[发明专利]用于燃料电池组的空气供给装置、燃料电池系统以及运行空气供给装置的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池组的空气供给装置，该空气供给装置具有：压缩机，该压缩机用于压缩可经由输入管路输送给燃料电池组的输入空气；涡轮机，燃料电池组的排出空气可被输送给该涡轮机以驱动所述压缩机；可用燃料加载的燃烧室，其中所述涡轮机可用燃烧室的排气加载。另外，本发明还涉及一种具有用于将输入空气输送给燃料电池组的空气供给装置的燃料电池系统以及一种用于运行燃料电池组的空气供给装置的方法。

背景技术

从车辆制造学已知一种用于燃料电池组的空气供给装置，该空气供给装置具有与内燃机的空气供给装置非常类似的部分。虽然燃料电池驱动与通过内燃机的驱动就其功能和结构而言是不同的，但是基于排气涡轮增压器的空气供给装置被证实是用于向燃料电池组供应输入空气的非常高效的流体机械。燃料电池组在燃料电池驱动期间提供电能用以驱动机动车。

在用于燃料电池组的、具有压缩机--该压缩机压缩可经由输入管路输送给燃料电池组的输入空气--的空气供给装置中，为了驱动压缩机，设有涡轮机，燃料电池组的排出空气可输入该涡轮机。另外，从现有技术也已知可用燃料加载的燃烧室，其中所述涡轮机可用燃烧室的排气来加载。通过这种用燃烧室的排气对涡轮机进行的附加的加载，提供了升压器功能，借助该升压器功能，可以通过将特别大的输入空气质量流输入燃料电池组而在短时间内、较快速地得到燃料电池组提高的功率。如果为了驱动压缩机而设有电驱动部件，那么不需要根据功率要求--该功率要求是要能够提供所述特别高的、通过压缩机输送的质量流--来设计该电驱动部件。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种开头所述类型的空气供给装置和方法，所述空气供给装置或所述方法能够特别高效地驱动涡轮机。

在根据本发明的用于燃料电池组的供给装置中，所述供给装置具有：压缩机，该压缩机用于压缩可经由输入管路输送给燃料电池组的输入空气；涡轮机，燃料电池组的排出空气可被输送至该涡轮机以驱动压缩机；以及可用燃料加载的燃烧室，其中所述涡轮机可用燃烧室的排气来加载，所述输入管路具有分支管路，借助该分支管路可将被压缩的输入空气输送至燃烧室。

本发明基于这样的认知：如果将每单位体积的氧含量较高的输入空气输送至燃烧室，则能特别高效地驱动涡轮机。亦即，如果将被压缩的输入空气作为氧化剂输送至燃烧室，那么在输入燃料并点燃之后所进行的、呈自由基链反应形式的燃烧会伴随着特别高的能量释放。所述燃烧室的特别高能的排气导致特别高效地驱动涡轮机。

通过用燃烧室的排气加载涡轮机而引起的涡轮机较高的功率使得能借助压缩机向燃料电池组增强地输送输入空气，从而能够提高燃料电池组的功率。在使用这种尤其可在短期内使用的升压器功能时，由压缩机压缩的输入空气的主要部分被输送至燃料电池组并被用于产生电流。而输入空气的在分支管路处被分岔出去的分气流则借助在燃烧室内的燃烧实现用高能排气加载所述气体涡轮机，并因此提高了燃料电池组的功率。

燃料电池组即使未将待点燃的燃料输送至燃烧室，即在燃烧室内不发生燃烧，也能使输入空气的分气流经由分支管路旁路绕过燃料电池组。在此，由分支管路提供的旁路提供了一除燃料电池组之外的附加的可被穿流过的截面。在此，当压缩机在其喘振界限附近运行时，在给定压比的情况下，压缩机能提供更大的质量流并从而避免了压缩机的喘振。为了在所述较大的质量流期间维持所述给出的压比，在此可借助不同于涡轮机的驱动装置、例如借助电动机为压缩机提供所需的功率。

可以设想，为了将存在于燃料电池组的排出空气中的剩余氧气用于燃烧，可将燃料电池组的排出空气至少以补充的方式输送至燃烧室。

在本发明的一种有利构造方式中，涡轮机设计成双流式的，其中第一螺旋通道可用燃烧室的排气加载而第二螺旋通道可用燃料电池组的排出空气加载。因此，较冷的燃料电池排出空气可像较热的燃烧室排气一样输送至相同的涡轮机。在燃料电池组的排出空气的温度超过100℃不太多的同时，所述燃烧室的排气的温度可通过燃烧室达到例如600℃至700℃。因此，输送至双流涡轮机的排气流或排出空气流具有不同的成分、不同的入口温度以及不同的入口压强。

第一螺旋通道和第二螺旋通道可设置成，使得燃烧室的排气和燃料电池组的排出空气首先直接在涡轮机的涡轮的上游相遇。同样可设想，使所述(气)流直到在进入涡轮的区域内之前还保持分开。