本發(fā)明涉及一種用于針對燃料電池系統(tǒng)中含氫氣氣體的氣體的回收的再循環(huán)風(fēng)機。

背景技術(shù)：

1、在交通工具(例如汽車、火車、飛機或船)中可以設(shè)有燃料電池系統(tǒng)。在燃料電池系統(tǒng)中例如藉由氫氣生成電能，以驅(qū)動交通工具。

2、燃料電池系統(tǒng)除了被供應(yīng)氣態(tài)氫氣的燃料電池單元之外還可以具有用于將沒有被消耗的氫氣氣體回收至燃料電池單元的輸入端的回收裝置。在回收裝置中設(shè)有再循環(huán)風(fēng)機，以便將沒有被消耗的氫氣氣體回收至輸入端。由此可以實現(xiàn)較小的燃料消耗。通過再循環(huán)尤其提高了燃料利用率，并且因此提高了效率。

3、常規(guī)的再循環(huán)風(fēng)機是電動驅(qū)動或機械驅(qū)動的。基于噴射器原理的常見方案不需要從外部供應(yīng)能量就足夠。再循環(huán)風(fēng)機可以被設(shè)計為電驅(qū)動壓縮機，例如徑流式壓縮機。還可以使用額定壓力比相對較小的側(cè)通道壓縮機和旋轉(zhuǎn)活塞風(fēng)機(所謂的羅茨風(fēng)機)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、所提出的目的是，提供一種替代性的再循環(huán)風(fēng)機。

2、該目的通過具有權(quán)利要求1所述特征的用于針對燃料電池系統(tǒng)中含氫氣氣體的氣體的回收裝置的再循環(huán)風(fēng)機來實現(xiàn)。

3、再循環(huán)風(fēng)機包括：可被渦輪機驅(qū)動的風(fēng)機，該風(fēng)機被設(shè)計成用于輸送回流；以及渦輪機，該渦輪機被設(shè)計成用于驅(qū)動風(fēng)機，并且該渦輪機能夠被氫氣流驅(qū)動。

4、燃料電池系統(tǒng)中的再循環(huán)系統(tǒng)提出，再循環(huán)風(fēng)機與氫氣儲存器相聯(lián)接。

5、再循環(huán)風(fēng)機用于回收含氫氣氣體的氣體。術(shù)語“氣體”既包括氫氣氣體，也包括含氫氣氣體的氣體混合物。有利地，氫氣氣體是這種氣體混合物的主要成分。再循環(huán)風(fēng)機提高了用于燃料電池型電動交通工具(例如汽車、火車、飛機或船)的燃料電池系統(tǒng)的效率和使用壽命。降低所提出的方案旨在：將再循環(huán)風(fēng)機所需的電力降低至最小，以節(jié)省燃料(即氫氣)并因此提高交通工具的續(xù)航里程。

6、再循環(huán)風(fēng)機的基礎(chǔ)是受渦輪機驅(qū)動的風(fēng)機，類似于渦輪增壓器的壓縮機，其中渦輪機本身被氫氣流過并且被其驅(qū)動。再循環(huán)風(fēng)機利用來自氫氣儲存器的膨脹的氫氣和氫氣儲存器的壓力勢來驅(qū)動渦輪機，渦輪機隨后驅(qū)動風(fēng)機。

7、基于氫氣渦輪機的再循環(huán)風(fēng)機方案對電力的需求很小，因為至多燃料電池單元的空載通風(fēng)(leerlaufbelüftung)還需要電力，并且顯著地節(jié)省了能夠被用于提高交通工具續(xù)航里程的電能。此外，渦輪機驅(qū)動提供了額外的成本節(jié)約潛力，因為不需要昂貴的功率電子器件、冷卻劑、空氣軸承或防止氫氣滲透的措施。

8、再循環(huán)風(fēng)機將在燃料電池單元中反應(yīng)時沒有被消耗的氫氣輸送回至燃料電池系統(tǒng)的燃料電池單元，這降低了燃料電池單元的氫氣消耗和老化。再循環(huán)風(fēng)機還有利地用作壓縮機，以維持氫氣朝向燃料電池的輸入端的流動方向。作為壓縮機的風(fēng)機將沒有被消耗的氫氣作為回流輸送回至燃料電池單元的輸入端。對風(fēng)機的驅(qū)動通過如下的氫氣流來進行，該氫氣流作為燃料電池單元的燃料從氫氣儲存器、經(jīng)過再循環(huán)風(fēng)機的渦輪機被引導(dǎo)到燃料電池單元中。因此，燃料電池系統(tǒng)的再循環(huán)系統(tǒng)利用氫氣儲存器中的較高的壓力水平來提高系統(tǒng)的效率。

9、在一個實施方式中，再循環(huán)風(fēng)機包括風(fēng)機中的用于輸送回流的風(fēng)機葉輪以及渦輪機中的渦輪機葉輪。風(fēng)機葉輪和渦輪機葉輪彼此相聯(lián)接，使得通過將渦輪機葉輪的轉(zhuǎn)動傳遞至風(fēng)機葉輪來使渦輪機葉輪的轉(zhuǎn)動驅(qū)動風(fēng)機葉輪。渦輪機葉輪能夠被氫氣流驅(qū)動。

10、風(fēng)機葉輪是受渦輪機驅(qū)動的，其中來自氫氣儲存器的氫氣驅(qū)動渦輪機葉輪，然后被引入燃料電池單元。流入燃料電池單元的氫氣在到達那里的途中被用來驅(qū)動再循環(huán)風(fēng)機。

11、具有待回收氫氣的回流以及具有要從氫氣儲存器供應(yīng)到燃料電池單元的氫氣的氫氣流以在空間上分離的方式流過再循環(huán)風(fēng)機。

12、在一個實施方式中，再循環(huán)風(fēng)機包括渦輪機中的渦輪機入口，通過該渦輪機入口，來自氫氣儲存器的氫氣能夠作為氫氣流被引導(dǎo)至渦輪機葉輪，從而使氫氣流驅(qū)動渦輪機葉輪并且使其轉(zhuǎn)動。氫氣流經(jīng)過渦輪機出口離開渦輪機并流入燃料電池單元。回流從風(fēng)機入口、經(jīng)過風(fēng)機流向到風(fēng)機出口。

13、對風(fēng)機的驅(qū)動可以以僅受渦輪機驅(qū)動的方式來進行。在這樣的實施方式中，沒有對風(fēng)機提供額外的電動驅(qū)動，因此避免了氫氣滲透到電氣部件或電磁部件中的問題。在這種受渦輪機驅(qū)動的風(fēng)機的情況下，成本和復(fù)雜性都更低。

14、在一個實施方式中，風(fēng)機可以額外地被電動驅(qū)動，因此作為渦輪機驅(qū)動的替代方案，風(fēng)機可以被電動驅(qū)動，或者渦輪機驅(qū)動得到電動輔助。在渦輪機驅(qū)動和電動驅(qū)動結(jié)合的情況下，對電動驅(qū)動的功率要求明顯低于在常規(guī)的純電動驅(qū)動的情況下的功率要求。在燃料電池系統(tǒng)的工作過程中，渦輪機驅(qū)動顯著地節(jié)省了電能。為電動驅(qū)動而設(shè)的電動機必須被密封以防止氫氣侵入。

15、有利地，渦輪機驅(qū)動的功率是能夠被調(diào)節(jié)的，以便因此還設(shè)定風(fēng)機的壓縮機功率。這樣的調(diào)節(jié)可以通過對來自儲存器的、驅(qū)動渦輪機葉輪的氫氣流進行節(jié)流來實現(xiàn)。這例如可以通過連接在渦輪機上游的閥來實現(xiàn)，該閥作為減壓閥對氫氣流進行節(jié)流。替代性地或附加地，這種調(diào)節(jié)可以通過如下方式來進行，即，使來自儲存器的氫氣流僅部分地流過渦輪機，而其余部分被引導(dǎo)繞過渦輪機。為此目的，可以提供閥、尤其是旁通閥。在一個實施方式中，旁通閥可以布置在增壓器的廢氣門附近。閥可以是再循環(huán)風(fēng)機的一體式組成部分，或者可以被設(shè)置為再循環(huán)系統(tǒng)中的單獨部件，以便對渦輪機進行調(diào)節(jié)。在渦輪機驅(qū)動受電動輔助的情況下，對渦輪機驅(qū)動的調(diào)節(jié)還可以通過借助于通電對電動驅(qū)動進行調(diào)節(jié)來進行。為了對渦輪機驅(qū)動進行調(diào)節(jié)以及在此為了利用儲存器的膨脹壓差另一種方案提出，通過使渦輪機減速來導(dǎo)出部分的電能。

16、在一個實施方式中，風(fēng)機葉輪和渦輪機葉輪由轉(zhuǎn)子包括。轉(zhuǎn)子包括再循環(huán)風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)部件。有利地，轉(zhuǎn)子能夠被電動驅(qū)動，因此風(fēng)機葉輪不一定要被渦輪機葉輪驅(qū)動。在一個實施方式中，轉(zhuǎn)子的受渦輪機驅(qū)動的轉(zhuǎn)動可以得到電動輔助。在一個實施方式中，電動機與轉(zhuǎn)子相聯(lián)接，從而使電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)子或輔助轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。電動機可以被操控成使得風(fēng)機的功率可以因此被影響。

17、在一個實施方式中，轉(zhuǎn)子包括軸，該軸與渦輪機葉輪和風(fēng)機葉輪相連接。渦輪機葉輪和風(fēng)機葉輪布置在軸的端部區(qū)域處。電動機布置在風(fēng)機葉輪與渦輪機葉輪之間。軸能夠被電動機驅(qū)動或其轉(zhuǎn)動能夠得到電動機的輔助。電動機的這種布置方式伴隨著緊湊的結(jié)構(gòu)方式。

18、替代性地，電動機布置在風(fēng)機葉輪的背離渦輪機葉輪的一側(cè)，或者電動機布置在渦輪機葉輪的背離風(fēng)機葉輪的一側(cè)。在這些布置方式中，風(fēng)機葉輪和渦輪機葉輪可以被定位成靠近彼此。這可以達到這樣的程度，即，在一個實施方式中，渦輪機葉輪和風(fēng)機葉輪是以背靠背的布置方式布置的并且被設(shè)計為一個部件。

19、在一個實施方式中，氫氣流可以至少部分地被引導(dǎo)繞過渦輪機葉輪，從而可以影響風(fēng)機的功率。對渦輪機的這種類型的調(diào)節(jié)可以通過旁通閥(還稱為“廢氣門”)或類似的功率調(diào)節(jié)機構(gòu)來進行。當(dāng)旁通閥打開時，旁通閥使氫氣流至少部分地被引導(dǎo)繞過渦輪機葉輪。在閉合的狀態(tài)下，氫氣流流過渦輪機葉輪。

20、電動機和旁通閥可以實現(xiàn)，對風(fēng)機的功率進行控制并且使其與工作要求相適配。

21、再循環(huán)風(fēng)機被用于燃料電池系統(tǒng)的再循環(huán)系統(tǒng)。再循環(huán)風(fēng)機與氫氣儲存器相聯(lián)接，從氫氣儲存器饋送氫氣流以驅(qū)動渦輪機葉輪。再循環(huán)風(fēng)機的渦輪機入口與氫氣儲存器相聯(lián)接，其方式為使氫氣流驅(qū)動渦輪機葉輪。

22、有利地，再循環(huán)風(fēng)機聯(lián)接在氫氣儲存器與燃料電池單元之間，從而使氫氣流可以驅(qū)動再循環(huán)風(fēng)機，然后流入燃料電池單元。這種聯(lián)接可以借助于另外的部件、例如通過閥來進行。此外，具有沒有被消耗的氫氣的回流流回(被風(fēng)機輸送回)到燃料電池單元。為此目的，再循環(huán)風(fēng)機的風(fēng)機聯(lián)接在燃料電池單元的輸出端與輸入端之間。

23、上述再循環(huán)風(fēng)機可以基于常規(guī)的風(fēng)機設(shè)計方案，這種風(fēng)機設(shè)計方案已在其針對氫氣的氣體流的應(yīng)用方面進行了適配，因此成本及復(fù)雜性在功率電子器件和電動機方面也是明晰的。