JP5685316B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に詳細に規定した形式の燃料電池システムに関する。

同種の特許文献１には、同様に構成された燃料電池システムが記載されており、この燃料電池システムでは水素圧力貯蔵器からの圧力がタービンで開放される。このタービンは、燃料電池システムの少なくとも１つの燃料電池セルの配置空間の周囲にある循環管路の領域で循環搬送装置を少なくとも部分的に駆動する。ここで、循環搬送装置用の電動駆動部をサポートのために有することもできるこの構造は、水素圧力貯蔵器内の圧力エネルギーを、水素のいずれにしろ必要な膨張の際に、使用する循環搬送装置の駆動のために使用する。

この同種の特許文献１におけるこの構造は、比較的複雑であり、循環されるガス流と新鮮水素との密閉および混合の点で面倒である。さらに複雑な構造形態は、比較的大きな構造空間を必要とし、対応して重量がある。さらに前記特許文献１では、水素を円錐ノズルによって、水素を音速以上の速度に、すなわちマッハ１以上の速度に加速することが提案される。しかし円錐ノズルを使用することにより、所望の効果が燃料電池システムのただ１つの負荷点またはただ１つの負荷点の領域でしか達成されないという欠点が生じる。すなわちそこにだけ円錐ノズルの長さに依存する正しい圧力比が調整される。他のすべての負荷点または動作点では、いわゆる垂直の圧縮衝撃が生じる。円錐ノズルの後方には、音速より低い速度が生じる。

さらに特許文献２を参照する。この刊行物には、水素の圧力軽減の際に水素圧力貯蔵器から発生するヒートシンクを、燃料電池システムにおいて熱発生コンポーネントを冷却するために使用することが記載されている。

さらに別の一般的従来技術について特許文献３を参照する。この刊行物は、燃料電池のアノード室周囲のアノード排気ガスを循環するための循環搬送装置を駆動するキャンドモータを取り扱う。この種のキャンドモータの利点は、水素案内領域をパイプとともにキャンドモータの固定子に対して気密に密閉できることであり、これにより水素案内領域の密閉性に関して複雑になることを案ずる必要がない。

独国特許第１０２００６００３７９９号 独国特許出願公開第１０２００８０４５１７０号 独国実用新案第２０２００５０１７５７４号

本発明の課題は、請求項１の前提部分から公知の特徴を備える燃料電池システムを改善して、前記欠点を回避し、非常にコンパクトでエネルギー効率の良い燃料電池システムを提供できるようにすることである。

本発明によればこの課題は、請求項１の特徴部分に記載した特徴によって解決される。その有利な構成は従属請求項から得られる。さらにこの種の燃料電池システムを駆動するための方法の解決手段、場合により構成変形例の１つは、方法請求項から得られる。

コンプレッサホイールとタービンをただ１つのコンポーネントにおいて本発明により組み合わせることは簡単であり、効率的であり、かつ非常にコンパクトな構造で実現することができる。これにより、高圧ガス貯蔵器の圧力制御器の後方で水素の圧力を利用することによる高いエネルギー効率の他に、さらに非常にコンパクトな装置の構造が達成される。このことは対応して簡単かつ容易に、そして小さな構造体積で実現される。さらにこのことは、構造体積の他に重量とコストも節約する。

本発明の燃料電池システムのとくに好ましいさらなる形態ではさらに、水素がノズルニードルを有するノズルを介してタービンに流れ、このときにノズルニードルに対するノズルの相対運動によって水素の流量を調整することができる。ノズルを通る水素の流量は可動のノズルニードルによって、またはその反対に調整することができ、したがってそれぞれの負荷要求または燃料電池システムのそれぞれの動作点に適合することができる。できるだけ高い速度をノズル出口で達成するために、ニードルとノズルから形成される円形リング面が水素調量装置のもっとも狭い箇所であるべきである。同時にいわゆる臨界的な圧力比が存在する場合、この圧力比によって駆動され、ニードル弁のもっとも狭い箇所で水素の音速が達成される。そして水素は理想的にはマッハ１でタービンに到達する。

本発明の燃料電池システムのとくに有利な構成では、タービンがペルトンタービンとして構成されている。このようなペルトンタービンは、たとえば上記構成によりノズルを介して形成することのできるガス流によりもたらされるエネルギーを比較的効率的に利用し、したがってペルトンタービンによってとくに高いエネルギー収量が達成される。これにより、別の駆動手段によってもたらさなければならない必要エネルギーが最小になり、したがって全体として燃料電池システムの効率を向上させることができる。

本発明の燃料電池システムの別の非常に好ましく有利な変形形態ではさらに、コンポーネントがチャネルを有し、このチャネルがタービンの領域とコンプレッサホイールの領域とを互いに接続する。膨張する高圧下の水素ガスとタービンとの間の純粋な運動量交換の他に、さらに水素ガスが運動量をタービンに放出した後にタービンの領域からのガスのオーバフローがコンプレッサホイールの領域に生じる。これにより、コンプレッサホイールを介して搬送され循環される排気ガスの体積流量が、チャネルを介してタービンの領域からコンプレッサホイールの領域に進入する新鮮水素ガスの体積流量と混合され、その結果、循環搬送装置の後方には新鮮水素ガスと循環されたアノード排気ガスとが非常に良好に混合された非常に均質なガス流が存在する。これにより循環搬送装置と燃料電池のアノード室との間の経路が短縮される。なぜなら、この経路を、ガスの均等分配を保証するために使用する必要がもはやないからである。これによっても、燃料電池システムにおいてさらに構造空間と線路のための材料が節約される。構造空間の節約の他に、これにより重量とコストも節約される。

本発明の有利な構成ではさらに、タービンの領域から発するチャネルは、このチャネルを流れる水素が、コンプレッサホイールの領域にある排気ガスの流れに対して実質的に整流されてコンプレッサホイールに流入するよう構成されている。コンプレッサホイールが運動量交換機械またはサイドポートコンプレッサとして構成されていれば、チャネルを流れる水素の運動量を、搬送される排気ガスに対して整流された流れを加えることにより利用することができ、この運動量が破棄ガスの旋回運動をチャネルの巧妙な構成によって支援するようになる。排気ガスの自然な旋回運動が、流れに加えられた新鮮水素により支援されることによって、コンプレッサホイールの効率が上昇する。

本発明の燃料電池システムの有利なさらなる形態ではさらに、コンポーネントが電気駆動モータを介して駆動され、この駆動モータはフラットモータとして構成されている。典型的にはタービンを介した循環搬送装置の駆動に加えて、たとえば循環搬送装置を燃料電池システムのアイドリング時でもさらに駆動できるようにし、循環管路でのガスの均等分配を保証するために、別の駆動部の存在が必要なこともある。さらに所定の動作状態では、調量された新鮮水素が非常に少量であることにより、タービンの領域におけるエネルギーだけでは循環搬送装置の駆動に十分でないことがある。この場合は電気駆動モータがコンポーネントを、したがって、とりわけコンプレッサホイールをともに駆動する。ここで駆動モータはフラットモータとして構成すべきである。この種のフラットモータはキャンドモータと同じように構成されており、固定子およびこの固定子から気密に密閉された回転子とを有する。しかしキャンドモータの場合とは異なりフラットモータは平坦な構造形式を有しており、回転子がディスク形状のコンポーネントとして固定子に対して間隔を置いて配置されており、固定子も同様に実質的にディスク形に構成されている。この構造により、回転子と固定子間が必要な密閉を有していれば非常にコンパクトな構造形式が可能になる。しかし密閉することは、とくに水素雰囲気の場合には、回転を行うパッキンを用いては実際には実現不可能だろう。密閉された空間内での固定子に対する回転子の配置は、プレートパッキンとも称される。

この技術思想のとくに有利なさらなる形態では、フラットモータの固定子がコンポーネントの上方に配置されており、このコンポーネントには磁気エレメントが設けられており、フラットモータの固定子を形成する。これはたとえば、このコンポーネントに付加的な磁石を取り付け、この磁石の磁界がフラットモータの固定子の方向を指し、透磁性の壁によって固定子に対して密閉されることにより実現することができる。固定子を対応して励磁すると、回転子が回転し、ひいてはコンポーネントも回転し、コンプレッサホイールも回転する。

ここで有利なさらなる形態では、固定子に対して密閉された空間に回転子を配置することができる。フラットモータまたはキャンドモータでは通常のこの構造は、とりわけ水素雰囲気とともに使用する場合にとくに有利である。なぜならこの場合、パッキン等により回転が実行されないので水素雰囲気を比較的簡単に密閉することができるからである。

とくに好ましく有利なさらなる形態ではさらに、空間が循環管路内の水分離器の内部である。したがって、この構造およびとりわけタービンとコンプレッサホイールを備えるコンポーネントは、たとえばこの構造がこの種の水分離器のカバーを形成することによって水分離器に直接組み込むことができる。そして水分離器の上方にはフラットモータの固定子が配置される。これによりいずれにしろ存在する水分離器に循環搬送装置を組み込んでいる構造であって、従来の水分離器に対して最小の付加的構造空間で足りる全体として非常にコンパクトな構造が得られる。

従来技術から公知のように、コンポーネントの軸受は少なくとも部分的にガス軸受または水素軸受として形成することができ、軸受は水素圧力貯蔵器の領域からの水素により駆動される。その他、本発明の燃料電池システムの有利な構成によれば、コンポーネントの軸方向軸受の少なくとも１つが軸受先端部によって形成されている。このような軸受先端部による軸受は、軸受エレメントの尖った形状または球形の形状により摩擦が最小となり、軸受エレメントは対応するシェル内を、または理想的には球形に形成されている場合には球形の表面を有する対応する対向先端部上を運動する。このような構造はここでも実現可能である。なぜならこの構造は最小の労力と最小のコストで、非常に簡単で効率的な軸方向軸受を行うからである。

ここではたとえば軸受先端部が球形に形成されており、対応する球形の対向面上を運動しても良い。ここで一方の面はセラミック製に、他方の面はスチール製に形成することができる。時間とともに場合によりスチール先端部は摩滅するが、しかしこのスチール先端部は非常に簡単に交換することができる。軸受はたとえば弾性エレメント等を介して、先端部または球が正常動作では適当な押圧力によって常に互いに接触するように力を加えることができる。さらに球の領域にあるもっとも大きなヘルツ圧力の領域、すなわち摩擦熱が発生する領域が水素体積流を介して冷却されるようにすることができる。

さらに前記請求項の１つによる燃料電池システムにおける循環搬送装置を駆動するためのとくに有利な方法は、方法請求項１８の特徴部分から得られる。この方法では、電気コンポーネントおよび／または磁気コンポーネントおよび／または軸受が、循環搬送装置の領域で水素によって冷却される。軸受およびその他の熱発生コンポーネントを有する循環搬送装置の主要部分は典型的にはコンポーネントの周囲の領域であるから、水素による冷却によってとくに簡単で効率的な冷却を達成することのできる可能性がある。なぜならタンクからの水素はほぼ環境温度を有しており、したがってアノード循環路にある水素よりも有意に冷えている。したがってこの水素はコンポーネントを冷却することができ、密閉の点で相当の出費を伴う付加的な冷却媒体を水素案内領域にもたらす必要がない。この方法のさらなる利点は、水素がこれによって加熱されることである。このことは、水素がアノード室の循環排気ガスに当たるときに、水の凝縮を低減する。これにより、アノード室への液体の侵入が減少し、または理想的には完全に回避され、これにより燃料電池の出力能力が、アノード室で液体水がチャネルに「詰まる」ことによって損なわれることがない。

さらに請求項２から１７までのいずれか１項に記載された燃料電池システムにおける循環搬送装置の駆動方法が、請求項１９に係る方法に記載されている。この方法ではノズルを通る流量が、タービンの入口における水素の速度を調整することによって調整される。この速度は、水素の音速（マッハ１）の０．８〜１．０５の範囲にある。水素のこのような流速は、一方ではとりわけペルトンタービンとして構成することのできるタービンへの大きな運動量交換を保証し、他方ではタービンへ運動量を連続的に出力することを可能にする。なぜならここでは超音速流体効果（衝撃波）が典型的には発生しないからである。

さらに請求項９から１７までのいずれか１項に記載された燃料電池システムにおける循環搬送装置のとくに有利な駆動方法では、電気駆動モータが一定のまたは近似的に一定の動作点に合わせて設計されている。電気駆動モータを一定のまたは近似的に一定の動作点に置くことと、ならびにコンプレッサホイールが必要とするタービンから発する対応する水素流の変動に由来する駆動出力の変動とが可能となり、簡単で安価な電子回路を有する非常に簡単で安価な電気駆動モータを使うことが可能となる。なぜなら電気モータが一定のまたは近似的に一定の動作点に合わせて設計されているので、電気モータを対応して簡単かつ効率的に実現することができ、僅かな機械的駆動出力を提供すれば良いからである。回転数の大きな広がりがなくなり、これにより効率が改善される他、さらにコスト、構造空間および重量の低減を達成することができる。これにより電気駆動モータを好ましくは低電圧モータとして設計することができる。

本発明の燃料電池システムのさらなる有利な構成およびこの種の燃料電池システムを駆動するための局面に関する方法は、図面を参照する以下の実施例の詳細な説明から得られる。

燃料電池システムの本発明に関連する部分に対する概略図である。 本発明の循環搬送装置の可能な構造を示す図である。 循環搬送装置にある軸受の可能な構成を示す図である。

図１には、燃料電池システム１の一部が極端に概略化されて図示されている。この一部は燃料電池２を有し、燃料電池はとりわけＰＥＭ燃料電池として形成されている。このようなＰＥＭ燃料電池は典型的には多数の個別の電池からなる積層体として積層される。このＰＥＭ燃料電池では、アノード室３が陽子交換膜４を介してカソード室５から分離されている。ここでカソード室５には空気供給管路６を介して空気が酸素供給物として供給され、使用されない排気が排気管路７を介して燃料電池システム１から達することはない。カソード室５の空気供給の領域は本発明に対して特段の役目を果たさないから、ここでは詳細に立ち入らない。しかしこの空気供給の領域は、対応する搬送装置、空気フィルタ、排気の循環、タービンを介した排気内の圧力エネルギーと熱エネルギーの利用等を備える任意の公知の技術および方法で形成することができる。

燃料電池２のアノード室３には水素が水素圧力貯蔵器８から供給される。この水素圧力貯蔵器８には、水素が高圧下でたとえば７００ｂａｒのオーダーで貯蔵されている。水素は弁装置９、たとえば遮閉弁と圧力制御器、および水素供給管路１０を介してタービン１１の領域に達し、タービンで水素が膨張され、このときにエネルギーをタービン１１に放出する。次にアノード供給管路１２を介して水素はアノード室３に達する。アノード室３にはここに示した実施例では、このアノード室で電気化学的に変換できるよりも多くの水素が供給される。これは従来技術から公知であり、一般的なことである。アノード室３にここで変換できるよりも多くの水素を供給することにより、アノード室３の領域全体に十分な水素が供給され、膜４の全活性表面が理想的に利用される。アノード室３から流出した排気ガスは循環管路１３を介してコンプレッサホイール１４に達し、このコンプレッサホイールからアノード供給管路１２へ、そしてアノード室３に戻り搬送される。ここでコンプレッサホイール１４はタービン１１と同じように循環搬送装置１５の一部である。コンプレッサホイール１４自体は任意のターボコンプレッサとして、好ましくは遠心コンプレッサまたはサイドチャネルコンプレッサとして形成することができる。ここで循環搬送装置１５はタービン１１とその中で膨張される水素供給管路１０からの水素を介して駆動される。排気ガスを循環管路１３内で搬送するために電気駆動モータ１６が必要であれば、この電気駆動モータ１６から付加的な駆動出力を受け取ることができる。ここで駆動モータ１６は、任意の技術および方法でたとえば高電圧モータまたは低電圧モータとして形成することができる。ここでは６０Ｖ以下の電圧の低電圧モータが有利であり、低電圧モータは典型的には簡単かつ安価に形成される。したがって駆動モータ１６は低電圧モータとして、とりわけ１２Ｖまたは２４Ｖモータとして形成されているのが好ましい。もちろん原理的には、タービン１１の領域に過剰エネルギーがある場合には、電気エネルギーを発生するために駆動モータ１６を発電機として駆動することも考えられる。

さらに循環管路１３の領域には水分離器１７がそれ自体公知の技術および方法.で、かつそれ自体公知の構造で配置されている。ここで水分離器１７はただ１つの水分離器１７としてアノード室３の周囲の循環路の領域に配置することも、またはオプションとして第２の水分離器をアノード供給管路１２の領域に付加的に配置することもできる（ここには図示せず）。水分離器１７は、循環管路１３内の排気ガスから流体水を分離するほかに、さらに循環管路１３の領域からガスを排出する機能も引き受ける。この構造は、国際公開第２００８／０５２５７８号に記載された構造に対応する。循環管路１３とアノード供給管路１２によって形成される燃料電池２のアノード室３の周囲の循環路には動作中に、一方では、生産水の大部分はカソード室５に発生するものであっても、燃料電池２のアノード室３に生産水として部分的に発生した少量の水が蓄積される。さらに膜４を通って不活性ガス、たとえば窒素が時間とともにカソード室５からアノード室３の領域に達し、これは使い果たされないので循環搬送装置１５を介してともに循環される。したがって比較的長い動作時間にわたって、アノード室３の周囲の循環路には水と不活性ガスが蓄積される。水素濃度が対応して降下し、これにより燃料電池２の出力能力が損なわれる。したがって水と不活性ガスは時々排出される。このことは、水分離器１７が排出管路１８と排出弁１９、いわゆるドレン／パージ弁１９を有することにより行われる。十分な量の水が水分離器１７に集まると、たとえば水位に依存してまたは時間制御で、ドレン／パージ弁１９を開放することができる。水は水分離器１７から流出し、続いてアノード室３の周囲の循環路に集まったガスのある程度の部分が同様にともに流出し、以降は水素濃度が上昇する。ここで排出された水および／または排出されたガスは、たとえば空気供給管路６の領域にもたらすことができる。またはこれらを燃料電池システム１から放出し、環境に排出することができる。ガスには典型的には水素が含まれているから、有害な排出を回避するため、これを対応して希薄化し、または燃焼すべきである。

図２には、燃料電池システム１の循環搬送装置１５が、例として可能な高実装構造に基づき再度図示されている。ここで循環搬送装置１５はカバーとして水分離器１７に組み込まれて構成されている。循環搬送装置は実質的にハウジング２０と、この中に配置された回転運動するコンポーネント２１とからなり、このコンポーネントはタービン１１とコンプレッサホイール１４を有する。ここでタービン１１は、図２に示したコンポーネント２１の上部に図示されている。タービンはたとえばペルトンタービンとして構成されている。図面にはそのうち２つの個別の翼が図示されている。コンポーネント２１はハウジング２０内またはハウジングカバー２２内に軸受２３によって軸受されており、したがってコンポーネント２１は回転軸２４を中心に回転することができる。タービン１１の領域には水素圧力貯蔵器８からの水素が流れ、水素は水素供給管路１０を介してノズル２５の領域に流入し、そこからタービン１１の翼に達する。ここでノズル２５は、二重矢印で示したノズルニードル２６がアクチュエータ２７を介して調整できるように形成されており、したがってノズル２５の流量が調整可能である。これにより、供給される新鮮水素が対応して調量され、同時に、タービン１１の翼を水素が音速で理想的に流れるようにするため適切な速度が調整される。ノズルニードル２６は、ここに示した実施形態ではたとえばアクチュエータ２７と復帰ばね２８を介して制御または調整される。高圧ガス貯蔵器８の領域には典型的には約７００ｂａｒの圧力レベルが存在する。弁装置９の後方には、弁装置の圧力制御器を介して低減された８〜１５ｂａｒの圧力が存在する。したがって音速でノズルまたはニードル弁２５を流れる水素ガスは、タービン１１に流入する際に、通流方向でノズル２５前方の約８〜１５ｂａｒからノズル後方の約１〜３ｂａｒの圧力下降を受ける。この圧力下降は、ノズル２５と、水素調量装置のもっとも狭い横断面を形成するノズルニードル２６との間の円形リング面の領域でマッハ１の速度を達成するのに十分である。

タービン１１の回転によってコンポーネント２１全体が回転され、これによりタービン１１の他にさらにコンプレッサホイール１４も回転する。このコンプレッサホイールはここに図示した実施例ではサイドチャネルコンプレッサ（運動量交換機械）として構成されており、Ａにより示した矢印のようにアノード室３からの排気ガスを実質的にその回転軸２４の軸方向で水分離器１７から吸引する。軸方向に吸引された排気ガスＡは、コンプレッサホイール１４の領域で対応して搬送され、矢印Ｂに示すよう接線方向にディフューザ２９の領域に流出する前に回転運動される。ディフューザはアノード供給管路１２と接続されているか、またはアノード供給管路自体を形成する。サイドチャネルコンプレッサとして構成されたコンプレッサホイール１４の他に、たとえば遠心コンプレッサの形態とする択一的な構成も同様に考えられよう。

この領域でタービン１１に調量された新鮮水素をアノード室３からの排気ガスＡと混合するために、コンポーネント２１にはさらにチャネル３０が設けられている。このチャネルはタービン１１の領域、とりわけここではタービン１１の個々の翼の間の領域をコンプレッサホイール１４の領域と接続する。ここでチャネル３０は、集まった水素がチャネルを通ってタービン１１の領域からコンプレッサホイール１４の領域に流れるように構成されている。このサイドチャネルコンプレッサとしての構成では、吸引された排気ガスＡの対応する回転運動が生じるから、チャネル３０のアライメントはここに図示した実施例では、チャネルが回転軸２４の方向に対して軽く傾斜して延在するように選択されている。これによりチャネル３０を流れるガスが整流され、矢印Ａ，Ｂにより示したアノード排気ガスのガス流に衝突する。これにより、新鮮水素とアノード排気ガスとの非常に良好な混合と均等な分配が達成される。ここではさらに新鮮水素に含まれるエネルギーが均等分配のために使用される。ディフューザ２９の領域では流れが対応して穏やかになり、減速するので、アノード室への流入のための必要圧力が保証される。

チャネル３０を通ってタービン１１の領域からコンプレッサホイール１４の領域に流れる水素量が十分でない場合には、燃料電池２の駆動に必要な全新鮮水素を供給するために、水素の一部が必要に応じてさらにハウジング２０内にある参照符号３１を付したオプションとしてのバイパスを介してディフューザ３０の領域に流れることができ、これにより十分な新鮮水素量が供給される。

ここでタービン１１を介した循環搬送装置１５の駆動は、運転の別の経路を介して行うことができ、意味がある。とりわけコンポーネント２１のコンプレッサホイール１４をタービン１１を介して（単独で）駆動するために、十分な量の新鮮水素が調量されない動作点、たとえばアイドル運転が存在する。したがってこのような場合に駆動を支援するために、他のすべての場合で電気駆動モータ１６が設けられている。電気駆動モータは図２の構成では、フラットモータとして構成されており、ハウジングカバー２２の上に配置された固定子３２を有する。固定子は冷却リブ３３を介して周囲の雰囲気より冷却することができる。ここで固定子３２はハウジングカバー２２によって、回転するコンポーネント２１とは別個に構成されている。ハウジングカバー２２によってコンポーネント２１の領域を固定子３２の領域から分離し、固定子に対して密閉することができる。これにより、回転するコンポーネント２１の領域にある水素が固定子３２の領域に循環搬送装置１５から達することができない。磁束に対して透磁性でなければならないハウジングカバー２２を通して、しかし有意なヒステリシス損失を形成することなく、コンポーネント２１の領域に配置された永久磁石３４への磁気結合が行われる。この永久磁石３４は固定子３２の巻線３５と共同作用し、これによりコンポーネント２１はフラットモータ１６の回転子を直接形成し、対応して駆動することができる。

ここでコンポーネント２１の形態の回転子には常時、水素が還流し、これにより理想的に冷却される。同じことが、ここに示した実施例で使用される溝玉軸受け３６の軸受２３にも当てはまり、この軸受を介してコンポーネント２１が図２では軸受されている。軸受２３ならびにコンポーネント２１をフラットモータ１６の回転子として水素雰囲気に組み込むことにより、水素を冷却ガスとして使用することで理想的な冷却の可能性が得られ、流体冷却媒体等を水素雰囲気の領域に取り入れ、再び取り出す必要がない。これにより密閉の問題が十分に回避される。

２つの溝玉軸受け３６を備えるここに図示した軸受は効率的で有効であるが、溝玉軸受けの使用により比較的コストが掛かる。溝玉軸受け３６の代わりに、別の軸受コンセプトを実現することもでき、とりわけ水素を軸受ガスとするガス軸受を軸方向の軸受に対しても半径方向の軸受に対しても実現することができる。

図３には軸受２３の可能な択一的な構造が示されており、この構造では半径方向の軸受が水素軸受を介して行われる。適切な切欠部またはポケット３７には、コンポーネント２１のシャフト３９を半径方向に軸受するための水素によるガス軸受を実現するために、高圧ガス貯蔵器８の領域から水素がチョーク３８を介して導かれる。すでに述べたように、このようなガス軸受を軸方向の軸受のためにも設けることができる。これとは択一的に、図３に示された変形実施形態を、１つまたはここに示した２つの軸方向軸受に使用することもできる。ここで軸方向軸受４０は実質的に軸受先端４１によって形成されており、この軸受先端はたとえば弾性エレメント４２を介してコンポーネント２１のシャフト３９の領域に固定されている。この場合、軸受先端４１は、たとえば対応する軸受シェル内、またはここに図示するように対応する軸受先端４３内を走行することができる。この軸受先端４３は、ハウジング２０またはハウジングカバー２２に結合されている。ここで図３には、軸受先端４１，４３がそれぞれ球形のエレメントとして構成されており、これらが互いに走行する構造が示されている。これにより面接触が最小の滑らかな軸受が得られる。ヘルツの接触応力が最大の領域では、これらの軸受においても相当の熱が発生する。したがってこれらの軸受を、破線で示した供給部４４からの水素によりオプションとして冷却することができる。

ここで軸受先端４１は、理想的な構成ではできるだけ硬い材料、たとえば工業用セラミック等からなるボールから形成されている。とりわけこの構造は、軸受先端４１がコンポーネント２１のシャフト３９の領域では、ハウジング２０またはハウジングカバー２２の領域にある軸受先端４３よりも硬い材料または柔らかい材料から形成されるように選択することができる。たとえばコンポーネント１２の領域にある軸受先端４１は硬質スチールから、ハウジング２０またはハウジングカバー２２の領域にある軸受先端４３はセラミックから形成することができる。この配置構成では、硬質スチール製の軸受先端４３は、セラミック製の軸受先端４１よりも急速に摩滅し、軸受先端４１は実質的に摩耗しない。この場合、循環搬送装置１５の保守の際には、軸受２３の長期の寿命にわたって軸受のできるだけ滑らかな回転を保証するために、硬質スチール製の軸受先端４１を交換することができる。ここで図３に示した構造は、図２に示したような溝玉軸受け３６に対して、これがより簡単かつ安価に実現でき、軸受摩耗が最小になるという重大の利点を有する。

ここに示した実施例による循環搬送装置１５の構造は、非常に安価かつ簡単に、しかも非常にコンパクトに構成され、たとえば図２に示したように水分離器１７に組み込まれる。これにより非常にコンパクトでスペースの節約された構造が得られ、この構造はガスの理想的な均等分配によって非常に短いアノード供給管路１２を可能にする。駆動エネルギーの大部分が高圧ガス貯蔵器８に貯蔵された水素の圧力エネルギーからタービン１１を介して得られることにより、フラットモータ１６は所定の状態でだけ介入すれば良く、またはコンポーネント２１の回転を支援すれば良い。したがってフラットモータを対応して小型に効率的に設計することができ、このことは一方では必要構造空間の減少につながり、他方ではフラットモータ１６に対するより単純で安価なコンポーネントにつながる。さらにフラットモータ１６を、一定または近似的に一定のただ１つの動作点に合わせてだけ設計することができる。したがってモータ電子回路および制御電子回路に関して、さらに格段の節約が達成される。正常動作中にタービン１１を介してエネルギーの大部分をもたらすことができることにより、フラットモータ１６はたとえばアイドリング中の動作に合わせて設計されていれば十分である。動的な最高値等は、高圧ガス貯蔵器８からの水素を介して提供することができ、この水素はこの状況では典型的にいずれにしろ必要である。なぜなら燃料電池２自体が、動的な要求に対応するため同じようにより多くの水素を必要とするからである。

フラットモータ１６は対応して単純に設計することができるから、これを低電圧モータとして、とりわけ１２Ｖモータとして構成することができる。ここでこのような１２Ｖモータはとりわけ小型であり、対応して安価に実現される。この構造はさらに格段のコスト節約を可能にする。

燃料電池システム１の構造は、すでに何回も述べたようにきわめてコンパクト、安価、軽量であり、燃料電池システム１の非常に良好な効率を保証する。燃料電池システムの有利な適用は自動車分野であり、ここではとりわけ乗用車を駆動する。なぜなら構造空間が最小で効率が最大であるコストの最適化されたシステムは、燃料電池システム１をダイナミックにまたは高ダイナミックに駆動することが必要である場合にとくに大きな利点を発揮することができるからである。

Claims (19)

1. アノード室（３）およびカソード室（４）を有する少なくとも１つの燃料電池（２）と、前記アノード室（３）の出口を前記アノード室（３）の入口と接続する循環管路（１３）と、前記循環管路（１３）の領域にコンプレッサホイール（１４）を備える循環搬送装置（１５）と、前記アノード室（３）の前方で圧力下にある水素を膨張させるタービン（１１）とを有する燃料電池システム（１）であって、前記循環搬送装置（１３）が少なくとも部分的に前記タービン（１１）によって駆動される燃料電池システムにおいて、
   前記タービン（１１）と前記コンプレッサホイール（１４）が、１つのコンポーネント（２１）内に形成されており、
   前記コンポーネント（２１）はチャネル（３０）を有し、前記チャネルは、前記タービン（１１）の領域と前記コンプレッサホイール（１４）の領域とを互いに接続し、前記水素が前記チャネルを通って流れるように構成されている、ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 水素が、ノズルニードル（２６）を有するノズル（２５）を介して前記タービン（１１）に流れ、前記ノズルニードル（２６）に対する前記ノズル（２５）の相対運動によって水素の流量が調整可能である、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記タービン（１１）はペルトンタービンとして形成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記コンプレッサホイール（１４）はターボ機械として形成されている、ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記コンプレッサホイール（１４）はサイドチャネルコンプレッサとして形成されている、ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記コンプレッサホイール（１４）は遠心コンプレッサとして形成されている、ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記チャネル（３０）は前記タービン（１１）の領域から発して、前記チャネル（３０）を流れる水素が前記コンプレッサホイール（１４）内の排気ガスの流れに対して実質的に整流され、前記コンプレッサホイール（１４）の領域に流入するように形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記コンポーネント（２１）は電気駆動モータ（１６）を介して駆動可能であり、前記駆動モータ（１６）はフラットモータ（１６）として形成されている、ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記フラットモータ（１６）の固定子（３２）が前記コンポーネント（２１）の上方に配置されており、前記コンポーネント（２１）には磁気的エレメント（３２）が設けられており、前記フラットモータ（１６）の回転子を形成する、ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記回転子（２１）は、前記固定子（３２）に対して密閉された空間内に配置されている、ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記空間は、前記循環管路（１３）内の水分離器（１７）の内部である、ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記循環搬送装置（１５）は、前記水分離器（１７）の水素密なカバーを形成する、ことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記電気駆動モータ（１６）は６０Ｖ以下の電圧の低電圧モータとして形成されている、ことを特徴とする請求項８から１２までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
14. 前記コンポーネント（２１）の少なくとも１つの軸方向軸受（４０）が軸受先端（４１）によって形成されている、ことを特徴とする請求項１から１３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
15. 前記軸受先端（４１）は球表面として形成されており、前記球表面は対向球表面上を走行する、ことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
16. 前記軸受先端（４１）は、軸方向に作用する弾性エレメント（４２）を介して前記対向球表面に対してプリロードされている、ことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
17. 電気コンポーネントおよび／または磁気コンポーネント（３４）および／または軸受（２３，３６，４０）が、前記循環搬送装置（１５）の領域内で水素によって冷却される、ことを特徴とする請求項１から１６までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１）における循環搬送装置（１５）の駆動方法。
18. 前記ノズル（２５）を通る水素の流量が、前記タービン（１１）へ進入する際の水素の速度が前記水素の音速（マッハ１）の０．８〜１．０５の範囲になるように調整される、ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム（１）における循環搬送装置（１５）の駆動方法。
19. 前記電気駆動モータ（１６）は、一定のまたは近似的に一定の動作点に合わせて設計される、ことを特徴とする請求項８から１６までのいずれか１項に記載の燃料電池システム（１）における循環搬送装置の駆動方法。
    

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