JP2019203505A - 燃料電池を充電するためのターボチャージャを備えるデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】従来の欠点を回避し、動作信頼性および気密性に関して改善された構造を提示すること。【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）、優先的には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）に関するものであり、圧縮機（２１）は、燃料電池の排気ガス流（Ａ）によって駆動可能な排気ガスターボチャージャ（２０）のタービン（２２）に、シャフト（２３）を介して、駆動するように接続されており、かつ排気ガスターボチャージャ（２０）は、さらに、シャフト（２３）を介してモータ（４０）に駆動するように接続されており、排気ガスターボチャージャ（２０）のシャフトの取り付け部は、気体つまり空気潤滑式の取り付け部によって形成される。【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池、特に水素を用いて動作される燃料電池を充電するためのターボチャージャを備える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、当該水素は、水を作り出すよう燃料電池内で反応し、その過程で電気が放出される。通常、この目的のための水素は圧力容器の外で膨張されて、燃料電池に送られる。燃料電池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、燃料電池に送られる。

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。自動車環境では、ターボチャージャによって充電される燃料電池が公知となっている。この場合の吸気は、ターボチャージャの圧縮機によって吸い込まれ、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、付加的な電気エネルギーを電気モータによってターボチャージャのシャフトに送ることができる。

従来技術では、一般的に、エンジンオイル回路から潤滑油が供給されるベアリングを備えるターボチャージャが使用されている。この場合、取り付け部からのわずかなオイル漏れでさえ、燃料電池の汚染および排気ガス放出量の増加を引き起こす。

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

そのため、本発明の目的は、上述した欠点を回避し、動作信頼性および気密性に関して改善された構造を提示することである。

本発明によれば、この構造は、請求項１における特徴を有するデバイスによって実現される。

本発明の基本的な概念は、ターボチャージャの取り付け部の潤滑のために気体つまり空気が使用される、燃料電池の空気供給のためのターボチャージャ、特に排気ガスターボチャージャを使用することからなる。優先的には、潤滑のための空気は圧縮機の後で抽出される。代替的には、水素は、水素が関連する取り付け部を通って流れた後に再び入口で圧縮機に送り込まれるように、使用することもできる。

このようにして、排気ガス汚染のリスクが取り除かれ、かつターボチャージャのより低いベアリング損失を通じて、その効率性が増加される。

気体の潤滑剤を使用することは、ターボチャージャの取り付け部の特定の構造を必要とする。本発明によれば、この目的のために、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、圧縮機は、燃料電池の排気ガス流によって駆動可能なターボチャージャのタービンにシャフトを介して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、ターボチャージャのシャフトの取り付け部は、気体つまり空気潤滑式の取り付け部によって形成されている。

有利な構成では、モータは、圧縮機とタービンとの間に配置される電気モータであるように提供される。

さらに、モータのステータが、そのステータ巻線とともに、ターボチャージャのシャフトの周りに輪状に配置され、当該シャフトが、モータのロータの一部として形成されている場合は有利である。

シャフトが大きな直径を有するように設計されているターボチャージャは、２つのインペラの間に配置されたモータを使用するのに特に有利に適しており、モータはさらに、好ましくは発電機モードでも動作可能である。ここで、ターボチャージャのシャフトは、同時に、電気モータのロータを形成しており、その結果として、高度の部品統合性およびコンパクト化が達成される。水素が潤滑剤として使用される場合、当該水素は、同時に、モータ巻線を冷却するために、ひいてはその効率を高めるために使用できる。

本発明の有利な構成では、一方では圧縮機へのシャフトの取り付け部が、好ましくはタービンへのシャフトの取り付け部も、気体つまり空気潤滑式のラジアルベアリングによって形成されるよう提供される。

さらに、シャフトによって形成されるかまたはシャフトに取り付けられるスラストリングによって、シャフトが軸方向スラストベアリングに取り付けられる場合は有利である。（油と比較して）気体の潤滑剤の粘度は著しく低いため、ラジアルベアリングのベアリング直径と、さらにスラストベアリングの外径とは、著しく大きく形成される。ここで、スラストベアリングは、圧縮機ホイールとほぼ同じ外径を有する。
ラジアルベアリング直径は、スラストベアリング直径と、スラストベアリングの面積と、から得られ、このスラストベアリングの面積は、排気ガスターボチャージャの運転中に発生する軸方向スラストを相殺または吸収できるようにするために必要とされる。

さらに、軸方向スラストベアリングが、シャフトの圧縮機側またはタービン側のいずれかにおいて中心から外れて軸方向に配置されている場合は有利である。どのような理由があっても、この軸方向スラストベアリングは、圧縮機とタービンの間のシャフトの中央あるいはほぼ中央に配置されるべきではない。なぜなら、電気モータのステータを分割せざるを得なくなるからである。このようにして、シャフトは、一体的に、または軸方向における一体部品として形成できる。

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消費体に電力を提供する燃料電池システムの一部である燃料電池に空気を提供するための、上述のような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によってより詳細に示される。

本発明に基づく例示的な実施形態の概略図である。 一体型の電気モータを備える排気ガスターボチャージャの細部の概略図である。

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によってより詳細に説明されており、これら図面において同じ参照符号は、同じ構造的および／または機能的な特徴を示す。

図示された例示的な実施形態には、燃料電池１０と、水素を用いて作動される燃料電池１０の空気供給のためのデバイス１と、が示される。デバイス１は、ターボチャージャ２０の圧縮機２１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によって発生した排気ガス流は、タービン２２を通って流れ、かつシャフト２３を介して、圧縮機２１の圧縮機ホイールを駆動する。この過程において、燃料電池１０のための供給空気は、圧縮機２１で圧縮され、そして空気供給通路２４を介して燃料電池１０に送られる。

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。このため、圧縮機２１の圧縮機ホイールは、タービン２２とともに共通シャフト２３上に配置されている。ここで、電気モータ４０は、ターボチャージャ２０内で中心から外れて、つまり圧縮機２１とタービン２２との間において圧縮機側に配置されている。モータ４０のステータ４４は、そのステータ巻線４５とともに、ターボチャージャ２０のシャフト２３の周りに配置されており、図２から、シャフト２３自体が、モータ４０のロータの一部として形成されていることは明らかである。

図２に基づく詳細図には、取り付け部の詳細が示されている。ターボチャージャ２０のシャフト２３の取り付け部は、気体潤滑式取り付け部を用いて、具体的には気体つまり空気潤滑式ラジアルベアリング２５および２６のそれぞれを用いて圧縮機２１上にかつさらにタービン２２上に形成されている。シャフト２３は、シャフト２３によって形成されたスラストリング３１を用いて軸方向スラストベアリング３０に取り付けられている。軸方向スラストベアリング３０の外径は、圧縮機２１の外径よりも大きい。軸方向スラストベアリング３０は、軸方向において中心から外れて一体型シャフト２３上に形成されている。

水素が潤滑剤として使用される場合、シーリング空気、ピストンリング、ラビリンスシールまたはメンブレンシールを用いた気密性のあるシャフトシールがタービン側に設けられる。対照的に、圧縮機側では、水素が意図されたように燃焼のために燃料電池に再び送られるため、シャフトシールを省略できる。

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さえも示された解決法を利用する多くのバージョンが考えられる。

１ 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 空気供給通路
２５，２６ 空気潤滑式ラジアルベアリング
３０ 軸方向スラストベアリング
３１ スラストリング
４０ モータ
４４ ステータ
４５ ステータ巻線

Claims (10)

1. 排気ガスターボチャージャ（２０）の圧縮機（２１）を介した、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、前記燃料電池の排気ガス流（Ａ）によって駆動可能な前記排気ガスターボチャージャ（２０）のタービン（２２）に、シャフト（２３）を介して、駆動するように接続されており、かつ前記排気ガスターボチャージャ（２０）は、さらに、前記シャフト（２３）を介してモータ（４０）に駆動するように接続されており、
   前記排気ガスターボチャージャ（２０）の前記シャフトの取り付け部は、気体つまり空気潤滑式の取り付け部によって形成されることを特徴とするデバイス（１）。
2. 前記モータ（４０）が、前記圧縮機（２１）と前記タービン（２２）との間に配置された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）のステータ（４４）は、そのステータ巻線（４５）とともに、前記排気ガスターボチャージャの前記シャフト（２３）の周りに配置されており、前記シャフトは、前記モータ（４０）のロータの一部として形成され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. 前記圧縮機（２１）への前記シャフト（２３）の取り付け部は、気体つまり空気潤滑式ラジアルベアリング（２５）によって形成されていることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
5. 前記タービン（２２）への前記シャフト（２３）の取り付け部は、気体つまり空気潤滑式ラジアルベアリング（２６）によって形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
6. 前記シャフト（２３）は、前記シャフト（２３）によって形成されるかまたは前記シャフト（２３）に取り付けられたスラストリング（３１）を用いて軸方向スラストベアリング（３０）に取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
7. 前記軸方向スラストベアリング（３０）の前記スラストリングは、前記圧縮機（２１）の圧縮機ホイールの直径と同じかそれよりわずかに大きい直径を有することを特徴とする請求項６に記載のデバイス（１）。
8. 前記軸方向スラストベアリング（３０）は、前記圧縮機側または前記タービン側のいずれかにおいて、中心から外れて軸方向において前記シャフト（２３）上に配置されていることを特徴とする請求項６に記載のデバイス（１）。
9. 前記シャフト（２３）は、軸方向において一体部品に形成されていることを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のデバイス（１）。
10. 消費体に電力を提供する燃料電池システムの一部である燃料電池（１０）に空気を供給するための、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のデバイス（１）の使用法。