燃料电池的增压系统的制作方法

本发明涉及一种根据权利要求1所述的燃料电池的增压系统。

背景技术：

1、尤其是机动车辆的驱动系统越来越多地具有燃料电池作为驱动装置。燃料电池在其运行中能输送呈空气氧气形式的氧气。为此，一种已经在内燃机的空气供应和功率提高时证实可靠的并且已知的增压系统、一种废气涡轮增压器是合适的。

2、所述废气在所述上下文中被称为膨胀气体，因为所述废气加载增压系统的膨胀轮并且不具有根据常见已知的废气的组成，由于从燃料电池流出的废气的然而明显更低的温度，可能需要增压系统的支持，所述增压系统具有可旋转地设置的压缩轮和与压缩轮抗扭地连接的、同样可旋转地设置的膨胀轮，所述支持优选地以电动马达的形式构成。电动马达然后通常定位在压缩轮与膨胀轮之间，或者换言之，定位在增压系统的压缩部段与增压系统的膨胀部段之间。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种燃料电池的增压系统，所述增压系统具有紧凑的结构方式。

2、所述目的通过具有权利要求1的特征的燃料电池的增压系统来实现。本发明的具有符合目的和重要的改进的有利的设计方案在其余的权利要求中说明。

3、本发明涉及一种燃料电池的增压系统，所述增压系统具有用于容纳可旋转的压缩轮和可旋转的膨胀轮的壳体，其中壳体包括压缩部段和膨胀部段，其中压缩部段构成用于容纳压缩轮，并且膨胀部段构成用于容纳膨胀轮。压缩轮由第一材料制造。压缩轮和膨胀轮以具有轴的、一体式构成的系统轮的形式实施。根据本发明的增压系统的优点在于，借助于压缩轮和膨胀轮的一体式的实施方案可以提供在其轴向伸展方面比迄今已知的增压系统明显减小的增压系统。此外，增压系统的部件，例如轴或壳体，可以以减少成本的方式制造。另一优点在于，可以利用膨胀气体将氢气或润滑剂的可能的泄漏从增压系统引导离开。因此，也可以防止润滑剂进入到燃料电池中。

4、系统轮可以由两种不同的材料制造，也就是说换言之，压缩轮由第一材料制造，膨胀轮由与第一材料不同的第二材料制造。在此，使用通常成本密集的接合方法。然而，因为气体、压缩气体和膨胀气体的温度不是如从内燃机构造及其排气温度中已知的温度，所以膨胀轮由与第一材料相对应的第二材料成本有利地制造。也就是说换言之，系统轮由唯一的材料制造，然而，所述唯一的材料也可以是复合材料和/或合金等。

5、在根据本发明的增压系统的另一设计方案中，压缩部段和膨胀部段构成用于引起在压缩部段中流动的压缩气体和在膨胀部段中流动的膨胀气体的壁热交换。也就是说换言之，借助其相应的气体穿流的两个部段构成为，使得膨胀气体可以冷却压缩气体，并且压缩气体可以加热膨胀气体。因此，可以以简单的方式省去所谓的增压空气冷却器、用于在压缩气体压缩之后降低压缩气体的温度的冷却器，或者所述冷却器可以至少在其尺寸方面减小。

6、为此，膨胀部段有利地构成为至少部分地包围压缩部段。因此，可以以简单的方式实现壁热交换，因为在膨胀气体与压缩气体之间仅构成一个壁，经由所述壁可以引导气体的热量。

7、在根据本发明的增压系统的另一设计方案中，膨胀部段至少部分地在轴向上设置在压缩部段旁。所述布置优选地设置在系统轮的具有几乎轮背对轮背、从而轴向并排设置的压缩轮和膨胀轮的区域中，借此压缩轮可以被推进到其压缩通道中并且膨胀轮可以从其膨胀通道被供给。

8、在根据本发明的增压系统的另一设计方案中，压缩部段具有比膨胀部段更大的径向伸展。也就是说换言之，膨胀通道可以相对短地实施，使得可以将膨胀气体的导致膨胀气体的温度降低的壁热损耗保持得低，膨胀气体经由所述膨胀通道从膨胀部段的螺旋部开始引导到膨胀轮上。只要有限地寻求在气体之间的热传递，则优选地使用该方法。

9、在另一设计方案中，轴可以借助于电动马达驱动。换言之，两个轮借助于电动马达驱动或至少支持，由此增压系统的功率可以明显提高。

10、有利地，电动马达由构成用于支承轴的马达壳体包围。也就是说换言之，轴的可旋转的支承可以借助于马达壳体实现。因此可以以简单的方式引起轴的可靠支承，因为与支承的结构类型无关地，支承与系统轮间隔开从而与膨胀气体间隔开并且以至少尽可能地受到保护免受所述膨胀气体影响的方式构成。

11、在根据本发明的增压系统的另一设计方案中，马达壳体至少部分地与壳体一体式地实施。尤其地，马达壳体与膨胀部段的至少一部分一体式地构成，由此可以实现电动马达的成本有利的制造和/或优选的空气冷却。

12、在根据本发明的增压系统的另一设计方案中，该轴是组装的轴。也就是说换言之，轴由彼此接合的至少两个部分构成。所述两个部分例如可以材料配合和/或力配合和/或形状配合地彼此连接。优点在于，根据电动马达的结构类型，电动马达的定子或转子可以容纳在轴的一个部段中。

13、优选地，轴构成为容纳电动马达的转子，并且与所述转子尤其抗扭地连接。同样地，与转子的抗扭的连接也可以根据需要构成。借助于组装的轴，转子可以以简单的方式固定地容纳在轴的空腔中。

14、为了避免增压系统的功率的降低或至少为了降低由于需要压缩部段相对于膨胀部段的优选密封的、一体式的系统轮而导致的增压系统的功率损耗，将压缩部段和膨胀部段分开的壳体壁具有呈迷宫式密封件形式的密封件。也称为非接触式轴密封件的迷宫式密封件的特征在于，以可相对于彼此运动的方式构成的部件对其背离密封件构成的空间具有密封。

15、尤其地，迷宫式密封件构成在压缩轮与壳体壁之间，并且借助于迷宫式密封件可以延长在压缩轮与壳体壁之间构成的间隙，并且明显增加间隙中的流动阻力。因此，引起压缩部段和膨胀部段的流体密封。

16、轴有利地借助于径向轴承支承，所述径向轴承是滑动轴承或滚动轴承或空气轴承。存在组合轴承类型的可行性。也就是说换言之，轴可以借助于例如滑动轴承形式的径向轴承和例如滚动轴承形式的径向轴承被支承。或者，径向轴承对可以以空气轴承-滚动轴承对的形式来实施。可设想不同的组合。

17、此外，轴有利地具有轴向轴承，所述轴向轴承是滑动轴承或滚动轴承或空气轴承。通常存在仅设有一个轴向轴承的必要性，使得不需要不同轴承类型的配对。然而，只要必须构成多于一个轴向轴承，例如只要存在两个彼此分开实施的轴件，则在此也可以进行不同轴承类型的配对。

18、在此处要提及的是，随着滚动轴承的使用，轴向轴承是多余的。因此，为了成本降低，有利的是，进行轴承类型的所谓的混合化，尤其是在系统轮下游的区域中设有空气轴承，并且在远离系统轮的区域中设置滚动轴承。如果还设有附加的密封机构，则消除或至少尽可能地减少润滑剂可能进入到具有系统轮的壳体的压缩部段中，所述系统轮具有一体式构成的压缩轮和膨胀轮。

19、以包围轴的方式设置并且用于在壳体与马达壳体、尤其电动马达之间的密封的另一密封机构设置在轴的锥形构成的部段上和/或在以包围轴的方式构成的锥形成形的套筒上。所述另一密封机构优选地以迷宫式密封件的形式构成。优点是，借助于轴或套筒的部段的锥形构成方案，尤其在轴静止时，因此在轴不旋转时或者在轴的非常低的转速的情况下，液体、如润滑剂、水或润滑油可以进入到所述另一密封机构中。借助于轴和/或套筒的锥形的构成方案，所述构成方案尤其特征在于，锥形的构成方案的最大的锥体直径朝向膨胀部段设置，并且锥形的构成方案的最小的锥体直径朝向马达壳体设置，进入的液体在起动时或在转速提高时由于离心力而朝向膨胀轮输送并且从另一密封件离开。锥体直径可以是轴的轴直径和/或套筒的套筒直径。

20、优选地，为了补充的密封，系统轮排斥液体地和/或液体耐受地构成。也就是说换言之，系统轮实施用于排斥液体和/或被保护免受通过水滴碰撞产生的损坏。这可以通过系统轮的对应的成型来实现，或者通过对系统轮、尤其膨胀轮的覆层和/或例如通过硬化来实现。

21、为了排斥液体，为此系统轮的朝向电动马达构成的毂面排斥液体地构成。也就是说换言之，所述毂面例如可以排斥液体地覆层。然而，优选地，所述毂面借助于其几何形状排斥液体地实施。所述毂面例如可以朝马达壳体的方向凹状地实施。在优选的设计方案中，毂面尤其在毂面的外环周处具有凸起。因此，以特别有效的方式存在如下可行性：朝膨胀部段的出口的方向带动由于离心力而朝向膨胀轮输送的液体。

22、为了避免通过可能以特定的动量、因此以特定的力碰撞到系统轮上的水滴损坏系统轮，对应地耐磨损的和/或硬的覆层可以施加到系统轮上，或者例如可以完全或部分地硬化系统轮。因此，所述系统轮液体耐受地构成。

23、在此处要提及的是，只要例如系统轮具有设置在马达壳体与膨胀轮之间的压缩轮，则关于排斥液体的前述阐述当然也适用于压缩轮。

24、在根据本发明的增压系统的另一设计方案中，在膨胀轮的上游在膨胀部段中构成有流动横截面改变装置。这可以以废气涡轮增压器的已知的引导装置的形式来实施，所述废气涡轮增压器例如所谓的vgs、vtg或轴向滑动件。