。

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に記載されている。

特許文献１および特許文献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は、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。

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、フローコンプレッサとして設計された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様式で調整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。

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公知となっている。そこでは、ターボチャージャの圧縮機によって吸気が吸い込まれ、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、電気モータを用いてターボチャージャのシャフトに供給できる。

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。

独国特許出願公開第１０１ ２０ ９４７号明細書 独国特許出願公開第１０ ２００４ ０５１ ３５９号明細書

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設定を提示することである。

本発明に基づいて、この設定は、請求項１における特徴を有するデバイスによって達成される。

本発明の基本的な発想は、燃料電池の空気供給のためにターボチャージャ、特に排気ガスターボチャージャを使用すること、および、排気ガス流によって利用可能なエネルギーがターボチャージャの圧縮機を駆動するために利用されるだけではなくターボチャージャがモータによって付加的に駆動可能であるパフォーマンス平衡状態でターボチャージャを動作させること、からなる。

それゆえ、本発明に基づいて、排気ガスターボチャージャの圧縮機を介して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が提案され、当該デバイスにおいて、圧縮機は、シャフトを介して、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のタービンに、駆動が有効となるように接続されており、かつターボチャージャはさらにシャフトを介してモータに、駆動が有効となるように接続されており、圧縮機は、圧縮空気を供給するための空気供給ダクトを介して燃料電池に接続されている。

本発明の好ましい構成では、モータは電気モータである。モータと、圧縮機と、タービンとが共通のシャフト、好ましくはターボチャージャのシャフト上で互いに駆動するように接続されている場合はさらに有利となる。

本発明のさらなる有利な実施形態では、モータが、圧縮機の圧縮機側において、ターボチャージャの外側でターボチャージャのシャフトに駆動するように接続されるよう設けられる。

代替的に、タービン側においてターボチャージャの外側のモータが、ターボチャージャのシャフトを用いてタービンに駆動するように接続されるよう設けることができる。このようにモータがターボチャージャの外側で接続される場合、ターボチャージャに通常用いられている滑り軸受けを使用することができ、滑り軸受けは、オイルフリーの取り付け具と比較して、回転速度および軸方向応力の吸収に関して大きな利点を有する。この利点が実施形態において実現されるならば、圧縮機およびタービンを、最適に効率的となるように設計できる。

本発明のさらなる態様は、優先的には１００ｋＷより大きい電力範囲で電動力を消費者に提供する燃料電池システムの一部である上述のような燃料電池のために空気を提供するためのデバイスの使用法に関するものである。

本発明の他の有利なさらなる展開例は、従属請求項に記載されているか、または本発明の好ましい実施形態の説明とともに図面を用いてより詳細に示されている。

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。 本発明に基づく代替実施形態の概略図である。

以下では、本発明が、図１および図２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ており、図面中の同じ参照符号は、同じ構造および／または同じ機能の特徴部を示している。

図示される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、図１および図２のそれぞれに図示される。デバイス１は、圧縮機２１と、ターボチャージャ２０とを備える。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、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。この過程で、燃料電池１０のための供給空気は、圧縮機２１によって圧縮され、空気供給ダクト２４を介して燃料電池１０に供給される。

図１に基づく例示的な実施形態では、駆動シャフト２３を介して圧縮機２１を駆動可能な電気モータ４０が設けられている。この目的のために、圧縮機２１の圧縮機ホイールはタービン２２とともに共通のシャフト２３，２５上に配置されている。ここで、モータは、圧縮機２１の圧縮機側においてターボチャージャ２０の外側に配置されている。

図２に基づく例示的な実施形態では、ターボチャージャ２０の外側において、具体的にはタービン側において、モータ４０が、ターボチャージャのシャフト２３を用いてタービン（２２）に、駆動するように、接続されるよう設けられている。

したがって、両方の例示的な実施形態では、モータ４０は、タービン２２と圧縮機２１との間ではなく、それぞれの場合においてターボチャージャ２０の外側に配置されている。

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策を使用する多くのバージョンが考えられる。

１ 空気供給のためのデバイス
１０ 燃料電池
２０ ターボチャージャ
２１ 圧縮機
２２ タービン
２３ シャフト
２４ 空気供給ダクト
４０ 電気モータ
Ａ 排気ガス流
Ｌ 圧縮空気

Claims (7)

1. 排気ガスターボチャージャ（２０）の圧縮機（２１）を介して、燃料電池（１０）の空気供給のためのデバイス（１）であって、
   前記圧縮機（２１）は、シャフト（２３）を介して、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）に、駆動するように接続されており、かつ前記ターボチャージャ（２０）は、さらに、シャフト（２５）を介してモータ（４０）に、駆動するように接続されており、
   前記圧縮機（２１）は、圧縮空気（Ｌ）を供給するための空気供給ダクト（２４）を介して前記燃料電池（１０）に接続されていることを特徴とするデバイス（１）。
2. モータ（４０）が電気モータであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス（１）。
3. 前記モータ（４０）、前記圧縮機（２１）、および前記タービン（２２）が、共通のシャフト（２３，２５）上で互い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または請求項２に記載のデバイス（１）。
4. 前記モータ（４０）は、前記圧縮機（２１）の圧縮機側において前記ターボチャージャ（２０）の外側で、前記ターボチャージャの前記シャフト（２３）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３に記載のデバイス（１）。
5. 前記モータ（４０）は、タービン側において前記ターボチャージャ（２０）の外側で、前記ターボチャージャの前記シャフト（２３）を用いて前記タービン（２２）に駆動するように接続されることを特徴とする請求項３に記載のデバイス（１）。
6. 前記シャフト（２３）の取り付けは、滑り軸受けを用いて実現されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のデバイス（１）。
7. 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前記燃料電池（１０）に空気を供給するための、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のデバイス（１）の使用法。