DE102009040799B4

DE102009040799B4 - Endplatte eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102009040799B4
Application number: DE102009040799.5A
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: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: CN101673834A; US20100068046A1; DE102009040799A1

Abstract

Endplatte eines Brennstoffzellenstapels, umfassend: – eine Stirnseite (18), – eine Mündung (34), die in die Stirnseite (18) eingebracht ist, – einen Durchlass für ein Fluid, der sich von der Mündung (34) aus durch die Endplatte erstreckt, – einen Diffusor (12) zur Druckbeaufschlagung und Zirkulation des Fluids in Zusammenarbeit mit einem Schaufelrad, wobei der Diffusor (12) in der Stirnseite (18) um die Mündung (34) herum ausgebildet ist und einen Arbeitsbereich (36) aufweist, der sich benachbart der Mündung (34) befindet und eine ringförmige Fläche bildet, die sich radial und axial von der Mündung (34) erstreckt, wobei der Diffusor (12) ferner eine spiralförmige, in die Stirnseite (18) eingebrachte Vertiefung (30) aufweist, die den Arbeitsbereich (36) umgibt, und – eine ringförmige Verstärkung (16), die über dem Arbeitsbereich (36) angebracht ist und den Arbeitsbereich (36), aber nicht die spiralförmige Vertiefung (30) bedeckt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf eine Endplatte eines Brennstoffzellenstapels.
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.
Herkömmliche Brennstoffzellenstapel mit Endplatten sind aus den Druckschriften DE 10 2004 049 623 A1 und JP 2006-107 979 A bekannt. Herkömmliche Pumpen sind in den Druckschriften US 4 076 450 A , US 4 556 364 A , US 4 245 952 A und DE 21 07 763 A beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Ein erfindungsgemäße Endplatte eines Brennstoffzellenstapels umfasst eine Stirnseite, eine Mündung, die in die Stirnseite eingebracht ist, einen Durchlass für ein Fluid, der sich von der Mündung aus durch die Endplatte erstreckt, und einen Diffusor zur Druckbeaufschlagung und Zirkulation des Fluids in Zusammenarbeit mit einem Schaufelrad. Der Diffusor ist in der Stirnseite um die Mündung herum ausgebildet und weist einen Arbeitsbereich auf, der sich benachbart der Mündung befindet und eine ringförmige Fläche bildet, die sich radial und axial von der Mündung erstreckt. Der Diffusor weist ferner eine spiralförmige, in die Stirnseite eingebrachte Vertiefung auf, die den Arbeitsbereich umgibt. Ferner umfasst die Endplatte eine ringförmige Verstärkung, die über dem Arbeitsbereich angebracht ist und den Arbeitsbereich, aber nicht die spiralförmige Vertiefung bedeckt.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich.
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 Endplatte eines Brennstoffzellensystems ist;
2 eine Vorderansicht der unteren Endeinheit von 1 ist, die einen Diffusor der unteren Endplatte 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.
Die Figuren zeigen eine untere Endplatte 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 besitzt eine Verstärkung 16, die den Bedarf zum Ersetzen einer gesamten Stirnseite 18 der unteren Endplatte 10 beseitigt, wie es der Fall sein kann, wenn ein Diffusor ohne eine derartige Verstärkung beschädigt ist.
Die untere Endplatte 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 Endplatte 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 Endplatte eine Kathodenbefeuchtungseinheit, einen Ladeluftkühler, eine Anodenrezirkulationspumpe, einen Anodeninjektor und -ejektor sowie andere Komponenten aufweisen. Bezug nehmend auf 1 kann die gezeigte untere Endplatte 10 die Pumpe 14 für Hochtemperaturkühlmittel, einen Kühlmittelumleiter 20, Fluidschläuche 22 sowie einen Ablauf 24 aufweisen, die untere Endplatte 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 Endplatte 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, weist die Pumpe 14 für Hochtemperaturkühlmittel ein Schaufelrad auf, 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 arbeitet mit dem Schaufelrad zusammen, um Fluid druckzubeaufschlagen und zu zirkulieren. Bezug nehmend auf die 2 und 3 kann der Diffusor 12 einteilig in der Stirnseite 18 der unteren Endplatte 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 definiert eine spiralförmige Einsenkung oder Vertiefung 30 in der vergleichsweise im Wesentlichen ebenen Stirnseite 18. 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, bildet der Arbeitsbereich 36 eine ringförmige Fläche, 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 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 Endplatte 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.