本發(fā)明涉及一種用于運(yùn)行多級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)的方法以及可根據(jù)所述方法運(yùn)行的多級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)。此外，提出一種具有根據(jù)本發(fā)明的多級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、氫基燃料電池被認(rèn)為是未來(lái)的移動(dòng)方案，因?yàn)闅浠剂想姵貎H排放水作為廢氣，并且能夠?qū)崿F(xiàn)快速的加注時(shí)間。除氫氣外，還需要氧化劑，例如氧氣。從周圍環(huán)境獲取的空氣可以用作氧氣提供者。氧氣在燃料電池中與氫氣一起通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能、熱量和水。

2、因?yàn)槿剂想姵刂械碾娀瘜W(xué)反應(yīng)需要一定的空氣質(zhì)量流和一定的壓力水平，所以供應(yīng)給燃料電池的空氣被事先壓縮。在此使用空氣壓縮系統(tǒng)，該空氣壓縮系統(tǒng)可以單級(jí)或多級(jí)地以及單流或多流地實(shí)施。兩級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)通常使用在需要高效率和高失效安全性的移動(dòng)應(yīng)用、尤其商用車中。這些兩級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)包括具有電驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)的第一級(jí)和具有借助渦輪驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)的第二級(jí)。第二壓縮級(jí)也稱為渦輪機(jī)。

3、為了在啟動(dòng)多級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)時(shí)啟動(dòng)渦輪機(jī)，在渦輪入口處必須作用比在渦輪機(jī)的壓縮機(jī)入口處更高的壓力。然而，因?yàn)樵谙到y(tǒng)的啟動(dòng)情況下，壓力僅通過(guò)電驅(qū)動(dòng)的第一壓縮級(jí)建立，所以在渦輪入口處的壓力原理引起地低于在渦輪機(jī)的壓縮機(jī)入口處的壓力，使得該渦輪機(jī)不起動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明涉及消除或至少減少在啟動(dòng)多級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)時(shí)的起動(dòng)問題的任務(wù)。

2、為了解決該任務(wù)，提出具有權(quán)利要求1特征的方法和具有權(quán)利要求8特征的空氣壓縮系統(tǒng)。本發(fā)明的有利擴(kuò)展方案可以在相應(yīng)的從屬權(quán)利要求中得出。此外，給出一種具有根據(jù)本發(fā)明的空氣壓縮系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)。

3、提出一種用于運(yùn)行多級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)的方法，所述多級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)包括電驅(qū)動(dòng)的第一壓縮機(jī)和借助渦輪驅(qū)動(dòng)的第二壓縮機(jī)，其中，壓縮機(jī)布置在用于向燃料電池堆供應(yīng)空氣的空氣系統(tǒng)的供氣路徑中，并且渦輪布置在排氣路徑中。根據(jù)本發(fā)明，在啟動(dòng)空氣壓縮系統(tǒng)時(shí)，借助第一壓縮機(jī)壓縮的空氣經(jīng)由用于繞過(guò)第二壓縮機(jī)的旁路供應(yīng)給燃料電池堆，并且第二壓縮機(jī)不但在入口側(cè)而且在出口側(cè)經(jīng)由至少一個(gè)閥和/或節(jié)流器連接到周圍環(huán)境。

4、因此，在啟動(dòng)時(shí)借助電驅(qū)動(dòng)的第一壓縮機(jī)壓縮的空氣被引導(dǎo)經(jīng)過(guò)第二壓縮機(jī)。同時(shí)，作用到第二壓縮機(jī)上的壓力通過(guò)第二壓縮機(jī)與周圍環(huán)境的連接而下降到環(huán)境壓力。通過(guò)這些措施能夠在渦輪入口處建立高于環(huán)境壓力和從而高于作用在第二壓縮機(jī)入口處的壓力的壓力。因此，可以僅借助第一壓縮級(jí)毫無(wú)問題地啟動(dòng)第二壓縮級(jí)。

5、第二壓縮機(jī)與周圍環(huán)境的連接可以以不同的方式實(shí)現(xiàn)。例如可以在第二壓縮機(jī)的上游和下游分別將閥，例如四通閥或三通閥集成到供氣路徑中。閥實(shí)施為四通閥具有以下優(yōu)點(diǎn)：旁路能夠通過(guò)相同的閥連接到供氣路徑上。作為兩個(gè)閥的替代方案，可以在第二壓縮機(jī)的上游將一個(gè)閥集成到供氣路徑中并且在第二壓縮機(jī)的下游將一個(gè)節(jié)流器集成到供氣路徑中。因此，所提出的方法可以簡(jiǎn)單且成本低地實(shí)施。

6、在本發(fā)明的一個(gè)擴(kuò)展方案中提出，在啟動(dòng)空氣壓縮系統(tǒng)之后，借助至少一個(gè)閥關(guān)閉第二壓縮機(jī)與周圍環(huán)境的連接，同時(shí)旁路繼續(xù)保持打開。由于借助渦輪引起的壓力建立，空氣然后通過(guò)旁路回流。以這種方式可以抑制渦輪的高速運(yùn)行，例如以便阻止第二壓縮級(jí)的超速

7、為了隨后從啟動(dòng)階段過(guò)渡到正常運(yùn)行中，提出在關(guān)閉第二壓縮機(jī)與周圍環(huán)境的連接之后關(guān)閉旁路。然后，借助第一壓縮機(jī)壓縮的空氣不再經(jīng)由旁路，而是通過(guò)第二壓縮機(jī)被供應(yīng)給燃料電池堆。為了調(diào)節(jié)壓力，旁路也可以在正常運(yùn)行中暫時(shí)再次打開，使得經(jīng)壓縮的空氣的至少一部分流經(jīng)由旁路被引導(dǎo)經(jīng)過(guò)第二壓縮機(jī)。

8、此外提出，在空氣壓縮系統(tǒng)的正常運(yùn)行中，為了實(shí)現(xiàn)泵保護(hù)功能，第二壓縮機(jī)通過(guò)至少一個(gè)閥和/或節(jié)流器至少暫時(shí)連接到周圍環(huán)境。以這種方式可以防止不希望的泵送，該不希望的泵送當(dāng)超過(guò)由壓縮機(jī)的對(duì)應(yīng)特性曲線預(yù)給定的泵極限時(shí)出現(xiàn)，使得發(fā)生流動(dòng)失速并且可能發(fā)生流動(dòng)逆轉(zhuǎn)。

9、替代地或補(bǔ)充地，在空氣壓縮系統(tǒng)的正常運(yùn)行中為了實(shí)現(xiàn)泵保護(hù)功能可以打開旁路以繞過(guò)第二壓縮機(jī)。

10、此外提出，在空氣壓縮系統(tǒng)停止時(shí)，打開旁路以繞過(guò)第二壓縮機(jī)。借助該措施可以更快地制動(dòng)第二壓縮級(jí)，使得減少軸承磨損。這是特別有利的，因?yàn)檩S承由于燃料電池系統(tǒng)中要求無(wú)油的空氣通常實(shí)施為氣體軸承。如果低于所謂的抬起轉(zhuǎn)速(在啟動(dòng)和停止時(shí)的情況)，軸承中缺乏“潤(rùn)滑的”空氣膜，使得該軸承承受增加的摩擦負(fù)載。如果通過(guò)所提出的措施縮短停止，則摩擦負(fù)載減少。

11、優(yōu)選地，為了打開旁路，操縱至少一個(gè)閥或至少一個(gè)另外的閥，旁路經(jīng)由所述至少一個(gè)另外的閥連接到供氣路徑上。如已經(jīng)提到的那樣，至少一個(gè)閥(第二壓縮機(jī)可經(jīng)由該閥連接到周圍環(huán)境)實(shí)施為四通閥，使得旁路可經(jīng)由該閥同時(shí)連接到供氣路徑上。根據(jù)四通閥的切換位態(tài)，將借助第一壓縮機(jī)壓縮的空氣供應(yīng)給第二壓縮機(jī)和/或旁路。此外，可以如此切換四通閥，使得打開旁路并且將第二壓縮機(jī)連接到周圍環(huán)境。為了執(zhí)行所提出的方法，在這種情況下僅需要兩個(gè)四通閥，其中的第一四通閥在第二壓縮機(jī)的上游集成到供氣路徑中，并且第二四通閥在第二壓縮機(jī)的下游集成到供氣路徑中。

12、替代地，旁路可以借助至少一個(gè)另外的閥連接到供氣路徑上。該至少一個(gè)另外的閥優(yōu)選構(gòu)造為三通閥。優(yōu)選地，三通閥分別在第二壓縮機(jī)的上游和在第二壓縮機(jī)的下游集成到供氣路徑中，進(jìn)一步優(yōu)選地，在用于將第二壓縮機(jī)連接到周圍環(huán)境的閥的上游或下游集成到供氣路徑中。這些閥也可以實(shí)施三通閥，使得總共需要四個(gè)三通閥，其中的兩個(gè)三通閥在第二壓縮機(jī)的上游布置在供氣路徑中，兩個(gè)三通閥在第二壓縮機(jī)的下游布置在供氣路徑中。

13、第二壓縮機(jī)與周圍環(huán)境的連接還可以經(jīng)由閥，例如三通閥和節(jié)流器實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，節(jié)流器優(yōu)選地在第二壓縮機(jī)的上游集成到供氣路徑中，并且閥在第二壓縮機(jī)的下游集成到供氣路徑中。然后，旁路可經(jīng)由另一閥、優(yōu)選在節(jié)流器的上游集成到供氣路徑中的閥(也優(yōu)選地實(shí)施為三通閥)連接到供氣路徑上。然后，旁路可以經(jīng)由集成到該旁路中的另一節(jié)流器在渦輪的上游與排氣路徑連接，使得旁路不但繞過(guò)第二壓縮機(jī)，而且同時(shí)繞過(guò)燃料電池堆。

14、為解決開頭提到的任務(wù)還提出的多級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)包括電驅(qū)動(dòng)的第一壓縮機(jī)和借助渦輪驅(qū)動(dòng)的第二壓縮機(jī)。在此，壓縮機(jī)布置在用于向燃料電池堆供應(yīng)空氣的空氣系統(tǒng)的供氣路徑中，并且渦輪布置在排氣路徑中。第二壓縮機(jī)可通過(guò)旁路繞過(guò)。根據(jù)本發(fā)明，第二壓縮機(jī)不但在入口側(cè)而且在出口側(cè)可經(jīng)由至少一個(gè)閥和/或節(jié)流器連接到周圍環(huán)境。

15、第二壓縮機(jī)與周圍環(huán)境的可連接性能夠?qū)崿F(xiàn)將壓力降低到環(huán)境壓力，使得在空氣壓縮系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)借助電驅(qū)動(dòng)的第一壓縮機(jī)可以在渦輪入口處產(chǎn)生壓力，該壓力高于作用在第二壓縮機(jī)的入口處的壓力，使得第二壓縮級(jí)可以僅借助第一壓縮級(jí)啟動(dòng)。

16、因此，所提出的多級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)尤其適合于執(zhí)行之前所描述的根據(jù)本發(fā)明的方法或可以根據(jù)該方法運(yùn)行。借助空氣壓縮系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與借助所述方法相同的優(yōu)點(diǎn)。

17、第二壓縮機(jī)與周圍環(huán)境的連接優(yōu)選地通過(guò)兩個(gè)閥或一個(gè)閥和一個(gè)節(jié)流器實(shí)現(xiàn)。如果設(shè)置兩個(gè)閥，則第一閥在第二壓縮機(jī)的上游集成到供氣路徑中，并且第二閥在第二壓縮機(jī)的下游集成到供氣路徑中。如果設(shè)置一個(gè)閥和一個(gè)節(jié)流器，則節(jié)流器優(yōu)選在第二壓縮機(jī)的上游集成到供氣路徑中，并且閥在第二壓縮機(jī)的下游集成到供氣路徑中。這些閥可以分別實(shí)施為換向閥、尤其四通閥或三通閥。

18、根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，旁路同時(shí)能夠經(jīng)由至少一個(gè)閥連接到供氣路徑上。在這種情況下，不必設(shè)置另外的或附加的閥用于將旁路連接到供氣路徑上。因此，該系統(tǒng)可以相對(duì)簡(jiǎn)單且成本低地實(shí)施。在這種情況下，至少一個(gè)閥優(yōu)選地實(shí)施為四通閥。即該四通閥具有四個(gè)路徑或接口，即兩個(gè)到供氣路徑的接口、一個(gè)到旁路的接口和一個(gè)到周圍環(huán)境的接口。

19、根據(jù)一個(gè)替代的實(shí)施方式，旁路經(jīng)由至少一個(gè)另外的閥連接到供氣路徑上。該至少一個(gè)另外的閥優(yōu)選地實(shí)施為三通閥并且在至少一個(gè)閥和/或節(jié)流器上游集成到供氣路徑中，用于將第二壓縮機(jī)連接到周圍環(huán)境。以這種方式可以完全彼此獨(dú)立地打開旁路和/或可以將第二壓縮機(jī)連接到周圍環(huán)境。盡管需要更多閥，但這些閥可以相對(duì)簡(jiǎn)單地實(shí)施。

20、為了減少閥的數(shù)量，作為擴(kuò)展的措施提出，將節(jié)流器在第二壓縮機(jī)的上游集成到供氣路徑中，并且將閥、優(yōu)選地三通閥在第二壓縮機(jī)的下游集成到供氣路徑中。在這種情況下，節(jié)流器代替閥，使得第二壓縮機(jī)與周圍環(huán)境的連接可以僅借助一個(gè)閥和一個(gè)節(jié)流器實(shí)現(xiàn)。

21、此外提出，為了繞過(guò)第二壓縮機(jī)和燃料電池堆，旁路經(jīng)由另一節(jié)流器與排氣路徑連接。然后可以通過(guò)旁路將供氣路徑和排氣路徑短路。在這種情況下，旁路也通過(guò)一個(gè)閥和一個(gè)節(jié)流器連接，使得可以進(jìn)一步減少閥的數(shù)量。

22、因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的多級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)的優(yōu)選的應(yīng)用領(lǐng)域是燃料電池系統(tǒng)，所以還提出具有燃料電池堆的和根據(jù)本發(fā)明的用于向燃料電池堆供應(yīng)空氣的多級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)。多級(jí)空氣壓縮系統(tǒng)有助于避免在啟動(dòng)情況下出現(xiàn)的起動(dòng)問題。此外，還可以減少軸承區(qū)域中的磨損，使得提高失效安全性。因此，燃料電池系統(tǒng)特別優(yōu)選是移動(dòng)式燃料電池系統(tǒng)。