具有空气冷却的压缩器/涡轮单元的燃料电池系统以及方法与流程

1.本发明涉及一种燃料电池系统，其具有空气压缩器，该空气压缩器用于压缩供应给至少一个燃料电池的空气质量流；以及具有冷却空气路径，通过该冷却空气路径从经压缩的空气质量流分支出冷却空气质量流。本发明也涉及一种用于运行这种燃料电池系统中的空气压缩器的方法。


背景技术：

2.由德国公开文献de 10 2017 212 815 a1已知一种燃料电池系统，其包括燃料电池、用于将氧化剂供应到燃料电池中的空气供应管路以及用于从燃料电池导出氧化剂的废气管路，其中，燃料电池系统具有带有工作轮的涡轮机，该工作轮实现为压缩器，该压缩器布置在空气供应管路中，其中，为了优化涡轮机的冷却，不使用来自工作轮的已加热的、压缩的空气，而是从相反的方向吸入经冷却的、未压缩的空气。


技术实现要素：

3.本发明的任务在于，进一步改善对燃料电池系统中的空气压缩器的冷却。
4.该任务在本发明的燃料电池系统中通过对于经压缩的空气质量流的根据需求的调节装置来解决。所述燃料电池系统具有空气压缩器，其用于压缩供应给至少一个燃料电池的空气质量流；冷却空气路径，通过该冷却空气路径从经压缩的空气质量流分支出冷却空气质量流。根据需求的调节装置实施为具有额定值、实际值、执行参量和调节参量的调节回路。在冷却空气路径中出现的质量流在传统的燃料电池系统中决定性地取决于在空气压缩器之后存在的压力。这导致：靠近泵极限(pumpgrenze)、尤其在压缩器输出端上存在高压的情况下出现最大的质量流；而靠近阻塞极限(stopfgrenze)、尤其在压缩器输出端上存在低压的情况下出现最小的质量流。在燃料电池系统的运行中对于空气压缩器的冷却所需的冷却质量流取决于不同因素，如取决于转数、压缩比以及与燃料电池系统一起运行的电机的功率。通过要求保护的调节装置可以将冷却空气质量流调节到空气压缩器的冷却要求。由此可以将冷却空气质量流保持得最小。冷却的质量流构成燃料电池系统的主质量流中的损失，因为冷却空气质量流在燃料电池堆跺中不再可供使用。因为冷却空气质量流通过空气压缩器被提供用于内部冷却，所以用于产生冷却空气质量流的能量是必要的。该能量对电机的总效率产生不利影响。因此，冷却空气的要求保护的调节装置起到提升效率的作用。
5.燃料电池系统的一个优选实施例的特点在于，调节装置包括在冷却空气出口处的测量部位，借助该测量部位检测在冷却空气出口处的冷却空气的温度并且将其用作调节参量。由此能够以简单的方式实现在冷却空气路径中对经压缩的冷却空气质量流的舒适调节。
6.燃料电池系统的另一优选实施例的特点在于，使用燃料电池的废气质量流的至少一个出口温度的根据经验求取的极值作为调节装置的额定值。在此涉及在输出端的出口温度。在多个输出端的情况下涉及多个出口温度。
7.燃料电池系统的另一优选实施例的特点在于，在冷却空气路径中使用流体阻抗作为调节装置的调整参量，该流体阻抗的通流阻力根据在冷却空气出口处的冷却空气的温度而变化，以便根据需求配量经压缩的冷却空气质量流。流体阻抗例如涉及节流器。在要求保护的调节装置中，例如通过具有可调节的节流横截面的节流器代替传统的固定节流器。
8.燃料电池系统的另一优选实施例的特点在于，流体阻抗如此实施，使得总是最小的冷却空气质量流流过冷却空气路径。由此确保：在冷却空气出口处的测量部位上的冷却空气始终达到代表配备有燃料电池系统的电机的内部温度的冷却空气温度。
9.燃料电池系统的另一优选实施例的特点在于，在冷却空气路径中布置有双金属矩阵，该双金属矩阵用于构成调节装置的调整参量并且包括彼此并排布置的、具有不同热膨胀系数的双金属。如此可以根据需求配量冷却空气质量流。具有不同热膨胀系数的双金属能够实现对冷却空气质量流的精确调节。这提供以下优点：没有非必要的经压缩的空气或压缩空气在空气压缩器和燃料电池之间被分支出来。
10.燃料电池系统的另一优选实施例的特点在于，空气压缩器实施为电涡轮压缩器。电涡轮压缩器例如通过电动机电驱动。涡轮压缩器包括至少一个压缩器工作轮，该压缩器工作轮用于压缩在燃料电池的空气供应中的空气。此外，涡轮压缩器有利地包括废气涡轮的至少一个涡轮工作轮，该废气涡轮配属于燃料电池的空气输出端或废气输出端。这种涡轮压缩器也称为涡轮机。
11.此外，本发明还包括用于运行前述燃料电池系统中的空气压缩器的方法。借助要求保护的方法可以使在冷却空气路径中提供冷却空气匹配于实际的冷却空气需求。
12.此外，本发明还包括一种计算机程序产品，其包括计算机程序，该计算机程序具有软件模块(softwaremittel)，该软件模块用于当在计算机上执行计算机程序时实施上述方法。本发明必要时也涉及一种具有这种计算机程序产品的燃料电池系统的控制器。
13.此外，本发明还包括一种用于上述燃料电池系统的流体阻抗、尤其是双金属矩阵。流体阻抗、尤其是双金属矩阵可单独操作。
附图说明
14.本发明另外的优点、特征和细节由以下说明得出，在以下说明中参照附图详细地描述不同的实施例。
15.唯一的附图示出具有空气压缩器的燃料电池系统的示意图，该空气压缩器借助从经压缩的空气质量流分支出的冷却空气质量流来冷却。
具体实施方式
16.在图1中示意地示出燃料电池系统1。燃料电池系统本身是已知的，例如由德国公开文献de 10 2012 224 052 a1已知。燃料电池系统1包括燃料电池3，其仅通过虚线的矩形标明。燃料电池3包括至少一个电池堆跺2，其代替地以阀符号示出。
17.通过箭头4标明空气质量流，其经由空气压缩器5被供应给燃料电池3。通过箭头6标明经压缩的空气质量流6，从该经压缩的空气质量流分支出冷却空气质量流7。冷却空气质量流7同样仅通过箭头标明并且是冷却空气路径19的一部分，通过冷却空气路径19给空气压缩器5供应冷却空气。
18.通过冷却空气路径19供应的冷却空气例如用于冷却空气轴承，借助空气轴承可旋转地支承空气压缩器5的轴。冷却空气质量流7构成经压缩的空气质量流6中的损失，因为分支出的冷却空气质量流7在燃料电池3的电池堆跺2中不再可供使用。
19.因为冷却空气质量流7通过空气压缩器5被提供用于内部冷却，所以用于产生冷却空气质量流的能量、尤其是电能是必要的。该能量对机动车的驱动电机的总效率产生不利影响，机动车通过燃料电池系统1驱动。
20.剩余的空气质量流6通过空气供应管路8供应给燃料电池3。燃料电池3是化学电池单体，其将通过未示出的燃料供应管路供应的燃料和氧化剂的化学反应能转化为电能。
21.氧化剂是空气，其通过空气供应管路8供应给燃料电池3。燃料优选地可以是氢气或甲烷或甲醇。相应地，作为废气生成水蒸气和二氧化碳。废气以废气质量流10的形式通过废气管路9导出，如通过箭头10标明的那样。
22.废气质量流10通过废气涡轮11导出至废气出口12，该废气出口通过箭头标明。空气压缩器5布置在空气供应管路8中。废气涡轮11布置在废气管路9中。空气压缩器5和废气涡轮11通过轴机械地连接。
23.轴能够通过电动机14电驱动。废气涡轮11用于在驱动空气压缩器5时辅助电动机14。空气压缩器5、废气涡轮11、轴和电动机14共同构成涡轮压缩器15，该涡轮压缩器也称为涡轮机。
24.此外，燃料电池系统1包括旁通管路13，在其中布置有旁通阀16。通过旁通管路13连同旁通阀16可以将旁通空气质量流17为了降压而由空气供应管路8在绕开燃料电池3的电池堆跺2的情况下导出到废气管路9中。这例如是有利的，以便引起在通过燃料电池3的空气供应管路8供应的空气质量流中的降压。
25.此外，燃料电池系统1包括中冷器18，其通过虚线的矩形标明。中冷器18用于在通过冷却空气路径19分支出冷却空气质量流7之前冷却经压缩的空气质量流6。
26.燃料电池系统1配备有调节装置20，借助该调节装置将分支出的冷却空气质量流7调节到涡轮压缩器15的冷却空气需求。通过将冷却空气质量流7调节到涡轮压缩器15的需求(涡轮压缩器15也称为涡轮机或简称为机器)，可以将分支出的冷却空气质量流7保持得小。由此又可以提高机动车的效率，该机动车的驱动装置通过燃料电池系统1驱动。
27.通过箭头21标明：在冷却空气出口24处的冷却空气的温度用作调节装置20的调节参量。冷却空气出口通过箭头24标明。类似地，冷却空气入口通过箭头23标明。
28.冷却空气入口23配有流体阻抗22，流体阻抗22为了构成调节装置20而与双金属矩阵25组合，该双金属矩阵仅通过带阴影的矩形标明。双金属矩阵25用于构成调节装置20的执行参量。
29.为了冷却空气质量流7的根据需求的配量，双金属矩阵25由多个不同的彼此并排布置的双金属组成。每个双金属具有不同的热膨胀系数，从而对冷却空气质量流7进行精确调节，并且没有非必要的经压缩的空气或压缩空气从经压缩的空气质量流6分支出来，该经压缩的空气质量流由涡轮压缩器15提供。
30.为了确保在冷却空气出口4处的测量部位上始终存在代表机器的内部温度的冷却空气温度，必须总是在冷却空气入口23处存在最小冷却空气质量流。因此必须阻止流体阻抗22的完全关闭。由此确保机器在内部不过热，而在冷却空气出口24处的温度不会很大程
度地变化。