本發(fā)明涉及一種用于運(yùn)行空氣系統(tǒng)的方法，該空氣系統(tǒng)包括多級式空氣輸送和空氣壓縮系統(tǒng)，該多級式空氣輸送和空氣壓縮系統(tǒng)包括帶有電動機(jī)式驅(qū)動的壓縮機(jī)的壓縮級以及帶有借助渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的壓縮級，其中，所述壓縮機(jī)分別具有經(jīng)由氣體軸承支承的轉(zhuǎn)子。除此之外，本發(fā)明涉及一種用于實(shí)施所述方法的步驟的控制器。本發(fā)明的優(yōu)選的應(yīng)用領(lǐng)域是燃料電池系統(tǒng)，尤其是移動式燃料電池系統(tǒng)或燃料電池車輛。

背景技術(shù)：

1、燃料電池系統(tǒng)需要還原劑(通常是氫)和氧化劑(通常是氧)。通常，從環(huán)境中獲取的空氣用作氧供應(yīng)方。氫和氧在燃料電池中轉(zhuǎn)化為電能、熱量和水。在實(shí)踐中，大量燃料電池組合成燃料電池堆或堆垛。

2、由于燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)需要一定的空氣質(zhì)量流以及一定的壓力水平，因此，事先借助空氣輸送和空氣壓縮系統(tǒng)將供應(yīng)給燃料電池的空氣壓縮。該空氣輸送和空氣壓縮系統(tǒng)可以單級地或者多級地以及單流地或者多流地構(gòu)造。除此之外，可以設(shè)置有用于能量回收的渦輪機(jī)，為此，給該渦輪機(jī)供應(yīng)經(jīng)消耗的空氣或廢氣。在單級式空氣輸送和空氣壓縮系統(tǒng)中，渦輪機(jī)經(jīng)由共同的軸與壓縮機(jī)的電動機(jī)式驅(qū)動器連接。在多級式、尤其是兩級式系統(tǒng)中，第一級可以以電動機(jī)的方式被驅(qū)動，第二級可以借助渦輪機(jī)被驅(qū)動。在此，渦輪機(jī)驅(qū)動的級可以連接在電動機(jī)式驅(qū)動的級的上游或者下游。多級式壓縮具有如下優(yōu)點(diǎn)，即能夠?qū)崿F(xiàn)較高的系統(tǒng)壓力。

3、通常，熱流體機(jī)械用作空氣輸送和空氣壓縮系統(tǒng)中的壓縮機(jī)。這些熱流體機(jī)械具有轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子通常通過兩個徑向軸承和一個軸向軸承以能夠轉(zhuǎn)動的方式被支承。在燃料電池系統(tǒng)中，出于無油性的原因，這些軸承實(shí)施為氣體軸承或空氣軸承。在非常高的回轉(zhuǎn)速度的情況下，氣體軸承或空氣軸承具有非常小的摩擦并且因此具有非常少的軸承損耗。但是，如果小于最小轉(zhuǎn)速、所謂的浮起轉(zhuǎn)速(abhebedrehzahl)，則不產(chǎn)生氣體摩擦，而是產(chǎn)生固體摩擦并且因此產(chǎn)生軸承的高應(yīng)力。通常在使熱流體機(jī)械停止時、即在轉(zhuǎn)子滑行轉(zhuǎn)停時，出現(xiàn)這種情況。在非?？焖俚耐Ｖ购团c此相關(guān)的高轉(zhuǎn)速梯度的情況下，可以產(chǎn)生軸承的不可逆的損傷或者甚至可以產(chǎn)生軸承的毀壞。為了防止這一點(diǎn)，應(yīng)將著落轉(zhuǎn)速(aufsetzdrehzahl)保持得盡可能低。由于壓力沖擊，轉(zhuǎn)子此外可以在軸向方向上往復(fù)運(yùn)動，使得在最差的情況下產(chǎn)生轉(zhuǎn)子與軸向軸承之間的接觸。因此，應(yīng)盡可能避免壓力沖擊。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明涉及如下任務(wù)：以保護(hù)部件的方式設(shè)計(jì)空氣系統(tǒng)中的多級式空氣輸送和空氣壓縮系統(tǒng)的渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的氣體支承的轉(zhuǎn)子的滑行轉(zhuǎn)停(auslaufen)。

2、為了解決所述任務(wù)，提出一種具有權(quán)利要求1的特征的方法。本發(fā)明的有利的擴(kuò)展方案能夠從從屬權(quán)利要求中得到。除此之外，給出一種用于實(shí)施該方法的步驟的控制器。

3、提出一種用于運(yùn)行用于給燃料電池堆供給空氣的空氣系統(tǒng)的方法，該空氣系統(tǒng)包括多級式空氣輸送和空氣壓縮系統(tǒng)，該多級式空氣輸送和空氣壓縮系統(tǒng)具有帶有電動機(jī)式驅(qū)動的壓縮機(jī)的壓縮級以及帶有借助渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的壓縮級，其中，所述兩個壓縮級的壓縮機(jī)分別具有經(jīng)由氣體軸承支承的轉(zhuǎn)子。根據(jù)本發(fā)明，為了以保護(hù)氣體軸承的方式停止渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)，將空氣系統(tǒng)從任意的運(yùn)行點(diǎn)轉(zhuǎn)移到能夠?qū)崿F(xiàn)渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速減小的運(yùn)行點(diǎn)。然后，可以可選地實(shí)施步驟a)或者步驟b)。

4、在步驟a)中，將電動機(jī)式驅(qū)動的壓縮機(jī)關(guān)斷，并且將渦輪機(jī)旁路中的旁路閥關(guān)閉或者保持關(guān)閉，直到借助渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子滑行轉(zhuǎn)停。

5、在步驟b)中，繼續(xù)運(yùn)行、優(yōu)選以減小的轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行電動機(jī)式驅(qū)動的壓縮機(jī)，并且瞬時地(transient)打開渦輪機(jī)旁路中的旁路閥，使得通過降低通過渦輪機(jī)的質(zhì)量流并且通過降低渦輪機(jī)上游的壓力p)瞬時地降低渦輪機(jī)上的驅(qū)動力矩。

6、因此，具有步驟a)的方法不僅設(shè)置使渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)停止，還設(shè)置使電動機(jī)式驅(qū)動的壓縮機(jī)停止。因此，當(dāng)應(yīng)使空氣系統(tǒng)在整體上停止時，始終可以應(yīng)用該方法。不過，這并不排除，在使空氣系統(tǒng)停止后再次接通電動機(jī)式壓縮機(jī)，以便在沒有渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的情況下繼續(xù)運(yùn)行空氣系統(tǒng)。

7、具有步驟b)的方法僅設(shè)置使渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)停止，而電動機(jī)式驅(qū)動的壓縮機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。例如在低的堆壓力的情況下，例如在低的外部溫度的情況下，這可以是符合期望的。

8、在步驟b)中，通過渦輪機(jī)的質(zhì)量流的降低和渦輪機(jī)上游的、尤其是在渦輪機(jī)的入口上的壓力的降低，導(dǎo)致在適度的轉(zhuǎn)速梯度的同時適度的驅(qū)動力矩梯度，這保護(hù)部件地、尤其是保護(hù)氣體軸承地起作用。在此，瞬時地進(jìn)行降低，即逐步地或者借助斜坡或軌跡進(jìn)行降低。測量表明，如果不突然地、而是瞬時地降低通過渦輪機(jī)的質(zhì)量流和渦輪機(jī)的入口上的壓力，則渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子的軸向運(yùn)動被減小，使得避免轉(zhuǎn)子與其軸向軸承的接觸。

9、然而，按照步驟a)，可以以更加保護(hù)氣體軸承的方式、尤其是以對于軸向軸承而言更溫和的方式停止渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)，使得與步驟b)相比，優(yōu)選步驟a)。因?yàn)樵诎凑詹襟Ea)進(jìn)行停止時，渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子可以平穩(wěn)地滑停(aussegeln)。

10、但是，如果不關(guān)斷電動機(jī)式驅(qū)動的壓縮機(jī)，即不實(shí)施步驟a)、而是實(shí)施步驟b)，則應(yīng)在盡可能低的轉(zhuǎn)速的情況下、優(yōu)選在空轉(zhuǎn)中繼續(xù)運(yùn)行電動機(jī)式驅(qū)動的壓縮機(jī)，以便以盡可能保護(hù)氣體軸承的方式停止渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)。

11、在本發(fā)明的擴(kuò)展方案中提出，在步驟a)或者b)之前，通過關(guān)閉截止閥將燃料電池堆與空氣系統(tǒng)斷開，并且將繞過燃料電池堆的堆旁路中的旁路閥打開。也就是說，將空氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到陰極旁路運(yùn)行中。然后，將借助空氣輸送和空氣壓縮系統(tǒng)壓縮的空氣直接地、即在不經(jīng)由燃料電池堆繞道的情況下供應(yīng)給渦輪機(jī)。為此，可以完全地或者部分地打開布置在堆旁路中的旁路閥。

12、在步驟a)之后，即在渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子滑行轉(zhuǎn)停之后，可以將布置在渦輪機(jī)旁路中的旁路閥和/或布置在堆旁路中的旁路閥打開或者保持打開。因此，可以使整個空氣輸送和空氣壓縮系統(tǒng)停止，并且可以向上級控制裝置發(fā)送相應(yīng)的確認(rèn)。

13、如果不應(yīng)停止整個空氣系統(tǒng)，則可以在步驟a)之后，在渦輪機(jī)旁路中的旁路閥打開的情況下，再次接通電動機(jī)式驅(qū)動的壓縮機(jī)。然后，可以僅繼續(xù)運(yùn)行電動機(jī)式驅(qū)動的壓縮機(jī)。

14、但是，如果根據(jù)步驟b)不關(guān)斷、而是以較低的轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行電動機(jī)式驅(qū)動的壓縮機(jī)，則優(yōu)選地，在步驟b)之前，將空氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到部分負(fù)載運(yùn)行或者空轉(zhuǎn)運(yùn)行中，用于減小渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于在空轉(zhuǎn)運(yùn)行中渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速是最小的，因此，該空轉(zhuǎn)運(yùn)行優(yōu)先于部分負(fù)載運(yùn)行。

15、由于在根據(jù)步驟a)關(guān)斷電動機(jī)式驅(qū)動的壓縮機(jī)時這也可以是有意義的，因此，在步驟a)之前，可以將空氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到部分負(fù)載運(yùn)行或者空轉(zhuǎn)運(yùn)行中，用于減小渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。

16、在本發(fā)明的擴(kuò)展方案中提出，借助傳感機(jī)構(gòu)和/或以基于模型的方式求取借助渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子的滑行轉(zhuǎn)停時間，并且將該滑行轉(zhuǎn)停時間用于估計(jì)轉(zhuǎn)子的氣體軸承的磨損狀態(tài)。由于轉(zhuǎn)子的滑行轉(zhuǎn)停時間隨著軸承磨損的增加而縮短，因此，可以從滑行轉(zhuǎn)停時間推斷出氣體軸承的狀態(tài)。可以存儲所求取的滑行轉(zhuǎn)停時間，并且因此可以在渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)的整個運(yùn)轉(zhuǎn)時間內(nèi)監(jiān)控氣體軸承的狀態(tài)。此外，可以預(yù)測何時需要更換氣體軸承。

17、在停止過程期間，如果例如需要繼續(xù)運(yùn)行渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)或兩個壓縮級的壓縮機(jī)，則可以由上級控制裝置要求中斷該停止過程。優(yōu)選地，在以這種方式中斷停止過程的情況下，借助在中斷停止過程時存在的參數(shù)將啟動過程初始化。也就是說，檢測并且存儲這些參數(shù)。

18、如果應(yīng)以保護(hù)氣體軸承的方式停止渦輪機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)，可以在兩種方法之間進(jìn)行選擇，要么選擇包括步驟a)的方法、要么選擇包括步驟b)的方法。由于按照步驟a)的停止原則上比按照步驟b)的停止更溫和，因此，優(yōu)選步驟a)。不過，也可能存在如下邊界條件：在所述邊界條件中，步驟b)被證明為是更有利的。因此，優(yōu)選地，根據(jù)相應(yīng)的邊界條件、尤其是所要求的動態(tài)性和/或負(fù)載曲線，在步驟a)或者b)之間進(jìn)行選擇。在此，負(fù)載曲線可以考慮已經(jīng)進(jìn)行的關(guān)斷過程的數(shù)量。視累加的負(fù)載曲線和其余邊界條件而定地，也可以適配地在步驟a)與b)之間做出決定。

19、除此之外，提出一種控制器，該控制器設(shè)立為用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟。借助該控制器可以引入按照步驟a)或者b)的停止過程，其中，優(yōu)選地，該控制器根據(jù)當(dāng)前的邊界條件在步驟a)或者b)之間進(jìn)行選擇。接下來，可以借助控制器將空氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到有利的運(yùn)行點(diǎn)，其方式是，通過控制器操控相應(yīng)的旁路閥和/或截止閥。此外，可以借助控制器將電動機(jī)式驅(qū)動的壓縮機(jī)關(guān)斷(步驟a)或者降低電動機(jī)式驅(qū)動的壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速(步驟b)。