-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Offenbarung betrifft eine Fluidpumpenanordnung und insbesondere
ein Brennstoffzellensystem, das die Fluidpumpenanordnung aufweist.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Eine
Brennstoffzelle ist als eine saubere, effiziente sowie umweltfreundliche
Energiequelle für verschiedene
Anwendungen vorgeschlagen worden. Einzelne Brennstoffzellen können aneinander
in Reihe gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
Der Brennstoffzellenstapel kann eine Menge an Elektrizität liefern,
die ausreichend ist, um ein Elektrofahrzeug mit Leistung zu beaufschlagen. Insbesondere
ist der Brennstoffzellenstapel als eine erstrebenswerte Alternative
für den
herkömmlichen Verbrennungsmotor,
der in modernen Fahrzeugen verwendet ist, erkannt worden.
-
Ein
Typ von Brennstoffzellenstapel ist als ein Brennstoffzellenstapel
mit Protonenaustauschmembran (PEM) bekannt. Die typische PEM-Brennstoffzelle
umfasst drei Grundkomponenten: eine Kathode, eine Anode sowie eine
Elektrolytmembran. Die Kathode und die Anode umfassen typischerweise
einen fein geteilten Katalysator, wie Platin, der auf Kohlenstoffpartikeln
geträgert
und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist schichtartig
zwischen der Kathode und der Anode ange ordnet. Poröse Diffusionsmedien,
die eine Lieferung und Verteilung von Reaktanden, wie Wasserstoffgas
und Luft, unterstützen,
können
benachbart der Anode und der Kathode angeordnet sein.
-
Bei
einem Fahrzeug-Energieerzeugungssystem, das den PEM-Brennstoffzellenstapel
verwendet, wird das Wasserstoffgas an die Anoden von einer Wasserstoffspeicherquelle
geliefert, wie einem druckbeaufschlagten Wasserstofftank. Die Luft
wird an die Kathoden durch eine Luftkompressoreinheit geliefert.
Das Wasserstoffgas reagiert elektrochemisch in der Anwesenheit der
Anode, um Elektronen und Protonen zu erzeugen. Die Elektronen werden von
der Anode zu der Kathode durch eine dazwischen angeordnete elektrische
Schaltung geleitet. Die Protonen gelangen durch die Elektrolytmembran zu
der Kathode, an der Sauerstoff aus der Luft elektrochemisch reagiert,
um Sauerstoffanionen zu erzeugen. Die Sauerstoffanionen reagieren
mit den Protonen, um Wasser als ein Reaktionsprodukt zu bilden.
-
Die
elektrochemische Brennstoffzellenreaktion besitzt auch ein bekanntes
Temperaturgebiet, innerhalb dem die Reaktion effizient stattfinden
kann. Die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion verläuft exotherm
und ermöglicht
allgemein, dass der Brennstoffzellenstapel eine Temperatur innerhalb des
Soll-Temperaturgebiets während
seines Betriebs beibehalten kann. Eine ergänzende Erwärmung wird typischerweise während eines
Inbetriebnahmevorganges des Brennstoffzellenstapels verwendet, um die
Temperatur des Brennstoffzellenstapels in das Soll-Temperaturgebiet
anzuheben. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel in Fluidkommunikation
mit einem Kühlmittelsystem
stehen, das ein Kühlmittel
durch den Brennstoffzellenstapel umwälzt bzw. zirkuliert. Das Kühlmittel
kann erwärmt
werden, wie mit elektrischen Heizeinrichtungen, um die Temperatur
des Brennstoffzellenstapels anzuheben. Das Kühlmittel kann auch überschüssige Wärme weg
von dem Brennstoffzellenstapel durch Zirkulation durch einen Kühler übertragen,
der die Wärme
an die umgebende Atmosphäre
austrägt.
-
Es
ist bekannt, das Kühlmittel
durch den Brennstoffzellenstapel unter Verwendung einer Fluidpumpe
zu zirkulieren. Typischerweise werden bekannte Fluidpumpen aus einem
Metallmaterial hergestellt und erfordern die Verwendung zusätzlicher Komponenten,
Ausstattung wie auch Werkzeugen zur Installation. Die zusätzlichen
Komponenten, die zusätzliche
Ausstattung wie auch die zusätzlichen Werkzeuge
sind übermäßig schwer,
und die Fluidpumpe ist anfällig
gegenüber
einer nicht korrekten Installation.
-
Demgemäß besteht
Bedarf, eine Fluidpumpe für
einen Brennstoffzellenstapel herzustellen, wobei die Fluidpumpe
wirtschaftlich herzustellen ist und die Komplexität der Herstellung
sowie Verwendung derselben minimiert ist.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend eine Fluidpumpe
für einen Brennstoffzellenstapel
entdeckt worden, wobei die Fluidpumpe wirtschaftlich herzustellen
ist und die Komplexität
der Herstellung sowie Verwendung derselben minimiert ist.
-
Bei
einer Ausführungsform
umfasst die Fluidpumpenanordnung: einen Befestigungsaufbau mit einem
daran geformten Aufnahmeelement; und eine Fluidpumpe mit einem Gehäuse, das
zumindest ein daran geformtes Verriegelungselement aufweist, das derart
angepasst ist, dass es mit dem Aufnahmeelement des Befestigungsaufbaus
zusammenwirkt, um eine Twistlock- bzw. Drehverriegelungsverbindung zu
bilden.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
umfasst die Fluidpumpenanordnung: einen Befestigungsaufbau mit einem
daran geformten Aufnahmeelement, wobei das Aufnahmeelement zumindest
eine darin geformte Kerbe und eine daran geformte Schulter aufweist,
wobei die Schulter des Aufnahmeelements mit einem Abschnitt des
Befestigungsaufbaus zusammenwirkt, um einen Kanal dazwischen zu
bilden; und eine Fluidpumpe mit einem Gehäuse, das zumindest ein daran
geformtes Verriegelungselement besitzt, wobei das zumindest eine
Verriegelungselement derart angepasst ist, um in dem Kanal des Befestigungsaufbaus
aufgenommen zu werden, wobei die Fluidpumpe derart angepasst ist,
dass sie mit dem Befestigungsaufbau zusammenwirkt, um eine Drehverriegelungsverbindung
zu bilden.
-
Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das Brennstoffzellensystem: einen Brennstoffzellenstapel
mit zumindest einer Brennstoffzelle; eine untere Endeinheit, die
benachbart dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, wobei die
untere Endeinheit ein daran geformtes Aufnahmeelement aufweist,
wobei das Aufnahmeelement zumindest eine darin geformte Kerbe und
eine daran geformte Schulter besitzt, wobei ein Kanal zwischen der
Schulter des Aufnahmeelementes und einem Abschnitt der unteren Endeinheit
gebildet ist; und eine Fluidpumpe mit einem Gehäuse, das zumindest ein daran
geformtes Verriegelungselement besitzt, wobei das zumindest eine
Verriegelungselement derart angepasst ist, um in dem Kanal der unteren
Endeinheit aufgenommen zu werden, wobei die Fluidpumpe derart angepasst ist,
dass sie mit der unteren Endeinheit zusammenwirkt, um eine Drehverriegelungsverbindung
zu bilden.
-
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
unter Berücksichtigung
der begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
-
1 eine
teilweise in Explosionsdarstellung gezeigte perspektivische Ansicht
ist, die eine Fluidpumpenanordnung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
-
2 eine
teilweise in Explosionsdarstellung gezeigte perspektivische Ansicht
teilweise im Schnitt der in 1 gezeigten
Fluidpumpenanordnung ist;
-
3 eine
perspektivische Ansicht teilweise im Schnitt der in den 1 und 2 gezeigten
Fluidpumpenanordnung ist, die mit einem Befestigungsaufbau zusammengebaut
ist;
-
4 eine
teilweise in Explosionsdarstellung gezeigte perspektivische Ansicht
einer Fluidpumpenanordnung ist, die zumindest einen Verriegelungsmechanismus
aufweist;
-
5 eine
perspektivische Ansicht teilweise im Schnitt der in 4 gezeigten
Fluidpumpenanordnung ist, die mit einem Befestigungsaufbau zusammengebaut
ist;
-
6 eine
teilweise in Explosionsdarstellung gezeigte perspektivische Ansicht
einer Fluidpumpenanordnung ist, die zumindest einen alternativen
Verriegelungsmechanismus aufweist;
-
7 eine
perspektivische Ansicht teilweise im Schnitt der in 6 gezeigten
Fluidpumpenanordnung ist, die mit einem Befestigungsaufbau zusammengebaut
ist; und
-
8 eine
bruchstückhafte
perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels ist, der die
in 1 gezeigte Fluidpumpenanordnung aufweist.
-
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
-
Die
folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben
und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu,
den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden,
und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf
irgendeine Weise einzuschränken.
-
1 zeigt
eine Fluidpumpenanordnung 10 gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. Die Fluidpumpenanordnung 10 umfasst eine
Fluidpumpe 12 und einen entsprechenden Befestigungsaufbau 14.
Es sei zu verstehen, dass die Fluidpumpe 12 nach Bedarf
ein beliebiger Typ von Fluidpumpe sein kann, wie beispielsweise
eine flexible Impellerpumpe (mit flexiblen Schaufeln), eine Kolbenpumpe,
eine Drehschieber- bzw. Flügelzellenpumpe
und dergleichen. Die Fluidpumpe 12 ist derart angepasst, um
mit dem Befestigungsaufbau 14 zusammenzuwirken und um eine
Achse A von einer ersten Position zu einer zweiten Position zu drehen.
Die zweite Position wird auch als eine verriegelte Position bezeichnet,
wie in 3 gezeigt ist, um eine Drehverriegelungsverbindung
zu bilden. Es sei zu verstehen, dass die Fluidpumpe 12 in
einer Richtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn
um die Achse A unter Verwendung beispielsweise eines manuellen oder
eines automatischen Mittels gedreht werden kann.
-
Nun
Bezug nehmend auf 2 umfasst die Fluidpumpe 12 ein
im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 16. Obwohl das
Gehäuse 16 einteilig
als ein einheitlicher Aufbau ausgebildet gezeigt ist, sei zu verstehen,
dass das Gehäuse 16 nach
Bedarf separat ausgebildet sein kann. Es sei ferner zu verstehen, dass
die Fluidpumpe 12 nach Bedarf eine beliebige Form und Größe besitzen
kann. Bei der gezeigten Ausführungsform
wird das Gehäuse 16 aus
einem nichtleitenden Material hergestellt, um Eigenschaften der
elektrischen Isolation der Fluidpumpe 12 zu maximieren.
Das nichtleitende Material wirkt ferner einer Leitung von Elektrizität von dem
Befestigungsaufbau 14 zu der Fluidpumpe 12 und
von inneren Betriebsteilen der Fluidpumpe 12 zu einer externen
Quelle (nicht gezeigt) entgegen. Es sei zu verstehen, dass das Gehäuse 16 nach
Bedarf aus einem beliebigen herkömmlichen
Material, wie beispielsweise Kunststoff, und nach Bedarf durch ein
beliebiges herkömmliches
Verfahren, wie beispielsweise einen Spritzgussprozess, hergestellt
werden kann.
-
Das
Gehäuse 16 umfasst
ein im Wesentlichen geschlossenes erstes Ende und ein im Wesentlichen
offenes zweites Ende. Bei der gezeigten Ausführungsform ist das zweite Ende
des Gehäuses 16 derart
angepasst, um in dem Befestigungsaufbau 14 aufgenommen
zu werden, und umfasst einen Flansch 26, der sich radial
auswärts
davon erstreckt. Der Flansch 26 ist derart angepasst, um
mit dem Befestigungsaufbau 14 zusammenzuwirken, um eine
im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden. Ein
Außenumfang
des Flansches 26 umfasst eine ringförmige Gruppierung aus Verriegelungselementen 28,
die so geformt sind, dass sie sich radial auswärts davon erstrecken. Es können zusätzliche oder
weniger Verriegelungselemente 28 nach Bedarf an dem Flansch 26 geformt
sein. Obwohl die gezeigten Verriegelungselemente 28 Laschen
sind, sei zu verstehen, dass die Verriegelungselemente 28 nach Bedarf
beispielsweise Rippen, Zähne
und Sperr- bzw. Rasteinrichtungen sein können. Wie gezeigt ist, sind
die Verriegelungselemente 28 beabstandet und derart angepasst,
um in dem Befestigungsaufbau 14 aufgenommen zu werden und
damit einer Quer- und Axialbewegung der Fluidpumpe entgegenzuwirken.
-
Der
Befestigungsaufbau 14 umfasst ein daran geformtes, radiales
Aufnahmeelement 30. Das Aufnahmeelement 30 erstreckt
sich lateral auswärts von
dem Befestigungsaufbau 14. Eine Schulter 32 des
Aufnahmeelementes 30 und ein Abschnitt 34 des Befestigungsaufbaus 14 wirken
zusammen, um einen Kanal 36 dazwischen zu bilden. Es sei
zu verstehen, dass das Aufnahmeelement 30 nach Bedarf eine
beliebige Form und Größe besitzen
kann. Die Schulter 32 umfasst eine ringförmige Gruppierung aus
darin geformten Kerben 38. Die Kerben 38 sind derart
angepasst, um die Verriegelungselemente 28 des Gehäuses 16 aufzunehmen
und zu ermöglichen, dass
die Verriegelungselemente 28 in den Kanal 36 eintreten
können.
-
Wie
in den 4 bis 7 gezeigt ist, kann die Fluidpumpenanordnung 10 auch
zumindest einen Verriegelungsmechanismus aufweisen, wie beispielsweise
ein Befestigungselement, ein Schnappmerkmal und dergleichen, um
einer Quer- und Drehbewegung der Fluidpumpe 12 weiter entgegenzuwirken.
Als ein nicht beschrankendes Beispiel, wie in den 4 und 5 gezeigt
ist, umfasst der Verriegelungsmechanismus eine Rasteinrichtung 41,
die an zumindest einem der Verriegelungselemente 28 geformt
ist. Eine in der Schulter 32 von zumindest einem der Aufnahmeelemente 30 geformte Öffnung 42 ist
derart angepasst, um die Rasteinrichtung 41 darin aufzunehmen.
Als ein weiteres nicht beschränkendes
Beispiel, das in den 6 und 7 gezeigt
ist, umfasst der Verriegelungsmechanismus zumindest ein Befestigungselement 44.
Eine in der Schulter 32 von zumindest einem der Aufnahmeelemente 30 geformte Öffnung 46 ist
im Wesentlichen mit einer Öffnung 48 ausgerichtet,
die in zumindest einem der Verriegelungselemente 28 geformt
ist, um das Befestigungselement 44 darin aufzunehmen. Wie
gezeigt ist, ist die in der Schulter 32 der Aufnahmeelemente 30 geformte Öffnung 46 eine
Gewindeöffnung.
Es sei jedoch zu verstehen, dass die Öffnung 48, die in
den Verriegelungselementen 28 geformt ist, gegebenenfalls
auch eine Gewindeöffnung
sein kann. Es sei ferner zu verstehen, dass nach Bedarf weniger
oder zusätzliche
Verriegelungsmechanismen verwendet werden können.
-
Die
Fluidpumpenanordnung 10 kann durch Positionierung der Fluidpumpe 12 relativ
zu dem Befestigungsaufbau 14 derselben zusammengebaut werden,
wobei die Verriegelungselemente 28 des Gehäuses 16 im
Wesentlichen mit den in dem Aufnahmeelement 30 des Befestigungsaufbaus 14 geformten
Kerben 38 ausgerichtet werden. Die Fluidpumpe 12 wird
dann in das Aufnahmeelement 30 des Befestigungsaufbaus 14 eingesetzt,
wodurch bewirkt wird, dass die Verriegelungselemente 28 in
dem Kanal 36 angeordnet werden. Anschließend wird
die Fluidpumpe 12 um die Achse A in die verriegelte Position
gedreht, wie in 3 gezeigt ist. Wenn die Fluidpumpe 12 in
der verriegelten Position ist, sind die Verriegelungselemente 28 in
Bezug auf die Kerben 38 versetzt. Demgemäß hält das Aufnahmeelement 30 die
Verriegelungselemente 28 fest, wodurch eine im Wesentlichen
dichte Übermaß- bzw.
Presspassung erzeugt wird, die einer Quer-, Axial- sowie Drehbewegung
der Fluidpumpe 12 und deren Entfernung von dem Befestigungsaufbau 14 entgegenwirkt.
Wie in den 4 bis 7 gezeigt
ist, kann der Verriegelungsmechanismus auch dazu verwendet werden,
einer Drehbewegung der Fluidpumpe 12 und deren Entfernung
von dem Befestigungsaufbau 14 entgegenzuwirken.
-
Im
Betrieb sieht die Fluidpumpenanordnung 10 beispielsweise
eine Strömung
eines Fluides zur Verwendung in einem Kühlmittelsystem eines Brennstoffzellenstapels
vor. Es sei zu verstehen, dass die Fluidpumpenanordnung 10 nach
Bedarf bei anderen Anwendungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang
und dem Erfindungsgedanken der Erfindung verwendet werden kann.
Fluid tritt in die Fluidpumpenanordnung 10 ein, wobei eine
Strömungsgeschwindigkeit
beibehalten wird. Anschließend
wird bewirkt, dass das Fluid durch das Kühlmittelsystem zirkulieren
kann. Es sei zu verstehen, dass das Fluid ein beliebiges Fluid sein
kann, wie beispielsweise ein Kältemittel,
ein Kühlmittel,
Wasser, Ethylenglykol und dergleichen.
-
Bei
der in 8 gezeigten Ausführungsform umfasst die vorliegende
Erfindung ferner ein Brennstoffzellensystem 100, das einen
Brennstoffzellenstapel 102 mit einer daran angeordneten
Fluidpumpenanordnung 10' aufweist.
Bezugszeichen für
einen ähnlichen
Aufbau in Bezug auf die Beschreibung der 1 bis 7 sind
in 8 mit einem Strichindexbindestrich (')-Symbol wiederholt.
-
Das
Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 102,
der zwischen einer oberen Endeinheit 104 und einer unteren
Endeinheit 106 angeordnet ist. Die obere und untere Endeinheit 104, 106 schließen zumindest
ein und bei bestimmten Ausführungsformen
mehr als ein Brennstoffzellen-Subsystem und damit in Verbindung
stehende Vorrich tungen ein, die bei einer Vorkonditionierung und
einem Betrieb des Brennstoffzellenstapels 102 einbezogen
sind. Als nicht beschränkende
Beispiele können
die in der oberen und unteren Endeinheit 104, 106 eingeschlossenen
Brennstoffzellen-Subsysteme Fluiddurchgänge, Durchgänge für Wasserstoffbrennstoff sowie
Oxidationsmittel (O2/Luft), Kühlpumpen,
Umwälzpumpen,
Ablassventile, Isolation, Gebläse,
Verdichter bzw. Kompressoren, Ventile, elektrische Verbinder, Reformer,
Befeuchter sowie damit in Verbindung stehende Instrumentenausstattung
aufweisen. Es sei zu verstehen, dass auch zusätzliche Brennstoffzellen-Subsysteme
und/oder andere periphere Vorrichtungen, die zur Unterstützung des
Brennstoffzellensystems 100 verwendet werden, in der oberen
und unteren Endeinheit 104, 106 der Offenbarung
untergebracht sein können.
-
Bei
der gezeigten Ausführungsform
ist die untere Endeinheit 106 des Brennstoffzellensystems 100 mit
zumindest einer Wasserdampftransporteinheit, einem Wärmetauscher
sowie in Verbindung stehenden Gebläsen (nicht gezeigt), Bypassventilen (nicht
gezeigt) und einer Fluidpumpenanordnung 10' integriert. Die Integration dieser
sowie weiterer Subsysteme in Endeinheiten 104, 106 trägt zu schnelleren
Kaltstarts bei, da die Systeme aufgrund einer Nähe zu dem Brennstoffzellenstapel 102 schneller erwärmt werden.
Ferner resultiert eine Integration in schnelleren Neustarts, da
wenig bis keine externe Verrohrung außerhalb des Brennstoffzellensystems 100 verläuft, d.
h. wenig Gelegenheit für
ein Auftreten einer Übertragung
von Wärmeenergie
besteht. Die Integration von Subsystemen in die Endeinheiten beseitigt
auch den Bedarf nach externem Gehäuse und Verrohrung, wodurch
die Gesamtmasse und die thermische Masse des Systems reduziert werden.
-
Wie
gezeigt ist, ist die untere Endeinheit 106 ein Befestigungsaufbau 14', der ein daran
geformtes Aufnahmeelement 30' aufweist.
Das Aufnahme element 30' ist
derart angepasst, um eine Fluidpumpe 12' der Fluidpumpenanordnung 10' aufzunehmen. Die
Fluidpumpenanordnung 10' steht
in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel 102 und
ist derart angepasst, um eine Strömung eines Fluides daran zu
liefern. Es sei zu verstehen, dass das Fluid ein beliebiges Fluid
sein kann, wie beispielsweise ein Kältemittel, Wasser und dergleichen.
Bei einem nicht beschränkenden
Beispiel kann die Fluidpumpenanordnung 10' Teil eines Kühlmittelsystems sein, das beispielsweise
einen Kühlmitteltank
(nicht gezeigt) zur Aufnahme des Fluides besitzt, das durch das Kühlmittelsystem
zu und von dem Brennstoffzellenstapel 102 zirkuliert.
-
Da
die Fluidpumpenanordnung 10' einen
im Wesentlichen gleichen Aufbau wie die Fluidpumpenanordnung 10 besitzt,
kann die Fluidpumpenanordnung 10' so zusammengebaut werden, wie
vorher hier beschrieben wurde. Zusätzlich erfolgt der Einfachheit
halber der Betrieb der Fluidpumpenanordnung 10', wie vorher
hier beschrieben wurde.
-
Aus
der vorhergehenden Beschreibung kann der Fachmann leicht die wesentlichen
Charakteristiken dieser Erfindung ermitteln und kann ohne Abweichung
von deren Schutzumfang und Erfindungsgedanken verschiedene Änderungen
und Abwandlungen an der Erfindung ausführen, um diese an verschiedene
Gebräuche
und Bedingungen anzupassen.