JP2005507136A

JP2005507136A - 燃料電池の空気供給

Info

Publication number: JP2005507136A
Application number: JP2002584411A
Authority: JP
Inventors: ヘルムート・フィンガー; ペーター・フレーデルスバッハ−; ゲルハルト・コンラート; パウル・レフラー; マンフレッド・シュトゥーテ; ジークフリード・ズムザー
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-04-22
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2005-03-10
Also published as: DE10120947A1; EP1488471B1; WO2002086997A3; ATE350774T1; US20040151964A1; EP1488471A2; DE50209199D1; CA2445259A1; EP1724868A1; WO2002086997A2; EP1717892A1

Abstract

本発明は、特に車両用途に対して好都合な設置スペース要件を満たす、クリーンな高速動圧縮機を用いた２ステージの燃料電池空気供給システムに関する。多くの場合において遠心型の動圧縮機が用いられる。低圧圧縮機が、高速電気モータによって駆動される。高速電気モータは、必要な電気エネルギーをシステムに供給し、また高圧ステージにも供給し、フリーホイールユニットとしてタービンに接続されている。フリーホイールユニットによって、当初に供給された電気エネルギーから所定のエネルギーが回収される。両方の圧縮機ステージの中間冷却に加えて、燃料電池に対するバイパスとしての調整可能なブローバイ装置が、空気供給システム全体の動作の安定性を保証し、燃料電池の全ての動作点において圧縮機へのポンピング損傷を防止する上で、特別の役割を担っている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に請求項１、２、４および９〜１２に記載されている、燃料電池用の空気供給システムのための装置およびその制御を目的とした方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
比較的低速の容積式圧縮機を備える従来の燃料電池空気供給システムと比較すると、本発明によって、クリーンで非常に高速な圧縮機による空気の２ステージ圧縮が提案される。
【０００３】
この場合、３を上回る全体圧力比、例えば遠心圧縮機が生成することができるような全体圧力比をデザインするために、遠心力場を生成するターボ圧縮機構を用いて、単位体積当たり高い特定の仕事量を生成することは価値がある。
【０００４】
燃料電池が、車両推進用に使用するためのものである場合には、スペース不足に関する理由により、物理スペースに対する高い特定の電力レベルが最も重要である。
【０００５】
内燃機関に関する長期に渡る開発傾向の類推を用いれば、次のことが分かる。すなわち、ターボチャージドエンジン用のターボチャージャモータが１つ１つ完全に取り替えられる可能性があり、その結果、車両走行用の低圧燃料電池（比較的に簡単に想像できる）も、小さい物理体積内に所望の高電力レベルを提供するために、将来の開発段階で、入口圧力がより高い燃料電池によって取り替えられると予想される。
【０００６】
圧力脈動の程度が大きい容積式圧縮機と比較すると、高い値の方向での圧縮機による回転速度差は非常に大きいために物理スペースの利点が得られるだけでなく、ターボ圧縮機構を通る流れのために低ノイズおよび特に高効率な動作に対する非常に良好な状態が得られる。
【０００７】
燃料電池の水素消費量は、推進性能の効率評価に対して、内燃機関の燃料消費量と同等に重要であるため、燃料電池の空気供給システムの最適化は、ピストンエンジンの負荷サイクル効率の最適化と同じように、非常に重要であると考えられる。空気供給システムは、燃料電池の全体的なシステム効率に対する寄与の少なくとも３分の１までに相当することができる。
【０００８】
燃料電池の２ステージ充電が同様に考察されている特許文献１から明らかなように、これは、しかしながら不都合なことに、電気モータによって駆動される容積式充電器を用いている。ノイズおよび効率損失の点における効果は、明らかに考慮されていない。
【０００９】
さらにこの応用例では、システム効率を向上させる中間冷却については、これが空気供給システムの効率を２０％までのオーダまで容易に増加させることができるにもかかわらず、述べていない。
【００１０】
高圧ステージの後のいわゆる過圧バルブを介した排出に関する知識によって、考案された先行技術は粗い初期ステージであるとみなす理由が与えられる。効率に影響する制御可能な循環の積極的な効果と、燃料電池の安定した動作に対するこの制御可能な要素の決定的な重要性と（これによって、流量が減少したときの圧縮機のポンピングの危険が回避される）は、実際には確認されていない。
【００１１】
【特許文献１】
欧州特許出願公開第ＥＰ１００９０５３Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
広い流量範囲に渡って安定した方法で運転可能な、節約スペースで、低ノイズで、高効率の燃料電池空気供給システムを提供するという目的は、原理的に、出発点として請求項１、２、３、４による装置を実施することによって可能になる。しかし、装置の運転を成功させる重要な要因は、請求項９〜１２の方法を実施することである。この方法は、電気モータへの電力供給の有利な制御、循環バルブの制御、同様に、タービン領域またはタービン内の可変要素の電力供給および制御を特徴とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１は、直列に接続された電気駆動の低圧圧縮機およびタービン駆動の高圧圧縮機の場合の２つの圧縮機の基本回路を特徴とする、一方、請求項２は、循環装置によるシステムへの拡張をもたらすものである。循環装置によって、圧縮機の安定動作、および燃料電池を伴う空気供給システム全体の安定動作を保証することができる。
【００１４】
２つの圧縮機ステージに対する電力全体の２／３のオーダを供給することができる、低圧ステージ用の電気駆動の条件は、より大きなロータ直径を有する低圧圧縮機のより良好な構成、したがって電気モータに対するより遅い回転速度の要求に基づいて、適正化される。これには低圧圧縮機内のロータ経路も含まれ、低圧圧縮機内のロータ経路は、これらの境界条件に基づいて、効率の点において高圧ステージにおけるよりも良好にデザインすることができる。高圧ステージでは、圧縮機に対する低入口圧力も、有利な効果を有するとともに、ここで生成可能なロータへの流れによって低い質量流量領域におけるポンピング安定性の点でより良好な特徴を示し、また圧縮機特性に対してより広い範囲を許容する。以上のことは、同じ上部電気モータの回転速度を前提としたとき、高圧ステージにおいて電気モータを介して電力を供給した場合には、成り立たない。
【００１５】
フリーホイール（ｆｒｅｅｗｈｅｅｌｉｎｇ）装置内のホイールは、単に効率の理由（より良好な経路プロファイル、ギャップ損失の低減）で直径がより小さく、また一般に、その最大回転速度に対する制限が実質的に全くない。というのは、対象サイズのターボチャージャ用の機能ベアリングはすでに、標準として、最大３０００００ｒｐｍの回転速度の範囲をカバーしているからである。
【００１６】
原理的に、圧縮機の動作範囲は、低質量流量の方向でのポンピング限度によって、および高質量流量に関するチョーキング限度によって、制限される。
【００１７】
圧縮機における燃料電池に対する質量流量範囲に関する重要な要因は、低流量領域であり、一般的に前述したポンピング問題を引き起こす。この理由のために、燃料電池には、燃料電池と平行にバイパスラインが設けられ、バイパスラインは制御可能なバルブを備えている。この結果、圧縮機質量流量を、非常に小さい燃料電池流量においても、バルブ開口およびバルブ両端の圧力比によって抑制される循環質量流量を通して増加させることができ、また比較的高い圧力比においても、２つの圧縮機に対する特性の動作の安定領域に保つことができる。
【００１８】
請求項３では、２つの圧縮機ステージの間の中間冷却を用いて、非常に簡単な仕方でシステム効率に対して大きな改善を行なうための可能な方法が考慮されている。２０％までのオーダを、第１ステージ後の高質量流量および圧力に関して、容易に実現することができる。この手段は、装置内のコンポーネント効率を改善するための多大な開発努力と比較すると非常に費用効果は高いが、圧力損失をそれほど著しくない状態に保つ場合には、ある程度の量の物理スペースが必要であるという代価を払わなければならない。
【００１９】
請求項４では、調整要素を介してコントローラまたはコントロールシステムによって制御することができる、タービン周囲およびタービン内の可変の流れ断面が記載されている。
【００２０】
タービン周囲の可変の流れ断面について言及する場合、それらは、タービンの上流、そうでなければ下流に配置され基本的にラム圧力機能を含むフラップまたはスライドバルブであり得る。しかしそれらには、ラム空気圧力に適合する断面のチョーキング効果という不利点があり、これによって効率が下がる。またタービン周囲およびタービン内で考慮される可変要素に対してここで行なわれる区分のための噴出し弁（ｂｌｏｗ−ｏｕｔｖａｌｖｅ）の使用（噴出し弁も同様に、アクチュエータを介して電子コントローラまたはコントロールシステムに接続することができる）も、ここでは除外してはならない。
【００２１】
しかしタービン内の可変の流れ断面のみが、一般にタービンロータの前に直接配置される全ての入力ガイド格子の中で最も正確であるために、実際には効率の点、したがってエネルギー回収の点で有利な効果を有する。それらの最狭の経路断面を、ガイドベーンの回転または並進運動によって変化させる。この結果、最狭の流れ断面領域が変化するだけでなく、タービンロータに対する入口流れ方向も変化するため、タービンの効率、エネルギー回収、したがってシステム全体の効率にも、著しい影響を与えることができる。可変タービンは、方法の請求項において非常に重要である。というのは、可変タービンによって、圧縮機ステージとともに燃料電池に対する所望のプロセス入口圧力を、効率の点で正確かつ有利に制御することができるからである。
【００２２】
燃料電池からの出力生成物は水蒸気と空気であるため、請求項５から理解されるように、凝縮器をタービンの下流に配置することは、エネルギーの観点から意味がある。空気および水分が分離され、水の再使用も可能である。電気モータなどのコンポーネントを冷却するために水分を使用することは、フロントガラス洗浄システムの場合と同じように、実現可能である。特別な用途の場合、たとえば砂漠地帯で用いる車両の場合には、飲用水処理装置に水分を供給することもできる。キャンピング車両の場合には、調整または未調整の水分を、料理用にそうでなければ洗浄および／またはトイレ用途のために、用いることもできる。生成される水分の使用方法に関係なく、水分の全体またはその少なくとも一部を、その再使用目的について決める前に、タンクに貯蔵することができる。
【００２３】
凝縮器内において水分抽出のための有利な真空圧を生成するために、凝縮器出口の水分側とともに空気側において、適切な拡散器（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）を有利に用いることができる。水分がしたたることによるタービンロータ上（特にロータ入口領域において）の腐食の危険は、ロータに対して耐摩耗性材料を用いることによって、または表面コーティングを用いることによって、妨げることができる。タービン内の温度変動は特に大きいわけではないので、ロータ材料またはコーティング材料としてセラミックスを用いることは、クラッキングに対するセラミックスの感受性の点において、少しも危険ではない。
【００２４】
燃料電池に供給される空気に関する基本的な問題の１つは、圧縮機の隣接するベアリングの潤滑領域をきれいに保つことである。請求項６および７は、ベアリング用の潤滑領域から燃料電池空気を切り離すことに関する。これらの間にはバッファ体積または分離領域が配置され、バッファ体積または分離領域は、少なくとも環境圧力にまたは過圧にさえ、さらされる。その結果、潤滑剤の導入に対する障壁効果を得ることができる。オイルの導入を完全に排除するために、バッファ体積に圧力を印加することによって、潤滑剤がベアリングハウジング内に現れ得る方向と反対方向に非接触ベアリングシールを通る障壁空気流が得られる。
【００２５】
燃料電池空気内に潤滑剤が導入される問題は、請求項８によるオイルフリーベアリングによって、もはや存在しない。空気ベアリングの開発は、ましてや磁気ベアリングの場合においては、依然として非常に高い程度の開発努力を必要とする可能性がある。しかし将来の燃料電池空気供給システムまでに成果をみることはないであろう。
【００２６】
請求項９は、空気供給側から燃料電池の安定な動作のために特に重要である。圧縮機の特性の１つは、前述した不安定限界であり、これは低流量で起こる。燃料電池に要求される流量範囲を保証するために、ある低流量レベル未満においてバイパス内の循環デバイスを作動させて、バルブの最狭断面を連続して可変に、コントローラまたはコントロールシステムを介して、燃料電池に要求される空気に適合させる。その結果、要求によって燃料電池への流量はさらに低下するが、圧縮機特性における流量点または圧縮機出口圧力を、低圧圧縮機駆動部に対する電力供給を計量することとのやりとりによって、特定の許容範囲でポンピング限界近くに保つことができる。ポンピング限界に近づけば近づくほど、循環させる必要がある空気量が減り、効率の低下が小さくなって安定動作が保証される。システムの改良点の１つにおいては、コントローラまたはコントロールシステムに結合されたポンプセンサシステムを圧縮機に設けることに意味があると考えられる。その結果、電池の消費量の最適化をさらに簡単にすることもできる。
【００２７】
請求項１０は、燃料電池に対する所望のプロセス入口圧力とともに、燃料電池出力の下流の流れ断面の可変性に関する。タービンに対する可変の最狭流れ断面は、可動入力ガイド格子によって直接タービンロータの前に、一方でそこを通って流れる空気／蒸気混合物に対して必要なラム圧力効果を生成できるように、他方でタービンに供給されるエネルギーの回収効率を向上させて、高圧圧縮機を効率よく駆動し、その結果、低圧圧縮機に供給される電気エネルギー量の節約を実現するように、適切に配置される。
【００２８】
請求項１１は、タービンに対する最大可能膨張圧力比の制御に関する。この制御の請求項のバックグラウンドを背景にして、有利なことに、システム全体の最狭流れ断面を、タービン内の燃料電池の支配的な動作範囲に配置することができる。これは低圧電力供給とともに、燃料電池を通る質量流量が、支配され、可変タービンを介して大きな程度まで制御されることを意味する。このタービン断面制御の方法の特徴は、請求項９からのポンピング限界の領域における循環制御の考え方にも対応するものである。タービン両端の最大可能膨張圧力比を設定することは、循環バルブにおける制限が、特に低流量において大きく低減されることになるため、これらの断面を循環量に対応して比較的大きくなるように制御して、その結果、損失を小さいままに保つことができる。
【００２９】
燃料電池からの電気の発生を開始するという主題は、その空気供給システムの開始に直接関係しており、請求項１２における方法面から考慮される。主な特徴は、電力の少なくとも一部が、電気エネルギー貯蔵器から低圧圧縮機用の電気モータへ供給され、その結果、電気モータによってシステム全体を始動できるということである。したがってフリーホイール装置も同様に、タービンの上流で圧力エネルギーに変換されるエネルギーを介して、またタービン内におけるその後の膨張を介して、動作状態に設定される。可変タービンを用いる場合には、開始段階においてタービンの最狭断面を低い値に小さくすることに意味があると考えられる。その結果、フリーホイール装置は、低圧圧縮機または電気モータによって空気力学的に結合された間接的なエネルギー変換から、大きな程度まで利益を得ることができる。同様に、循環バルブの当初の幅広い開口部によって、フリーホイール装置がエネルギー変換連鎖に迅速に含まれることが保証され、その結果、タービン用のガイド格子を実質的に閉じた状態でフリーホイールを迅速に開始することが大きく助けられる。エネルギー源、または低圧圧縮機、循環装置および可変タービンの間のやり取りに関するこれらの方法ステップは、開始段階に限定されるだけでなく、より大きなまたはより小さな程度まで、前述したコンポーネントに対する制御プロセスに対して適切な制御要素に関して（電池内の全ての負荷サイクルに対して類似の形態で）繰り返される。この開始または負荷サイクル段階中の制御手順の最も重要な時間の成果は、最適状態データたとえば燃料電池の入口へ流れ込む空気の圧力および温度を、迅速に生成することである。この状態であれば、燃料電池内の空気中の水素および酸素間の化学反応が最適に援助され、その結果、敏感な部品たとえば膜の機械的強度を危うくしないことも保証される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
燃料電池の空気供給システムの主な特徴は、図１の回路略図から理解することができる。
【００３１】
ろ過された空気が、状態１において低圧圧縮機（１４）を通して周囲から吸引される。低圧圧縮機（１４）の圧縮機ロータは、ドライブシャフト（１５）を通して電気モータ（１１）に接続されている。電気モータ（１１）は、空気流内にしたがって燃料電池空気供給用システム全体内に、低圧圧縮機を通してエネルギーを供給するための主要なユニットを表わす。エネルギーは、燃料電池（１０）から直接か、または電気エネルギー貯蔵器（１３）から、ケーブル（１２）を通して供給される。低圧圧縮機の下流にある全状態点（ｔｏｔａｌｓｔａｔｅｐｏｉｎｔ）２は、電気モータに供給されるこのエネルギー量によって効果的に調節される。
【００３２】
概略図に示されていない要素の１つは、中間冷却器である。中間冷却器は、水素消費量を低消費量レベルに最適化しようとするときには常に使用される。一方で、膜の機械的強度を危うくしないように、電池の入口温度をある値より下に留めることが必要となる場合がある。中間冷却器によって、高圧圧縮機（１６）の電力消費量を下げるプロセスが助けられる。と言うのは、電力消費量は、その内部温度に正比例するからである。高圧圧縮機（１６）の下流において状態点２’で冷却することは、従来のステージ圧力比に関してそれほど価値はないと考えられ、特定の理由のために中間冷却器が可能ではないとき、または圧力比を実際には非常に高くしようとしていてそのため燃料電池に対する温度保護を設けることが必要であるときにのみ、考慮されるものと考えられる。低圧圧縮機と高圧圧縮機（１４、１６）との間または高圧圧縮機（１６）の下流に配置される熱交換器に冷媒を供給する程度（前記冷媒は、空気および水から、凝縮器の出口から流れる媒体として生じる）は基本的に、冷媒と冷却すべき空気との間のエネルギー的な関係、境界条件、および最適化の目標に依存する。
【００３３】
高圧圧縮機（１６）の下流だが依然として燃料電池（１０）入口の上流の部分に分岐が接続され、この分岐から、循環経路（２３）が、燃料電池の出口経路（２４）を形成するための接続部を形成している。この分岐はシステム全体の動作にとって重要である。制御可能なバルブ（１９）が、循環経路内または燃料電池バイパス内に取り付けられている。このバルブ（１９）は、燃料電池を通る空気流よりも圧縮機を通る質量流量が大きくなるように、圧縮機特性における点に依存して、ポンピング限界の領域においてある程度まで開けられる。この結果、圧縮機のポンピングが防止される。
【００３４】
次に、出口パイプシステム（２４）内の空気／蒸気混合物とバイパス質量流量とが、タービン（１７）の上流の状態点３に至る。タービン（１７）は、コントローラまたはコントロールシステム（２２）によって操作装置（２０）を用いて対処される可変要素を含んでいても良い。
【００３５】
タービン（１７）は、効率良くエネルギーを回収するために機能し、シャフトを介して高圧圧縮機（１６）を駆動する。タービンロータの入口ブレードシステムにしたたる水滴によって生じる腐食の危険は、耐摩耗性の材料を用いることによって防止することができる。
【００３６】
すでに述べたように、重要な開発課題の１つは、燃料電池の空気供給がオイルフリーであることを保証することである。この背景において、従来のベアリング（１８）用にさらに開発される密閉コンセプトだけでなく、オイルが全く用いられないベアリング（１８）、たとえば空気ベアリングまたは磁気ベアリングに、将来関心が集まるであろう。
【００３７】
タービン（１７）の後で、空気／水蒸気／水の混合物は、凝縮器（２１）の上流側の温度が低下した状態点４に至る。
【００３８】
凝縮器（２１）内では空気から水分が分離され、その後、種々の成分が、凝縮器からのそれら独自の出口開口部５Ｌおよび５Ｗを通って流れ出て、空気供給装置の下流側出口パイプシステム内へと向かう。出口パイプシステムには、凝縮器内に真空圧が存在することを確実にするとともに凝縮物をさらに使用するために機能する要素が含まれていても良い。
【００３９】
燃料電池の空気システムを使用するための核となる知力は、３つの制御可能な要素、すなわち信号（３１）による電気モータ、信号３２による循環バルブ（１９）、および適切ならば信号（３３）によるタービン（１７）の可変要素の間の相互作用を最適化するための調節器（２２）内に備わっている。このため、内燃機関の場合には普通であるように、燃料電池の場合の調節器（２２）も一般に、選択された動作点に対して、最適な設定をまたは適切なアクチュエータ位置の組み合わせを実現するために、格納された電子データを備えている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の回路略図を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１電気駆動の圧縮機の入口レベル
２電気駆動の圧縮機の出口レベル、中間冷却器の入口レベル／フリーホイール装置用の圧縮機の入口レベル
２’ フリーホイール装置用の圧縮機の出口レベル、燃料電池の入口レベル
３タービンの入口レベル（ブローアウト装置あり／なしの固定タービン、または可変タービン）
４タービンの出口レベル、適切ならば凝縮器の入口レベル
５Ｌ凝縮器の空気出口レベル
５Ｗ凝縮器の水分出口レベル
１０燃料電池
１１電気モータ
１２燃料電池、電気エネルギー貯蔵器への電気配線
１３電気エネルギー貯蔵器、再充電可能な電池またはキャパシタ
１４電気モータによって駆動される圧縮機
１５圧縮機ロータの背面、ベアリングに対する接続部分
１６圧縮機、フリーホイール装置
１７タービンフリーホイール装置（ブローアウト装置あり／なしの固定タービン、または可変タービン）
１８ロータベアリング（ボールベアリング、ジャーナルベアリング、空気ベアリング、磁気ベアリング）
１９高圧圧縮機の下流かつタービン入口の上流の循環バルブ
２０タービン用可変装置の操作
２１凝縮器
２２空気供給システム用のコントローラまたはコントロールシステム
２３高圧圧縮機の下流からタービン入口の上流までの接続ライン
２４タービンに至る燃料電池の出口パイプシステム
２５低圧圧縮機の出口パイプシステム
３０フリーホイール装置；固定シャフトを介してタービンに接続された圧縮機
３１燃料電池および／または電気エネルギー貯蔵器から電気モータへのエネルギー配分用の信号
３２循環バルブアクチュエータの閉／開位置用の信号
３３タービンの可変要素用アクチュエータ用の信号

Claims

圧縮機によって燃料電池に空気を供給するための装置であって、
低圧圧縮機（１４）が電気モータ（１１）に接続され、下流側に直列に接続されかつターボ圧縮機構の形態であるさらなる高圧圧縮機（１６）がフリーホイール装置（３０）としてタービン（１７）に堅固に接続され、前記タービン（１７）は前記燃料電池（１０）の出口パイプシステム（２４）に接続されていることを特徴とする装置。
前記高圧圧縮機（１６）の後に、かつ前記燃料電池（１０）の前において、接続ライン（２３）が前記燃料電池（１０）の前記出口パイプシステム（２４）に至り、制御可能なバルブ（１９）がこの前記接続ライン（２３）内に導入されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池に空気を供給するための装置。
前記低圧圧縮機（１４）の後において、中間冷却器が、前記高圧圧縮機に至る出力パイプシステム（２５）内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池に空気を供給するための装置。
流れ断面を変える要素が、前記フリーホイール装置（３０）の前記タービン（１７）周囲の領域または前記タービン（１７）内に位置し、操作装置（２０）を介してコントローラまたはコントロールシステムに結合可能であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池に空気を供給するための装置。
凝縮器（２１）が前記タービン（１７）の下流に配置されかつ水分用の出力（Ｗ）と空気用の出力（Ｌ）とを有し、真空圧を生成するための装置が前記出力（Ｗ、Ｌ）に接続可能であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池に空気を供給するための装置。
前記低圧圧縮機（１４）のベアリングのための潤滑領域と、電気モータ（１１）と、空気流供給のための圧縮機領域との間に、密閉された分離領域があり、前記分離領域は少なくとも環境圧力にまたは障壁空気を加えるための過圧にさらされることを特徴とする請求項１に記載の低圧圧縮機および電気モータ。
前記フリーホイール装置（３０）のベアリング（１８）用の潤滑領域と、前記高圧圧縮機（１６）用の空気流供給の圧縮機領域との間に分離領域があり、前記分離領域は少なくとも環境圧力にまたは障壁空気を加えるための過圧にさらされることを特徴とする請求項１に記載の高圧圧縮機およびロータベアリング。
前記低圧圧縮機または前記高圧圧縮機の前記ベアリングのうち、少なくともベアリング（１８）は、空気ベアリングまたは磁気ベアリングの特徴に従ってオイルフリーにデザインされていることを特徴とする請求項１に記載のベアリング、低圧圧縮機、およびフリーホイール装置。
前記燃料電池の既知の公称の空気質量流量を、調節器（２２）からの信号（３２）に従って、信号（３１）による前記電気モータ（１１）への電力供給を介して、前記燃料電池の前記循環バルブ（１９）またはバイパス流の閉／開位置の制御された調整とともに、調整し、この場合には、操作線、または圧縮機特性における操作点を、コントロールシステムの感度に基づく不安定限界（ポンピング限界）と非常に近くにすることを可能にすることを特徴とする燃料電池空気供給のための請求項１あるいは２に記載の装置を制御するための方法。
前記燃料電池（１７）に対する公称の入口空気圧を調整できるように、前記タービン（１７）周囲の領域または前記タービン（１７）内の可変の最狭断面を、瞬間の質量流量および前記タービン入口温度に依存して、前記操作装置（２０）によって、制御信号（３３）の関数として、制御された仕方で変化させることを特徴とする燃料電池空気供給のための請求項１、２、および４のいずれか一項に記載の装置を制御するための方法。
前記タービン（１７）両端の最大可能膨張比を調整できるように、前記タービン（１７）周囲の領域または前記タービン（１７）内の可変の最狭断面を、瞬間の質量流量および前記タービン入口温度に依存して、前記操作装置（２０）によって、制御信号（３３）の関数として、制御された仕方で変化させることを特徴とする燃料電池空気供給のための請求項１、２、および４のいずれか一項に記載の装置を制御するための方法。
燃料電池空気供給システムのための開始プロセスまたは負荷サイクルプロセスを、少なくとも部分的に電気エネルギー貯蔵器（１３）から前記電気モータ（１１）への電力供給を介して行ない、したがって前記低圧圧縮機に対する電力計量を信号（３１）によって行ない、プロセス中に、前記燃料電池に対する前記循環バルブ（１９）またはバイパス質量流量の閉／開位置の設定を、調節器（２２）からの信号（３２）に基づいて行ない、必要に応じて、前記タービン（１７）周囲または前記タービン（１７）内の開始または負荷サイクリング状態における可変の最狭断面を、前記調節器（２２）からの信号（３３）によって操作し、この結果、必要なプロセス入口圧力およびプロセス入口温度が燃料電池開始／負荷サイクル段階で得られるようにすることを特徴とする燃料電池空気供給のための請求項１、２、および４のいずれか一項に記載の装置を制御するための方法。