DE102009040799A1

DE102009040799A1 - Diffusor einer unteren Endeinheit eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102009040799A1
Application number: DE102009040799A
Authority: DE
Inventors: Joseph D. Rainville; Benno Andreas-Schott
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: CN101673834A; US20100068046A1; DE102009040799B4

Abstract

Eine untere Endeinheit eines Brennstoffzellensystems definiert einen Diffusor einer Pumpe. Der Diffusor kann eine Verstärkung besitzen, die an einem Arbeitsbereich des Diffusors angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das Gebiet, das die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Produkte, die eine untere Endeinheit eines Brennstoffzellensystems aufweisen, wobei die untere Endeinheit einen Diffusor einer Pumpe, eines Luftkompressors, einer Anodenrezirkulationspumpe, eines Gehäuses, das eine Verdrängermaschine umschließt, oder einer anderen rotierenden Turbomaschine bildet.
HINTERGRUND
Eine Kreisel- bzw. Zentrifugalpumpe setzt typischerweise Fluid unter Druck, indem dieses durch ein rotierendes Schaufelrad in nächster Nähe zu einem Diffusor radial nach außen beschleunigt wird. Jedoch kann sogar ein geringfügiger Schaden an dem Diffusor die Leistungsfähigkeit der Pumpe beeinträchtigen. Ein Schaden kann aus einem Kontakt zwischen dem Schaufelrad und dem Diffusor bewirkt werden, wie beispielsweise, wenn Lager der Pumpe Schaden nehmen, wenn eine Kontamination vorhanden ist oder wenn eine Komponente unsachgemäß montiert ist.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine beispielhafte Ausführungsform kann ein Produkt aufweisen, das eine untere Endeinheit eines Brennstoffzellensystems aufweisen kann, die ei nen Diffusor einer Pumpe definiert. Der Diffusor kann eine Verstärkung besitzen, die an einem Arbeitsbereich des Diffusors angeordnet ist.
Eine beispielhafte Ausführungsform kann ein Verfahren zur Herstellung eines Produktes aufweisen, das aufweisen kann, dass eine untere Endeinheit eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt wird. Die untere Endeinheit kann eine Stirnseite besitzen. Das Verfahren kann auch aufweisen, dass ein Diffusor einer Pumpe an der Stirnseite ausgebildet wird. Der Diffusor kann einen Arbeitsbereich definieren. Und das Verfahren kann ein Verstärken des Arbeitsbereiches aufweisen.
Eine beispielhafte Ausführungsform kann ein Produkt aufweisen, die einen Diffusor aufweisen kann, der in einer Stirnseite einer unteren Endeinheit definiert ist, die ein Teil eines Brennstoffzellensystems ist. Der Diffusor kann ein Teil einer Kühlmittelpumpe sein und kann eine Außenfläche mit einem Arbeitsbereich definieren. Das Produkt kann auch eine Verstärkung aufweisen, die an der Außenfläche des Diffusors angebracht ist und die zumindest den Arbeitsbereich bedeckt. Die Verstärkung kann von der Außenfläche nach Bedarf entfernt werden, wie beispielsweise, wenn sie beschädigt ist und ersetzt werden muss.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
1 eine bruchstückhafte und teilweise in Explosionsdarstellung gezeigte Ansicht einer unteren Endeinheit eines Brennstoffzellensystems ist;
2 eine Vorderansicht der unteren Endeinheit von 1 ist, die einen Diffusor der unteren Endeinheit zeigt; und
3 eine bruchstückhafte Schnittansicht entlang der Linie 3-3 von 2 ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter (illustrativer) Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Die Figuren zeigen eine untere Endeinheit 10 eines zugeordneten Brennstoffzellensystems, das eine integrale Ummantelung oder einen integralen Diffusor 12 einer Kreisel- bzw. Zentrifugalpumpe definiert, wie eine Pumpe 14 für Hochtemperaturkühlmittel, einen Luftkompressor, eine Anodenrezirkulationspumpe, ein Gehäuse, das eine Verdrängermaschine umschließt, sowie andere Komponenten. Der Diffusor 12 kann eine Verstär kung 16 besitzen, die den Bedarf zum Ersetzen einer gesamten Stirnseite 18 der unteren Endeinheit 10 beseitigt, wie es der Fall sein kann, wenn ein Diffusor ohne eine derartige Verstärkung beschädigt ist.
Die untere Endeinheit 10 kann eine kompakte Einheit sein, die unter anderem als ein Verteiler für eine zentralisierte Fluidverteilung in einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems dienen kann. Bei einigen Ausführungsformen kann die untere Endeinheit 10 mit dem ”feuchten Ende” des Brennstoffzellenstapels in Verbindung stehen, an dem Reaktanden wie auch Kühlmittel in und aus dem Brennstoffzellenstapel strömen. Obwohl es nicht gezeigt ist, kann eine beispielhafte untere Endeinheit eine Kathodenbefeuchtungseinheit, einen Ladeluftkühler, eine Anodenrezirkulationspumpe, einen Anodeninjektor und -ejektor sowie andere Komponenten aufweisen. Bezug nehmend auf 1 kann die gezeigte untere Endeinheit 10 die Pumpe 14 für Hochtemperaturkühlmittel, einen Kühlmittelumleiter 20, Fluidschläuche 22 sowie einen Ablauf 24 aufweisen, die untere Endeinheit kann auch die zugeordneten Durchlässe für diese Komponenten definieren wie auch verschiedene Bolzenlöcher zur Befestigung der Komponenten besitzen. Die gezeigten Komponenten können durch die Stirnseite 18 kommunizieren und mit dieser verbunden sein. Die Stirnseite 18 kann eine teilweise freigelegte Seite eines Körpers der unteren Endeinheit 10 sein. Eine Abdeckung 26 kann über die Stirnseite 18 geschraubt sein, um die Stirnseite zu schützen und abzuschirmen.
Die Pumpe 14 für Hochtemperaturkühlmittel kann Kühlmittel druckbeaufschlagen und durch einen Kühlmittelkreis sowie durch Kühlmittelverteilungsschichten in dem Brennstoffzellenstapel umwälzen bzw. zirkulieren. Bei anderen Ausführungsformen kann die Pumpe für Hochtemperaturkühlmittel eine Pumpe für Niedertemperaturkühlmittel sein. Obwohl es nicht gezeigt ist, kann die Pumpe 14 für Hochtemperaturkühlmittel ein Schaufelrad aufweisen, das durch einen Motor 28 betrieben wird und das um eine Welle des Motors rotiert. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Schaufelrad vom offenen Typ, vom halboffenen Typ, vom geschlossenen Typ und dergleichen sein. Das Schaufelrad kann aus Eisen, Stahl, Aluminium, Kunststoff oder einem beliebigen anderen geeigneten Material bestehen. Der Fachmann kennt den allgemeinen Aufbau, die allgemeine Anordnung sowie den Betrieb derartiger Kühlmittelpumpen und Schaufelräder, so dass auf eine vollständigere Beschreibung hier verzichtet wird.
Der Diffusor 12 kann einen Teil der Pumpe 14 für Hochtemperaturkühlmittel bilden und kann mit dem Schaufelrad zusammenarbeiten, um Fluid druckzubeaufschlagen und zu zirkulieren. Bezug nehmend auf die 2 und 3 kann der Diffusor 12 einteilig in der Stirnseite 18 der unteren Endeinheit 10 geformt sein; d. h. der Diffusor kann mit der Stirnseite 18 geformt sein, in die Stirnseite 18 geschnitten sein oder anderweitig in der Stirnseite 18 ausgebildet sein. Der Diffusor 12 kann eine spiralförmige Einsenkung oder Vertiefung 30 in der vergleichsweise im Wesentlichen ebenen Stirnseite 18 definieren. Die spiralförmige Vertiefung 30 kann eine sich in einer Umfangsrichtung von einem Ende zu ihrem anderen Ende verjüngende Dicke besitzen. Die spiralförmige Vertiefung 30 kann ein Zentrum 32 um eine Zentralachse A des Diffusors 12 kreisförmig umgeben und kann eine zu dem Zentrum führende Mündung 34 kreisförmig umgeben. Bei einigen Arten sind das Schaufelrad und der Diffusor 12 komplementär zueinander geformt. Beispielsweise kann ein enger Zwischenraum oder Raum zwischen dem rotierenden Schaufelrad und dem Diffusor 12 (beispielsweise Tausendstel eines Zoll) vorgesehen sein, insbesondere in einem Arbeitsbereich 36, der sich benachbart der Mündung 34 befindet. Wie hier gezeigt ist, kann der Arbeitsbereich 36 eine ringförmige Fläche bilden, die sich radial und axial von der Mündung 34 erstreckt. Bei anderen Ausführungsformen kann der Arbeitsbereich 36 andere Flächen des Diffusors 12 mit ähnlichen Toleranzen bilden; in diesem Sinne kann der Arbeitsbereich von Anwendung zu Anwendung variieren und kann unter anderem von der Geometrie und den Abmessungen des Schaufelrades wie auch des Diffusors sowie dem Zwischenraum zwischen dem Schaufelrad und dem Diffusor abhängen.
Die Verstärkung 16 kann den Bedarf nach einem Austausch der gesamten Stirnseite 18 beseitigen, wenn der Diffusor 12 an dem Arbeitsbereich 36 beschädigt ist. Bei der gezeigten Ausführungsform kann die Verstärkung 16 ein Ring 38 sein, der über dem Arbeitsbereich 36 angebracht sein kann und diesen im Wesentlichen bedecken kann. Bei anderen Ausführungsformen kann der Ring 38 mehr als nur den Arbeitsbereich 36 bedecken; beispielsweise kann der Ring 38 andere Bereiche des Diffusors 12 mit einer engen Toleranz in Bezug auf die zwischen dem Schaufelrad und dem Diffusor gemessene Distanz bedecken. Bei dem gezeigten Beispiel ist der Arbeitsbereich 36 derart ausgebildet, um den Ring 38 so aufzusetzen, dass der Ring eine fluchtende Fläche mit der unmittelbar umgebenden Fläche des Diffusors 12 bildet. Die exakte Form und die exakten Abmessungen des Ringes 38 können unter anderem gemäß der Form und den Abmessungen des Diffusors 12 wie auch der Form und den Abmessungen des Arbeitsbereiches 36 variieren. Beispielsweise kann sich der Ring 38 radial von einem ersten Anschlussende 40 zu einem zweiten Anschlussende 42 erstrecken und kann eine um den Umfang kontinuierliche Biegung 44 dazwischen aufweisen.
Bei einer Ausführungsform kann der Ring 38 aus einem Material bestehen, das das gleiche wie das Material des Diffusors 12 ist; bei einer anderen Ausführungsform kann der Ring aus einem Material bestehen, das von dem Material des Diffusors verschieden ist, wie rostfreiem Stahl; und bei einer anderen Ausführungsform kann der Ring aus einem geeigneten Material mit ähnlicher Festigkeit und anderen Qualitäten von rostfreiem Stahl bestehen. Der Ring 38 kann als ein separates Stück geformt sein, das anschließend an dem Diffusor 12 angebracht wird. Der Ring 38 kann dauerhaft an dem Diffusor 12 angebracht sein oder kann an dem Diffusor entfernbar angebracht sein, so dass der Ring, wenn er im Betrieb durch das Schaufelrad beschädigt wird, entfernt und durch einen anderen Ring ersetzt werden kann. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Verstärkung 16 eine Beschichtung aus rostfreiem Stahl oder einem anderen geeigneten Material (beispielsweise ähnliche Festigkeit und andere Qualitäten) sein, die direkt im Wesentlichen über dem Arbeitsbereich 36 aufgetragen werden kann. Und bei noch weiteren Ausführungsformen kann die Verstärkung 16 ein Ring aus einem Material sein, das eine Beschichtung aus einem rostfreien Stahl oder einem anderen geeigneten Material an einer äußeren und freiliegenden Fläche des Ringes besitzt.
Wie erwähnt ist, kann die Verstärkung 16 den Bedarf nach einem Austausch der gesamten Stirnseite 18 der unteren Endeinheit 10 beseitigen. Beispielsweise kann ein Material aus rostfreiem Stahl den Arbeitsbereich 36 im Vergleich zu einem Bereich ohne rostfreien Stahl verhärten; folglich ist der Arbeitsbereich 36 weniger anfällig gegenüber Abnutzung, Schaden oder anderen Fehlern, die aufgrund des Gebrauchs, eines Kontaktes zwischen dem Schaufelrad und dem Diffusor, einer Kontamination, einer unsachgemäßen Installation oder dergleichen entstehen können. Als ein anderes Beispiel muss, wenn der Ring 38 tatsächlich abgenutzt oder beschädigt ist, nur der Ring entfernt und gegen einen neuen nicht abgenutzten und unbeschädigten Ring ersetzt werden.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Variationen derselben nicht als eine Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Produkt, umfassend: eine untere Endeinheit eines Brennstoffzellensystems, wobei die untere Endeinheit einen Diffusor einer Komponente definiert, wobei der Diffusor eine Verstärkung aufweist, die an einem Arbeitsbereich des Diffusors angeordnet ist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die Verstärkung ein Ring ist, der aus einem ersten Material besteht, das härter als ein zweites Material des Diffusors ist.
Produkt nach Anspruch 2, wobei das erste Material ein rostfreier Stahl ist.
Produkt nach Anspruch 2, wobei der Ring ein separates Stück ist, das an einer Fläche des Diffusors an dem Arbeitsbereich angebracht ist und das davon entfernbar ist.
Produkt nach Anspruch 2, wobei im Querschnittsprofil der Ring sich radial von einem ersten Anschlussende zu einem zweiten Anschlussende erstreckt und eine einzelne Biegung dazwischen aufweist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei der Arbeitsbereich benachbart einer Mündung eines Zent rums des Diffusors definiert ist und die Mündung um den Umfang herum und kontinuierlich umgibt.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die Verstärkung eine über dem Arbeitsbereich aufgetragene Beschichtung ist.
Produkt nach Anspruch 7, wobei die Beschichtung aus einem rostfreien Stahl besteht.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die Verstärkung ein separates Stück ist, das an einer Fläche des Diffusors an dem Arbeitsbereich angebracht ist und das davon entfernbar ist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei der Diffusor in einer Stirnseite der unteren Endeinheit definiert ist.
Verfahren zum Herstellen eines Produktes, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine untere Endeinheit eines Brennstoffzellensystems vorgesehen wird, wobei die untere Endeinheit eine Stirnseite aufweist; ein Diffusor einer Pumpe in der Stirnseite ausgebildet wird, wobei der Diffusor einen Arbeitsbereich definiert; und der Arbeitsbereich verstärkt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verstärken des Arbeitsbereiches umfasst, dass ein Ring, der aus einem rostfreien Stahl besteht, an einer Fläche des Diffu sors an dem Arbeitsbereich angebracht wird, wobei der Ring von der Fläche entfernbar ist und im Vergleich zu dem Arbeitsbereich ohne den Ring weniger anfällig gegenüber Abnutzung ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verstärken des Arbeitsbereiches umfasst, dass eine Beschichtung auf den Arbeitsbereich aufgetragen wird, wobei die Beschichtung im Vergleich zu dem Arbeitsbereich ohne die Beschichtung weniger anfällig gegenüber Abnutzung ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verstärken des Arbeitsbereiches umfasst, dass eine Verstärkung an einer Fläche des Diffusors an dem Arbeitsbereich angebracht wird, wobei die Verstärkung von der Fläche entfernbar ist und aus demselben Material wie dem Material des Diffusors besteht.
Produkt, umfassend: einen Diffusor, der in einer Stirnseite einer unteren Endeinheit eines Brennstoffzellensystems definiert ist, wobei der Diffusor ein Teil einer Kühlmittelpumpe ist und eine Außenfläche mit einem Arbeitsbereich besitzt; und eine Verstärkung, die an der Außenfläche des Diffusors angebracht ist und den Arbeitsbereich bedeckt, wobei die Verstärkung von der Außenfläche entfernbar ist.
Produkt nach Anspruch 15, wobei die Verstärkung ein Ring ist, der nur den Arbeitsbereich bedeckt.
Produkt nach Anspruch 16, wobei der Ring aus einem rostfreien Stahl besteht, der härter als ein Material des Diffusors ist.
Produkt nach Anspruch 15, wobei die Verstärkung ein Ring ist, der den Arbeitsbereich bedeckt und aus einem gleichen Material wie dem Material des Diffusors besteht.
Produkt nach Anspruch 15, wobei der Arbeitsbereich benachbart einer Mündung eines Zentrums des Diffusors definiert ist und die Mündung um den Umfang herum und kontinuierlich umgibt.