用于燃料电池系统的侧通道压缩机和燃料电池系统的制作方法

本发明涉及一种用于燃料电池系统的侧通道压缩机，用于输送和/或压缩气态介质、尤其氢气，所述燃料电池系统尤其设置为用于在带有燃料电池驱动器的车辆中使用。此外，本发明涉及一种具有根据本发明的侧通道压缩机的燃料电池系统。

背景技术：

1、在汽车领域中，除了液态燃料之外，气态燃料将来也起到越来越大的作用。尤其是在具有燃料电池驱动器的车辆中，需要控制氢气流量。在此，气流不再像喷射液态燃料那样不连续地控制，而是气态介质从至少一个高压罐取出并且通过中间压力管线系统的流入管线被输送到喷射单元。该喷射器单元通过低压管线系统的连接管线将气态介质输送到燃料电池。在气态介质流动通过燃料电池之后，其经由回流管线被引导回到侧通道压缩机和/或喷射泵。在此，可以在中间连接侧通道压缩机，其在流动技术和效率技术上支持气体回流。此外，侧通道压缩机用于支持燃料电池驱动中的流动建立，尤其是在车辆在一定的停车时间之后的(冷)启动时。这些侧通道压缩机的驱动通常通过电动机来进行，这些电动机在车辆中运行时通过车辆电池来供给电压。

2、由de 10 2019 214 279 a1已知一种用于燃料电池系统的侧通道压缩机，在该侧通道压缩机中输送和/或压缩气态介质、尤其是氢气。所述侧通道压缩机具有在壳体中环绕的压缩机轮，所述压缩机轮固定在驱动轴上并且由驱动器置于旋转中并且由此以能够围绕转动轴线转动的方式布置。此外，侧通道压缩机具有位于壳体中的压缩机室，该压缩机室具有至少一个环绕的侧通道。压缩机轮在此具有在其周边上布置在压缩机室的区域中的输送单元，尤其是轴向地沿转动轴线的方向在一侧或两侧布置。此外，在壳体中分别布置有进气口和出气口，它们通过至少一个侧通道彼此流体连接。此外，侧通道压缩机具有两个滚动轴承，驱动轴借助于所述滚动轴承支承在壳体中。

3、由de 10 2019 214 279 a1已知的侧通道压缩机可能具有一定的缺点。由于压缩机轮借助于滚动轴承的支承产生了机械摩擦损失，所述摩擦损失尤其能够造成提高的热损失。在此，侧通道压缩机也可能由于滚动轴承的高温产生而受到损坏。在此，例如用于润滑剂的密封件可能是多孔的或者用于滚动轴承的润滑剂可能被冲洗出，这可能导致滚动轴承的损坏。此外，在侧通道压缩机的高转速下，尤其在超过10000转每分钟或例如30000转每分钟的范围中，可能出现轴承的这种严重的损耗和/或磨损，使得它们在整个车辆和/或燃料电池系统的总使用寿命结束之前长时间失效或故障。此外，滚动轴承为了避免失效需要定期的维护和/或润滑，这提高了运行成本和维护成本并且因此可导致整个车辆和/或燃料电池系统的维护间隔缩短。此外，由于滚动轴承的彼此接触的接触面，可能出现轴承的润滑剂的材料去除或流出，进而导致侧通道压缩机中的氢的污染，由此燃料电池堆由于易受损的敏感表面而可能受到损坏。此外，由于滚动轴承的机械摩擦，侧通道压缩机的效率可能降低。

技术实现思路

1、根据本发明，提出一种用于燃料电池系统的侧通道压缩机，用于输送和/或压缩气态介质、尤其是氢。在此，所述侧通道压缩机具有壳体，所述壳体具有位于壳体中的压缩机室，所述压缩机室具有至少一个环绕的侧通道，所述侧通道压缩机还具有位于壳体中的压缩机轮，所述压缩机轮布置在能够围绕转动轴线转动的驱动轴上并且通过驱动器驱动。在此，第一侧通道和第二侧通道可以位于壳体中。压缩机轮具有在其周边上布置在压缩机室的区域中的输送单元，并且此外分别具有构造在壳体上的进气口和进气口。这两个开口通过压缩机室尤其是侧旁路通道相互流体连接。

2、侧通道压缩机构造成使得驱动轴借助于至少两个磁性轴承支承在侧通道压缩机中，尤其是侧通道压缩机的壳体中。以这种方式，可以避免在工作时在轴承中产生高温，因为磁性轴承与滚动轴承或滑动轴承不同地至少几乎无摩擦地运转。因此不存在机械摩擦损失，由此提高驱动器的效率并且至少几乎不产生来自支承装置的废热，所述废热例如可能损坏侧通道压缩机。此外，根据本发明的侧通道压缩机的设计提供了如下优点：由于磁性轴承无摩擦和/或几乎无接触地运行，不会由于摩擦颗粒而发生燃料电池系统的污染，由此可以减少燃料电池堆和/或燃料电池系统的失效可能性。此外，所使用的磁性轴承也可以在非常高的、远超过30000转的转速下运行，例如在100000转/分钟下运行，而这不会缩短轴承的和/或侧通道压缩机的使用寿命或者不会提高失效概率。因此，可以实现侧通道压缩机针对不同要求情况的更好的可扩展性。此外，在整个车辆的使用寿命周期内，磁性轴承不需要定期的维护和/或润滑，这降低了运行成本和维护成本，并且由此可以降低运行成本。此外，借助于根据本发明的侧通道压缩机的构型，由于磁性轴承的较小的摩擦损失，能够提高其效率。

3、根据侧通道压缩机的一个特别有利的构型，至少一个磁性径向轴承位于驱动轴上，其中，相应的径向轴承具有旋转的轴承内环和固定的轴承外环。以这种方式，轴承内环能够与驱动轴连接，使得相应的轴承内环径向地固定在驱动轴上并且与该驱动轴在运行中置于旋转运动中。轴承内环的转速在此对应于驱动轴的转速，因为它们抗扭转地相互连接。以这种方式能够实现侧通道压缩机和至少一个磁性径向轴承的紧凑的结构形式。此外，以这种方式可以实现轴承内环和轴承外环这些构件的机械分离。因此，可以实现至少几乎无摩擦的支承，由此可以提高侧通道压缩机的效率和使用寿命。

4、根据一种有利的改进方案，借助于对相应的、尤其具有电磁绕组的轴承外环通电，可以激活相应的磁性轴承，其中，相应的轴承内环至少部分地具有磁性材料。以这种方式，可以借助于对轴承外环通电进行对磁性轴承外环的操控，使得该磁性轴承外环磁性地、尤其是借助于磁力保持在轴承外环中，使得该轴承外环实施为无接触的磁性轴承。此外，在此可以借助于轴承外环的通电强度来相应于来自燃料电池或侧通道压缩机的运行的要求匹配所需的轴承力。因此，能够降低磁性轴承和侧通道压缩机的失效概率。在一个示例性实施方式中，根据所需的磁力而定，磁性轴承也可以径向地实施为永磁体。

5、根据侧通道压缩机的一个有利的构型，驱动器具有定子和转子，其中，定子和转子环形环绕地围绕转动轴线构造，并且定子具有比转子更大的直径，其中，定子在其背离转动轴线的表面上包围转子。以这种方式能够实现驱动器的紧凑的结构形式，其中，同时能够实现转子和定子的机械分离，其中，转子与驱动轴连接成使得转子径向地且抗扭转地固定在驱动轴上，其中，能够将转矩传递到驱动轴上并且能够将该驱动轴置于旋转运动中。

6、根据侧通道压缩机的一种特别有利的改进方案，磁性轴向轴承位于驱动轴上，其中，磁性轴向轴承可借助于永磁体和/或借助于电磁体来激活，其中，尤其是，磁性轴向轴承对驱动轴加载以沿转动轴线的方向作用的预紧力。在此，轴承预紧力轴向于转动轴线传递到驱动轴上，使得驱动轴的轴向固定借助于磁性轴向轴承来进行并且因此将驱动轴沿纵轴线的方向固定，从而防止驱动轴和/或固定在驱动轴上的压缩机轮与壳体的构件碰撞。在此，能够降低侧通道压缩机的失效概率。磁性轴向轴承可以有利地借助于永磁体来激活，其中，以这种方式即使在侧通道压缩机和/或燃料电池系统断电时也确保磁性轴向轴承激活。在此，在一种示例性的实施方式中，磁性轴向轴承在侧通道压缩机运行时能够反作用于来自第一侧通道的、作用于压缩机轮的压力。这改善了驱动轴和/或压缩机轮的支承特性，从而可以降低侧通道压缩机的失效概率。

7、根据侧通道压缩机的一个有利的改进方案，驱动轴借助于至少两个止动轴承(fanglager)支承在侧通道压缩机中，尤其是侧通道压缩机的壳体中。以这种方式可以得出如下优点：在侧通道压缩机启动和/或起动和/或关机时，在没有对磁性轴承通电的情况下，尤其是在驱动轴和压缩机轮的低转速下，例如低于1000转每分钟时，驱动轴不通过磁性轴承支承，而是与止动轴承机械接触，并且借助于止动轴承对驱动轴进而对压缩机轮进行径向和/或轴向引导，从而不会由于与壳体的碰撞而损坏这些构件。因为止动轴承仅在侧通道压缩机的小的运行时间段上、尤其在启动和关机时使用，所以所述止动轴承能够相对小地确定尺寸，由此能够制造支承装置的紧凑的结构形式。在此，从特定的转速、例如1000转每分钟起，止动轴承与驱动轴脱离机械接合，和/或从该转速起不再存在接触，尤其是一旦磁性径向轴承通过激活所述止动轴承而相对于转动轴线轴向地支承驱动轴。以这种方式，侧通道压缩机的低磨损的运行即使在侧通道压缩机频繁地起动和停机时，例如当整个车辆经常经过较短的路段时也如此。因此，能够降低侧通道压缩机的失效概率。

8、根据侧通道压缩机的一种特别有利的构型，隔绝层位于相应的轴承内环和相应的轴承外环之间和/或定子和转子之间，其中，隔绝层是弹性的和/或至少几乎不具有导电能力。以这种方式可以实现如下优点：实现了不引导电流的构件与引导电流的构件的流体包封和/或电分离。以这种方式，一方面可以实现如下优点：定子的引导电流的构件与引导气态介质的区域分开。在此，尤其借助于例如构造为包封元件的隔绝层防止气态介质(其可由氢和/或水和/或氮组成)从侧通道压缩机的压缩机室的区域侵入到定子的区域中和驱动器的邻接的构件的区域中。在此，隔绝层布置在定子和转子之间，以便引起在定子和转子之间的介质分离。此外有利的是，隔绝层由不能导电的材料制成，从而防止从引导电流的构件、定子和/或相应的轴承外环到构件、转子和/或轴承内环和/或驱动轴上的电传输，由此防止在具有气态介质的侧通道压缩机的区域中、尤其压缩机室的火花击穿的风险。因此，由于隔绝层的使用，可以防止侧通道压缩机由于点燃氢气与氧气在气态介质中的火花冲击而损坏。由于弹性材料特性，隔绝层还可以防止壳体和/或驱动器和/或相应的轴承的构件的相对运动，例如在经过构件的不同的纵向膨胀系数和温度范围时。此外，隔绝层的布置可以以紧凑的结构方式实现，从而不必或仅需对驱动器和/或支承装置和/或侧通道压缩机进行最小的结构改变。在此，本发明的根据本发明的和有利的构型可以以成本有利的方式来实现。

9、根据侧通道压缩机的一个有利的构型，一个磁性径向轴承位于驱动器的面向压缩机轮的一侧，而另一磁性径向轴承位于驱动器的背离压缩机轮的一侧，尤其是驱动轴上。以这种方式，借助于磁性径向轴承和驱动器这些构件的这种布置可以实现侧通道压缩机的紧凑的结构形式。此外，驱动轴和/或压缩机轮的抖动运动(taumelbewegung)由于磁性径向轴承的相应布置而可以更好地借助于磁性轴承来防止和/或补偿。以这种方式，能够降低由于压缩机轮与壳体的碰撞和所引起的构件的损坏而造成的侧通道压缩机的失效概率，由此能够提高侧通道压缩机的使用寿命。

10、根据侧通道压缩机的一个特别有利的改进方案，该侧通道压缩机具有加热元件，其中，加热元件位于壳体的内部空间中和/或壳体的表面上。以这种方式，可以实现的优点是：根据本发明的侧通道压缩机可以快速加热，尤其是在冷启动程序的范围内。在侧通道压缩机在低温下运行之前，加热元件被供以能量，尤其是电能，加热元件将该能量转换成热和/或热能。该过程有利地通过侧通道压缩机的构件的小的特定热容来支持，借助于此热能能够前进到可运动的构件、例如压缩机轮并且消除存在的冰桥。此外，在冷启动过程中，加热能量能够在接通加热元件之后的短时间内前进到在侧通道压缩机运行中可能由于冰桥而损坏的运动部件和/或部件。由此，能够降低由于侧通道压缩机的构件的损坏而引起的失效概率。以这种方式可以改善侧通道压缩机的以及因此整个燃料电池系统的冷启动能力，因为可以更快地解冻和消除冰桥。

11、本发明不限于这里描述的实施例和其中强调的方面。相反，可实现处于本领域技术人员处理的范围内的多个变型。