[發(fā)明專利]渦輪機(jī)、燃料電池系統(tǒng)和相應(yīng)的運(yùn)行方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201880087636.0
• 申請(qǐng)日: 2018-11-21
• 公開（公告）號(hào): CN111670298B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: A·溫格特;T·R·奧特
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 羅伯特·博世有限公司
• 主分類號(hào): F02B39/00
• 分類號(hào): F02B39/00;F02B37/04;F02B37/16;F02B39/10;F01D25/12;F04D29/58;H02K1/32;H02K9/10;H01M8/04111;F02B39/16
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司 72002
• 代理人: 侯鳴慧

本發(fā)明涉及一種渦輪機(jī)(10)，尤其用于燃料電池系統(tǒng)(1)。渦輪機(jī)(10)包括壓縮機(jī)(11)、驅(qū)動(dòng)裝置(20)和軸(14)。所述壓縮機(jī)(11)具有布置在所述軸(14)上的葉輪(15)、壓縮機(jī)入口(11a)和壓縮機(jī)出口(11b)。工作流體能夠從所述壓縮機(jī)入口(11a)輸送至所述壓縮機(jī)出口(11b)。在所述壓縮機(jī)出口(11b)處分岔出用于冷卻所述驅(qū)動(dòng)裝置(20)的驅(qū)動(dòng)冷卻路徑(92)。此外，提出一種具有根據(jù)本發(fā)明的渦輪機(jī)(10)的燃料電池系統(tǒng)(1)、一種用于運(yùn)行渦輪機(jī)(10)的方法和一種運(yùn)行燃料電池系統(tǒng)(1)的方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于燃料電池系統(tǒng)的渦輪機(jī)、一種燃料電池系統(tǒng)、一種用于運(yùn)行渦輪機(jī)的方法和一種用于運(yùn)行燃料電池系統(tǒng)的方法。

背景技術(shù)

由現(xiàn)有技術(shù)、例如由公開文獻(xiàn)DE 10 2012 224 052 A1已知用于燃料電池系統(tǒng)的實(shí)施為渦輪壓縮器的渦輪機(jī)。已知的渦輪壓縮器具有可以通過驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)的軸。在該軸上布置有壓縮機(jī)和廢氣渦輪。

在詳細(xì)構(gòu)型中，實(shí)施為渦輪壓縮器的渦輪機(jī)由公開文獻(xiàn)DE 10 2008 044 876 A1已知。已知的渦輪壓縮器具有布置在軸上的葉輪或壓縮機(jī)。在此，壓縮機(jī)實(shí)施為徑向葉輪，并且工作流體由壓縮機(jī)入口輸送至壓縮機(jī)出口。

本發(fā)明的主題是渦輪機(jī)的部件、尤其是驅(qū)動(dòng)裝置的借助于工作流體的有效冷卻。

為了能夠運(yùn)行例如在車輛中的燃料電池，必須一方面提供氫氣，另一方面提供環(huán)境中的空氣。在此，由現(xiàn)有技術(shù)已知電驅(qū)動(dòng)的渦輪壓縮機(jī)，該渦輪壓縮機(jī)用于向燃料電池的空氣供應(yīng)。在通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸上安裝有壓縮機(jī)輪，該壓縮機(jī)輪將所需的空氣質(zhì)量流朝著燃料電池的方向輸送。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明的渦輪機(jī)具有優(yōu)化的冷卻，該冷卻尤其用于軸承部位和驅(qū)動(dòng)裝置。優(yōu)選地，渦輪機(jī)在此布置在燃料電池系統(tǒng)中。

為此，渦輪機(jī)包括壓縮機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置和軸。壓縮機(jī)具有布置在所述軸上的葉輪、壓縮機(jī)入口和壓縮機(jī)出口。工作流體可以從壓縮機(jī)入口輸送至壓縮機(jī)出口，并且在此優(yōu)選被壓縮。在壓縮機(jī)出口處分岔出用于冷卻驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)冷卻路徑。

因此，由于壓縮的工作流體在驅(qū)動(dòng)冷卻路徑中存在工作流體的壓力或質(zhì)量流，通過該壓力或質(zhì)量流實(shí)現(xiàn)從驅(qū)動(dòng)裝置到驅(qū)動(dòng)冷卻路徑的工作流體中的強(qiáng)迫對(duì)流。通過處于壓力下的工作流體產(chǎn)生在渦輪機(jī)內(nèi)部在驅(qū)動(dòng)冷卻路徑中的流動(dòng)；由于壓力，驅(qū)動(dòng)冷卻路徑不必費(fèi)事地密封，而是可以通過相應(yīng)的空腔、縫隙等限定。與此相應(yīng)地，在驅(qū)動(dòng)裝置和工作流體之間的熱傳遞系數(shù)是高的，使得驅(qū)動(dòng)裝置的冷卻非常有效。

尤其在渦輪機(jī)的摩擦部位上、例如在軸承或驅(qū)動(dòng)裝置上產(chǎn)生摩擦熱，該摩擦熱應(yīng)通過驅(qū)動(dòng)冷卻路徑或通過在那里流動(dòng)的工作流體冷卻。為此尤其可以使用環(huán)境空氣。

在尤其優(yōu)選的實(shí)施方案中，在驅(qū)動(dòng)冷卻路徑中在驅(qū)動(dòng)裝置的上游布置換熱器。壓縮的并且由此也加熱的工作流體在要冷卻的驅(qū)動(dòng)裝置之前被冷卻，使得驅(qū)動(dòng)裝置的冷卻更有效地構(gòu)型。

在優(yōu)選的實(shí)施方案中，驅(qū)動(dòng)裝置具有轉(zhuǎn)子和定子。在此，轉(zhuǎn)子布置在軸上。驅(qū)動(dòng)冷卻路徑引導(dǎo)通過在轉(zhuǎn)子和定子之間的縫隙。由此，轉(zhuǎn)子和定子的冷卻非常簡(jiǎn)單地構(gòu)型。優(yōu)選地，縫隙是在驅(qū)動(dòng)冷卻路徑中的節(jié)流點(diǎn)，使得在那里的工作流體的流動(dòng)速度特別高并且在驅(qū)動(dòng)裝置和工作流體之間的熱傳遞系數(shù)伴隨著所述流動(dòng)速度也特別高。

在有利的擴(kuò)展方案中，所述軸借助于兩個(gè)徑向軸承支承，其中，這兩個(gè)徑向軸承布置在驅(qū)動(dòng)冷卻路徑中。因此，除了驅(qū)動(dòng)裝置之外附加地，這兩個(gè)徑向軸承也通過工作流體有效地冷卻。在此優(yōu)選地，兩個(gè)徑向軸承朝著驅(qū)動(dòng)裝置的兩個(gè)軸向端部布置。

有利地，驅(qū)動(dòng)冷卻路徑分支成第一部分路徑和第二部分路徑。一個(gè)徑向軸承布置在第一部分路徑中并且一個(gè)徑向軸承布置在第二部分路徑中。由此，工作流體在渦輪機(jī)內(nèi)部在驅(qū)動(dòng)冷卻路徑中的流動(dòng)導(dǎo)向非常簡(jiǎn)單地構(gòu)型；可以取消費(fèi)事的密封部位。優(yōu)選地，驅(qū)動(dòng)冷卻路徑在驅(qū)動(dòng)裝置處分支成第一部分路徑和第二部分路徑。