AT528352A1

AT528352A1 - Turbo device for conveying an operating supply gas and an operating exhaust gas of a fuel cell system

Info

Publication number: AT528352A1
Application number: ATA50470/2024A
Authority: AT
Inventors: Schubert Dipl -Ing Thomas; Zimmermann Dipl -Ing Jörg; Hausegger Bsc Julia
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2024-06-11
Filing date: 2024-06-11
Publication date: 2025-12-15
Also published as: AT528352B1; DE102025122536A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbovorrichtung (10) für eine Förderung von einem Betriebszuführgas (BZG) und einem Betriebsabgas (BAG) eines Brennstoff- zellensystems (100), aufweisend einen Kompressorabschnitt (20) für eine Führung von Betriebszuführgas (BZG) von einem Kompressoreingang (22) zu einem Kom- pressorausgang (24), weiter aufweisend einen Turbinenabschnitt (40) für eine Füh- rung von Betriebsabgas (BAG) von einem Turbineneingang (42) zu einem Turbinen- ausgang (44), wobei im Turbinenabschnitt (40) zwischen dem Turbineneingang (42) und dem Turbinenausgang (44) eine Turbine (46) angeordnet ist für eine Aufnahme von Drehmoment aus der Strömungsenergie des Betriebsabgases (BAG), wobei im Kompressorabschnitt (20) zwischen dem Kompressoreingang (22) und dem Kom- pressorausgang (24) ein mehrstufiger Kompressor (26) angeordnet ist für eine Über- gabe von Drehmoment an die Strömungsenergie des Betriebszuführgases (BZG) für eine Kompression des Betriebszuführgases (BZG), wobei der Kompressor (26) drehmomentübertragend mit der Turbine (46) gekoppelt ist und eine erste Kompres- sorstufe (26a) stromabwärts des Kompressoreingangs (22) aufweist und weiter we- nigstens eine zweite Kompressorstufe (26b) stromabwärts der ersten Kompressor- stufe (26a) und stromaufwärts des Kompressorausgangs (24) aufweist.The present invention relates to a turbo device (10) for conveying an operating feed gas (BZG) and an operating exhaust gas (BAG) of a fuel cell system (100), comprising a compressor section (20) for guiding operating feed gas (BZG) from a compressor inlet (22) to a compressor outlet (24), further comprising a turbine section (40) for guiding operating exhaust gas (BAG) from a turbine inlet (42) to a turbine outlet (44), wherein a turbine (46) is arranged in the turbine section (40) between the turbine inlet (42) and the turbine outlet (44) for absorbing torque from the flow energy of the operating exhaust gas (BAG), wherein a multi-stage compressor (26) is arranged in the compressor section (20) between the compressor inlet (22) and the compressor outlet (24) for transferring torque to the flow energy of the operating feed gas. (BZG) for compression of the operating supply gas (BZG), wherein the compressor (26) is torque-transmitting coupled to the turbine (46) and has a first compressor stage (26a) downstream of the compressor inlet (22) and further has at least a second compressor stage (26b) downstream of the first compressor stage (26a) and upstream of the compressor outlet (24).

Description

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Description

TURBOVORRICHTUNG FÜR EINE FÖRDERUNG VON EINEM BETRIEBSZUFÜHRGAS UND EINEM BETRIEBSABGAS EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS TURBO DEVICE FOR CONVEYING AN OPERATING SUPPLY GAS AND AN OPERATING EXHAUST GAS OF A FUEL CELL SYSTEM

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbovorrichtung für eine Förderung von einem Betriebszuführgas und einem Betriebsabgas eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Turbovorrichtung sowie ein Kontrollverfahren für ein kontrolliertes Verdichten eines Betriebszuführgases mit einer solchen Turbovorrichtung. [0001] The present invention relates to a turbo device for conveying an operating feed gas and an operating exhaust gas of a fuel cell system, a fuel cell system with such a turbo device and a control method for controlled compression of an operating feed gas with such a turbo device.

[0002] Es ist bekannt, dass beim Betrieb von Brennstoffzellensystemen die Zuführgase zumindest teilweise komprimiert werden sollen. Wird das Brennstoffzellensystem beispielsweise unter der Verwendung von Umgebungsluft als Zuluft betrieben, so soll diese Umgebungsluft auf einen definierten Betriebsdruck gebracht werden. Die Druckdifferenz muss dabei zwischen dem Umgebungsdruck und dem Betriebsdruck überwunden werden. Für diese Überwindung ist üblicherweise eine Kompressionsvorrichtung vorgesehen, welche bei den bisherigen Lösungen einen elektrisch betriebenen Kompressor aufweist. Um nun die Effizienz zu steigern und insbesondere die elektrische Leistung für den Betrieb eines rein elektrischen Kompressors zu reduzieren, sind bereits sogenannte Turbovorrichtungen im Einsatz, welche einen Teil der Strömungsenergie des Abgases wiederverwerten und für die Kompression nutzen können. Solche Turbovorrichtungen sind beispielsweise als Turbolader aus dem Bereich der Verbrennungsmotoren bekannt, sodass mit solchen Vorrichtungen Strömungsenergie aus einem Abgas in drehmomentübertragender Weise auf einen Kompressor und damit auf eine Zuluft übertragen werden könnten. [0002] It is known that in the operation of fuel cell systems, the supply gases are to be at least partially compressed. If the fuel cell system is operated, for example, using ambient air as the supply air, this ambient air is to be brought to a defined operating pressure. The pressure difference between the ambient pressure and the operating pressure must be overcome. A compression device is usually provided for this purpose, which in previous solutions has an electrically driven compressor. In order to increase efficiency and, in particular, to reduce the electrical power required to operate a purely electric compressor, so-called turbo devices are already in use, which can recycle some of the flow energy of the exhaust gas and use it for compression. Such turbo devices are known, for example, as turbochargers from the field of internal combustion engines, so that with such devices flow energy from an exhaust gas could be transferred to a compressor and thus to the supply air in a torque-transmitting manner.

[0003] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass zwar grundsätzlich eine Effizienzsteigerung im Vergleich zu einem rein elektrischen Kompressionsbetrieb möglich ist, jedoch immer noch insbesondere für instationäre Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems eine nicht ausreichende Effizienz der Kompression vorhanden ist. Insbesondere fehlt eine Kombination aus hoher Effizienz und gleichzeitig flexibler Kontrollierbarkeit des Kompressionsbedarfs. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn das Brennstoffzellensystem bei stark schwankenden Umgebungsdrücken, wie beispielsweise bei Luftfahrzeugen, oder bei grundsätzlich niedrigem Umgebungsdruck, also beim Betrieb in großen Höhen, eingesetzt werden soll. [0003] A disadvantage of the known solutions is that, although an increase in efficiency compared to purely electric compression operation is generally possible, the compression efficiency is still insufficient, particularly for transient operating situations of the fuel cell system. In particular, a combination of high efficiency and flexible controllability of the compression requirement is lacking. This is especially disadvantageous when the fuel cell system is to be used in environments with widely fluctuating ambient pressures, such as in aircraft, or in environments with generally low ambient pressure, i.e., during operation at high altitudes.

[0004] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Effizienzsteigerung bei der Kompressionsfunktionalität in einem Brennstoffzellensystem zu erzielen. [0004] It is an object of the present invention to at least partially overcome the disadvantages described above. In particular, it is an object of the present invention to achieve an increase in the efficiency of the compression functionality in a fuel cell system in a cost-effective and simple manner.

[0005] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Turbovorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie ein Kontrollverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Turbovorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann. [0005] The foregoing problem is solved by a turbo device with the features of claim 1, a fuel cell system with the features of claim 12, and a control method with the features of claim 13. Further features and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description, and the drawings. Features and details described in connection with the turbo device according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system and the control method according to the invention, and vice versa, so that the disclosure regarding the individual aspects is always, or can always be, mutually interdependent.

[0006] Erfindungsgemäß dient eine Turbovorrichtung der Förderung von einem Betriebszuführgas und einem Betriebsabgas eines Brennstoffzellensystems. Hierfür weist die Turbovorrichtung einen Kompressorabschnitt auf für eine Führung von Betriebszuführgas von einem Kompressoreingang zu einem Kompressorausgang. Weiter ist ein Turbinenabschnitt vorgesehen für eine Führung von Betriebsabgas von einem Turbineneingang zu einem Turbinenausgang. Im Turbinenabschnitt ist zwischen dem Turbineneingang und dem Turbinenausgang eine Turbine angeordnet für eine Aufnahme von Drehmoment aus der Strömungsenergie des Betriebsabgases. Eine erfindungsgemäße Turbovorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass im Kompressorabschnitt zwischen dem Kompressoreingang und dem Kompressorausgang ein mehrstufiger Kompressor angeordnet ist für eine Übergabe von Drehmoment an die Strömungsenergie des Be-[0006] According to the invention, a turbo device serves to convey an operating supply gas and an operating exhaust gas of a fuel cell system. For this purpose, the turbo device has a compressor section for guiding operating supply gas from a compressor inlet to a compressor outlet. Furthermore, a turbine section is provided for guiding operating exhaust gas from a turbine inlet to a turbine outlet. In the turbine section, a turbine is arranged between the turbine inlet and the turbine outlet for absorbing torque from the flow energy of the operating exhaust gas. A turbo device according to the invention is characterized in that a multi-stage compressor is arranged in the compressor section between the compressor inlet and the compressor outlet for transferring torque to the flow energy of the operating exhaust gas.

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triebszuführgases für eine Kompression des Betriebszuführgases. Der Kompressor ist dabei drehmomentübertragend mit der Turbine gekoppelt. Er weist eine erste Kompressorstufe stromabwärts des Kompressoreingangs auf. Weiter ist er mit wenigstens einer zweiten Kompressorstufe stromabwärts der ersten Kompressorstufe und stromaufwärts des Kompressorausgangs ausgestattet. The compressor is used to compress the operating gas supplied by the turbine. It is torque-transmitting and coupled to the turbine. It has a first compressor stage downstream of the compressor inlet. Furthermore, it is equipped with at least one second compressor stage downstream of the first compressor stage and upstream of the compressor outlet.

[0007] Das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist insbesondere als PEM- Brennstoffzellensystem ausgebildet. [0007] The fuel cell system according to the invention is in particular designed as a PEM fuel cell system.

[0008] Die erfindungsgemäße Turbovorrichtung basiert auf dem grundlegenden technischen Konzept zu Turboladern bei Verbrennungsmotoren. Auch bei der vorliegenden Erfindung soll zur Effizienzsteigerung zumindest ein Teil der Strömungsenergie des Betriebsabgases wiedergewonnen werden. Hierfür ist die Turbovorrichtung mit dem Turbinenabschnitt ausgestattet. Das üblicherweise heiße und mit Druck beaufschlagte Betriebsabgas auf der Abgasseite eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems kann vom Turbineneingang aufgenommen werden. Dieses Betriebsabgas strömt nun durch den Turbinenabschnitt und durchströmt dabei die Turbine. Nachdem zumindest ein Teil der Strömungsenergie aus dem Betriebsabgas in eine Rotationsbewegung in Form von einer Drehmomentübergabe an der Turbine aufgenommen worden ist, wird nun das um diese Strömungsenergie reduzierte Betriebsabgas an dem Turbinenausgang zur Verfügung gestellt. Der Turbineneingang und der Turbinenausgang, wie auch der Kompressoreingang und der Kompressorausgang, stellen dabei die fluiudkommunizierenden Schnittstellen für die Einbindung in das später noch erläuterte Brennstoffzellensystem dar. [0008] The turbo device according to the invention is based on the fundamental technical concept of turbochargers in internal combustion engines. In the present invention, at least a portion of the flow energy of the exhaust gas is also recovered to increase efficiency. For this purpose, the turbo device is equipped with a turbine section. The typically hot and pressurized exhaust gas on the exhaust side of a fuel cell stack of the fuel cell system can be drawn in by the turbine inlet. This exhaust gas then flows through the turbine section and passes through the turbine. After at least a portion of the flow energy from the exhaust gas has been converted into a rotational motion in the form of torque transmission at the turbine, the exhaust gas, reduced by this flow energy, is then made available at the turbine outlet. The turbine inlet and outlet, as well as the compressor inlet and outlet, represent the fluid-communicating interfaces for integration into the fuel cell system, which will be explained later.

[0009] In ähnlicher Weise ist der Kompressorabschnitt in einen Zuführabschnitt des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems fludkommunizierend integriert. Betriebszuführgas, beispielsweise Zuluft, kann aus der Umgebung angesaugt werden und über den Kompressoreingang dem Kompressorabschnitt zugeführt werden. Innerhalb des Kompressorabschnitts ist nun die Kompressionsfunktionalität durch den Kompressor vorgegeben. Der Kompressor ist dabei als mehrstufiger Kompressor ausgebildet und weist insbesondere wenigstens zwei separate und strömungstechnisch sequentiell hintereinander geschaltete Kompressorstufen auf. Für jede Kompressorstufe ist ein eigener Rotor vorgesehen, welche identische oder unterschiedliche geometrische Ausprägungen aufweisen können. Wesentlich ist in der vorliegenden Erfindung, dass der Kompressor wenigstens zweistufig, insbesondere jedoch sogar mehrstufig, ausgebildet ist. [0009] Similarly, the compressor section is integrated into a feed section of the fuel cell stack of the fuel cell system via fluid communication. Operating supply gas, for example, intake air, can be drawn in from the environment and supplied to the compressor section via the compressor inlet. Within the compressor section, the compression functionality is determined by the compressor. The compressor is designed as a multi-stage compressor and, in particular, has at least two separate compressor stages connected sequentially in terms of flow characteristics. A separate rotor is provided for each compressor stage, which can have identical or different geometric configurations. It is essential in the present invention that the compressor is designed as at least two-stage, but in particular as multi-stage.

[0010] Durch die Verwendung eines mehrstufigen Kompressors mit zwei oder mehr Kompressorstufen werden eine Vielzahl von Vorteilen erzielbar. Zum einen wird es auf diese Weise möglich, die Effizienz der Turbovorrichtung noch weiter zu steigern. So kann jede der einzelnen Kompressorstufen in effizienter Weise eine Teilkompression zur Verfügung stellen. Soll beispielsweise eine Druckdifferenz von 2 bar zwischen Umgebungsdruck und Betriebsdruck überwunden werden, so kann diese Druckdifferenz hälftig auf die beiden Kompressorstufen aufgeteilt werden. Im Vergleich zu bekannten Lösungen, welche mit einem einzigen Kompressor nun eine Druckdifferenz von 2 bar überbrücken müssen, kann bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung jede der beiden Kompressorstufen die hälftige Kompressorleistung und damit nur 1 bar übernehmen. Dies führt zu kleinerer, kompakterer und kostengünstiger Ausgestaltung der jeweiligen Kompressorstufe. Damit zusammenhängend entsteht auch eine effizientere Betriebsweise der beiden Kompressorstufen, sodass in der Zusammenschau die Gesamteffizienz des Kompressors über die beiden einzelnen Kompressorstufen gesteigert werden kann. [0010] By using a multi-stage compressor with two or more compressor stages, a multitude of advantages can be achieved. Firstly, this makes it possible to further increase the efficiency of the turbo device. Each of the individual compressor stages can efficiently provide partial compression. For example, if a pressure difference of 2 bar between ambient pressure and operating pressure needs to be overcome, this pressure difference can be divided equally between the two compressor stages. Compared to known solutions, which have to bridge a pressure difference of 2 bar with a single compressor, in the design according to the invention, each of the two compressor stages can handle half the compressor output, and thus only 1 bar. This leads to a smaller, more compact, and more cost-effective design of the respective compressor stage. This also results in a more efficient operation of the two compressor stages, so that, overall, the efficiency of the compressor can be increased across the two individual compressor stages.

[0011] Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass durch die mehrstufige Ausgestaltung des Kompressors die Kompaktheit des Systems der Turbovorrichtung gesteigert werden kann. Insbesondere ist auch die Komplexität durch die einfacheren einzelnen Kompressorstufen reduziert und auf diese Weise der Kostenaufwand für die Konstruktion und für die Montage einer solchen Turbovorrichtung minimiert. [0011] A further advantage of the present invention is that the multi-stage design of the compressor increases the compactness of the turbo device system. In particular, the complexity is also reduced by the simpler individual compressor stages, thus minimizing the costs for the design and assembly of such a turbo device.

[0012] Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die drehmomentübertragende Kopplung zwischen der Turbine und dem Kompressor eine feste Verbindung, eine lösbare Verbindung oder eine Verbindung über das später noch erläuterte Getriebe sein kann. Auch eine Schaltbarkeit dieser Kopplung, beispielsweise mittels Kupplungsvorrichtungen ist grundsätzlich im Rahmen der vorliegen-[0012] It should also be noted that the torque-transmitting coupling between the turbine and the compressor can be a fixed connection, a detachable connection, or a connection via the transmission described later. Switching this coupling, for example by means of clutch devices, is also fundamentally possible within the scope of the present design.

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den Erfindung denkbar. the invention is conceivable.

[0013] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung die Turbine über eine mechanische Getriebevorrichtung drehmomentübertragend mit dem Kompressor gekoppelt ist. Eine solche mechanische Getriebevorrichtung kann zum Beispiel mehrere rotierende Zahnradkomponenten aufweisen, welche insbesondere eine Übersetzung und/oder eine Untersetzung mit sich bringen. Die mechanische Getriebevorrichtung erlaubt es damit, nicht nur eine einfache drehmomentübertragende Kopplung, sondern insbesondere über das Getriebe eine übersetzte dzehmomentübertragende Kopplung zur Verfügung zu stellen. Insbesondere für instationäre Betriebssituationen können hier große Vorteile erzielt werden. Nicht zuletzt ist diese rein mechanische Kopplung frei von einer elektrischen Kopplung, sodass die bei manchen bekannten Lösungen vorhandenen elektrischen Verluste bei einer elektrischen Übertragung zwischen Turbinen und Kompressoren, vermieden werden. Vorzugweise ist die mechanische Getriebevorrichtung in der Lage, die Drehmomentübertragung von der Turbine für alle Stufen des Kompressors zur Verfügung zu stellen. [0013] It can be advantageous if, in a turbo device according to the invention, the turbine is coupled to the compressor via a mechanical transmission device for torque transmission. Such a mechanical transmission device can, for example, have several rotating gear components, which in particular provide a gear ratio and/or a reduction ratio. The mechanical transmission device thus allows not only a simple torque-transmitting coupling, but in particular a geared torque-transmitting coupling via the transmission. Significant advantages can be achieved here, especially for transient operating situations. Last but not least, this purely mechanical coupling is free of electrical coupling, so that the electrical losses present in some known solutions involving electrical transmission between turbines and compressors are avoided. Preferably, the mechanical transmission device is capable of providing torque transmission from the turbine to all stages of the compressor.

[0014] Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung die mechanische Getriebevorrichtung eine variable Kontrollierbarkeit für eine Kontrolle des von der Turbine an den Kompressor übergebenen Drehmoments aufweisen. Darunter ist zu verstehen, dass die Getriebevorrichtung eine Kontrollfunktion aufweist. Im einfachsten Fall kann damit das zu übergebende Drehmoment angepasst werden. Je nach Betriebssituation des Brennstoffzellensystems, aber auch in Abhängigkeit des Umgebungsdrucks, kann insbesondere ein gezieltes Kontrollieren oder auch Herunterregeln des aufgenommenen Drehmoments zur Verfügung gestellt werden. Damit wird es möglich, zumindest einen Teil des aufgenommenen Drehmoments nicht oder nur in reduzierter Weise an das Betriebszuführgas weiterzugeben. Insbesondere wird auf diese Weise eine aktive Kontrolle der Kompression und damit in indirekter Weise eine aktive Kontrolle des Drucks auf der Zuführseite des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems möglich. Auch wird es möglich, die Drehzahlen der Turbine und der einzelnen Kompressorstufen aneinander, vorzugsweise in kontrollierter Weise anzugleichen. [0014] Further advantages can be achieved if, in a turbo device according to the invention, the mechanical transmission device has variable controllability for controlling the torque transmitted from the turbine to the compressor. This means that the transmission device has a control function. In the simplest case, this allows the torque to be adjusted. Depending on the operating situation of the fuel cell system, but also depending on the ambient pressure, targeted control or even reduction of the received torque can be provided. This makes it possible to not transmit at least part of the received torque to the operating supply gas, or to transmit it only in a reduced manner. In particular, this enables active control of the compression and thus, indirectly, active control of the pressure on the supply side of the fuel cell stack of the fuel cell system. It also makes it possible to synchronize the rotational speeds of the turbine and the individual compressor stages, preferably in a controlled manner.

[0015] Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung die mechanische Getriebevorrichtung eine variable Kontrollierbarkeit für jede einzelne Kompressorstufe aufweist. Darunter ist zu verstehen, dass die Funktionalität und die Kontrollierbarkeit noch granularer ausgestaltet sind. Die mechanische Getriebevorrichtung kann vorzugsweise eine Schaltbarkeit und/oder eine quantitative Kontrollierbarkeit spezifisch für jede Kompressorstufe aufweisen. Damit wird eine spezifische Kontrollierbarkeit für jede Kompressorstufe zur Verfügung gestellt, die die voranstehend beschriebenen Vorteile noch weiter verstärkt. [0015] It can also be advantageous if, in a turbo device according to the invention, the mechanical transmission device has variable controllability for each individual compressor stage. This means that the functionality and controllability are designed to be even more granular. The mechanical transmission device can preferably have switching capability and/or quantitative controllability specific to each compressor stage. This provides specific controllability for each compressor stage, which further enhances the advantages described above.

[0016] Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung der Kompressor, insbesondere zumindest die zweite Kompressorstufe, drehmomentübertragend mit einem Elektromotor gekoppelt ist. Je nach Betriebssituation kann es zum Beispiel bei Anfahrprozessen des Brennstoffzellensystems nicht ausreichend sein, ausschließlich die aufgenommenen Drehmomentmengen aus der Strömungsenergie des Betriebsabgases zu nutzen. Ist eine deutlich stärkere Kompression gewünscht, als durch die Turbine gewährleistet werden kann, kann für diese instationären Betriebssituationen der Elektromotor die fehlende Differenz zur Verfügung stellen. Dieser Elektromotorist jedoch klein und leistungsarm ausgebildet, da er nur in diesen Sondersituationen die verbleibende Restmenge an Drehmoment zur Verfügung stellen muss. Im Vergleich zu klassischen, rein elektrischen Kompressoren ist hier eine kleinere, leichtere und damit vor allem kostengünstigere Ausgestaltung des Elektromotors möglich. [0016] It can also be advantageous if, in a turbo device according to the invention, the compressor, in particular at least the second compressor stage, is coupled to an electric motor for torque transmission. Depending on the operating situation, it may not be sufficient, for example, during the start-up processes of the fuel cell system, to utilize only the torque absorbed from the flow energy of the operating exhaust gas. If a significantly stronger compression is desired than can be guaranteed by the turbine, the electric motor can provide the missing difference for these transient operating situations. This electric motor, however, is designed to be small and low-powered, since it only needs to provide the remaining amount of torque in these special situations. Compared to conventional, purely electric compressors, a smaller, lighter, and therefore, above all, more cost-effective design of the electric motor is possible here.

[0017] Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung die erste Kompressorstufe und die zweite Kompressorstufe auf einer gemeinsamen Kompressorwelle angeordnet sind. Insbesondere handelt es sich dabei um eine Kompressorwelle, welche durchgehend oder im Wesentlichen durchgehend verläuft, sodass jedes Kompressorelement der jeweiligen Kompressorstufe drehmomentübertragend mit dieser gemeinsamen Kompressorwelle verbunden ist. Diese Kompressorwelle ist insbesondere weitergeführt bis zu einem Getriebeausgang der bereits erläuterten mechanischen Getriebevorrichtung. Damit kann das Drehmoment [0017] It is also advantageous if, in a turbo device according to the invention, the first compressor stage and the second compressor stage are arranged on a common compressor shaft. In particular, this is a compressor shaft that runs continuously or substantially continuously, so that each compressor element of the respective compressor stage is connected to this common compressor shaft in a torque-transmitting manner. This compressor shaft is extended, in particular, to a transmission output of the mechanical transmission device already described. This allows the torque to be transmitted

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sehr einfach und insbesondere ohne Änderung der Drehrichtung und/oder ohne Änderung der Gesamterstreckung übertragen werden. Gleiches gilt vorzugweise auch mit Bezug auf die später noch erläuterte Turbinenwelle. very simple and, in particular, without changing the direction of rotation and/or without changing the overall length. The same preferably applies with regard to the turbine shaft, which will be explained later.

[0018] Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung der Kompressorabschnitt zumindest einen Stufen-Bypassabschnitt aufweist für einen kontrollierten Bypass des Betriebszuführgases an wenigstens einer Kompressorstufe vorbei. Damit wird insbesondere eine weiter gesteigerte Kontrollierbarkeit ermöglicht, wie sie zum Beispiel durch ein Bypass-Kontrollventil zur Verfügung gestellt wird. Die einzelnen Kompressorstufen können dabei ähnlich einem Getriebe geschaltet werden und qualitativ aber auch quantitativ zu-, ab- oder quantitativ kontrolliert geschaltet werden. Vorzugsweise ist immer mindestes ein Stufen-Bypassabschnitt für genau eine Kompressorstufe vorgesehen, sodass eine exakte und für die jeweilige Kompressorstufe spezifische Schaltmöglichkeit zur Verfügung gestellt ist. [0018] It is also advantageous if, in a turbo device according to the invention, the compressor section has at least one stage bypass section for a controlled bypass of the operating supply gas past at least one compressor stage. This enables, in particular, further increased controllability, such as that provided, for example, by a bypass control valve. The individual compressor stages can be switched similarly to a transmission and can be switched on, off, or quantitatively controlled, both qualitatively and quantitatively. Preferably, at least one stage bypass section is always provided for exactly one compressor stage, so that a precise switching option specific to the respective compressor stage is available.

[0019] Weiter von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung der Kompressor wenigstens eine dritte Kompressorstufe zwischen der zweiten Kompressorstufe und dem Kompressorausgang aufweist. Selbstverständlich können auch noch eine vierte, eine fünfte oder weitere Kompressorstufen in ähnlicher Kaskadierung vorgesehen sein. Damit wird eine noch weitere Flexibilisierung und Skalierung möglich. Zum einen können größere Kompressorleistungen und damit größere Druckunterschiede zwischen Umgebungsdruck und Betriebsdruck überbrückt werden. Zum anderen wird es möglich, die einzelnen benötigten Teilleistungen oder auch Stufenleistungen für jede Kompressorstufe noch weiter zu reduzieren, um die erfindungsgemäßen beschriebenen Vorteile dieser Aufteilung auf einzelne Kompressorstufen noch weiter zu stärken. [0019] It is also advantageous if, in a turbo device according to the invention, the compressor has at least one third compressor stage between the second compressor stage and the compressor outlet. Of course, a fourth, a fifth, or further compressor stages in a similar cascade configuration can also be provided. This allows for even greater flexibility and scalability. On the one hand, larger compressor capacities and thus larger pressure differences between ambient pressure and operating pressure can be bridged. On the other hand, it becomes possible to further reduce the individual required partial capacities or stage capacities for each compressor stage in order to further enhance the advantages of this division into individual compressor stages described in the invention.

[0020] Ebenfalls von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung die Turbine als einstufige Turbine ausgebildet ist. Hier ist insbesondere gut der Unterschied zu klassischen Doppelturboladern oder Biturboladern zu sehen. Während bei einem Biturbolader, welcher auch Twin-Turbolader bei einem Verbrennungsmotor genannt wird, zwei vollständige Turboladervorrichtungen mit je einer eigenen Turbine und je einem eignen Kompressor strömungstechnisch hintereinandergeschaltet sind, wird bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Turbovorrichtung nur die Kompressorseite einer einzigen Turbovorrichtung mehrstufig ausgeführt. Dies führt zu den beschriebenen Vorteilen, wobei nicht die gesamte Kompressionsleistung gesteigert, sondern die gleichbleibende Kompressionsleistung auf eine größere Anzahl einzelner Kompressionsstufen aufgeteilt wird. Dies geht insbesondere einher mit der erläuterten Kontrollierbarkeit der Effizienzsteigerung auf der Kompressorseite bei einer einfach und im Wesentlichen standardmäßig ausgebildeten Turbinenseite der Turbovorrichtung. [0020] It is also advantageous if, in a turbo device according to the invention, the turbine is designed as a single-stage turbine. Here, the difference to conventional twin turbochargers or biturbochargers is particularly evident. While in a biturbocharger, which is also called a twin turbocharger in an internal combustion engine, two complete turbocharger devices, each with its own turbine and compressor, are fluidically connected in series, in a turbo device design according to the invention, only the compressor side of a single turbo device is multi-stage. This leads to the advantages described, whereby the total compression power is not increased, but rather the constant compression power is distributed across a larger number of individual compression stages. This is particularly advantageous given the controllability of the efficiency increase on the compressor side with a simple and essentially standard turbine side of the turbo device.

[0021] Von Vorteil ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung der Kompressor eine Kompressorwelle, insbesondere eine gemeinsame Kompressorwelle für alle Kompressorstufen, und die Turbine eine Turbinenwelle aufweist. Dabei sind die Kompressorwelle und die Turbinenwelle parallel oder im Wesentlichen parallel, insbesondere koaxial oder im Wesentlichen koaxial zueinander ausgerichtet. Diese Ausrichtung von Kompressorwelle und Turbinenwelle führt zu einer deutlichen Reduktion von Bauraum und Komplexität. Auch werden auf diese Weise durch das Vermeiden von Umlenkungen und unnötigen Kopplungen zwischen den Wellen mechanische Verluste weitestgehend eliminiert. Die Integration der mechanischen Getriebevorrichtung in der Turbovorrichtung wird damit weiter vereinfacht und hinsichtlich der mechanischen Getriebevorrichtung eine einfachere Kopplung an eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle der mechanischen Getriebevorrichtung zur Verfügung gestellt. [0021] It is further advantageous if, in a turbo device according to the invention, the compressor has a compressor shaft, in particular a common compressor shaft for all compressor stages, and the turbine has a turbine shaft. The compressor shaft and the turbine shaft are aligned parallel or substantially parallel, in particular coaxially or substantially coaxially, to each other. This alignment of the compressor shaft and turbine shaft leads to a significant reduction in installation space and complexity. Furthermore, by avoiding deflections and unnecessary couplings between the shafts, mechanical losses are largely eliminated. The integration of the mechanical transmission device in the turbo device is thus further simplified, and a simpler coupling to an input shaft and an output shaft of the mechanical transmission device is provided.

[0022] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung die erste Kompressorstufe und die zweite Kompressorstufe drehmomentübertragend über ein Kompressorgetriebe verbunden sind für eine Erzeugung einer unterschiedlichen Drehzahl an den beiden Kompressorstufen. Dieses Kompressorgetriebe kann eine feste oder variable Übersetzung aufweisen. Bei einer variablen Übersetzung ist eine schaltbare Kontrollierbarkeit der unterschiedlichen Drehzahlen möglich. Neben der grundsätzlichen Aufteilung der einzelnen Druckstufen zwischen den Kompressorstufen kann bei dieser Ausführungsform nun auch ein [0022] Furthermore, it offers advantages if, in a turbo device according to the invention, the first compressor stage and the second compressor stage are connected via a compressor gearbox to transmit torque, thus generating different speeds at the two compressor stages. This compressor gearbox can have a fixed or variable ratio. With a variable ratio, it is possible to control the different speeds by switching. In addition to the basic division of the individual pressure stages between the compressor stages, this embodiment also allows for a

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asymmetrisches Aufteilen dieser Druckstufen zur Verfügung gestellt werden. Dies erlaubt es, die Vorteile der vorliegenden Erfindung noch flexibler zur Verfügung zu stellen, insbesondere für Ausführungsformen, welche eine Schaltbarkeit mittels Stufen-Bypassabschnitten aufweisen. Asymmetrical distribution of these pressure stages is provided. This allows the advantages of the present invention to be made available even more flexibly, particularly for embodiments which have switchability by means of stage bypass sections.

[0023] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem für eine Erzeugung von elektrischem Strom unter der Umsetzung von Brenngas Ein solches Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einer Luftseite und einer Brennstoffseite auf. Die Luftseite ist mit einem Luftzuführabschnitt zur Zufuhr von Zuluft und einem Luftabführabschnitt für eine Abfuhr von Abluft ausgestattet. Die Brennstoffseite weist einen Brennstoffzuführabschnitt für die Zufuhr von Brennstoffzuführgas und einen Brennstoffabführabschnitt für eine Abfuhr von Brennstoffabgas auf. Ein solches Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest für die Luftseite eine Turbovorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist mit der Zuluft als Betriebszuführgas und der Abluft als Betriebsabführgas. Mit anderen Worten wird die Turbovorrichtung auf der Luftseite des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems eingesetzt. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Turbovorrichtung erläutert worden sind. [0023] Another object of the present invention is a fuel cell system for generating electricity by converting fuel gas. Such a fuel cell system comprises at least one fuel cell stack with an air side and a fuel side. The air side is equipped with an air supply section for supplying intake air and an air discharge section for removing exhaust air. The fuel side comprises a fuel supply section for supplying fuel gas and a fuel discharge section for removing fuel exhaust gas. Such a fuel cell system is characterized in that a turbo device according to the present invention is provided, at least for the air side, with the intake air as the operating supply gas and the exhaust air as the operating discharge gas. In other words, the turbo device is installed on the air side of the fuel cell stack of the fuel cell system. Thus, a fuel cell system according to the invention offers the same advantages as those explained in detail with reference to a turbo device according to the invention.

[0024] Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist insbesondere als PEM- Brennstoffzellensystem ausgebildet, wobei eine Verwendung desselben bevorzugt in einem Luftfahrzeug erfolgt. Von Vorteil kann auch eine Verwendung als stationäre oder mobile Einrichtung des Brennstoffzellensystems in großen Höhen, insbesondere mehr als 1500 m über dem Meeresspiegel vorgesehen sein. [0024] The fuel cell system according to the invention is in particular designed as a PEM fuel cell system, and is preferably used in an aircraft. It is also advantageous to use the fuel cell system as a stationary or mobile unit at high altitudes, in particular above 1500 m above sea level.

[0025] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kontrollverfahren für ein kontrolliertes Verdichten eines Betriebszuführgases mit einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung. Ein solches Kontrollverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus: - Erfassen eines Soll-Verdichtungswertes für eine Verdichtung eines Betriebszuführgases, - Bestimmen einer Soll-Drehzahl für die Kompressorstufen des Kompressors der Turbovorrichtung und/oder der Turbinenstufen, - Anpassen der Ist-Drehzahl der Kompressorstufen und/oder der Turbinenstufen an die bestimmte Soll-Drehzahl. [0025] Also part of the present invention is a control method for the controlled compression of an operating supply gas with a turbo device according to the invention. Such a control method is characterized by the following steps: - Determining a target compression value for the compression of an operating supply gas, - Determining a target speed for the compressor stages of the turbo device compressor and/or the turbine stages, - Adjusting the actual speed of the compressor stages and/or the turbine stages to the determined target speed.

[0026] Ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Turbovorrichtung erläutert worden sind. Die Anpassung der Ist-Drehzahl erfolgt dabei insbesondere durch die mehrfach erläuterte mechanische Getriebevorrichtung zwischen dem Turboabschnitt, Turbinenabschnitt und dem Kompressorabschnitt. Auch kann auf diese Weise eine Anpassung oder eine Ergänzung durch zusätzliches Drehmoment von einem vorhandenen angeordneten Elektromotor auf der Seite des Kompressorabschnitts zur Verfügung gestellt werden. [0026] A control method according to the invention offers the same advantages as those explained in detail with reference to a turbo device according to the invention. The adjustment of the actual rotational speed is achieved in particular by the mechanical transmission device described several times between the turbo section, turbine section, and compressor section. In this way, adjustment or supplementation by additional torque from an existing electric motor located on the compressor section side can also be provided.

[0027] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch: [0027] Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The drawings schematically show:

[0028] Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung, [0028] Fig. 1 shows an embodiment of a turbo device according to the invention,

[0029] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung, [0030] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung, [0031] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung, [0032] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung, [0033] Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung, [0034] Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung [0029] Fig. 2 shows a further embodiment of a turbo device according to the invention, [0030] Fig. 3 shows a further embodiment of a turbo device according to the invention, [0031] Fig. 4 shows a further embodiment of a turbo device according to the invention, [0032] Fig. 5 shows a further embodiment of a turbo device according to the invention, [0033] Fig. 6 shows a further embodiment of a turbo device according to the invention, [0034] Fig. 7 shows a further embodiment of a turbo device according to the invention

und [0035] Fig. 8 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. and [0035] Fig. 8 shows an embodiment of a fuel cell system according to the invention.

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[0036] Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Turbovorrichtung 10. Diese ist schematisch dargestellt und auf Bauteile, wie Gehäuse, Fluidkanäle oder Ähnliches, wurde in dieser schematischen Darstellung aus Übersichtlichkeitsgründen verzichtet. In der Figur 1 ist gut zu erkennen, dass sich die Turbovorrichtung 10 im Wesentlichen in einen Kompressorabschnitt 20 und einen Turboabschnitt 40 aufteilen lässt. Der Turboabschnitt 40 ist mit einem Turbineneingang 42 und einem Turbinenausgang 44 ausgestattet. Betriebsabgas BAG aus dem Brennstoffzellensystem 100 kann über den Turbineneingang 42 durch eine Turbine 46 strömen und diese damit in Rotation versetzen. Die Rotation wird durch die Strömungsenergie des Betriebsabgases BAG als Drehmoment auf die Turbinenwelle 48 übertragen. In drehmomen-tübertragender Kopplung befindet sich auf der Seite des Kompressorabschnitts 20 ein zweistufiger Kompressor 26. Dieser weist eine erste Kompressorstufe 26a und eine zweite Kompressorstufe 26b auf, die fluidtechnisch seriell hintereinander in einem Kompressorabschnitt 20 angeordnet sind. Betriebszuführgas BZG wird über den Kompressoreingang 22 in den Kompressor 26 einströmen. Nach dem Durchströmen der ersten Kompressorstufe 26a wird anschließend die zweite Kompressorstufe 26b durchströmt und abschließend verlässt das Betriebszuführgas BZG den Kompressorabschnitt 20 durch den Kompressorausgang 24 in komprimiertem Zustand. [0036] Figure 1 schematically shows a turbo device 10 according to the invention. This is shown schematically, and components such as housings, fluid channels, or similar have been omitted from this schematic representation for clarity. Figure 1 clearly shows that the turbo device 10 can essentially be divided into a compressor section 20 and a turbo section 40. The turbo section 40 is equipped with a turbine inlet 42 and a turbine outlet 44. Operating exhaust gas (BAG) from the fuel cell system 100 can flow through a turbine 46 via the turbine inlet 42, thereby setting it into rotation. The rotation is transmitted as torque to the turbine shaft 48 by the flow energy of the operating exhaust gas (BAG). In a torque-transmitting coupling, a two-stage compressor 26 is located on the side of compressor section 20. This compressor has a first compressor stage 26a and a second compressor stage 26b, which are arranged fluidically in series within compressor section 20. The operating supply gas BZG flows into the compressor 26 via the compressor inlet 22. After passing through the first compressor stage 26a, the gas then passes through the second compressor stage 26b, and finally, the operating supply gas BZG leaves the compressor section 20 in a compressed state through the compressor outlet 24.

[0037] Wie in der Figur 1 gut zu erkennen ist, ist der Kompressor 26 mehrstufig, hier zweistufig, ausgebildet. Das bedeutet, dass der zu überbrückende Druckunterschied von dem Umgebungsdruck zum gewünschten Betriebsdruck nun entsprechend auf diese beiden einzelnen Stufen aufgeteilt werden kann. Wird beispielsweise ein Druckunterschied von 2 bar gewünscht, so kann jeweils jede Stufe symmetrisch 1 bar an Druckunterschied und damit an Kompressionsleistung zur Verfügung stellen. Damit kann jede der Kompressorstufen 26a und 26b entsprechend kleiner und leichter ausgebildet sein und trotzdem den gesamten Druckunterschied von 2 bar zur Verfügung stellen. Für die Kopplung zwischen den beiden Kompressorstufen 26a und 26b ist hier eine Kompressorwelle 28 zur Verfügung gestellt, welche in drehmomentübertragender Kopplung parallel und sogar koaxial mit der Turbinenwelle 48 ausgerichtet ist. [0037] As can be clearly seen in Figure 1, the compressor 26 is designed as a multi-stage, specifically two-stage, unit. This means that the pressure difference to be bridged between the ambient pressure and the desired operating pressure can now be divided between these two individual stages. For example, if a pressure difference of 2 bar is required, each stage can symmetrically provide 1 bar of pressure difference and thus compression capacity. This allows each of the compressor stages 26a and 26b to be correspondingly smaller and lighter while still providing the entire pressure difference of 2 bar. A compressor shaft 28 is provided for coupling the two compressor stages 26a and 26b, which is aligned parallel and even coaxially with the turbine shaft 48 in a torque-transmitting coupling.

[0038] Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1. Hier ist in drehmomentübertragende Kopplung zwischen dem Turbinenabschnitt 40 und dem Kompressorabschnitt 20 eine mechanische Getriebevorrichtung 50 integriert. Diese ist insbesondere variabel kontrollierbar ausgestaltet, sodass insbesondere ein Angleichen der Drehzahl in der Turbine 26 und der Kompressorstufe 26a und 26b möglich wird. Insbesondere kann bei instationären Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems auf diese Weise ein kontrollierter Eingriff in den gewünschten Druckunterschied und/oder die gewünschte Drehzahl auf der Seite des Kompressorabschnitts 20 und/oder des Turbinenabschnitts 40 genommen werden. [0038] Figure 2 shows a further development of the embodiment of Figure 1. Here, a mechanical gear device 50 is integrated into the torque-transmitting coupling between the turbine section 40 and the compressor section 20. This device is designed to be variably controllable, so that, in particular, it becomes possible to synchronize the rotational speed in the turbine 26 and the compressor stages 26a and 26b. In particular, during transient operating conditions of the fuel cell system, this allows controlled intervention in the desired pressure differential and/or the desired rotational speed on the side of the compressor section 20 and/or the turbine section 40.

[0039] Auch die Figur 3 bildet die Ausführungsform der Figur 2 nochmals weiter. Für Betriebssituationen, in denen die aufnehmbare Strömungsenergie mit Betriebsabgas BAG nicht ausreicht, um den gewünschten Verdichtereffekt zu erzielen, ist hier nun ein Elektromotor 60 vorgesehen. Dieser ist dehmomentübertragend dem Kompressor 26 und insbesondere hier mit der zweiten Kompressorstufe 26b gekoppelt. Im einfachsten Fall handelt es sich bei dieser Anbindung um eine direkte koaxiale Verlängerung der Kompressorwelle 28. [0039] Figure 3 further illustrates the embodiment shown in Figure 2. For operating situations in which the absorbable flow energy with operating exhaust gas (BAG) is insufficient to achieve the desired compressor effect, an electric motor 60 is provided. This motor is coupled to the compressor 26 and, in particular, to the second compressor stage 26b, transmitting torque. In the simplest case, this connection is a direct coaxial extension of the compressor shaft 28.

[0040] In der Figur 4 ist noch eine Möglichkeit eines Bypasses vorgesehen. So ist hier über ein Bypass-Kontrollventil 32 verlaufend ein Stufen-Bypassabschnitt 30 vorgesehen, über welchen zumindest ein Teil des Betriebszuführgases BZG an der zweiten Kompressorstufe 26b vorbeigeführt werden kann. Ähnlich ist ein zusätzlicher StufenBypassabschnitt 30 auch für die erste Kompressorstufe 26a, beispielsweise in der Figur 5, dargestellt. Selbstverständlich können noch weitere Ventilvorrichtungen vorgesehen sein, um in kontrollierbarer Weise qualitativ oder quantitativ diese Bypassfunktion auszubilden. [0040] Figure 4 shows another possible bypass. A staged bypass section 30 is provided here, extending via a bypass control valve 32, through which at least a portion of the operating supply gas BZG can bypass the second compressor stage 26b. Similarly, an additional staged bypass section 30 for the first compressor stage 26a is also shown, for example, in Figure 5. Of course, further valve devices can be provided to control this bypass function qualitatively or quantitatively.

[0041] In der Figur 6 ist eine Weiterbildung dargestellt, bei welcher eine dreistufige Ausgestaltung des Kompressors 26 vorgesehen ist. Hier ist nun die dritte Kompressorstufe 26c vorgesehen, welche in der Lage ist, eine noch feinere Aufteilung oder einen noch größeren Druckunterschied für das Betriebszuführgas BZG zu erzeugen. [0041] Figure 6 shows a further development in which a three-stage configuration of the compressor 26 is provided. Here, the third compressor stage 26c is provided, which is capable of generating an even finer division or an even greater pressure difference for the operating supply gas BZG.

[0042] In der Figur 7 ist eine Variante dargestellt, bei welcher zusätzlich zwischen den beiden [0042] Figure 7 shows a variant in which there is an additional distinction between the two

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Kompressorstufen 26a und 26b noch ein Kompressorgetriebe 34 vorgesehen ist. Compressor stages 26a and 26b also include a compressor gearbox 34.

[0043] Dies kann es ermöglichen, unterschiedliche Drehzahlen für die einzelnen Kompressorstufen 26a und 26b zu ermöglichen, sodass eine noch weitere, insbesondere kontrollierbare und variable Einstellmöglichkeit, für die einzelnen Stufen des Kompressors 26 zur Verfügung gestellt werden kann. [0043] This can make it possible to provide different speeds for the individual compressor stages 26a and 26b, so that an even further, in particular controllable and variable, setting option can be provided for the individual stages of the compressor 26.

[0044] Die Figur 8 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 100. Dieses ist hier mit einem Brennstoffzellenstapel 110 ausgestattet. Dieser lässt sich in eine Luftseite 120 und eine Brennstoffseite 130 aufteilen. Auf der Brennstoffseite 130 wird Brennstoffzuführgas BZG über den Brennstoffzuführabschnitt 132 zugeführt. Entstehendes Brennstoffabgas BAG wird über den Brennstoffabführabschnitt 134 abgeführt. Ähnlich ist auf der Luftseite 120 ein Luftzuführabschnitt 122 für die Zufuhr von Zuluft ZL vorgesehen. Die hier entstehende Abluft AL wird über einen Abluftabführabschnitt 124 von der Luftseite 120 abgeführt. Auf der Luftseite 120 ist nun eine Turbovorrichtung 10 gemäß der Ausgestaltung einer der Figuren 1 bis 7 integriert. Die Zuluft ZL bildet damit das Betriebszuführgas BZG und durchströmt den Kompressorabschnitt 20 der Turbovorrichtung 10. Ähnlich bildet die Abluft AL das Betriebsabgas BAG und durchströmt entsprechend den Turbinenabschnitt 40 der Turbovorrichtung 10. [0044] Figure 8 schematically shows a fuel cell system 100 according to the invention. This system is equipped with a fuel cell stack 110. This stack can be divided into an air side 120 and a fuel side 130. Fuel supply gas BZG is supplied to the fuel side 130 via the fuel supply section 132. Fuel exhaust gas BAG is discharged via the fuel discharge section 134. Similarly, an air supply section 122 is provided on the air side 120 for the supply of intake air ZL. The exhaust air AL generated here is discharged from the air side 120 via an exhaust air discharge section 124. A turbo device 10 according to the embodiment shown in one of Figures 1 to 7 is integrated on the air side 120. The supply air ZL thus forms the operating supply gas BZG and flows through the compressor section 20 of the turbo device 10. Similarly, the exhaust air AL forms the operating exhaust gas BAG and flows accordingly through the turbine section 40 of the turbo device 10.

[0045] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. [0045] The preceding explanation of embodiments describes the present invention exclusively by way of examples.

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BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE MARK LIST

10 Turbovorrichtung 20 Kompressorabschnitt 10 Turbo device 20 Compressor section

22 Kompressoreingang 22 Compressor input

24 Kompressorausgang 24 Compressor output

26 Kompressor 26 Compressor

26a erste Kompressorstufe 26b zweite Kompressorstufe 26c dritte Kompressorstufe 28 Kompressorwelle 26a first compressor stage 26b second compressor stage 26c third compressor stage 28 compressor shaft

30 Stufen-Bypassabschnitt 32 Bypass-Kontrollventil 34 Kompressorgetriebe 30-stage bypass section 32 Bypass control valve 34 Compressor gearbox

40 Turbinenabschnitt 40 Turbine section

42 Turbineneingang 42 Turbine inlet

44 Turbinenausgang 44 Turbine outlet

46 Turbine 46 Turbine

48 Turbinenwelle 48 Turbine shaft

50 Getriebevorrichtung 50 Gearbox device

60 Elektromotor 60 electric motor

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Luftseite 100 Fuel cell system 110 Fuel cell stack 120 Air side

122 Luftzuführabschnitt 122 Air supply section

124 Luftabführabschnitt 124 Air discharge section

130 _Brennstoffseite 130 _Fuel side

132 Brennstoffzuführabschnitt 134 Brennstoffabführabschnitt BZG Betriebszuführgas 132 Fuel supply section 134 Fuel discharge section BZG Operating supply gas

BAG Betriebsabgas BAG operating exhaust

ZL Zuluft ZL supply air

AL Abluft AL exhaust air

ZG Brennstoffzuführgas AG Brennstoffabgas ZG Fuel Supply Gas AG Fuel Exhaust

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Patentansprüche Patent claims

1. Turbovorrichtung (10) für eine Förderung von einem Betriebszuführgas (BZG) und einem Betriebsabgas (BAG) eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen Kompressorabschnitt (20) für eine Führung von Betriebszuführgas (BZG) von einem Kompressoreingang (22) zu einem Kompressorausgang (24), weiter aufweisend einen Turbinenabschnitt (40) für eine Führung von Betriebsabgas (BAG) von einem Turbineneingang (42) zu einem Turbinenausgang (44), wobei im Turbinenabschnitt (40) zwischen dem Turbineneingang (42) und dem Turbinenausgang (44) eine Turbine (46) angeordnet ist für eine Aufnahme von Drehmoment aus der Strömungsenergie des Betriebsabgases (BAG), dadurch gekennzeichnet, dass im Kompressorabschnitt (20) zwischen dem Kompressoreingang (22) und dem Kompressorausgang (24) ein mehrstufiger Kompressor (26) angeordnet ist für eine Übergabe von Drehmoment an die Strömungsenergie des Betriebszuführgases (BZG) für eine Kompression des Betriebszuführgases (BZG), wobei der Kompressor (26) drehmomentübertragend mit der Turbine (46) gekoppelt ist und eine erste Kompressorstufe (26a) stromabwärts des Kompressoreingangs (22) aufweist und weiter wenigstens eine zweite Kompressorstufe (26b) stromabwärts der ersten Kompressorstufe (26a) und stromaufwärts des Kompressorausgangs (24) aufweist. 1. Turbo device (10) for conveying an operating feed gas (BZG) and an operating exhaust gas (BAG) of a fuel cell system (100), comprising a compressor section (20) for guiding operating feed gas (BZG) from a compressor inlet (22) to a compressor outlet (24), further comprising a turbine section (40) for guiding operating exhaust gas (BAG) from a turbine inlet (42) to a turbine outlet (44), wherein a turbine (46) is arranged in the turbine section (40) between the turbine inlet (42) and the turbine outlet (44) for absorbing torque from the flow energy of the operating exhaust gas (BAG), characterized in that a multi-stage compressor (26) is arranged in the compressor section (20) between the compressor inlet (22) and the compressor outlet (24) for transferring torque to the flow energy of the operating feed gas (BZG) for compression of the operating feed gas. (BZG), wherein the compressor (26) is coupled to the turbine (46) in a torque-transmitting manner and has a first compressor stage (26a) downstream of the compressor inlet (22) and further has at least a second compressor stage (26b) downstream of the first compressor stage (26a) and upstream of the compressor outlet (24).

2. Turbovorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (46) über eine mechanische Getriebevorrichtung (50) drehmomentübertragend mit dem Kompressor (26) gekoppelt ist. 2. Turbo device (10) according to claim 1, characterized in that the turbine (46) is coupled to the compressor (26) via a mechanical transmission device (50) to transmit torque.

3. Turbovorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Getriebevorrichtung (50) eine variable Kontrollierbarkeit für eine Kontrolle des von der Turbine (46) an den Kompressor (26) übergebenen Drehmoments aufweist. 3. Turbo device (10) according to claim 2, characterized in that the mechanical transmission device (50) has variable controllability for controlling the torque transferred from the turbine (46) to the compressor (26).

4. Turbovorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Getriebevorrichtung (50) eine variable Kontrollierbarkeit für jede einzelne Kompressorstufe (26a, 26b) aufweist. 4. Turbo device (10) according to claim 3, characterized in that the mechanical transmission device (50) has variable controllability for each individual compressor stage (26a, 26b).

5. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (26), insbesondere zumindest die zweite Kompressorstufe (26b), drehmomentübertragend mit einem Elektromotor (60) gekoppelt ist. 5. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor (26), in particular at least the second compressor stage (26b), is coupled to an electric motor (60) in a torque-transmitting manner.

6. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kompressorstufe (26a) und die zweite Kompressorstufe (26b) auf einer gemeinsamen Kompressorwelle (28) angeordnet sind. 6. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first compressor stage (26a) and the second compressor stage (26b) are arranged on a common compressor shaft (28).

7. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressorabschnitt (20) zumindest einen StufenBypassabschnitt (30) aufweist für einen kontrollierbaren Bypass des Betriebszuführgases (BZG) an wenigstens einer Kompressorstufe (26a, 26b) vorbei. 7. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor section (20) has at least one stage bypass section (30) for a controllable bypass of the operating supply gas (BZG) past at least one compressor stage (26a, 26b).

8. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (30) wenigstens eine dritte Kompressorstufe (26c) zwischen der zweiten Kompressorstufe (26b) und dem Kompressorausgang (24) aufweist. 8. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor (30) has at least one third compressor stage (26c) between the second compressor stage (26b) and the compressor outlet (24).

9. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (46) als einstufige Turbine (46) ausgebildet ist. 9. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine (46) is designed as a single-stage turbine (46).

10. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (26) eine Kompressorwelle (28), insbesondere eine gemeinsame Kompressorwelle (28) für alle Kompressorstufen (26a, 26b, 26c), und die Turbine (46) eine Turbinenwelle (48) aufweist, wobei die Kompressorwelle (28) und die Turbinenwelle (48) parallel oder im Wesentlichen parallel, insbesondere koaxial oder im Wesentlichen koaxial zueinander ausgerichtet sind. 10. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor (26) has a compressor shaft (28), in particular a common compressor shaft (28) for all compressor stages (26a, 26b, 26c), and the turbine (46) has a turbine shaft (48), wherein the compressor shaft (28) and the turbine shaft (48) are aligned parallel or substantially parallel, in particular coaxially or substantially coaxially to each other.

11. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kompressorstufe (26a) und die zweite Kompressorstufe (26b) drehmomentübertragend über ein Kompressorgetriebe (34) verbunden sind für eine Erzeugung 11. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first compressor stage (26a) and the second compressor stage (26b) are connected via a compressor gearbox (34) for torque transmission to generate

einer unterschiedlichen Drehzahl an den beiden Kompressorstufen (26a, 26b). a different speed at the two compressor stages (26a, 26b).

12. Brennstoffzellensystem (100) für eine Erzeugung von elektrischen Strom aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einer Luftseite und einer Brennstoffseite (130), wobei die Luftseite (120) einen Luftzuführabschnitt (122) zur Zufuhr von Zuluft (ZL) und einen Luftabführabschnitt (124) für eine Abfuhr von Abluft (AL) und die Brennstoffseite (130) einen Brennstoffzuführabschnitt (132) zur Zufuhr von Brennstoffzuführgas (ZG) und einen Brennstoffabführabschnitt (134) für eine Abfuhr von Brennstoffabgas (AG) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Luftseite (120) eine Turbovorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11 vorgesehen ist mit der Zuluft (ZL) als Betriebszuführgas (BZG) und der Abluft (AL) als Betriebsabführgas (BAG). 12. Fuel cell system (100) for generating electric current comprising at least one fuel cell stack (110) with an air side and a fuel side (130), wherein the air side (120) has an air supply section (122) for supplying supply air (ZL) and an air discharge section (124) for removing exhaust air (AL) and the fuel side (130) has a fuel supply section (132) for supplying fuel supply gas (ZG) and a fuel discharge section (134) for removing fuel exhaust gas (AG), characterized in that a turbo device (10) with the features of one of claims 1 to 11 is provided for the air side (120) with the supply air (ZL) as the operating supply gas (BZG) and the exhaust air (AL) as the operating discharge gas (BAG).

13. Kontrollverfahren für ein kontrolliertes Verdichten eines Betriebszuführgases (BZG) mit einer Turbovorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: 13. Control method for controlled compression of an operating supply gas (OSG) with a turbo device (10) having the features of one of claims 1 to 11, characterized by the following steps:

- Erfassen eines Soll-Verdichtungswertes für eine Verdichtung des Betriebszuführgases (BZG), - Determining a target compression value for the compression of the operating supply gas (OSG),

- Bestimmen einer Soll-Drehzahl für die Kompressorstufen (26a, 26b, 26c) des Kompressors (26) und/oder der Turbine (46) der Turbovorrichtung (10), - Determining a target speed for the compressor stages (26a, 26b, 26c) of the compressor (26) and/or the turbine (46) of the turbo device (10),

- Anpassen der Ist-Drehzahl der Kompressorstufen (26a, 26b, 26c) und/oder der Turbine (46) an die bestimmte Soll-Drehzahl. - Adjusting the actual speed of the compressor stages (26a, 26b, 26c) and/or the turbine (46) to the specified target speed.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen This includes 8 sheets of drawings.

Claims

A ‚hes AT 528 352 A1 2025-12-15 Ss N New patent claims

1. Turbo device (10) for conveying an operating feed gas (BZG) and an operating exhaust gas (BAG) of a fuel cell system (100), comprising a compressor section (20) for guiding operating feed gas (BZG) from a compressor inlet (22) to a compressor outlet (24), further comprising a turbine section (40) for guiding operating exhaust gas (BAG) from a turbine inlet (42) to a turbine outlet (44), wherein a turbine (46) is arranged in the turbine section (40) between the turbine inlet (42) and the turbine outlet (44) for absorbing torque from the flow energy of the operating exhaust gas (BAG), wherein the turbine (46) is designed as a single-stage turbine (46), wherein a multi-stage compressor (26) is arranged in the compressor section (20) between the compressor inlet (22) and the compressor outlet (24) for transferring torque to the flow energy of the operating feed gas. (BZG) for compression of the operating supply gas (BZG), wherein the compressor (26) is torque-transmitting coupled to the turbine (46) and has a first compressor stage (26a) downstream of the compressor inlet (22) and further has at least a second compressor stage (26b) downstream of the first compressor stage (26a) and upstream of the compressor outlet (24), characterized in that the turbine (46) is torque-transmitting coupled to the compressor (26) via a mechanical transmission device (50).

2. Turbo device (10) according to claim 1, characterized in that the mechanical transmission device (50) has variable controllability for controlling the torque transferred from the turbine (46) to the compressor (26).

3. Turbo device (10) according to claim 2, characterized in that the mechanical transmission device (50) has variable controllability for each individual compressor stage (26a, 26b).

4. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor (26), in particular at least the second compressor stage (26b), is coupled to an electric motor (60) in a torque-transmitting manner.

5. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first compressor stage (26a) and the second compressor stage (26b) are arranged on a common compressor shaft (28).

6. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor section (20) has at least one stage bypass section (30) for a controllable bypass of the operating supply gas (BZG) past at least one compressor stage (26a, 26b).

7. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor (30) has at least a third compressor stage (26c) between the second compressor stage (26b) and the compressor outlet (24).

8. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor (26) has a compressor shaft (28), in particular a common compressor shaft (28) for all compressor stages (26a, 26b, 26c), and the turbine (46) has a turbine shaft (48), wherein the compressor shaft (28) and the turbine shaft (48) are aligned parallel or substantially parallel, in particular coaxially or substantially coaxially to each other.

9. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first compressor stage (26a) and the second compressor stage (26b) are connected via a compressor gearbox (34) to transmit torque in order to generate different rotational speeds at the two compressor stages (26a, 26b).

10. Fuel cell system (100) for generating electrical current comprising at least one fuel cell stack (110) with an air side (120) and a combustion side (120).

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11.

AT 528 352 A1 2025-12-15

material side (130), wherein the air side (120) has an air supply section (122) for supplying supply air (ZL) and an air discharge section (124) for removing exhaust air (AL) and the fuel side (130) has a fuel supply section (132) for supplying fuel supply gas (ZG) and a fuel discharge section (134) for removing fuel exhaust gas (AG), characterized in that a turbo device (10) with the features of one of claims 1 to 9 is provided for the air side (120) with the supply air (ZL) as the operating supply gas (BZG) and the exhaust air (AL) as the operating discharge gas (BAG).

Control procedure for the controlled compression of an operating supply gas (OSG) with a

Turbo device (10) having the features of one of claims 1 to 9, characterized

through the following steps:

- Determining a target compression value for the compression of the operating supply gas (OSG),

- Determining a target speed for the compressor stages (26a, 26b, 26c) of the compressor (26) and/or the turbine (46) of the turbo device (10),

- Adjusting the actual speed of the compressor stages (26a, 26b, 26c) and/or the turbine (46) to the specified target speed.

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