KR20200109366A - 특히 연료 전지 시스템을 위한 터보 기계, 연료 전지 시스템, 터보 기계의 작동을 위한 방법, 그리고 연료 전지 시스템의 작동을 위한 방법 - Google Patents

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안드레아스 벵거트
토비아스 라인하르트 오트
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 특히 연료 전지 시스템(1)을 위한 터보 기계(10)에 관한 것이다. 이러한 터보 기계(10)는 압축기(11), 구동 장치(20), 및 샤프트(14)를 포함한다. 압축기(11)는 샤프트(14) 상에 배치된 임펠러(15); 압축기 입구(11a); 및 압축기 출구(11b);를 포함한다. 작동 유체는 압축기 입구(11a)로부터 압축기 출구(11b)를 향해 토출 가능하다. 압축기 출구(11b)에서는 구동 장치(20)의 냉각을 위한 구동 냉각 경로(92)가 분기된다. 또한, 본 발명에 따른 터보 기계(10)를 구비한 연료 전지 시스템(1)과, 터보 기계(10)의 작동을 위한 방법과, 연료 전지 시스템(1)의 작동을 위한 방법이 제안된다.

Description

특히 연료 전지 시스템을 위한 터보 기계, 연료 전지 시스템, 터보 기계의 작동을 위한 방법, 그리고 연료 전지 시스템의 작동을 위한 방법
터보 압축기로서 형성된 연료 전지 시스템용 터보 기계는 종래 기술, 예를 들어 공개 공보 DE 10 2012 224 052 A1호로부터 공지되어 있다. 공지된 터보 압축기는, 구동 장치에 의해 구동 가능한 샤프트를 포함한다. 샤프트 상에는 압축기 및 배출 가스 터빈이 배치된다.
더 상세한 구성으로는, 터보 압축기로서 형성된 터보 기계가 공개 공보 DE 10 2008 044 876 A1호로부터 공지되어 있다. 공지된 터보 압축기는, 샤프트 상에 배치된 임펠러 또는 압축기를 포함한다. 이 경우, 압축기는 레이디얼 임펠러로서 형성되며, 작동 유체는 압축기 입구로부터 압축기 출구를 향해 토출된다.
본 발명의 대상은, 작동 유체에 의해, 터보 기계, 특히 구동 장치의 구성 요소들을 효과적으로 냉각하는 것이다.
예를 들어 차량에서 연료 전지를 작동할 수 있도록, 한편으로는 수소가, 다른 한편으로는 주변으로부터의 공기가 제공되어야 한다. 이 경우, 종래 기술로부터는, 연료 전지의 공기 공급에 사용되는 전기 구동식 터보 압축기가 공지되어 있다. 전동기를 통해 구동되는 회전 샤프트 상에는, 필요한 공기 질량 흐름을 연료 전지들의 방향으로 토출하는 압축기가 장착된다.
본 발명에 따른 터보 기계는, 특히 베어링들 및 구동 장치에 사용되는 최적화된 냉각부를 갖는다. 바람직하게, 이 경우 터보 기계는 연료 전지 시스템 내에 배치된다.
이를 위해, 터보 기계는 압축기, 구동 장치, 및 샤프트를 포함한다. 압축기는 샤프트 상에 배치된 임펠러; 압축기 입구; 및 압축기 출구;를 포함한다. 작동 유체는 압축기 입구로부터 압축기 출구를 향해 토출 가능하며, 이 경우 바람직하게는 압축된다. 압축기 출구에서는 구동 장치의 냉각을 위한 구동 냉각 경로가 분기된다.
따라서, 압축된 작동 유체를 통해서는 구동 냉각 경로 내에 작동 유체의 압력 또는 질량 흐름이 존재하게 되고, 이러한 구동 냉각 경로를 통해서는 구동 장치로부터 구동 냉각 경로의 작동 유체 내로의 강제 대류가 구현된다. 압력이 가해진 작동 유체를 통해 터보 기계 내부 유동이 구동 냉각 경로 내에 생성되고, 이러한 압력에 의해 구동 냉각 경로는 복잡하게 밀봉될 필요없이 상응하는 공동들, 간극들 등을 통해 규정될 수 있다. 구동 장치와 작동 유체 사이의 열전달 계수는 이에 상응하게 높으므로, 구동 장치의 냉각이 매우 효율적이다.
특히, 예를 들어 베어링들 또는 구동 장치들과 같은 터보 기계의 마찰 지점들에는, 구동 냉각 경로를 통해 또는 그곳에서 유동하는 작동 유체를 통해 냉각되어야 하는 마찰열이 발생한다. 특히, 이를 위해 주변 공기가 사용될 수 있다.
특히 바람직한 실시예들에서는, 구동 냉각 경로 내에서 구동 장치의 상류에 열교환기가 배치된다. 압축되고, 이에 따라 가열되기도 한 작동 유체는 냉각될 구동 장치 이전에 냉각되므로, 구동 장치의 냉각이 더욱 효율적으로 구성된다.
바람직한 실시예들에서, 구동 장치는 회전자 및 고정자를 구비한다. 이 경우, 회전자는 샤프트 상에 배치된다. 구동 냉각 경로는 회전자와 고정자 사이의 간극을 통해 안내된다. 이로 인해, 회전자와 고정자의 냉각은 매우 간단하게 구성된다. 바람직하게, 간극은 구동 냉각 경로 내의 스로틀 지점이므로, 그곳에서 작동 유체의 유동 속도가 특히 빠르며, 그와 함께 구동 장치와 작동 유체 사이의 열전달 계수도 특히 높다.
바람직한 개선예들에서, 샤프트는 2개의 레이디얼 베어링들에 의해 지지되며, 2개의 레이디얼 베어링들은 구동 냉각 경로 내에 배치된다. 따라서, 구동 장치에 추가로, 2개의 레이디얼 베어링들도 작동 유체에 의해 효과적으로 냉각된다. 바람직하게, 이 경우 2개의 레이디얼 베어링들은 구동 장치의 2개의 축방향 단부들에 배치된다.
바람직하게, 구동 냉각 경로는 제1 부분 경로 및 제2 부분 경로로 분기된다. 하나의 레이디얼 베어링은 제1 부분 경로 내에 배치되고, 하나의 레이디얼 베어링은 제2 부분 경로 내에 배치된다. 이로 인해, 터보 기계 내부의 구동 냉각 경로 내 작동 유체의 유동 안내는 매우 간단하게 유지되며, 복잡한 밀봉 지점들이 생략될 수 있다. 바람직하게, 구동 냉각 경로는 구동 장치에서 제1 부분 경로 및 제2 부분 경로로 분기된다.
바람직한 실시예들에서, 샤프트는 스러스트 베어링에 의해 지지되며, 스러스트 베어링은 제1 부분 경로 내에 배치된다. 이 경우, 스러스트 베어링은 바람직하게는 하나의 스러스트 베어링 디스크를 포함한다. 이로 인해, 스러스트 베어링도 효과적으로 냉각된다. 이상적으로, 스러스트 베어링 및 하나의 레이디얼 베어링은 제1 부분 경로 내에 배치되고, 다른 레이디얼 베어링 및 대부분의 구동 장치는 제2 부분 경로 내에 배치된다. 이로 인해, 두 부분 경로들 중 어느 것도, 흡수될 열량에 의해 과부하되지 않는다.
추가의 바람직한 실시예들에서, 샤프트는 하나의 스러스트 베어링 및 하나 이상의 레이디얼 베어링에 의해 지지된다. 구동 냉각 경로는 제1 부분 경로 및 제2 부분 경로로 분기된다. 스러스트 베어링은 제1 부분 경로 내에 배치되고, 레이디얼 베어링은 제2 부분 경로 내에 배치된다. 이로 인해, 2개의 베어링들이 상이한 부분 경로들을 통해 효과적으로 냉각된다. 터보 기계가 제2 레이디얼 베어링을 더 구비한 경우, 제1 부분 경로로부터 바람직하게 제3 부분 경로가 더 분기되므로, 제2 레이디얼 베어링도 고유의 부분 경로에 의해 냉각된다.
바람직한 개선예들에서, 제1 부분 경로 내에는 (바람직하게는 스러스트 베어링의 하류에) 부분 경로 밸브가 배치된다. 이로 인해, 스러스트 베어링을 통한 공기 또는 산화제의 질량 흐름이 개회로 제어될 수 있다. 바람직하게, 부분 경로 밸브는 이를 위해 비례 밸브로서 형성된다. 부분 경로 밸브는 궁극적으로 구동 냉각 경로를 통한 공기 또는 산화제의 총 질량 흐름을 개별 부분 경로들로 분배하고, 개별 부분 경로들 내에 배치된 구성 요소들은 이와 같이 필요에 따라 최적으로 냉각될 수 있다.
바람직한 개선예들에서, 임펠러의 후방면에 대향하여, 터보 기계의 하우징의 일부로서의 후방벽이 배치된다. 후방벽 내에는 통기 보어들이 형성된다. 통기 보어들은 터보 기계의 휠 후방부(wheel back) 냉각 경로 내에 배치되며, 이러한 휠 후방부 냉각 경로는 압축기 출구로부터 분기된다. 따라서, 구동 냉각 경로 외에, 휠 후방부 냉각 경로는 제2 냉각 경로이며, 이러한 제2 냉각 경로는 압축기 출구로부터 분기된다. 이로 인해, 어차피 존재하는 작동 유체의 누설이 사용되거나, 후방면에서 발생하는 작동 유체의 동적 압력이 방지될 수 있고, 이와 정반대로, 후방면 상으로 유동하는 작동 유체는 특히 스러스트 베어링의 냉각을 위해 사용된다.
그에 상응하게, 휠 후방부 냉각 경로는 바람직하게는 스러스트 베어링을 통해 안내된다. 예를 들어, 스러스트 베어링은, 샤프트 상에 배열되어 접동 플레이트와 상호 작용하는 스러스트 베어링 디스크로서 형성될 수 있다. 이때, 작동 유체는 접동 플레이트와 스러스트 베어링 디스크 사이의 간극 내로 유동한다. 이 경우, 접동 플레이트는 터보 기계의 하우징에 배치되거나, 하우징의 일부이다.
바람직한 실시예들에서, 샤프트는 2개의 레이디얼 베어링들에 의해 지지된다. 구동 냉각 경로는 제1 부분 경로 및 제2 부분 경로로 분기된다. 하나의 레이디얼 베어링은 제1 부분 경로 내에 배치되고, 하나의 레이디얼 베어링은 제2 부분 경로 내에 배치된다. 휠 후방부 냉각 경로는, 바람직하게는 스러스트 베어링의 상류에서 제1 부분 경로로 이어진다. 이로 인해, 제1 부분 경로 내의 질량 흐름은 증가하고, 그와 함께 제1 부분 경로의 냉각 효과는 향상된다.
바람직한 실시예들에서, 구동 냉각 경로 내에는 냉각 밸브가 배치된다. 구동 냉각 경로가 2개 이상의 부분 경로들로 분기되는 경우, 냉각 밸브는 바람직하게는 이러한 부분 경로들의 상류에 배치된다. 이로 인해, 바람직하게는 비례 밸브로서 형성된 냉각 밸브는 터보 기계 내의 구성 요소들(특히 구동 장치, 스러스트 베어링, 및 레이디얼 베어링)의 냉각을 위한 공기 또는 산화제의 총 질량 흐름을 개회로 제어할 수 있다. 이러한 구성 요소들의 냉각이 필요하지 않으면, 냉각 밸브는 구동 냉각 경로를 폐쇄하고, 터보 기계의 체적 효율에 대하여 질량 흐름 손실을 나타내는 구동 냉각 경로를 통한 공기의 질량 흐름은 차단된다. 이로 인해, 궁극적으로 터보 기계의 효율은 상승한다.
본 발명의 바람직한 일 개선예에 따라, 압축기 출구에서는, 특히 압력 제한을 위한 바이패스 채널이 분기된다. 이러한 방식으로, 압축기 서지가 방지될 수 있고, 그럼에도 불구하고 압축기는 고속으로 작동될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 시스템의 경우, 실제 연료 전지 내에는 압축기 내에서 토출되는 것보다 더 적은 질량 흐름이 제공된다. 이러한 편차는 바이패스 채널을 통해 배출된다. 적은 질량 유량에서 높은 압축비를 구현할 수 있도록, 바이패스 채널은 부분적으로 또는 완전히 개방될 수 있다. 이 경우, 압축기는 추후에 제공되는 것보다 더 큰 질량 흐름을 토출한다.
바이패스 채널 내에 바이패스 밸브가 배치되어 있음으로써 추가의 장점이 얻어진다. 이러한 방식으로, 바이패스 채널을 통한 질량 흐름의 폐회로 제어 또는 개회로 제어가 구현될 수 있으므로, 바이패스 채널은 영구적으로 관류될 필요는 없고, 터보 기계의 사전 결정된 작동점들에서만 또는 압축기 서지의 검출 시에만 관류되면 된다.
바이패스 채널이 구동 냉각 경로에 의해 형성되는 경우가 특히 바람직하다. 이러한 방식으로, 구동 냉각 경로에 추가로 별도의 바이패스 채널과, 이에 따라 시스템 내 추가 파이프 라인이 절감될 수 있다. 이로 인해, 터보 기계의 공간 요구량은 확실히 감소되고, 터보 기계는 더욱 콤팩트하게 형성될 수 있다.
바이패스 밸브가 냉각 밸브에 의해 형성되는 것도 특히 바람직하다. 이러한 방식으로 밸브가 절감된다. 결과적으로, 터보 기계의 비용 및 복잡성은 감소된다. 또한, 터보 기계의 연속 사용 시에 잠재적으로 마모되거나 고장을 일으킬 수 있는 구성 요소가 생략되므로, 터보 기계의 에러 가능성이 감소된다. 또한, 시스템 내에서 필요한 측정 기술은 절감될 수 있다. 따라서, 개별 채널들 내 질량 흐름들을 식별하고 폐회로 제어 가능하게 하기 위한 구동 냉각 경로 및 이와는 상이한 바이패스 채널 내 질량 흐름들의, 측정 기술에 의한 별도의 검출이 필요하지 않다. 2개 채널들의 결합을 통해, 하나의 채널의 센서 장치는 생략된다. 또한, 이로 인해, 고장을 일으킬 수 있는 구성 요소들의 수가 감소하므로, 결과적으로 상기 조치는 터보 기계의 신뢰성 향상을 가져온다.
구동 냉각 경로 내, 바람직하게는 구동 냉각 경로의 하류측 단부의 영역에서의 매체 온도의 실제값이 온도의 목표값을 따르도록 하기 위해, 냉각 밸브의 개방도를 제어하는 폐회로 제어 유닛이 제공되는 것이 특히 바람직하다. 이러한 방식으로, 구동 냉각 경로를 통한 냉각 질량 흐름은 구동 장치의 냉각 요구량으로 조정될 수 있고 최소로 유지될 수 있다. 냉각 질량 흐름은, 연료 전지 시스템의 구동 시 연료 전지에 더 이상 제공되지 않는, 압축기에 의해 생성된 총 질량 흐름의 손실을 나타낸다. 냉각 질량 흐름은 압축기에 의해 제공되므로, 이를 생성하기 위해 에너지가 필요하다. 이러한 에너지는 터보 기계의 전체 효율에 부정적인 영향을 미친다. 따라서, 상술한 폐회로 제어를 통해, 전체 효율에 대한 냉각 질량 흐름의 분기의 영향은 최소화될 수 있다.
더욱이, 폐회로 제어 유닛이 구동 냉각 경로 내 매체 온도에 대한 목표값에 따라, 그리고 원하는 바이패스 질량 흐름에 따라 냉각 밸브의 개방도를 제어하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 구동 냉각 경로 내의 매체 또는 냉각 질량 흐름의 온도의 폐회로 제어와 바이패스 질량 흐름의 폐회로 제어가 단일화될 수 있고, 이에 따라 냉각 밸브의 기능성이 효율적으로 향상될 수 있다.
바람직한 개선예들에서, 임펠러는 레이디얼 임펠러로서 형성된다. 임펠러는 자신의 전방면 상에서, 유동 경로를 따르는 작동 유체에 의해 관류 가능하다. 유동 경로는 축방향 유동 단부 및 반경 방향 유동 단부를 포함하고, 이 경우 축방향 유동 단부는 압축기 입구에 상응하고 반경 방향 유동 단부는 압축기 출구에 상응한다. 기능에 따라서, 임펠러 상에서는 유체에 의해 초래되는 축방향 힘들이 발생하고, 이러한 축방향 힘들은 바람직하게는 스러스트 베어링에 의해 지지된다. 바람직하게, 스러스트 베어링은 마찬가지로 구동 냉각 경로를 통해 냉각된다.
바람직한 개선예들에서, 냉각 밸브에 추가로 부분 경로 밸브가 부분 경로들 중 하나의 부분 경로 내에 배치되므로, 공기 또는 산화제의 전체 질량 흐름 뿐만 아니라, 부분 경로들 내 질량 흐름의 분기도 개회로 제어될 수 있다. 이에 상응하게, 부분 경로 밸브도 바람직하게는 비례 밸브로서 형성된다.
바람직한 적용예들에서, 터보 기계는 연료 전지 시스템 내에 배치된다. 이를 위해, 터보 기계는 터보 압축기로서 형성되고, 임펠러는 압축기로서 형성된다. 연료 전지 시스템은, 연료 전지; 연료 전지 내로의 산화제 공급을 위한 공기 공급 라인; 및 연료 전지로부터의 산화제 배출을 위한 배출 가스 라인;을 포함한다. 압축기는 공기 공급 라인 내에 배치된다. 이 경우, 공기 공급 라인은 연료 전지 내로의 산화제 또는 작동 유체의 유입에 사용되고, 배출 가스 라인은 연료 전지로부터의 산화제 또는 반응된 산화제 또는 이들의 혼합물의 배출에 사용된다. 터보 압축기는 상술한 실시예들 중 하나의 실시예에 따라 구성된다. 이 경우, 바람직하게 임펠러는 레이디얼 임펠러로서 형성된다. 산화제로서는 바람직하게 주변 공기가 사용된다. 구동 냉각 경로를 통한 터보 기계의 가급적 많은 구성 요소들의 냉각은 터보 기계의 효율 및 수명을 향상시킨다.
바람직한 개선예들에서, 연료 전지 시스템은 하나의 추가 임펠러를 구비한 배출 가스 터빈을 포함한다. 이러한 추가 임펠러는 마찬가지로 샤프트 상에 배치된다. 배출 가스 터빈은 배출 가스 라인 내에 배치된다. 바람직하게, 배출 가스 터빈의 추가 임펠러는 터보 압축기의 임펠러에 대향하도록 배치되므로, 2개 임펠러들에 대한 각각 유효한 결과적 축방향 힘들이 부분적으로 보상된다. 연료 전지로부터 유출되는 반응된 작동 유체 또는 산화제는 배출 가스 터빈을 위한 동력원으로서 매우 효과적으로 사용될 수 있으며, 이로 인해 터보 압축기를 위한 구동 장치의 필요한 구동력이 감소된다. 이 경우, 바람직하게 배출 가스 라인은 냉각 유체 경로로부터 분리되므로, 냉각 유체 경로에는 가열된 매체가 공급되지 않는다.
구동 냉각 경로가 배출 가스 터빈의 상류에서 배출 가스 라인으로 이어짐으로써 장점이 얻어진다. 이러한 방식으로, 냉각 질량 흐름은 배출 가스 터빈으로 안내된다. 이로 인해, 냉각 질량 흐름의 잔류 에너지의 회수가 가능하므로, 압축기 작동 시의 에너지가 절감될 수 있다.
구동 냉각 경로가 배출 가스 터빈의 하류에서 배출 가스 라인으로 이어지는 것도 바람직하다. 이러한 방식으로, 구동 냉각 경로를 통한 최대 압력 강하가 달성되므로, 구동 냉각 경로를 통한 높은 질량 흐름이 가능해지며, 이러한 높은 질량 흐름은 냉각될 구성 요소들에 의해 흡수된 열을 가능한 신속하게 이송하므로 가능한 가장 큰 냉각 효과를 갖는다.
터보 기계의 작동을 위한 본 발명에 따른 방법은, 구동 냉각 경로 내 매체 온도에 대한 사전 결정된 목표값을 설정하기 위해 냉각 밸브의 개방도가 폐회로 제어 유닛에 의해 제어된다는 장점을 포함한다. 이러한 방식으로, 구동 냉각 경로와 바이패스 채널의 합병 시에도 적어도 터보 기계의 구성 요소들 또는 구동 장치를 위해 필요한 냉각력이 발생되도록 보장된다.
추가의 장점이 종속 방법 청구항에 의해 달성되고, 이러한 종속 방법 청구항에 따라서는, 검출된 압축기 서지에 따라, 구동 냉각 경로 내 매체 온도에 대한 목표값의 설정을 위해 필요한 질량 흐름보다 큰, 구동 냉각 경로 내의 원하는 바이패스 질량 흐름을 설정하기 위해, 냉각 밸브의 개방도가 폐회로 제어 유닛에 의해 제어된다. 이러한 방식으로, 이와 같이 설정된 결과적 냉각 질량 흐름을 통해서는 터보 기계의 구성 요소들 또는 구동 장치의 충분한 냉각 뿐만 아니라 압축기 서지의 방지도 보장될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 냉각 밸브 제어를 통해서는, 공통의 채널로의 구동 냉각 경로와 바이패스 채널의 결합을 통해 구동 냉각 경로의 기능 뿐만 아니라 바이패스 채널의 기능도 보장된다.
터보 기계를 구비한 연료 전지 시스템의 작동을 위한 본 발명에 따른 방법은, 연료 전지 시스템의 원하는 작동 상태에 따라, 구동 냉각 경로 내 매체 온도에 대한 목표값의 설정을 위해 필요한 질량 흐름보다 큰, 구동 냉각 경로 내의 원하는 바이패스 질량 흐름을 설정하기 위해, 냉각 밸브의 개방도가 폐회로 제어 유닛에 의해 제어된다는 장점을 포함한다. 이러한 방식으로, 이와 같이 설정된 결과적 냉각 질량 흐름을 통해서는 터보 기계의 구성 요소들 또는 구동 장치의 충분한 냉각 뿐만 아니라 연료 전지 시스템의 원하는 작동 상태의 설정도 보장될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 냉각 밸브 제어를 통해서는, 공통의 채널로의 구동 냉각 경로와 바이패스 채널의 결합을 통해 구동 냉각 경로의 기능 뿐만 아니라 바이패스 채널의 기능도 보장된다.
바람직하게 연료 전지 시스템은 자동차의 구동 장치를 구동하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 추가의 선택적 세부 사항들 및 특징들은, 도면들에 개략적으로 도시된 바람직한 실시예들의 하기 상세한 설명으로부터 제시된다.
도 1은 터보 압축기로서 형성된 종래 기술의 터보 기계를 구비한 연료 전지 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 터보 기계를 절개한 단면의 개략적인 도면이며, 중요 영역들만 도시되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 추가의 터보 기계를 절개한 단면의 개략적인 도면이며, 중요 영역들만 도시되어 있다.
도 4는 터보 압축기로서 형성된, 제1 실시예에 따른 터보 기계를 구비한 연료 전지 시스템의 개략적인 도면이다.
도 5는 터보 압축기로서 형성된, 제2 실시예에 따른 터보 기계를 구비한 연료 전지 시스템의 개략적인 도면이다.
도 6은 터보 기계 또는 연료 전지 시스템의 작동을 위한 본 발명에 따른 방법의 흐름도이다.
도 1에는 DE 10 2012 224 052 A1호로부터 공지된 연료 전지 시스템(1)이 도시되어 있다. 이러한 연료 전지 시스템(1)은 연료 전지(2); 공기 공급 라인(3); 배출 가스 라인(4); 압축기(11); 배출 가스 터빈(13); 압력 강하용 바이패스 밸브(5)를 갖는 바이패스 채널(150); 및 더 상세히 도시되지 않는, 연료 전지(2)로를 향한 연료용 공급 라인;을 포함한다. 바이패스 밸브(5)는 예를 들어 제어 플랩일 수 있다. 바이패스 밸브(5)로서는, 예를 들어 웨이스트 게이트 밸브(waste gate valve)가 사용될 수 있다.
연료 전지(2)는, 도시되지 않은 연료 공급 라인을 통해 공급된 연료 및 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 갈바닉 전지이며, 이러한 산화제는 본 도면에 도시된 실시예에서는 공기 공급 라인(3)을 통해 연료 전지(2)에 공급되는 흡입 공기이다. 연료는 바람직하게는 수소 또는 메탄 또는 메탄올일 수 있다. 이에 상응하게, 배출 가스로서는 수증기가 생성되거나, 수증기 및 이산화탄소가 생성된다. 연료 전지(2)는 예를 들어 자동차의 구동 장치를 구동하기 위해 설치된다. 예를 들어, 이 경우 연료 전지(2)에 의해 생성된 전기 에너지는 자동차의 전기 모터를 구동한다.
압축기(11)는 공기 공급 라인(3) 내에 배치된다. 배출 가스 터빈(13)은 배출 가스 라인(4) 내에 배치된다. 압축기(11)와 배출 가스 터빈(13)은 샤프트(14)를 통해 기계적으로 연결된다. 샤프트(14)는 구동 장치(20)에 의해 전기적으로 구동 가능하다. 배출 가스 터빈(13)은 샤프트(14) 또는 압축기(11)를 구동하기 위한 구동 장치(20)의 보조에 사용된다. 압축기(11), 샤프트(14), 및 배출 가스 터빈(13)은 함께 터보 기계(10)를 형성한다.
도 2에는 특히 연료 전지 시스템(1)에서 사용하기 위한, 본 발명에 따른 터보 기계(10)의 종단면이 개략적으로 도시되어 있다. 터보 기계(10)는, 터보 기계(10)의 구성 요소들이 내부에 배열되고 다부품형으로 구성되는 하우징(8)을 포함한다. 본 실시예에서, 터보 기계(10)는 터보 압축기(10)로서 형성되고, 샤프트(14) 상에 배치된 임펠러(15)를 가지며, 이러한 임펠러는 압축기(11) 또는 컴프레서로서 작용한다. 이에 추가로, 터보 기계(10)는 선택적으로, 샤프트(14) 상에 배치된 추가 임펠러(13a)를 포함하는 배출 가스 터빈(13)을 구비한다. 바람직하게, 이 경우 추가 임펠러(13a)와 임펠러(15)는 샤프트(14)의 대향 단부들 상에 위치 설정된다.
바람직하게, 터보 기계(10)가 연료 전지 시스템(1) 내에 배치됨으로써, 연료 전지(2)에 주변 공기 또는 산화제를 공급하기 위해 압축기(11)의 임펠러(15)는 공기 공급 라인(3) 내에 배치되고, 배출 가스 터빈(13)의 추가 임펠러(13a)는 배출 가스 라인(4) 내에 배치된다.
터보 기계(10)의 구동 장치(20)는 전동기로서 형성되어, 압축기(11)와 배출 가스 터빈(13) 사이에 배치되며, 회전자(21)와 고정자(22)를 포함한다. 회전자(21)는 마찬가지로 샤프트(14) 상에 배치된다. 고정자(22)는 터보 압축기(10)의 하우징(8) 내에 고정적으로 위치 설정된다. 샤프트(14)는 각각 하나의 레이디얼 베어링(41, 42)에 의해 구동 장치(20)의 양 측면들에서 회전 가능하게 지지된다. 구동 장치(20)는 2개의 레이디얼 베어링들(41, 42) 사이에 위치 설정된다. 고정자(22)를 반경 방향으로 둘러싸도록 냉각부(80)가 배치된다. 도 2의 실시예에서, 냉각부(80)는 하우징(8) 내에 형성된 냉각 홈들(81)을 포함하므로, 냉각제가 고정자(22) 주위를 유동하여 효과적인 냉각을 실행할 수 있다.
임펠러(15)는 도 2의 실시예에서 레이디얼 임펠러로서 형성되고, 즉 터보 압축기 또는 압축기(11)로서 사용되는 경우에 축방향으로의 유입 및 반경 방향으로의 유출을 실행하므로, 산화제 또는 작동 유체는 압축기 입구(11a)로부터 압축기 출구(11b)를 향해 유동한다. 이를 위해, 임펠러(15)는 자신의 전방면(15a) 상에, 축방향 유동 단부(18) 및 반경 방향 유동 단부(17)를 포함하는 유동 경로를 구비한다. 레이디얼 임펠러에서 통상적인 바와 같이, 단면도에서 임펠러(15)를 관류하는 작동 유체의 방향은 약 90°만큼 변화한다. 터보 압축기로서 형성되는 경우, 임펠러(15)는 축방향 유동 단부(18)에서[즉, 압축기 입구(11a)에서] 작동 유체에 의해 축방향 유입되고, 이후 작동 유체는 전방면(15a) 상에서 유동 경로(16)를 관류하는 동시에 압축되고, 이어서 반경 방향 유동 단부(17)에서[즉, 압축기 출구(11b)에서] 반경 방향으로 임펠러(15)로부터 배출된다.
임펠러(15)의 후방면(15b) 상에서는 하우징(8)의 일부로서 후방벽(89)이 후방면(15b)에 대향하도록 배치된다. 후방면(15b)은 반경 방향 유동 단부(17)와 유체 연결되고, 임의의 스로틀 지점들에 따라 그 압력 레벨도 갖는다. 바람직한 실시예에서 후방벽(89)은 임펠러(15)를 위한 스러스트 베어링도 형성할 수 있다. 그러나, 도 2의 실시예에서 스러스트 베어링(43)은 스러스트 베어링 디스크(14a)와 접동 플레이트(87) 사이에 형성된다. 스러스트 베어링 디스크(14a)는 샤프트(14) 상에 배치되고, 접동 플레이트(87)는 하우징(8)에 배치되거나 하우징의 구성 요소로서 형성된다.
후방벽(89) 내에는, 후방면(15b)으로부터 터보 기계(10)의 내부 방향으로 안내되는 통기 보어들(88)이 형성된다. 후방벽(89) 내의 통기 보어들(88)을 통해, 임펠러(15)의 후방면(15b) 또는 휠 후방부의 통기가 실행된다. 이로 인해, 한편으로는 압축기(11)에 의해 생성된 축방향 힘이 강하함으로써, 스러스트 베어링(43) 내에서 발생하는 출력 손실이 감소될 수 있다. 또한, 통기 보어들(88)을 통해 배출되는 산화제의 누설은, 스러스트 베어링 디스크(14a)와 접동 플레이트(87) 사이에 형성되어 관류되는 스러스트 베어링(43)의 냉각을 위해 사용된다. 후방면(15b)으로부터 통기 보어들(88)을 통과하는 그리고 스러스트 베어링(43)을 통과하는 냉각 경로는 "휠 후방부 냉각 경로(91)"로 불린다. 휠 후방부 냉각 경로(91)의 단부에서 이완된 산화제는 터보 기계(10)로부터 유도되어 나오거나, 축방향 유동 단부(18)에 재차 공급될 수도 있다.
압축기 출구(11b)에서, 추가 냉각 경로, 즉 구동 냉각 경로(92)가 공기 공급 라인(3)으로부터 분기된다. 터보 기계(10)의 내부에서 구동 장치(20) 및 레이디얼 베어링(41, 42)을 냉각하기 위해, 산화제 또는 작동 유체의 일부가 압축기 출구(11b)에서 분기된다. 그러나, 압축기 출구(11b)의 하류에서, 구동 냉각 경로(92) 내에는 바람직하게, 압축되고 가열된 작동 유체를 냉각시키기 위한 열교환기(93)가 우선 배치된다.
즉, 압축기(11)에 의해 압축된 공기(또는 압축된 산화제)는 완전히 연료 전지(2)로 안내되지는 않는다. 적은 비율이 압축기 출구(11b)에서 추출되어, 우선 열교환기(93)를 통해 냉각된다. 이를 위해, 바람직하게 고정자(22)를 냉각시키는 냉각부(80)의 냉각수가 사용된다. 이어서, 냉각된 공기(또는 냉각된 산화제)는 좌측 레이디얼 베어링(41)과 고정자(22) 사이에서 하우징(8) 내로 안내된다. 그곳에서, 구동 냉각 경로(92)의 질량 흐름은 분기점(92a)에서 제1 부분 경로(92b) 및 제2 부분 경로(92c)로 분기된다.
제1 부분 경로(92b)는 분기점(92a) 이후에 샤프트(14)와 좌측 레이디얼 베어링(41) 사이의 간극 내로 안내된 다음, 스러스트 베어링 디스크(14a)를 거치며, 최종적으로 하우징(8)으로부터 안내되어 나간다. 제2 부분 경로(92c)는 분기점(92a) 이후에 회전자(21)와 고정자 사이의 간극 내로 안내된 다음, 샤프트(14)와 우측 레이디얼 베어링(42) 사이의 간극 내로 안내되고, 배출 가스 터빈(13)을 거쳐 하우징(8)으로부터 안내되어 나간다.
또한, 회전자(21)와 고정자(22) 간의 간극 및 우측 레이디얼 베어링(42)을 통한 제2 부분 경로(92c)의 유동 안내를 통해서는 발생하는 누설이 (경우에 따라서는 수분 누설도) 터보 기계(10)로부터 배출된다는 장점이 얻어진다. 제1 부분 경로(92b) 및 제2 부분 경로(92c)는 구성 요소들의 냉각 이후에 터보 기계(10)를 벗어나고, 예를 들어 배출 가스 터빈(13) 이후 배출 가스 라인(4)으로 안내된다.
압축기(11)를 통해 압축되고 이에 따라 가열된 공기는 열교환기(93)를 통해 냉각된 다음, 재차 구동 장치(20) 및 베어링들[레이디얼 베어링(41, 42) 및 스러스트 베어링(43)]을 향해 하우징(8) 내로 복귀되고, 이로 인해, 터보 기계(10)의 냉각 컨셉은 최적화된다. 바람직하게, 가능한 한 각각의 구성 요소들[레이디얼 베어링(41, 42), 스러스트 베어링(43), 회전자(21)와 고정자(22) 간의 간극]을 별도로 냉각할 수 있도록 터보 기계(10) 내에는 구동 냉각 경로(92)의 복수의 부분 경로들(92b, 92c)이 제공된다. 이러한 구성 요소들은 구동 냉각 경로(92) 또는 휠 후방부 냉각 경로(91) 내에 직접적으로 존재하고, 즉 작동 유체가 직접적으로 유입되어, 강제 대류에 의해 냉각되는데, 이는 매우 효과적이다. 열전도에 기초한 냉각부(80)는, 특히 회전자(21)와 고정자(22) 간의 간극 및 베어링들 내에서 매우 양호하게 보조되는데, 이는 이러한 위치들이 냉각부(80)로부터 비교적 멀리 떨어져 위치하고, 그에 상응하게 그들로부터 냉각부(80)로의 열 흐름이 적기 때문이다.
바람직하게 열교환기(93)는, 구동 냉각 경로(92) 내의 공기를 냉각부(80)의 냉각제를 통해 냉각시키는 공기-물-열교환기로서 형성된다.
도 3에는 도 2의 실시예와 유사한 터보 기계(10)의 단면이 도시되어 있다. 따라서, 하기에는 실질적으로 두 실시예들의 차이점이 설명된다.
압축기(11)에 의해 압축된 공기는, 도 2의 실시예에서와 마찬가지로 완전히 연료 전지(2)로 안내되지는 않는다. 적은 비율이 추출되어, 우선 열교환기(93)를 통해 냉각된다. 이를 위해, 바람직하게 고정자(22)의 냉각을 위한 냉각부(80)의 냉각수가 사용된다. 이어서, 냉각된 공기는 구동 냉각 경로(92)를 통해 하우징(8) 내로 안내되고, 분기점(92a)에서 제1 부분 경로(92b) 및 제2 부분 경로(92c)로 분기된다. 제1 부분 경로(92b) 내에서, 분기점(92a)의 하류에는 추가 분기점(92d)이 배치되고, 이러한 추가 분기점으로부터 제3 부분 경로(92e)가 분기된다.
제1 부분 경로(92b)는 추가 분기점(92d)의 하류에서 스러스트 베어링(43)을 통해 안내되고, 제3 부분 경로(92e)는 좌측 레이디얼 베어링(41)을 통해 안내된다. 제2 부분 경로(92c)는 우측 레이디얼 베어링(42)을 통해 안내되고, 구동 장치(20)의 영역에서 제3 부분 경로(92e)와 통합되므로, 재차 하우징(8)으로부터 함께 유도되어 나오게 된다. 그와는 별도로, 제1 부분 경로(92b)는 하우징(8)을 벗어난다. 따라서, 3개의 베어링들(41, 42, 43) 모두가 각각 서로 별도로, 고유의 부분 경로(92b, 92c, 92e)에 의해 냉각된다. 부분 경로들(92b, 92c, 92e)이 하우징(8)을 벗어난 후에, 이들은 바람직하게 배출 가스 터빈(13)의 하류의 배출 가스 라인(4)에 연결될 수 있다.
각각의 부분 경로들(92b, 92c, 92e) 내의 질량 흐름들을 조정하기 위해, 바람직한 개선예들에서는 밸브들이 장착된다. 이러한 밸브들은 필요에 따라 개별 부분 경로들(92b, 92c, 92e)을 스로틀링할 수 있다.
- 냉각 밸브(95)가 구동 냉각 경로(92) 내의 부분 경로들(92b, 92c, 92e)의 상류에 배치된다.
- 부분 경로 밸브(96)가 제1 부분 경로(92b) 내의 스러스트 베어링(43)의 하류에 배치된다.
냉각 밸브(95)를 통해, 구동 냉각 경로(92)를 통한 공기 또는 산화제의 전체 질량 흐름, 즉 3개의 부분 경로들(92b, 92c, 92e)을 통한 질량 흐름들의 합이 개회로 제어될 수 있고, 냉각 밸브(95)는 이러한 부분 경로들(92b, 92c, 92e)의 상류에 배치된다. 부분 경로 밸브(96)는 재차 추가 분기점(92d) 이후의 제1 부분 경로(92b)를 통한 공기 또는 산화제의 질량 흐름을 개회로 제어하고, 스러스트 베어링(43)의 하류에 배치된다. 즉, 냉각 밸브(95)의 개방 및 부분 경로 밸브(96)의 폐쇄 시에, 2개의 레이디얼 베어링들(41, 42)은 공기 또는 산화제에 의해 관류되지만, 스러스트 베어링(43)은 그렇지 않다.
구동 냉각 경로(92) 또는 부분 경로들(92b, 92c) 내의 질량 흐름들을 개회로 제어하기 위해, 2개의 밸브들(95, 96)은 선택적으로 도 2에 따른 실시예들에서도 상응하게 사용될 수 있다.
도 4에는 터보 압축기로서 형성된, 제1 실시예에 따른 터보 기계(10)를 구비한 연료 전지 시스템(1)이 개략적으로 도시되어 있다. 동일한 도면 부호는 상술한 도면들에서와 동일한 부재들을 나타낸다. 도 1에 도시된 연료 전지 시스템과 비교하여, 다음과 같은 차이점들이 발생한다. 한편으로, 압축기(11)의 출구에서 구동 냉각 경로(92)가 분기된다. 이 경우, 도 4에 도시되어 도 2에 대해 설명되는 바와 같이, 압축기(11)의 출구 측에 우선 작동 유체의 냉각을 위한 열교환기(93)를 제공하고, 열교환기(93)의 하류에서 구동 냉각 경로(92)를 분기시키는 것이 추가적으로 가능하다. 하우징(8) 내로의 유입 이전에, 구동 냉각 경로(92)는 도 3에도 나타나는 바와 같이, 냉각 밸브(95)를 포함한다. 대안적으로, 냉각 밸브(95)는 하우징(8) 내에도 배치될 수 있다. 하우징(8)을 벗어난 후, 구동 냉각 경로(92)는 도 3에 대해서도 설명된 바와 같이, 배출 가스 터빈(13)의 하류에서 배출 가스 라인(4)으로 이어진다.
이로 인해, 구동 냉각 경로(92)를 통한 최대 압력 강하가 달성되므로, 구동 냉각 경로(92)를 통한 높은 질량 흐름이 가능해진다. 구동 냉각 경로(92)가 스로틀 지점으로서 작용하기 때문에, 냉각 질량 흐름을 발생시키기 위해 구동 냉각 경로(92)를 통한 압력 강하가 필요하다. 이 경우, 구동 냉각 경로(92) 내에서 설정되는 냉각 질량 흐름은, 압축기(11) 이후에 우세한 압력에 결정적으로 좌우된다. 이로 인해, 서지 한계(surge limit) 부근에서 압력이 상응하게 높을 때 압축기 출구(11b)에서는 가장 많은 냉각 질량 흐름이 설정되고, 쵸크 한계(choke limit) 부근에서 압력이 상응하게 낮을 때 압축기 출구(11b)에서는 가장 적은 냉각 질량 흐름이 설정된다. 필요한 냉각 질량 흐름을 연료 전지 시스템(1)의 작동점들 또는 작동 상태들에 매칭하기 위해, 가장 간단한 경우 냉각 밸브(95)는, 연료 전지 시스템(1)의 가장 빈번하게 사용되는 작동점들 또는 작동 상태들에 대하여 터보 기계(10)의 구성 요소들 또는 구동 장치(20)를 위해 충분한 냉각력을 보장하는 사전 결정된 고정 개방도를 갖는 고정 스로틀로서 형성될 수 있다. 이 경우, 필요한 냉각 질량 흐름은 터보 기계(10)의 압축기 속도 및 압축비 그리고 구동 장치(20)의 출력과 같은 여러 가지 인자들에 좌우된다. 이 경우, 요구되는 냉각력과 관련하여 만일을 위하여, 필요한 개방도와 비교하여 더 높은 냉각 밸브(95)의 개방도가 고정 설정된다. 그에 상응하게, 터보 기계(10)는 최적의 효율로 작동되지 않는다.
따라서, 구동 냉각 채널(92)의 스로틀 특성이 연료 전지 시스템(1)의 작동점 또는 작동 상태(B)에 따라 매칭되는, 개회로 제어 유닛(110)에 의한 냉각 질량 흐름의 개회로 제어 또는 폐회로 제어가 대안적으로 제시된다. 이러한 경우, 냉각 밸브(95)는, 예를 들어 전자기식 또는 기계식의, 예를 들어 바이메탈 밸브로서 형성된 비례 밸브이며, 이에 따라 자신의 개방도를 가변적으로 설정 가능하다. 연료 전지 시스템(1)의 실제 작동점 또는 작동 상태(B)에 구동 냉각 채널(92)의 스로틀 특성을 매칭하는 것은, 예를 들어 특성맵 기반 밸브 개회로 제어에 의해 실행될 수 있다. 이 경우, 터보 기계(10)의 압축기 속도 및 압축비 그리고 구동 장치(20)의 출력에 따라, 연료 전지 시스템(1)의 실제 작동 상태에는 각각 하나의 필요한 냉각 질량 흐름이 할당되고, 그와 결합되어 냉각 밸브(95)의 할당된 개방도가 할당된다. 그에 상응하게, 냉각 밸브(95)는 원하는 개방도의 설정을 위해 제어된다. 이러한 방식으로, 요구되는 냉각력에 대한 최소의 냉각 질량 흐름이 설정될 수 있고, 이에 따라 터보 기계(10)는 연료 전지 시스템의 각각의 작동점 또는 작동 상태에서 최적의 효율로 작동될 수 있다.
특성맵은 개회로 제어 유닛(110) 내에 저장되며, 실험을 토대로 하여 결정되었다. 터보 기계(10)의 압축기 속도 및 압축비 그리고 구동 장치(20)의 출력의 형태인, 연료 전지 시스템(1)의 실제 작동점 또는 작동 상태(B)는 마찬가지로 개회로 제어 유닛(110) 내에 제공되거나, 센서 장치에 의해 개회로 제어 유닛에 공급된다. 개회로 제어 유닛(110)을 통한 냉각 밸브(95)의 특성맵 기반 개회로 제어는 도 4에 파선으로 표시되어 있다.
대안적으로, 냉각 밸브(95)의 개방도는 폐회로 제어되고, 이와 관련하여 폐회로 제어 유닛(100)에 의하여 제어되며, 이에 따라 더 이상 개회로 제어 유닛(110)에 의해 직접적으로 제어되지는 않는다.
이 경우, 냉각 밸브(95)는, 특성맵 기반 개회로 제어에 대해 설명한 바와도 같이 형성될 수 있다. 재차, 폐회로 제어 유닛(100)은 센서 유닛(105)으로부터 센서 신호들(S)을 공급받는다. 도 4에 따른 연료 전지 시스템(1) 내의 연료 전지(2)는, 예를 들어 흡입 공기의 형태의 산화제 또는 작동 유체의 질량 흐름에 대한 연료 전지(2)의 스로틀링 효과를 나타내기 위해 스로틀 밸브로서 도시되어 있다.
폐회로 제어 유닛(100)은 이제, 터보 기계(10)의 구성 요소들 또는 구동 장치(20)의 냉각을 위해 필요한 냉각 효과가 연료 전지 시스템(1)의 각각의 작동점 또는 작동 상태(B)에서 달성되도록 냉각 밸브(95)의 개방도를 일차적으로 설정한다. 이를 위해, 센서 유닛(105) 내에는, 구동 냉각 경로(92) 내 매체의 온도와, 이에 따라 냉각 질량 흐름의 온도를 측정하는 온도 센서(115)가 제공된다. 이러한 온도는 센서 신호들(S)를 통해 폐회로 제어 유닛(100)에 공급되는 실제 온도 또는 실제값을 나타낸다. 구동 냉각 경로(92) 내 매체의 온도에 대하여, 폐회로 제어 유닛(100) 내에는 목표값이 저장된다. 냉각 밸브(95)의 개방도를 제어함으로써, 폐회로 제어 유닛(100)은 실제값이 목표값을 따르도록 한다. 이 경우, 냉각 밸브(95)의 개방도의 증가는 냉각 질량 흐름의 상승을 야기하고, 이에 따라 구동 냉각 채널(92) 내 매체의 온도 강하를 야기한다. 이와 반대로, 냉각 밸브(95)의 개방도의 감소는 냉각 질량 흐름의 감소를 야기하고, 이에 따라 구동 냉각 채널(92) 내 매체의 온도 상승을 야기한다. 이러한 방식으로, 요구되는 냉각력에 대한 최소의 냉각 질량 흐름이 설정될 수 있고, 이에 따라 터보 기계(10)는 연료 전지 시스템(1)의 각각의 작동점 또는 작동 상태에서 최적의 효율로 작동될 수 있다.
바람직하게, 그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 구동 냉각 경로(92) 내 매체의 온도는 온도 센서(115)에 의해 구동 냉각 경로(92)의 하류측 단부, 즉 구동 냉각 경로(92)의 소위 배출부 또는 출구(125)에서, 즉 냉각 질량 흐름이 터보 기계(10)의 냉각될 구성 요소들 및 구동 장치(20)를 이미 통과하여 더 이상 추가의 냉각 기능을 갖지 않게 되는 구동 냉각 경로(92)의 지점에서 측정된다. 이러한 방식으로, 구동 냉각 경로(92)의 상술한 온도 폐회로 제어 시에는, 냉각 시 흡수된 냉각 질량 흐름의 열이 완전히 검출되고, 따라서 냉각 효과가 완전히 고려된다. 이 경우, 출구(125)는 도 4에 개략적으로만 도시되어 있다. 도 2 및 도 3에 대해 설명된 바와 같이, 구동 냉각 경로(92)는, 상이한 출구들에서 터보 기계(10)의 구성 요소들 또는 구동 장치(20)를 벗어나는 복수의 부분 경로들(92b, 92c, 92e)로 분기될 수 있다. 이때, 온도 센서(115)는 이러한 출구들 중 하나의 출구에서 매체의 온도를 측정한다. 대안적으로, 출구들 각각에도, 그곳에서 각각의 부분 경로(92b, 92c, 92e)의 매체의 온도를 측정하기 위한 각각 하나의 온도 센서가 배치될 수 있다. 이 경우, 출구들에서 측정된 온도의 산술 평균값이 실제값으로서 작용할 수 있다.
목표 온도로도 불리는, 온도에 대한 목표 값으로서는, 출구(125)에서의, 또는 상술한 부분 경로들(92b, 92c, 92e)의 경우에는 이러한 부분 경로들(92b, 92c, 92e)의 상응하는 출구들에서의, 실험을 토대로 하여 결정된 온도 값이 사용될 수 있다. 이 경우, 이러한 실험을 토대로 하여 결정된 값은, 터보 기계(10)의 구성 요소들 또는 구동 장치(20)의 작동 안전성을 보장하고, 이를 손상으로부터 보호하기 위해, 출구(125) 또는 출구들에서 초과해서는 안되는 한계값으로서 선택될 수 있다.
이 경우, 폐회로 제어 회로의 제어 변수는 냉각 밸브(95)의 개방도 또는 스로틀 위치이다. 구동 냉각 경로(92)의 출구(125)에서의, 또는 상술한 부분 경로들(92b, 92c, 92e)의 경우에는 이러한 부분 경로들(92b, 92c, 92e)의 상응하는 출구들에서의 온도 센서(115)의 측정 지점이, 터보 기계(10) 및 구동 장치(20)의 내부 온도에 대한 대표성을 갖는 측정값에 항상 도달하도록 보장하기 위해서는, 최소 냉각 질량 흐름이 구동 냉각 경로 내에 또는 각각의 부분 경로(92b, 92c, 92e) 내에 항상 존재해야 한다. 따라서, 냉각 밸브(95)의 완전 폐쇄는 폐회로 제어 유닛(100)에 의해 방지된다. 냉각 밸브(95)가 완전 폐쇄되면, 구동 냉각 경로(92)의 출구에서의, 또는 상술한 부분 경로들(92b, 92c, 92e)의 경우에는, 이러한 부분 경로들(92b, 92c, 92e)의 상응하는 출구들에서의 온도가 적절한 정도로 변화하는 일 없이, 터보 기계(10) 또는 구동 장치는 내부적으로 과열될 수 있을 것이다.
폐회로 제어 유닛(100)에는 연료 전지 시스템(1)의 개회로 제어 유닛(110)에 의해, 연료 전지 시스템(1) 또는 연료 전지 시스템(1)에 의해 구동된 차량의 설정된 작동 상태 또는 작동점(B)을 나타내는 신호들이 공급된다. 이 경우, 개회로 제어 유닛(110)은 동시에 차량의 개회로 제어 유닛일 수도 있다.
도 1과 비교하여, 도 4에 따른 연료 전지 시스템(1)은 별도의 바이패스 밸브(5)를 갖는 별도의 바이패스 채널(110)을 포함하지 않는다. 도 4에 따른 실시예에 따르면, 바이패스 채널은 구동 냉각 경로(92)에 의해 형성된다. 바꿔 말해, 구동 냉각 경로(92)는 터보 기계(10)의 구성 요소들 및 구동 장치(20)의 냉각에 추가로, 바이패스 채널(110)의 기능도 담당한다. 이에 상응하게, 냉각 밸브(95)는 구동 냉각 경로(92)의 출구(125)에서의 냉각 질량 흐름의 목표 온도 설정에 추가로, 원하는 바이패스 질량 흐름의 설정 기능도 담당한다. 바꿔 말해, 냉각 밸브(95)는 추가로 바이패스 밸브(5)의 기능을 담당한다. 따라서, 냉각 질량 흐름은 동시에 바이패스 질량 흐름의 기능을 수행한다.
폐회로 제어 유닛(100)은, 터보 기계(10)의 구성 요소들 또는 구동 장치(20)를 냉각하기 위해 필요한, 구동 냉각 경로(92)의 출구(125)에서의 목표 온도가 가능한 한 설정되도록 냉각 밸브(95)를 일차적으로 제어한다. 바꿔 말해, 적어도 구동 냉각 경로(92)의 냉각 기능이 보장될 것이다.
공급된 추가 센서 신호들(V)에 기초하여, 폐회로 제어 유닛(100)은 추가로, 압축기(11)가 서지 상태, 소위 압축기 서지에 도달했는지를 결정한다. 이는 압축기(11)의 파손과, 이에 따른 연료 전지 시스템(1)의 고장을 야기할 수 있으므로 방지되어야 한다. 이 경우, 압축기 서지의 검출은, 예를 들어 DE 10 2012 224 052 A1호에 기술된 바와 같이 통상의 기술자에게 공지된 방식으로 실행될 수 있다. 압축기 서지가 설정되기 시작하는 서지 한계 부근의 고압에서의 연료 전지(2)의 작동이 바람직하며, 이는 고효율의 압축기(11) 작동을 가능하게 한다. 그럴수록 연료 전지 시스템(1)의 작동 시 압축기 서지의 검출 및 방지는 더욱 중요하다. 따라서, 작동 유체의 압력이 높고 질량 흐름이 낮을 때 연료 전지(2)를 작동시키는 것이 목표이다. 이는 구동 냉각 경로(92)의 바이패스 기능에 의해 보장될 수 있다.
즉, 수신된 센서 신호들(V)을 사용하여 폐회로 제어 유닛(100)에 의해 압축기 서지가 검출되면, 압축기 서지의 방지를 위한 원하는 바이패스 질량 흐름을 설정하기 위해, 냉각 밸브(95)는 폐회로 제어 유닛(100)에 의해 개방도를 설정하도록 제어된다. 이를 위해, 구동 냉각 경로(92)의 출구(125)에서는 질량 흐름 측정 장치(120)에 의해, 이 경우 예를 들어 공기량 센서에 의해, 출구(125)에서의 냉각 질량 흐름의 실제값이 검출된다. 본 예시에 따라, 질량 흐름 측정 장치(120)는 마찬가지로 센서 유닛(105)의 일부이다. 이때, 냉각 질량 흐름의 실제값은 마찬가지로 센서 신호들(S)을 통해 폐회로 제어 유닛(100)에 전달된다. 그러나, 질량 흐름 측정 장치(120)는 하우징(8) 내로의 유입 이전에 냉각 질량 흐름의 실제값을 측정하기 위해 센서 유닛(105)과는 별도로, 예를 들어 구동 냉각 경로(92)의 상류측 단부에 배치될 수도 있다. 이러한 방식으로, 특히 부분 경로들(92b, 92c, 92e)이 존재하는 경우, 전체 냉각 질량 흐름이 검출되도록 보장되는데, 이는 열교환기(93)의 하류에서 분기된 전체 냉각 질량 흐름도 구동 냉각 경로(92)의 바이패스 기능에 기여하기 때문이다.
각각 원하는 바이패스 질량 흐름 또는 목표 바이패스 질량 흐름은 실험을 토대로 하여 연료 전지 시스템(1)의 상이한 작동 상태들 또는 작동점들에 대해 결정되어 있을 수 있고, 폐회로 제어 유닛(100) 내의 특성맵에 저장되어 있을 수 있다. 이는 각각의 작동 상태에 대해 압축기 서지의 방지를 보장한다. 이와 같이, 구동 냉각 경로(92)의 스로틀 특성은 연료 전지 시스템(1)의 작동 상태 또는 작동점(B)에 따라 매칭된다.
폐회로 제어 유닛(100)은 연료 전지 시스템(1)의 실제 작동 상태 또는 작동점(B)에 따라 특성맵에 의해 목표 바이패스 질량 흐름을 결정하고, 냉각 질량 흐름에 대한 실제값이 목표 바이패스 질량 흐름을 따르도록 한다. 제어 변수는 냉각 밸브(95)의 개방도이다.
따라서, 폐회로 제어 유닛(100)은 온도 폐회로 제어 뿐만 아니라, 바이패스 질량 흐름의 폐회로 제어도 실행한다.
폐회로 제어 유닛(100)은 무엇보다도 터보 기계(10)의 구성 요소들 및 구동 장치(20)의 필요한 냉각을 보장해야 하므로, 냉각 밸브(95)의 설정된 개방도에 의해 발생한 냉각 질량 흐름은, 적어도 냉각 질량 흐름의 출구(125)에서의 목표 온도가 가능한 한 유지될 수 있을 정도의 크기가 된다. 바이패스 질량 흐름의 중첩된 폐회로 제어를 통해, 구동 냉각 경로(92) 내에는, 구동 냉각 경로(92)의 출구에서의 매체 온도에 대한 목표값을 설정하기 위해 필요한 질량 흐름보다 큰 결과적 냉각 질량 흐름이 설정될 수 있다. 목표 온도의 설정에 필요한 질량 흐름이 설정되거나, 목표 바이패스 질량 흐름이 더 큰 경우에는, 목표 바이패스 질량 흐름이 설정된다. 이러한 방식으로, 필요한 냉각 효과의 설정 외에, 압축기 서지의 방지도 보장된다. 냉각 밸브(95)를 통해 설정된 질량 흐름은, 상응하는 압력 제한을 위한, 목표 온도의 설정 뿐만 아니라, 압축기 서지의 방지를 위해 요구되는 바이패스 질량 흐름의 설정도 보장한다.
또한, 폐회로 제어 유닛(100)은 연료 전지 시스템(1)의 수신된 작동 상태 또는 작동점(B)에 의해, 연료 전지 시스템(1)이, 작동 유체에 의한 연료 전지(2)의 관류가 방지되어야 하는 작동 상태에 있는지 여부를 인식할 수 있다. 이러한 경우에도, 폐회로 제어 유닛(100)은, 필요한 경우, 구동 장치(20)의 필요한 냉각에 대한 목표 온도의 설정을 위해 발생하는 냉각 질량 흐름을 초과하는 냉각 질량 흐름을 야기하는 개방도의 설정을 위해 냉각 밸브(95)를 제어한다. 이러한 방식으로, 필요한 냉각 효과의 설정 외에, 작동 유체에 의한 연료 전지(2)의 관류 방지도 보장된다. 이는 예를 들어 냉각 밸브(95)의 완전 개방에 의해 실행될 수 있다. 이러한 작동 상태는, 예를 들어 연료 전지 시스템(1)의 공기 공급을 위한 압축기(11)의 기능이 테스트되어야할 때 존재한다. 이 경우, 압축기(11)에 의해 충분한 압력 및 질량 흐름이 제공될 수 있는지 여부를 검사하는 것이 목적이다. 이 경우, 연료 전지(2)를 통한 작동 유체의 관류는, 압축기(11)의 오작동 가능성이 있는 경우 연료 전지(2)의 보호를 위해서도 방지되어야 한다. 이는 냉각 밸브(95)의 완전 개방에 의해 달성될 수 있다. 이러한 경우에도, 냉각 밸브(95)를 통해 설정된 질량 흐름은, 목표 온도의 설정 뿐만 아니라, 연료 전지 시스템(1)의 당면한 작동점 또는 작동 상태(B)를 위해 요구되는 바이패스 질량 흐름 또는 목표 바이패스 질량 흐름의 설정도 보장한다.
구동 냉각 경로(92)를 통해서는, 작동 유체의 일부가 연료 전지(2) 내로의 유입 이전에 압축기(11)의 하류에서 분기되기 때문에, 작동 유체가 통상 완전히 관류하는 연료 전지(2)가 어느 일부 또는 전체적으로 우회된다. 이 경우, 압축기(11)는 상술한 바와 같이, 연료 전지(2)를 통과하도록 작동 유체를 토출하는 일 없이 하나 이상의 작동 상태에서 작동될 수 있다.
도 5에는, 구동 냉각 경로(92)의 출구(125)에서의 목표 온도 및 목표 바이패스 질량 흐름의 설정과 관련하여 터보 기계(10) 또는 연료 전지 시스템(1)을 작동하기 위한 본 발명에 따른 상술한 방법의 예시적인 진행 과정에 대한 흐름도가 도시되어 있다. 상기 방법은 폐회로 제어 유닛(100)에서 실행된다.
프로그램의 시작 이후, 프로그램 포인트 "200"에서는 연료 전지 시스템(1)의 작동 상태 또는 작동점(B)이 결정된다. 그 후, 프로그램 포인트 "205"로 분기된다.
프로그램 포인트 "205"에서는, 센서 신호들(S)을 이용하여 구동 냉각 경로(92)의 출구(125)에서의 실제 온도가 폐회로 제어 유닛(100)에 의해 수신되고, 목표 온도와 비교된다. 실제 온도가 목표 온도를 따르도록 하기 위해, 목표 온도와 실제 온도 간의 차이에 따라 냉각 밸브(95)의 개방도가 설정된다. 이어서, 프로그램 포인트 "210"으로 분기된다.
프로그램 포인트 "210"에서는, 결정된 작동 상태(B)가 예를 들어 압축기(11)의 상술한 기능 테스트를 위해, 연료 전지(2)를 통과하는 작동 유체의 질량 흐름의 감소 또는 심지어 이러한 질량 흐름의 중단을 필요로 하는지 여부가 검사된다. 만약 그러한 경우라면 프로그램 포인트 "215"로 분기되고, 만약 그러하지 않은 경우라면 프로그램 포인트 "230"으로 분기된다.
프로그램 포인트 "215"에서는, 연료 전지(2)를 통한 질량 흐름의 필요한 감소를 구현하기 위해 제1 목표 바이패스 질량 흐름이 결정된다. 이어서, 프로그램 포인트 "220"으로 분기된다.
프로그램 포인트 "220"에서는, 센서 신호들(S)을 이용하여 냉각 질량 흐름에 대한 실제값이 폐회로 제어 유닛(100)에 의해 수신되고, 결정된 제1 목표 바이패스 질량 흐름과 비교되며, 제1 목표 바이패스 질량 흐름이 냉각 질량 흐름에 대한 실제값보다 작은지 여부가 검사된다. 만약 그러한 경우라면 프로그램 포인트 "230"으로 분기되고, 냉각 밸브(95)의 제어는 변화없이 유지된다. 만약 그러하지 않은 경우라면 프로그램 포인트 "225"로 분기된다.
프로그램 포인트 "225"에서는, 냉각 질량 흐름에 대한 실제값이 제1 목표 바이패스 질량 흐름을 따르도록 하기 위해, 냉각 밸브(95)의 개방도가 증가한다. 압축기(11)의 기능 테스트의 예시에서, 냉각 밸브(95)는 완전 개방된다. 이어서, 프로그램 포인트 "230"으로 분기된다.
프로그램 포인트 "230"에서는, 추가 센서 신호들(V)이 압축기 서지의 존재에 대해 평가된다. 이어서, 프로그램 포인트 "235"로 분기된다.
프로그램 포인트 "235"에서는, 압축기 서지가 존재하는지 여부가 검사된다. 만약 그러한 경우라면 프로그램 포인트 "240"으로 분기되고, 만약 그러하지 않은 경우라면 프로그램은 중단되고, 연료 전지 시스템(1)의 작동이 재개될 때 다시 실행된다.
프로그램 포인트 "240"에서는, 제2 목표 바이패스 질량 흐름이 예를 들어 상술한 바와 같이 특성맵으로부터 결정되고, 이러한 특성맵에서 압축기 서지는 서지 한계에 대해 충분한 거리가 있을 때에 소위 안전 모드에서 방지된다. 이러한 경우, 서지 한계 부근의 작동은 안전 상의 이유로 바람직하게는 설정되지 않는다. 이어서, 프로그램 포인트 "245"로 분기된다.
프로그램 포인트 "245"에서는, 센서 신호들(S)을 이용하여 냉각 질량 흐름에 대한 실제값이 폐회로 제어 유닛(100)에 의해 수신되고, 결정된 제2 목표 바이패스 질량 흐름과 비교되며, 제2 목표 바이패스 질량 흐름이 냉각 질량 흐름에 대한 실제값보다 작은지 여부가 검사된다. 만약 그러한 경우라면 프로그램은 중단되고, 냉각 밸브(95)의 제어는 변화없이 유지된다. 만약 그러하지 않은 경우라면 프로그램 포인트 "250"으로 분기된다.
프로그램 포인트 "250"에서는, 냉각 질량 흐름에 대한 실제값이 제2 목표 바이패스 질량 흐름을 따르도록 하기 위해, 냉각 밸브(95)의 개방도가 증가한다. 이어서, 프로그램은 중단된다.
바이패스 밸브(5)를 구비한 별도의 바이패스 채널(150)이 생략되지 않아야 하는 경우에, 냉각 밸브(95)의 제어를 위해서는 상술한 특성맵 기반 개회로 제어 또는 온도 폐회로 제어만이 고려되며, 도 5에 따른 흐름도에서 프로그램은 프로그램 단계 "205" 이후에 중단된 이후, 연료 전지 시스템(1)의 작동이 재개될 때 다시 실행된다.
동일한 도면 부호들에 의해 선행 도면들에서와 동일한 부재들이 표시되는, 도 5에 따른 연료 전지 시스템(1)의 제2 실시예에 따라, 도 4에 따른 연료 전지 시스템(1)의 제1 실시예와는 대조적으로, 구동 냉각 경로(92)는 하우징(8)을 벗어난 후에 배출 가스 터빈(13)의 하류가 아니라 상류에서 배출 가스 라인(4)으로 이어진다. 이로 인해, 냉각 질량 흐름은 배출 가스 터빈(13) 상으로 복귀되므로, 냉각 질량 흐름의 잔류 에너지의 회수가 가능해진다. 그러나, 이로 인해 도 4에 따른 제1 실시예와 비교하여, 구동 냉각 경로(92)를 통한 더 적은 압력 강하 및 더 적은 질량 흐름만이 가능하다.

Claims (26)

  1. 압축기(11), 구동 장치(20), 및 샤프트(14)를 구비한, 특히 연료 전지 시스템(1)을 위한 터보 기계(10)이며, 압축기(11)는 샤프트(14) 상에 배치된 임펠러(15); 압축기 입구(11a); 및 압축기 출구(11b);를 포함하며, 작동 유체가 압축기 입구(11a)로부터 압축기 출구(11b)를 향해 토출 가능한, 상기 터보 기계에 있어서,
    압축기 출구(11b)에서는 구동 장치(20)의 냉각을 위한 구동 냉각 경로(92)가 분기되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  2. 제1항에 있어서, 구동 냉각 경로(92) 내에서 구동 장치(20)의 상류에는 열교환기(93)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 구동 장치(20)는 회전자(21) 및 고정자(22)를 구비하고, 회전자(21)는 샤프트(14) 상에 배치되며, 구동 냉각 경로(92)는 회전자(21)와 고정자(22) 사이의 간극을 통해 안내되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 샤프트(14)는 2개의 레이디얼 베어링들(41, 42)에 의해 지지되며, 2개의 레이디얼 베어링들(41, 42)은 구동 냉각 경로(92) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  5. 제4항에 있어서, 구동 냉각 경로(92)는 제1 부분 경로(92b) 및 제2 부분 경로(92c)로 분기되고, 하나의 레이디얼 베어링(41)은 제1 부분 경로(92b) 내에 배치되고, 하나의 레이디얼 베어링(42)은 제2 부분 경로(92c) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  6. 제5항에 있어서, 샤프트(14)는 스러스트 베어링(43)에 의해 지지되며, 스러스트 베어링(43)은 제1 부분 경로(92b) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 샤프트(14)는 하나의 스러스트 베어링(43) 및 하나 이상의 레이디얼 베어링(41, 42)에 의해 지지되고, 구동 냉각 경로(92)는 제1 부분 경로(92b) 및 제2 부분 경로(92c)로 분기되며, 스러스트 베어링(43)은 제1 부분 경로(92b) 내에 배치되고, 레이디얼 베어링(41, 42)은 제2 부분 경로(92c) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  8. 제5항 또는 제7항에 있어서, 제1 부분 경로(92b) 내에는 [바람직하게는 스러스트 베어링(43)의 하류에] 부분 경로 밸브(96)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 임펠러(15)의 후방면(15b)에 대향하여, 터보 기계(10)의 하우징(8)의 일부로서의 후방벽(89)이 배치되고, 후방벽(89) 내에는 통기 보어들(88)이 형성되며, 통기 보어들(88)은 터보 기계(10)의 휠 후방부 냉각 경로(91) 내에 배치되며, 상기 휠 후방부 냉각 경로는 압축기 출구(11b)로부터 분기되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  10. 제9항에 있어서, 샤프트(14)는 스러스트 베어링(43)에 의해 지지되며, 휠 후방부 냉각 경로(91)는 스러스트 베어링(43)을 통해 안내되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 샤프트(14)는 2개의 레이디얼 베어링들(41, 42)에 의해 지지되고, 구동 냉각 경로(92)는 제1 부분 경로(92b) 및 제2 부분 경로(92c)로 분기되며, 하나의 레이디얼 베어링(41)은 제1 부분 경로(92b) 내에 배치되고, 하나의 레이디얼 베어링(42)은 제2 부분 경로(92c) 내에 배치되며, 휠 후방부 냉각 경로(91)는 제1 부분 경로(92b)로 이어지는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 임펠러(15)는 레이디얼 임펠러로서 형성되고, 임펠러(15)는 자신의 전방면(15a) 상에서, 유동 경로(16)를 따르는 작동 유체에 의해 관류 가능하며, 유동 경로(16)는 축방향 유동 단부(18) 및 반경 방향 유동 단부(17)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 압축기 출구(11b)에서는, 특히 압력 제한을 위한 바이패스 채널(92)이 분기되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  14. 제13항에 있어서, 바이패스 채널(92) 내에는 바이패스 밸브(95)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 바이패스 채널은 구동 냉각 경로(92)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 구동 냉각 경로(92) 내에서 바람직하게 2개의 부분 경로들(92b, 92c)의 상류에는 냉각 밸브(95)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  17. 제14항을 인용하는 제16항에 있어서, 바이패스 밸브는 냉각 밸브(95)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 구동 냉각 경로(92) 내, 바람직하게는 구동 냉각 경로(92)의 하류측 단부의 영역에서의 매체 온도의 실제값이 온도의 목표값을 따르도록 하기 위해, 냉각 밸브(95)의 개방도를 제어하는 폐회로 제어 유닛(100)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  19. 제18항에 있어서, 폐회로 제어 유닛(100)은 구동 냉각 경로(92) 내 매체 온도에 대한 목표값에 따라, 그리고 원하는 바이패스 질량 흐름에 따라 냉각 밸브(95)의 개방도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10).
  20. 연료 전지(2); 연료 전지(2) 내로의 산화제 공급을 위한 공기 공급 라인(3); 및 연료 전지(2)로부터의 산화제 배출을 위한 배출 가스 라인(4);을 포함하는 연료 전지 시스템(1)에 있어서,
    연료 전지 시스템(1)은 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 터보 기계(10)를 포함하고, 압축기(11)는 공기 공급 라인(3) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  21. 제19항에 있어서, 연료 전지 시스템(1)은 하나의 추가 임펠러(13a)를 구비한 배출 가스 터빈(13)을 포함하고, 추가 임펠러(13a)는 샤프트(14) 상에 배치되며, 배출 가스 터빈(13)은 배출 가스 라인(4) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  22. 제20항에 있어서, 구동 냉각 경로(92)는 배출 가스 터빈(13)의 상류에서 배출 가스 라인(4)으로 이어지는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  23. 제20항에 있어서, 구동 냉각 경로(92)는 배출 가스 터빈(13)의 하류에서 배출 가스 라인(4)으로 이어지는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1).
  24. 제18항 또는 제19항에 따른 터보 기계(10)의 작동을 위한 방법에 있어서,
    구동 냉각 경로(92) 내 매체 온도에 대한 사전 결정된 목표값을 설정하기 위해 냉각 밸브(95)의 개방도는 폐회로 제어 유닛(100)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10)의 작동을 위한 방법.
  25. 제24항에 있어서, 검출된 압축기 서지에 따라, 구동 냉각 경로(92) 내 매체 온도에 대한 목표값의 설정을 위해 필요한 질량 흐름보다 큰, 구동 냉각 경로(92) 내의 원하는 바이패스 질량 흐름을 설정하기 위해 냉각 밸브(95)의 개방도는 폐회로 제어 유닛(100)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는, 터보 기계(10)의 작동을 위한 방법.
  26. 제19항에 따른 터보 기계(10)를 구비한, 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 시스템(1)의 작동을 위한 방법에 있어서,
    연료 전지 시스템(1)의 원하는 작동 상태에 따라, 구동 냉각 경로(92) 내 매체 온도에 대한 목표값의 설정을 위해 필요한 질량 흐름보다 큰, 구동 냉각 경로(92) 내의 원하는 바이패스 질량 흐름을 설정하기 위해 냉각 밸브(95)의 개방도는 폐회로 제어 유닛(100)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템(1)의 작동을 위한 방법.
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