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Die Erfindung betrifft ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse für eine Wasserstoffrückführung in einem Brennstoffzellensystem.
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Ein Brennstoffzellensystem kann in einem Fahrzeug vorgesehen sein. Elektrische Energie wird im Brennstoffzellensystem beispielsweise durch Wasserstoff erzeugt, um das Fahrzeug anzutreiben.
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Das Brennstoffzellensystem kann neben einer Brennstoffzelleneinheit, die mit gasförmigem Wasserstoff versorgt wird, eine Rückführung für unverbrauchtes Wasserstoffgas zum Eingang der Brennstoffzelleneinheit aufweisen. In der Rückführung ist ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse vorgesehen, um das unverbrauchte Wasserstoffgas zum Eingang zurückzuführen.
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Das Wasserstoffrezirkulationsgebläse kann als elektrisch betriebener Verdichter, beispielsweise Radialverdichter ausgebildet sein. Auch Seitenkanalverdichter und Drehkolbengebläse, ein sogenanntes Roots-Gebläse, mit relativ niedrigem Solldruckverhältnis werden eingesetzt.
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Die
US 7675209 B2 zeigt einen Verdichter mit einem Elektromotor, der von einem Kühlmantel umgeben ist. Die
US 9391493 B2 zeigt einen Elektromotor, dessen Stator an einem Mantel- und Stirnbereich einen Vergussendbecher aufweist.
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Es stellt sich die Aufgabe, ein verbessertes Wasserstoffrezirkulationsgebläse bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse für eine Wasserstoffrückführung in einem Brennstoffzellensystem gelöst. Das Wasserstoffrezirkulationsgebläse umfasst einen drehbaren Rotor mit einem Endbereich, an dem ein Laufrad angeordnet ist, und einen Stator mit Spulenwicklungen und einer als Hohlkörper ausgebildeten Wasserstoffsperre, wobei in einem Hohlraum der Wasserstoffsperre der Rotor angeordnet ist und die Wasserstoffsperre sowohl zwischen dem Rotor und den Spulenwicklungen als auch zwischen dem Laufrad und den Spulenwicklungen verläuft und wobei der Rotor und der Stator einen Elektromotor ausbilden, um das Laufrad anzutreiben.
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Der Rotor umfasst eine drehbar gelagerte Welle, wobei die Welle und Lager zum Positionieren und Lagern der Welle vorteilhafterweise im Hohlraum der Wasserstoffsperre angeordnet sind. Am Endbereich der Welle, der aus dem Hohlraum ragt, ist das Laufrad befestigt.
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Das Wasserstoffrezirkulationsgebläse weist ebenso wie ein Elektromotor zum unterstützenden Antrieb eines Verdichterrads in Turboladern einen Rotor mit Laufrad und einen Stator auf. Allerdings ist zusätzlich eine Wasserstoffsperre vorgesehen, um magnetisch wirkende Bereiche des Stators, nämlich dessen Wicklungen, vor dem Eindringen von Wasserstoff zu schützen. Trotz Dichtungen zum Raum, in dem sich das Laufrad dreht, kann der Wasserstoff bei der sich drehenden Welle des Rotors möglicherweise in den Hohlraum eindringen, der von den magnetisch wirkenden Bereichen des Stators umgeben ist. Ein an Wicklungen des magnetisch wirkenden Bereichs oder benachbarter Elektronik, beispielsweise einer Stator-Platine, auftretender Funken könnte fatale Folgen haben, da sich der Wasserstoff entzünden könnte, was zu einem Brand des Fahrzeugs führen könnte. Durch die Wasserstoffsperre, die ein Eindringen des Wasserstoffs in den Bereich der Wicklungen verhindert, wird dies vermieden. Mit Funkenschlag einhergehende Defekte im Bereich der Wicklungen oder benachbarter Elektronik führen wegen der Wasserstoffsperre schlimmstenfalls nur noch zu einem Ausfall des Antriebs, jedoch nicht mehr zu einem Fahrzeugbrand.
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Das Laufrad bewirkt zwischen einem Einlass und einem Auslass einen Wasserstoffstrom, um Wasserstoff dem anodenseitigen Eingang des Brennstoffzellensystems zurückzuführen. Vorteilhafterweise ist der auslassseitige Wasserstoffstrom verdichtet, wenn das Laufrad als Verdichter wirkt.
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Der Elektromotor des Wasserstoffrezirkulationsgebläses umfasst den mit einem Gehäuse verbundenen Stator und den im Inneren des Stators drehbaren Rotor. Sowohl der Stator als auch der Rotor weisen magnetisch wirksame Bereiche auf, deren Wechselwirkung die Drehung des Rotors und damit den Antrieb des Laufrads bewirken. In einer Ausführung umfasst der magnetisch wirksame Bereich des Rotors einen oder mehrere Permanentmagneten. Der magnetisch wirksame Bereich des Stators umfasst Spulenwicklungen, mittels denen ein zeitveränderliches Magnetfeld induzierbar ist, dessen Wechselwirkung mit dem permanenten Magnetfeld des Rotors zur Drehung des Rotors führt.
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Die Wasserstoffsperre mindert zumindest und verhindert idealerweise das Durchdringen von Wasserstoff zu den Spulenwicklungen und zu stromführenden oder unter Spannung stehenden Bauteilen, sodass der stromführende Bereich mit dem magnetisch wirksamen Bereich des Stators und den stromführenden oder unter Spannung stehenden Bauteilen gegen das Eindringen von Wasserstoff versiegelt ist. Dies wird einerseits durch die Form erreicht, da sich die Wasserstoffsperre zum Hohlraum, in dem sich der Rotor dreht, und zum Laufrad hin über die Spulenwicklungen sowohl in einer Längsrichtung als auch in einer Querrichtung zum Rotor erstreckt. Vorteilhafterweise wird dieser Effekt dadurch unterstützt, dass die Wasserstoffsperre ein als Wasserstoff-Barriere wirkendes Material umfasst, sodass das Eindringen von Wasserstoff gemindert, bestenfalls verhindert wird. Die Wasserstoffsperre kann als Verguss der Wicklungen oder topfförmige Sperre ausgebildet sein. Vorteilhafterweise weisen der Verguss beziehungsweise die topfförmige Sperre ein als Wasserstoff-Barriere wirkendes Material auf.
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In einer Ausführung ist eine Leiterplatte vorgesehen, die räumlich getrennt vom Hohlraum und benachbart zu dessen vom Laufrad abgewandten Seite angeordnet ist. Diese Leiterplatte weist die Leistungselektronik zur Ansteuerung des Elektromotors, insbesondere des Stators auf. Auch im Bereich der Leiterplatte kann es bei Defekten zur Funkenentwicklung kommen, die ohne räumliche Trennung zum Hohlraum die oben geschilderten Folgen hätten. Die räumliche Trennung führt ebenfalls dazu, dass eine Wasserstoffentzündung im Bereich der Leiterplatte vermieden wird. Die Wasserstoffsperre ist mit geringem Kostenaufwand verbunden und erhöht die Lebensdauer.
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In einer Ausführung ist die Wasserstoffsperre als Verguss der Wicklungen mit dem als Wasserstoff-Barriere wirkenden Material ausgebildet, sodass der Verguss nicht nur die Wicklungen schützt und stützt, sondern durch das als Wasserstoff-Barriere wirkende Vergussmaterial vor dem Eindringen von Wasserstoff schützt. Das Vergussmaterial ist isolierend und Wasserstoff kann nur schwer oder gar nicht eindringen. Solch ein Vergussmaterial kann beispielsweise Flüssig-Silikon oder Vergussharz umfassen oder sein. Ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel für Vergussmaterial ist Plastik-Spritzguss. Andere Materialien für die Wasserstoffsperre sind denkbar.
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Eine alternative Ausführung sieht vor, dass die Wasserstoff-Barriere einen Spalttopf umfasst mit einem Boden an einer vom Laufrad abgewandten Seite. Der Boden bildet oder unterstützt die räumliche Trennung zur Leiterplatte, um das Durchdringen von Wasserstoff zu ihr zu vermeiden. Der Spalttopf umgibt den Rotor längs und kann eine hohlzylindrische Form, insbesondere mit rundem Querschnitt, haben.
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In einer Ausführung umfasst der Spalttopf einen um den Hohlraum umlaufenden Kragen an der dem Laufrad zugewandten Seite. Solch ein flanschförmiger Kragen erstreckt sich zwischen den Windungen und dem Laufrad winklig, insbesondere quer zur Drehachse des Rotors. Er bildet nicht nur eine räumliche Sperre, sondern leitet möglicherweise auf den Kragen strömenden Wasserstoff auch noch radial vom Hohlraum weg, sodass der Wasserstoff seitlich am Gehäuse entweichen kann.
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Innenseitig und/oder außenseitig des Hohlraums kann eine stabilisierende Beschichtung oder ein Stabilisierungsmittel angeordnet sein. Dies erlaubt auch die Verwendung eines spröden als Wasserstoff-Barriere wirkenden Materials für den Spalttopf. Die Beschichtung oder das Stabilisierungsmittel können beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet sein. Das Stabilisierungsmittel kann beispielsweise eine in den Hohlraum geschobene oder außen über den Spalttopf geschobene Hülse, beispielsweise mit gitterförmiger Struktur, sein. Auch die Ausbildung des Stabilisierungsmittels als Beschichtung ist denkbar. Eine stabilisierende Wirkung hat auch ein Verguss der Wicklungen, der in direktem Kontakt mit dem Spalttopf ist. Bei einem Verguss aus einem weiteren als Wasserstoff-Barriere wirkenden Material, kann der Verguss die Sperrwirkung des Spalttopfes unterstützen.
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In einer Ausführung ist ein vom Laufrad abgewandter Endbereich des Rotors im Spalttopf angeordnet, sodass der Kontakt des Rotors mit der Leiterplatte vermieden wird.
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In einer Ausführung ist der Spalttopf einstückig ausgebildet, sodass keine Fügestellen im Spalttopf sind, an denen Wasserstoff leichter austreten könnte.
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Der Spalttopf kann aus insbesondere synthetischem Kunststoff oder Keramik, beispielsweise Teflon, ausgebildet sein. Der Spalttopf ist vorteilhafterweise aus einem isolierenden Material und kann auch als Isolationsschicht aus speziellem synthetischem Kunststoff für den Innenraum, und insbesondere den nach Innen gewandten magnetischen wirkenden Bereich sein. Möglicherweise spröde Keramik kann durch eine stabilisierende Beschichtung oder ein Stabilisierungsmittel gestützt werden.
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In einer Ausführung umfasst das Wasserstoffrezirkulationsgebläse ein Gehäuse mit einer Seitenwand, die den Stator umgibt, sowie einer Gehäusewand als räumliche Trennung, deren eine Seite dem Stator und dem Rotor zugewandt ist und deren gegenüberliegende Seite der Leiterplatte zugewandt ist. Das Gehäuse hält den Stator und den Rotor und schützt sie vor äußeren Einflüssen. Um die Wicklungen des Stators zu kontaktieren, sind in der Gehäusewand Aussparungen, durch die die Leiterplatte elektrisch leitend mit dem Stator verbunden ist. Dichtungen an den Aussparungen verhindern ein Austreten von Wasserstoff zur Leiterplatte. Das Gehäuse, das mehrteilig sein kann, umfasst auch ein Laufradgehäuse, in dem sich das Laufrad in einem von Wasserstoff durchströmten Hohlraum dreht. Aus diesem Hohlraum kann der Wasserstoff, trotz Dichtungen, die bei drehenden Wellen nicht hundertprozentig abdichten können, in den Hohlraum austreten, in dem sich der Rotor dreht.
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In einer Ausführung erstreckt sich die dem Laufrad zugewandte Seite der Wasserstoffbarriere bis zur Seitenwand des Gehäuses, sodass möglicherweise vom Laufrad austretender Wasserstoff über die dem Laufrad zugewandte Seite der Wasserstoffbarriere aus dem Gehäuse geführt wird.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses sieht die folgenden Schritte vor: Anordnen von Spulenwicklungen eines Stators in einem Gehäuse, Einsetzen einer Hülse in einen vom den Spulenwicklungen umschlossenen freien Innenraum im Gehäuse, Vergießen der Spulenwicklungen, sodass ein Inneres der Hülse vom Vergussmaterial frei bleibt, Entfernen der Hülse nach dem Aushärten des Vergussmaterials, wobei das ausgehärtete Vergussmaterial als Wasserstoff-Barriere wirkt, Einsetzen eines Rotors in den vom Vergussmaterial freien Bereich. So kann in einfacher Weise die Wasserstoffsperre durch Vergießen, bei dem das Vergussmaterial in den Raum mit den Spulenwicklungen zwischen dem Gehäuse und der Hülse eingebracht wird, ausgebildet werden.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses,
- 3 eine schematische Schnittdarstellung durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses,
- 4 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines Zwischenprodukts bei der Herstellung eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses,
- 5 eine schematische Schnittdarstellung durch noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleichwirkende Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelleneinheit 1, die einen Stapel mit mehreren Brennstoffzellen umfasst. Die Brennstoffzellen weisen jeweils eine Anode und eine Kathode sowie eine dazwischen angeordnete Membran auf. Anodenseitig wird ein Brennstoff, in diesem Ausführungsbeispiel gasförmiger Wasserstoff, zugeführt. Die Zuführung erfolgt aus einem als Tank ausgebildeten Wasserstoffspeicher 3 über einen Druckminderer 5 und ein dem Druckminderer 5 nachgeschaltes Druckregelungsventil 7. Wasserstoff aus dem Druckminderungsventil 7 und aus der Brennstoffzelleneinheit 1 rückgeführter Wasserstoff werden über einen Ejektor 9 der Brennstoffzelleneinheit 1 anodenseitig zugeführt. Kathodenseitig wird ein Oxidationsmittel, üblicherweise Luft, zugeführt. Die Zuführung erfolgt über einen Filter 11 und einen Luftverdichter 13. Die verdichtete Luft durchläuft einen Luftbefeuchter 15, um den Wirkungsgrad zu verbessern, und wird kathodenseitig der Brennstoffzelleneinheit 1 zugeführt.
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Der Brennstoff und das Oxidationsmittel reagieren im Inneren der Brennstoffzellen und setzen Energie frei bei gleichzeitiger Erzeugung von Wasser. Wasserstoff, der aus dem Wasserstoffspeicher 3 in die Anodenseite fließt, wird üblicherweise jedoch nicht vollständig in Wasser umgewandelt. Stickstoff und Wasser, die bei der Reaktion in der Anode gebildet werden und zunehmend den Wirkungsgrad verschlechtern würden, werden aus der Brennstoffzelleneinheit 1 abgelassen, um Platz zu schaffen für Wasserstoff. Dadurch wird eine effiziente Reaktion ermöglicht und die empfindliche Membran in den Wasserstoffzellen nicht beschädigt, damit das Brennstoffzellensystem 1 auch bei Kälte gut funktioniert und eine lange Lebensdauer hat. Wegen der vorgenannten Punkte ist ein Rückführungskreislauf mit einem Wasserstoffrezirkulationsgebläse 17 in der Wasserstoffrückführung und einem Ablassventil 19 an der Anode vorgesehen. Der Rückführungskreislauf speist einerseits den nicht verbrauchten Wasserstoff zurück in den Anodeneingang und lässt andererseits den Stickstoff und das überschüssige Wasser durch das Ablassventil 19 ab. Das Wasser wird zum Luftbefeuchter 15 geführt, um die Eingangsluft zu befeuchten. Das Wasserstoffrezirkulationsgebläse 17 kann integriert an der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels ausgebildet sein.
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Kühlanschlüsse 21 der Brennstoffzelleneinheit 1 sind mit einem Kühlsystem verbunden, um die Brennstoffzelleneinheit 1 zu kühlen.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses 17. Solch ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse 17 kann Bestandteil eines Brennstoffzellensystems sein, wie es beispielhaft in Zusammenhang mit 1 beschrieben worden ist.
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Das Wasserstoffrezirkulationsgebläse 17 weist ein Gehäuse 23, einen im Gehäuse 23 angeordneten Stator 25 und einen relativ zum Stator 25 und Gehäuse 23 drehbaren Rotor 27 auf. Der Stator 25 und der drehbare Rotor 27 formen einen Elektromotor.
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Der Rotor 27 weist eine Welle 29 mit einem ersten Endbereich 31 und einem zweiten Endbereich 33 auf. Am ersten Endbereich 31 ist ein Laufrad 35 angeordnet, das durch Drehung der Welle 29 in Rotation versetzt wird.
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Das Gehäuse 23 umgibt sowohl den Stator 25 als auch den im Stator 25 drehenden Rotor 27 mit dem Laufrad 35. Im Gehäuseteil, das das Laufrad 35 umgibt, ist auch ein Einlass und Auslass für Wasserstoff. Das Laufrad 35 erzeugt einen Wasserstoffstrom, der anodenseitig zur Brennstoffzelleneinheit 1 zurückgeführt wird und durch die Drehung des Laufrads 35 zur Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit 1 strömt. Der Wasserstoffstrom kann durch das Laufrad 35 zusätzlich verdichtet werden.
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Das Gehäuse 23 weist eine Seitenwand 43 auf, die den Stator 25 längs umgibt, sowie eine untere Gehäusewand 45 an einer vom Laufrad 35 abgewandten Seite des Rotors 27. Auf der dem Laufrad 35 zugewandten Seite der Gehäusewand 45 sind der Stator 25 und der Rotor 27 angeordnet. Auf einer vom Laufrad 35 abgewandten Seite der Gehäusewand 45 ist eine Leiterplatte 47 angeordnet, die den Rotor 27 und den Stator 25, die als Elektromotor wirken, ansteuert. Die Gehäusewand 45 formt eine räumliche Trennung zwischen dem Rotor 27 und dem Stator 25 auf einer Seite der Gehäusewand 45 sowie der Leiterplatte 47 auf der anderen Seite. In der Gehäusewand 45 sind Aussparungen, durch die die Leiterplatte 47 mit dem Stator 25 elektrisch kontaktiert wird, indem Kontakte 69 des Stators 25 zur Leiterplatte 47 geführt werden.
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Im Inneren des Stators 25 ist der Rotor 27 drehbar angeordnet. Der Rotor 27 wird durch Lager 39 am Gehäuse an den Endbereichen 31, 33 geführt. Die Lager 39 sind als Radiallager ausgebildet und können auch Axiallager umfassen. Der Rotor 27 umfasst einen magnetisch wirksamen Bereich mit einem oder mehreren auf seiner Welle 29 angeordneten Magneten 37, die als Permanentmagneten ausgebildet und zwischen den Endbereichen 31, 33 angeordnet sind.
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Der Stator 25 umgibt den Rotor 27 in Längsrichtung und umfasst einen magnetisch wirksamen Bereich mit Spulenwicklungen 41, beispielsweise aus Kupferdraht, die auf einen Statorkern 67 gewickelt sind. Der Statorkern 67 hält die Spulenwicklungen 41 und fixiert sie mechanisch. Spulenwicklungen 14 und Statorkern 67 können vergossen sein. In der Spule mit den Spulenwicklungen 41 ist ein veränderliches Magnetfeld induzierbar. Es bewirkt in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des magnetisch wirksamen Bereichs im Rotor 27 dessen Drehung und treibt so das Laufrad 35 an.
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Der Stator 25 umfasst ferner eine als Hohlkörper ausgebildete Wasserstoffsperre 49, in deren Hohlraum 51 der Rotor 27 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Wasserstoffsperre 49 als Spalttopf 53 ausgebildet, der einen zylinderförmigen Mantel und einen Boden 55 an seiner vom Laufrad 35 abgewandten Seite hat. An der dem Laufrad 35 zugewandten Seite weist der Spalttopf 53 einen umlaufenden flanschförmigen Kragen 57 auf, der sich vom Hohlraum 51 bis zum äußeren Bereich des Gehäuses 23 radial erstreckt und so die Spulenwicklungen 41 des Stators 25 auf der dem Laufrad 35 zugewandten Seite bedeckt. Damit erstreckt sich die als Spalttopf 53 ausgebildete Wasserstoffsperre 49 axial zum Rotor 27 sowohl zwischen dem Rotor 27 und den Spulenwicklungen 41 als auch radial zum Rotor 27 zwischen dem Laufrad 35 und den Spulenwicklungen 41.
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Die Lager 39 sind in Bereichen des Gehäuses 23 angeordnet, die sich über oder durch den Spalttopf 53 zur Welle 29 erstrecken. Bei einem Spalttopf 53 mit geschlossenem Boden 55 kann im Inneren des Spalttopfes 53 auch ein separates Mittel, beispielsweise eine Platte 71, am Boden 55 vorgesehen sein, in dem das Lager 39 für den zweiten Endbereich 33 angeordnet ist.
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Der Spalttopf 53 schützt den stromführenden Bereich mit dem magnetisch wirksamen Bereich des Stators 25 mit seinen Spulenwicklungen 41 und stromführenden oder unter Spannung stehenden Bauteilen gegen das Eindringen von Wasserstoff. Wasserstoff kann trotz am Laufrad 35 vorgesehener Dichtmittel, insbesondere an der drehenden Welle 29 und den Lagern 39 in den Hohlraum 51 kriechen, in dem sich der Rotor 29 dreht. Ebenso wird durch den Boden 55 des Spalttopfs 53, unterstützt von der Gehäusewand 45 ein Durchdringen von Wasserstoff zur Leiterplatte 47 verhindert. Im Falle eventueller Funkenbildung im Stator 25 oder an der Leiterplatte 47 würde sich dort befindlicher Wasserstoff entzünden, was mit schweren Beschädigungen, einschließlich eines möglichen Brandes, einhergehen könnte. Diese möglichen Folgeschäden einer Funkenbildung werden durch die Wasserstoffsperre 49 verhindert.
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Die Wasserstoffsperre 49 bildet nicht nur eine mechanische Sperre, sondern weist auch ein als Wasserstoff-Barriere wirkendes Material auf. Es kann von den kleinen Wasserstoffmolekülen nur wenig oder kaum durchdrungen werden. Im Idealfall ist es undurchdringlich für Wasserstoff. Solch ein Material kann eine Keramik oder Kunststoff, beispielsweise Teflon, sein. Die Permeabilität bei Kunststoffen basiert auf der Beweglichkeit der Polymerketten. Je steifer diese sind, desto undurchlässiger wird das Material und desto geringer deren Permeabilität. Nanopartikel oder Beschichtungen können die Barriereeigenschaften des Materials verbessern.
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Die mechanische Sperrwirkung verstärkt sich dadurch, dass der Spalttopf 53 einstückig ausgebildet ist, sodass es keine Ritzen oder Nähte gibt, die empfindlicher gegenüber dem Eindringen von Wasserstoff sein könnten. Ein weiterer Punkt ist, dass der von der Leiterplatte 47 abgewandte zweite Endbereich 33 der Welle 29 innerhalb des Spalttopfes 53 angeordnet ist, der den Rotor 27 zu dieser Seite umschließt. Vom Laufrad 35 herausströmender Wasserstoff wird durch den Kragen 57, der die Wicklungen 41 zum Laufrad 35 hin überdeckt, aus dem Gehäuse 23 geleitet, da dieser als Spalt 71 ausgebildete Weg einen geringeren Widerstand aufweist als der längere und mit Hindernissen versehene Wege zum Stator 25.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses 17. Um Wiederholungen zu vermeiden, konzentriert sich die Beschreibung auf Unterschiede zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist eine als Hohlkörper ausgebildete Wasserstoffsperre 49, in deren Hohlraum 51 der Rotor 27 angeordnet ist, als Verguss 59 um die Windungen 41 ausgebildet. Das Vergussmaterial wirkt als Wasserstoff-Barriere. Es kann ein Elastomer sein und beispielsweise Flüssig-Silikon umfassen. Die als Verguss 59 ausgebildete Wasserstoffsperre 49 hat eine hohlzylindrische Form, die sowohl an der dem Laufrad 35 zugewandten Seite als auch an der vom Laufrad 35 abgewandten Seite offen ist. Die Wasserstoffsperre 49 zur Leiterplatte 47 wird deshalb durch die Gehäusewand 45 gebildet, in der auch das Lager 39 für den zweiten Endbereich 33 vorgesehen ist. Das Vergussmaterial ist mit den Seitenwänden 43 und der Gehäusewand 45 vorteilhafterweise stoffschlüssig verbunden. Diese Verbindung entsteht beim Vergießen.
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Die dem Laufrad 35 zugewandte Seite der als Hohlkörper ausgebildeten Wasserstoffsperre 49, die sich bis zur Seitenwand 43 erstreckt, leitet vom Laufrad 35 möglicherweise leckenden Wasserstoff in Richtung der Seitenwand 43 durch einen Spalt 73 und damit aus dem Gehäuse 23 heraus. Diese Lenkwirkung unterstützt die Barrierewirkung des Vergussmaterials und der Gehäusewand 45 zum Schutz der Wicklungen 41 und der Leiterplatte 47 vor einströmendem Wasserstoff. Zusätzlich kann im Inneren des Hohlraums 51 und/oder auf der dem Laufrad 35 zugewandten Seite eine Beschichtung 61 vorgesehen sein, die die Barrierewirkung des Vergussmaterials verstärkt.
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4 veranschaulicht die Herstellung einer Wasserstoffsperre 49, die als Verguss der Wicklungen 41 ausgebildet ist. Die Wicklungen 41 werden mit dem Statorkern 47, auf dem sie angeordnet sind, in das Gehäuse 23 eingesetzt. Eine Hülse 63 wird in den von den Wicklungen 41 umschlossenen freien Innenraum im Gehäuse 23 eingesetzt. Sie definiert den späteren Hohlraum 51, in dem der Rotor 27 aufgenommen wird. An der der noch nicht montierten Leiterplatte 49 zugewandten Seite der Gehäusewand 45 ist ein Vergussschutz 75 vorgesehen, um die Kontakte 69 der Wicklungen 41 von Vergussmaterial freizuhalten. Die Reihenfolge der zuvor beschriebenen Schritte ist vertauschbar. Im nächsten Schritt werden die Wicklungen 41 vergossen, in dem Vergussmaterial zwischen Gehäuse 23 und Hülse 63 eingebracht wird, sodass das Hülseninnere vom Vergussmaterial frei bleibt. Dies ist durch die Pfeile verdeutlicht. Das Vergussmaterial geht vorteilhafterweise eine stoffschlüssige Verbindung mit der Seitenwand und der Gehäusewand 45 ein. Nach dem Aushärten des Vergussmaterials wird die Hülse 63 entfernt, sodass das ausgehärtete Vergussmaterial nunmehr als Wasserstoff-Barriere wirkt. Anschließend werden noch der Rotor 27 in den vom Vergussmaterial freien Innenbereich, der den Hohlraum 51 in der Wasserstoffsperre 49 formt, eingesetzt sowie die Leiterplatte 47 montiert und mit dem Stator 25 elektrisch leitend verbunden.
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5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses 17. Um Wiederholungen zu vermeiden, konzentriert sich die Beschreibung auf Unterschiede zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen.
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In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Wasserstoffsperre 49 einen kragenlosen, einstückigen Spalttopf 53 mit einem Boden 55. Die Wicklungen 41 und der Statorkern 67 des Stators 25 sind zwischen dem Spalttopf 53 und dem Gehäuse 23 vergossen, wobei das Vergussmaterial ebenso wie das Material des Spalttopfes 53 als Wasserstoffbarriere wirkt. Die Materialien sind unterschiedlich. Die Herstellung einer solchen Wasserstoffsperre 49 erfolgt, indem statt einer Hülse 63, wie in Zusammenhang mit 4 beschrieben, der Spalttopf 53 im Zentrum der Wicklungen 41 eingesetzt wird und auch nach dem Vergießen und Aushärten des Vergussmaterials an seinem Platz verbleibt. Dies hat den Vorteil, dass das Vergussmaterial von außen den Spalttopf 53 stabilisiert, was den Einsatz eines spröden Materials für den Spalttopf, wie beispielsweise Teflon, erleichtert. Dieser Effekt kann unterstützt werden, indem im Spalttopfinneren eine Struktur, beispielsweise ein Hohlzylinder mit gitterförmiger Struktur, als Stabilisierungsmittel 65 vorgesehen ist, das den Spalttopf 53 ebenfalls stützt.
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Im beschriebenen Ausführungsbeispiel formt der Verguss 59 die dem Laufrad 35 zugewandte Seite der Wasserstoffsperre 49. Durch die Verbindung mit dem Spalttopf 53 und dem Gehäuse 23 wird die Ableitung möglicherweise aus am Laufrad 35 austretenden Wasserstoffs über den Verguss 59 aus dem Gehäuse 23 bewirkt.
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Alternativ oder zusätzlich kann nach dem Vergießen eine ringförmige Kragenplatte auf die Seite des Vergusses 59 aufgesetzt werden, die dem Laufrad 35 zugewandt ist. Bei einer Kragenplatte aus demselben Material wie der Spalttopf 53 wirkt diese ebenfalls als Wasserstoffsperre, sodass es nicht unbedingt notwendig ist, solch ein Material auch beim Verguss einzusetzen, der dann im Wesentlichen eine stabilisierende Funktion hätte.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzelleneinheit
- 3
- Wasserstoffspeicher
- 5
- Druckminderer
- 7
- Druckregulierungsventil
- 9
- Ejektor
- 11
- Filter
- 13
- Luftverdichter
- 15
- Luftbefeuchter
- 17
- Wasserstoffrezirkulationsgebläse
- 19
- Ablassventil
- 21
- Kühlanschluss
- 23
- Gehäuse
- 25
- Stator
- 27
- Rotor
- 29
- Welle
- 31
- erster Endbereich
- 33
- zweiter Endbereich
- 35
- Laufrad
- 37
- Magnet
- 39
- Lager
- 41
- Wicklung
- 43
- Seitenwand
- 45
- Gehäusewand
- 47
- Leiterplatte
- 49
- Wasserstoffsperre
- 51
- Hohlraum
- 53
- Spalttopf
- 55
- Boden
- 57
- Kragen
- 59
- Verguss
- 61
- Beschichtung
- 63
- Hülse
- 65
- Stabilisierungsmittel
- 67
- Statorkern
- 69
- Kontakt
- 71
- Platte
- 73
- Spalt
- 75
- Vergussschutz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7675209 B2 [0005]
- US 9391493 B2 [0005]
