DE102022206140A1

DE102022206140A1 - Fluidpumpe

Info

Publication number: DE102022206140A1
Application number: DE102022206140.3A
Authority: DE
Inventors: Alok Awasare; Martin Gross
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2022-06-20
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2023-12-21
Also published as: CN117267140A; JP2024000511A; KR20230174185A; US20230412036A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidpumpe (1) für ein Brennstoffzellensystem. Die Fluidpumpe (1) weist dabei eine Laufradeinheit (2) mit einem Laufrad (4), eine Einlassseite (2a) mit einem Fluideinlass (5a) und eine Auslassseite (2b) mit einem Fluidauslass (5b) auf. Die Fluidpumpe (1) weist zudem einen elektrischen Motor (6) auf. Die Fluidpumpe (1) weist auch einen Führungskanal (23) für das Kühlfluid auf, wobei der Führungskanal (23) die Einlassseite (2a) und die Auslassseite (2b) über das Laufrad (4) und über den Motor (6) fluidisch verbindet.Erfindungsgemäß ist die Fluidpumpe (1) derart ausgelegt, dass alle vom Kühlfluid unmittelbar beaufschlagbaren Oberflächen innerhalb des Führungskanals (23) keine Ionen in das Kühlfluid ablösen.Die Erfindung betrifft auch das Brennstoffzellensystem mit der Fluidpumpe (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidpumpe für ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel aus mehreren Brennstoffzellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch das Brennstoffzellensystem mit der Fluidpumpe.
Fluidpumpen sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt und umfassen üblicherweise ein Laufrad zum Fördern eines Fluids und einen elektrischen Motor zum Antreiben des Laufrads. Unter anderem können Fluidpumpen zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems in einem Lastkraftfahrzeug eingesetzt werden. Das Brennstoffzellensystem weist dann üblicherweise mehrere Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen auf. Die Brennstoffzellenstapel werden dabei mit dem geförderten Fluid gekühlt, wobei aufgrund der geforderten Kühlleistung das Fluid mittels mehreren Fluidpumpen gefördert wird. Das erfordert nachteiligerweise einen hohen Bauraum. Beim Kühlen der Brennstoffzellenstapeln des Brennstoffzellensystems bestehen zudem gesonderte Anforderungen an das Fluid. Insbesondere soll das Fluid dielektrisch sein und auch dielektrisch bleiben.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für eine Fluidpumpe der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein entsprechendes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Fluidpumpe zur Nutzung in einem Brennstoffzellensystem insbesondere für Anwendungen in einem Lastkraftfahrzeug anzupassen.
Die Fluidpumpe ist für ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel aus mehreren Brennstoffzellen vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem ist insbesondere für ein Lastkraftfahrzeug vorgesehen. Die Fluidpumpe weist dabei eine Laufradeinheit mit einem Laufrad zum Fördern eines Kühlfluids auf. Die Laufradeinheit weist dabei eine Einlassseite mit einem Fluideinlass und eine Auslassseite mit einem Fluidauslass auf, wobei die Einlassseite und die Auslassseite durch das Laufrad voneinander getrennt sind. Die Fluidpumpe weist ferner einen elektrischen Motor mit einer um eine Rotationsachse rotierenden Welle auf, wobei die Welle des elektrischen Motors mit dem Laufrad der Laufradeinheit antriebsverbunden ist. Zudem weist die Fluidpumpe einen Führungskanal für das Kühlfluid mit einem Laufradpfad und mit einem Motorpfad auf, wobei der Laufradpfad des Führungskanals die Einlassseite und die Auslassseite über das Laufrad und der Motorpfad des Führungskanals die Einlassseite und die Auslassseite über den Motor fluidisch verbindet. Erfindungsgemäß ist die Fluidpumpe derart ausgelegt, dass alle vom Kühlfluid unmittelbar beaufschlagbaren Oberflächen innerhalb des Führungskanals keine Ionen in das Kühlfluid ablösen.
Wie oben angegeben, weist der Führungskanal den Laufradpfad, der die Einlassseite und die Auslassseite über das Laufrad fluidisch verbindet, und den Motorpfad, der die Einlassseite und die Auslassseite über den Motor fluidisch verbindet, auf. Der Laufradpfad und der Motorpfad weichen dabei voneinander ab und sind fluidisch miteinander verbunden. Der Laufradpfad führt dabei unmittelbar über das Laufrad der Laufradeinheit, so dass das Kühlfluid in dem Laufradpfad mittels des Laufrads von der Einlassseite zu der Auslassseite gefördert werden kann. Der Motorpfad führt um das Laufrad der Laufradeinheit herum und verbindet die Einlassseite und die Auslassseite über den Motor und insbesondere über ein Motorgehäuse des Motors. Zum Durchströmen des Kühlfluids in dem Motorpfad kann der Druckunterschied zwischen der Einlassseite und der Auslassseite genutzt werden. Der Motorpfad kann insbesondere zur Eigenkühlung des Motors beitragen. Der Motorpfad kann insbesondere in einem Motorgehäuse des Motors ausgebildet und fluidisch von stromführenden Komponenten des Motors getrennt sein. Dazu kann das Motorgehäuse doppelwandig ausgebildet sein. Die Fluidpumpe kann insbesondere ein sogenannter Trockenläufer mit einer Mantelkühlung sein.
Es versteht sich, dass das Ablösen der Ionen in das Kühlfluid physikalisch nicht vollständig ausgeschlossen sein kann. Die Anzahl der in das Kühlfluid abgelösten Ionen ist jedoch derart gering, dass deren Einfluss auf physikalische Eigenschaften des Kühlfluids über einen längeren Zeitraum - insbesondere über mehrere Monate - vernachlässigbar klein ist. Mit anderen Worten ist die Fluidpumpe derart ausgelegt, dass alle vom Kühlfluid unmittelbar beaufschlagbaren Oberflächen innerhalb des Führungskanals eine reduzierte lonenemission in das Kühlfluid aufweisen. Unter dem Begriff „die unmittelbar beaufschlagbare Oberflächen“ sind Oberflächen gemeint, die im Betrieb der Pumpe mit dem Kühlfluid einen unmittelbaren Kontakt aufweisen bzw. von dem Kühlfluid unmittelbar umströmt sind.
Einerseits kann dazu ein Element der Fluidpumpe mit der vom Kühlfluid unmittelbar beaufschlagbaren Oberfläche aus einem die reduzierte lonenemission aufweisenden Material geformt oder mit einer die reduzierte lonenemission aufweisenden Beschichtung beschichtet sein. Die vom Kühlfluid unmittelbar beaufschlagbaren Oberflächen innerhalb des Führungskanals können beispielweise durch das Laufrad und/oder ein das Laufrad aufnehmendes Laufradgehäuse und/oder ein Motorgehäuse des Motors und/oder wenigstens eine in der Fluidpumpe vorhandene Dichtung und/der wenigstens ein in der Fluidpumpe vorgesehenes Lager gebildet sein. Beispielweise können die vom Kühlfluid unmittelbar beaufschlagbaren Oberflächen zumindest bereichsweise mit Aluminiumoxid passiviert sein. Das Laufrad kann beispielweise einteilig und vorzugsweise aus Polyphenylensulfid geformt sein. Andererseits kann eine Oberfläche eines eine hohe Ionenemission verursachenden Elements der Fluidpumpe vom Kühlfluid nicht unmittelbar beaufschlagt sein. Dazu kann der Führungskanal in der Fluidpumpe entsprechend um das genannte Element geführt sein und das genannte Element gegebenenfalls indirekt gekühlt werden. So kann beispielweise der Führungskanal einen Stator und einen Rotor des elektrischen Motors umgehen.
Dadurch können sich keine Ionen in der erfindungsgemäßen Fluidpumpe in das Kühlfluid ablösen und die Ionenemission in das Kühlfluid kontrolliert werden. Entsprechend kann die Funktion des Brennstoffzellensystems sichergestellt und die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems vergrößert werden. Das Kühlfluid ist zweckgemäß dielektrisch bzw. elektrisch nicht leitfähig. Bei dem Kühlfluid handelt es sich in erster Linie um eine Flüssigkeit. Das Kühlfluid kann beispielweise ein wasserhaltiges Gemisch wie Wasser-Glykol-Gemisch sein.
Bei einer Weiterbildung der Fluidpumpe kann der Motor eine mit Strom beaufschlagbare Gruppe mit einem mit der Welle drehfest verbundenen Rotor und einem den Rotor aufnehmenden Stator aufweisen. Der Motor kann ein Motorgehäuse aufweisen und die mit Strom beaufschlagbare Gruppe kann in dem Motorgehäuse aufgenommen sein. Der Motorpfad des Führungskanals kann innerhalb des Motorgehäuses ausgebildet sein und von der mit Strom beaufschlagbaren Gruppe durch das Motorgehäuse an sich fluidisch getrennt sein. Das Motorgehäuse kann hierzu beispielweise zumindest bereichsweise doppelwandig geformt sein. Dadurch können die eine hohe Ionenemission verursachenden Oberflächen der mit Strom beaufschlagbaren Gruppe von dem Kühlfluid nicht umströmt werden und dadurch kann die Ionenemission in das Kühlfluid bzw. das Ablösen von Ionen in das Kühlfluid ausgeschlossen werden. Der Motorpfad des Führungskanals kann in dem Motorgehäuse derart geführt sein, dass die mit Strom beaufschlagbare Gruppe indirekt und dennoch ausreichend effektiv mit dem Kühlfluid gekühlt wird. Wie oben bereits erläutert, kann dazu das Motorgehäuse zumindest bereichsweise doppelwandig geformt sein.
Vorteilhafterweise kann der elektrische Motor ein Motorgehäuse aufweisen und der Führungskanal zumindest bereichsweise durch einen in dem Motorgehäuse ausgeformten Kühlfluidmantel abgebildet sein. Auch hier kann eine mit Strom beaufschlagbare Gruppe des Motors indirekt mit dem Kühlfluid gekühlt werden. Wie oben bereits erläutert, kann die mit Strom beaufschlagbaren Gruppe einen mit der Welle drehfest verbundenen Rotor und einen Stator aufweisen.
Der elektrische Motor kann ein Motorgehäuse und die Laufradeinheit kann ein Laufradgehäuse aufweisen. Die Fluidpumpe kann zudem eine Gleitringdichtung aufweisen, die zwischen dem Motorgehäuse und dem Laufradgehäuse dichtend eingeklemmt ist. Die Gleitringdichtung kann die Fluidpumpe bzw. den Führungskanal nach außen abdichten. Die Gleitringdichtung kann aus SiC geformt sein. Die Gleitringdichtung weist dadurch keinen Abrieb auf und daher keine Ionenemission in das Kühlfluid auf.
Die Fluidpumpe kann wenigstens ein Lager - vorzugsweise zwei Lager - für die rotierende Welle aufweisen und das wenigstens eine Lager kann von dem Führungskanal durch die oben beschriebene Gleitringdichtung fluidisch getrennt sein. Durch die Gleitringdichtung kann der Kontakt des Kühlfluids in dem Führungskanal mit dem wenigstens einen Lager vermieden werden und dadurch die Lebensdauer des jeweiligen Lagers vergrößert werden. Das wenigstens eine Lager kann wasserdicht sein. Dadurch kann das Lager insbesondere eine geringfügige Leckage der Gleitringdichtung aushalten. insbesondere kann das Lager speziell für die Schutzart IP67 ausgelegt sein. Für die Schutzart IP67 muss das Lager beim Untertauchen der Fluidpumpe dicht bleiben.
Vorteilhafterweise kann die Fluidpumpe einen Wechselrichter für den elektrischen Motor aufweisen. Der Wechselrichter kann dabei an einem der Laufradeinheit gegenüberliegenden Längsende des Motors angeordnet sein. Der Motorpfad des Führungskanals kann dabei zumindest bereichsweise zu dem Wechselrichter benachbart geführt sein, so dass der Wechselrichter von dem mittels der Laufradeinheit geförderten Kühlfluid kühlbar ist. Der Wechselrichter kann dabei von dem Motorpfad des Führungskanals bzw. von dem Kühlfluid in dem Motorpfad des Führungskanals durch das Motorgehäuse fluidisch getrennt sein, so dass elektrische Komponenten des Wechselrichters indirekt von dem Kühlfluid kühlbar sind. Der Wechselrichter kann beispielweise eine Steuerungsplatine mit mehreren Leistungshalbleitern - beispielweise IGBTs - aufweisen, die dann mit dem Kühlfluid kühlbar sind. Der Motorpfad des Führungskanals kann an dem Wechselrichter mäanderartig oder labyrinthartig geführt sein, um die Kühlung des Wechselrichters zu verbessern.
Vorteilhafterweise kann die Fluidpumpe einen Wechselrichter für den elektrischen Motor und der elektrische Motor ein Motorgehäuse aufweisen. Dabei kann der Wechselrichter an einem der Laufradeinheit gegenüberliegenden Längsende des Motors an einem Boden des Motorgehäuses außenliegend und wärmeübertragend angeordnet sein. Der Motorpfad des Führungskanals kann zumindest bereichsweise an dem Boden des Motorgehäuses von dem Wechselrichter abgewandt geführt sein, so dass der Wechselrichter von dem mittels der Laufradeinheit geförderten Kühlfluid kühlbar ist. Der Boden kann dabei quer zur Rotrationsachse ausgerichtet sein und elektrische Komponenten des Wechselrichters von dem Motorpfad des Führungskanals bzw. von dem Kühlfluid in dem Führungskanal fluidisch trennen. Die elektrischen Komponenten des Wechselrichters - beispielweise eine Steuerungsplatine mit mehreren Leistungshalbleitern - sind dann indirekt von dem Kühlfluid kühlbar. Der Motorpfad des Führungskanals kann dabei mäanderartig oder labyrinthartig an dem Boden geführt sein.
Um den Führungskanal am Boden des Motorgehäuses von einer mit Strom beaufschlagbaren Gruppe des Motors fluidisch zu trennen, kann an dem Boden von dem Wechselrichter abgewandt ein Deckel vorgesehen sein. Zwischen dem Boden und dem Deckel kann zweckgemäß eine Deckel-Dichtung angeordnet sein, die den Motorpfad des Führungskanals nach außen abdichtet. Die mit Strom beaufschlagbare Gruppe des Motors kann - wie oben bereits beschrieben - einen mit der Welle rotierenden Rotor und einen Stator umfassen.
Wie oben bereits beschrieben, ist die Fluidpumpe für ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem kann insbesondere für ein Lastkraftfahrzeug ausgelegt bzw. vorgesehen sein. Die Fluidpumpe kann vorteilhafterweise eine maximale elektrische Leistung zwischen 4.000 W und 6.000 W, vorzugsweise 4.500 W, und/oder eine maximale Fördermenge zwischen 400 l/min und 700 l/min und/oder einen maximalen Druck zwischen 3 bar und 4 bar, vorzugsweise 3,5 bar, und/oder eine maximale Drehzahl zwischen 5.000/min und 6.000/min, vorzugsweise 5.400/min, und/oder ein maximales Drehmoment zwischen 6,0 Nm und 8,0 Nm aufweisen. Die hier angegebenen maximalen Parameter beziehen sich auf den Volllast-Betrieb der Fluidpumpe. Der elektrische Motor kann vorteilhafterweise mit einer durch einen Wechselrichter umwandelten Gleichspannung zwischen 400 V und 860 V betreibbar sein. Der elektrische Motor kann insbesondere ein Permanent Magnet Synchron Motor sein. Das Laufrad kann vorteilhafterweise einen maximalen Wirkungsgrad zwischen 60% und 70%, vorzugsweise 65%, aufweisen.
Die Erfindung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel aus mehreren Brennstoffzellen für ein Lastkraftfahrzeug. Das Brennstoffzellensystem weist dabei die oben beschriebene Fluidpumpe auf. Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem eine einzige oben beschriebene Fluidpumpe auf. Insbesondere weist das Brennstoffzellensystem keine weiteren Fluidpumpen auf, die zum Fördern des Kühlfluids zu dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel vorgesehen sind. Mit anderen Worten ist die Fluidpumpe derart ausgelegt, dass das Kühlfluid für das gesamte Brennstoffzellensystem mit der einzigen Fluidpumpe förderbar ist. Das Brennstoffzellensystem kann dabei mehrere - insbesondere zwei - Brennstoffzellenstapel aufweisen. Das Kühlfluid für die mehreren Brennstoffzellenstapel kann dabei mit der einzigen Fluidpumpe förderbar sein. Dazu kann die Fluidpumpe die oben beschriebenen Eigenschaften aufweisen. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird an dieser Stelle auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch

1 eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Fluidpumpe;
2 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Fluidpumpe;
3-8 abweichende Ansichten der erfindungsgemäßen Fluidpumpe.

1 zeigt eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Fluidpumpe 1. Die Fluidpumpe 1 ist für ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel aus mehreren Brennstoffzellen vorgesehen bzw. ausgelegt. Das Brennstoffzellensystem kann insbesondere für ein Lastkraftfahrzeug ausgelegt bzw. vorgesehen sein. Die Fluidpumpe 1 weist dabei eine Laufradeinheit 2 mit einem Laufradgehäuse 3 und einem Laufrad 4 auf. Das Laufrad 4 ist einteilig und vorzugsweise aus Polyphenylensulfid geformt. Die Laufradeinheit 2 weist zudem eine Einlassseite 2a - bzw. eine Niederdruckseite - mit einem Fluideinlass 5a und eine Auslassseite 2b - bzw. eine Hochdruckseite - mit einem Fluidauslass 5b auf. Die Einlassseite 2a und die Auslassseite 2b sind durch das Laufrad 4 voneinander getrennt bzw. fluidisch miteinander verbunden. Der Fluideinlass 5a und der Fluidauslass 5b sind in dem Laufradgehäuse 3 geformt.
Zudem weist die Fluidpumpe 1 einen elektrischen Motor 6 auf. Der elektrische Motor 6 kann insbesondere ein Permanent Magnet Synchron Motor sein. Der Motor 6 umfasst dabei eine um eine Rotationsache RA rotierende Welle 8 und eine mit Strom beaufschlagbare Gruppe 7, die einen mit der Welle 8 festverbundenen Rotor 9 und einen den Rotor 9 aufnehmenden Stator 10 aufweist. Die Welle 8 ist mit dem Laufrad 4 antriebsverbunden. Die Rotationsachse RA entspricht hier einer Längsmittelachse der Fluidpumpe 1 und der Motor 6 weist zwei einander bezüglich der Rotationsachse RA gegenüberliegende Längsenden 6a und 6b auf. Die Laufradeinheit 2 ist an dem Längsende 6a des Motors 6 angeordnet.
Ferner weist der Motor 6 ein Motorgehäuse 11 mit einem topfförmigen Gehäusekörper 11a und einem quer zur Rotationsachse RA ausgerichteten Boden 11b auf. Zudem weist das Motorgehäuse 11 eine Gehäuse-Dichtung 12 auf, die zwischen dem Gehäusekörper 11a und dem Boden 11b angeordnet bzw. dichtend eingeklemmt ist und die entsprechende Verbindungsstelle nach außen abdichtet. Der Gehäusekörper 11a und der Boden 11b sind miteinander mittels mehrerer Gehäuse-Schrauben 13 verschraubt. Zudem weist das Motorgehäuse 11 einen den Boden 11b statorseitig bzw. rotorseitig schließenden Deckel 11c auf. Zwischen dem Boden 11b und dem Deckel 11c ist eine Deckel-Dichtung 14 angeordnet bzw. dichtend eingeklemmt, die die entsprechende Verbindungsstelle nach außen abdichtet. Der Boden 11b und der Deckel 11c sind miteinander mittels mehrerer Deckel-Schrauben 15 verschraubt.
Der Stator 10 ist in dem Motorgehäuse 11 rotationsfest und die Welle 8 mit dem Rotor 9 ist in dem Motorgehäuse 11 rotierend aufgenommen. Dazu weist die Fluidpumpe 1 zwei Lager 16a und 16b auf, die an den jeweiligen Längsenden 6a und 6b des Motors 6 die Welle 8 aufnehmen. An dem Längsende 6a ist zudem eine Laufrad-Dichtung 27 an der Welle 8 angeordnet.
Die Fluidpumpe 1 weist ferner eine Gleitringdichtung 28 auf. Die Gleitringdichtung 28 ist zwischen dem Motorgehäuse 11 und dem Laufradgehäuse 3 angeordnet bzw. dichtend eingeklemmt und dichtet die entsprechende Verbindungsstelle nach außen ab. Die Gleitringdichtung 28 ist vorzugsweise aus SiC geformt. Des Weiteren weist die Fluidpumpe 1 eine U-Dichtung 21 auf, die auf gleiche Weise zwischen dem Motorgehäuse 11 und dem Laufradgehäuse 3 angeordnet bzw. dichtend eingeklemmt ist.
Die Fluidpumpe 1 weist zudem einen Wechselrichter 17 auf. Der Wechselrichter 17 kann zum Umwandeln einer Gleichspannung zwischen 400 V und 860 V zum Antreiben des Motors 6 ausgelegt sein. Der Wechselrichter 17 ist dabei an dem Längsende 6b des Motors 6 bzw. der Laufradeinheit 2 abgewandt angeordnet. Der Wechselrichter 17 umfasst dabei eine Steuerungsplatine 18 und einen Wechselrichter-Deckel 19, wobei die Steuerungsplatine 18 zwischen dem Boden 11b des Motorgehäuses 11 und dem Wechselrichter-Deckel 19 angeordnet ist. Der Wechselrichter 17 umfasst zudem eine Wechselrichter-Dichtung 20, die zwischen dem Boden 11b und dem Wechselrichter-Deckel 19 angeordnet bzw. dichtend eingeklemmt ist und die entsprechende Verbindungsstelle nach außen abdichtet. Der Boden 11b und der Wechselrichter-Deckel 19 sind miteinander mittels mehrerer Wechselrichter-Schrauben 22 verschraubt.
Die Fluidpumpe 1 ist zum Fördern eines Kühlfluids - vorzugsweise einer Flüssigkeit - ausgelegt. Dazu weist die Fluidpumpe 1 einen Führungskanal 23 mit einem Laufradpfad 23a und einem Motorpfad 23b auf. Der Laufradpfad 23a führt von dem Fluideinlass 5a auf der Einlassseite 2a zu dem Fluidauslass 5b auf der Auslassseite 2b über das Laufrad 4. Das Kühlfluid umströmt in dem Laufradpfad 23a das Laufrads 4 unmittelbar und wird mittels des Laufrads 4 unmittelbar von dem Fluideinlass 5a zu dem Fluidauslass 5b gefördert. Der Motorpfad 23b des Führungskanals 23 ist hier bereichsweise durch einen in dem Motorgehäuse 11 ausgeformten Kühlfluidmantel 24 abgebildet und führt über den Motor 6 um das Laufrad 4 herum. Das Kühlfluid umströmt in dem Motorpfad 23b das Laufrad 4 nicht unmittelbar und das Durchströmen des Motorpfads 23b ist durch den zwischen dem Fluidauslass 5b zu dem Fluideinlass 5a vorliegenden Druckunterschied hervorgerufen.
Der Kühlfluidmantel 24 umfasst dabei mehrere - hier sieben - Vorlaufkanäle 25a und einen Rücklaufkanal 25b in dem Gehäusekörper 11a und einen mäanderartigen bzw. labyrinthartigen Verbindungskanal 26 zwischen dem Boden 11b und dem Deckel 11c. Die Vorlaufkanäle 25a führen dabei von der Auslassseite 2b durch den Gehäusekörper 11a hindurch und gehen in den mäanderartigen bzw. labyrinthartigen Verbindungskanal 26 über. Der Verbindungskanal 26 mündet in den Rücklaufkanal 25b, der durch den Gehäusekörper 11a hindurch zu der Einlassseite 2a führt. Ein Kühlfluid wird in der Fluidpumpe 1 von dem Fluideinlass 5a auf der Einlassseite 2a zu dem Fluidauslass 5b auf der Auslassseite 2b gefördert. Von der Auslassseite 2b strömt ein Teil des Kühlfluids üben den Fluidauslass 5b aus der Fluidpumpe 1 und ein Teil des Kühlfluids in den Kühlfluidmantel 24. Aus dem Kühlfluidmantel 24 strömt das Kühlfluid zu der Einlassseite 2a und wird durch das Laufrad 4 zusammen mit dem über den Fluideinlass 5a in die Fluidpumpe einströmenden Kühlfluid erneut auf die Auslassseite 2b gefördert.
In der Fluidpumpe 1 lösen alle vom Kühlfluid unmittelbar beaufschlagbaren Oberflächen innerhalb des Führungskanals 23 keine Ionen in das Kühlfluid ab. Dazu kann das jeweilige Element, dass diese Oberfläche zumindest bereichsweise formt, aus einem Material mit einer reduzierten Ionenemission geformt oder mit einer Beschichtung mit einer reduzierten Ionenemission beschichtet sein. So kann das jeweilige Element beispielweise aus eloxiertem Aluminium geformt sein. Zudem wird in der Fluidpumpe 1 die mit Strom beaufschlagbare Gruppe 7 vom Kühlfluid nicht direkt beaufschlagt bzw. direkt umströmt und dadurch die Ionenemission in das Kühlfluid vermieden. Das Kühlfluid selbst ist dielektrisch. Die Fluidpumpe 1 ist dadurch insbesondere zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems geeignet.
Das Brennstoffzellensystem kann insbesondere für ein Lastkraftfahrzeug vorgesehen sein. In diesem Fall kann die Fluidpumpe 1 derart ausgelegt sein, dass die einzige Fluidpumpe 1 zum Kühlen des Brennstoffzellensystems auch mit mehreren Brennstoffzellenstapeln ausreicht. So kann die Fluidpumpe eine maximale elektrische Leistung zwischen 4.000 W und 6.000 W, vorzugsweise 4.500 W, und/oder eine maximale Fördermenge zwischen 400 l/min und 700 l/min und/oder einen maximalen Druck zwischen 3 bar und 4 bar, vorzugsweise 3,5 bar, und/oder eine maximale Drehzahl zwischen 5.000/min und 6.000/min, vorzugsweise 5.400/min, und/oder ein maximales Drehmoment zwischen 6,0 Nm und 8,0 Nm aufweisen. Das Laufrad 4 kann einen maximalen Wirkungsgrad zwischen 60% und 70%, vorzugsweise 65%, aufweisen.
2 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Fluidpumpe 1. In 2 ist insbesondere der mäanderartige bzw. labyrinthartige Verbindungskanal 26 des Kühlfluidmantels 24 zwischen dem Boden 11b und dem Deckel 11c des Motorgehäuses 11 erkennbar. 3 bis 8 zeigen abweichende Ansichten der Fluidpumpe 1. In 3 bis 8 ist die Fluidpumpe 1 in dem aufgebauten Zustand gezeigt.

Claims

Fluidpumpe (1) für ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel aus mehreren Brennstoffzellen, - wobei die Fluidpumpe (1) eine Laufradeinheit (2) mit einem Laufrad (4) zum Fördern eines Kühlfluids aufweist, - wobei die Laufradeinheit (2) eine Einlassseite (2a) mit einem Fluideinlass (5a) und eine Auslassseite (2b) mit einem Fluidauslass (5b) aufweist, - wobei die Einlassseite (2a) und die Auslassseite (2b) durch das Laufrad (4) voneinander getrennt sind, - wobei die Fluidpumpe (1) einen elektrischen Motor (6) mit einer um eine Rotationsachse (RA) rotierenden Welle (8) aufweist, - wobei die Welle (8) des elektrischen Motors (6) mit dem Laufrad (4) der Laufrageinheit (2) antriebsverbunden ist, - wobei die Fluidpumpe (1) einen Führungskanal (23) für das Kühlfluid mit einem Laufradpfad (23a) und mit einem Motorpfad (23b) aufweist, - wobei der Laufradpfad (23a) des Führungskanals (23) die Einlassseite (2a) und die Auslassseite (2b) über das Laufrad (4) und der Motorpfad (23b) des Führungskanals (23) die Einlassseite (2a) und die Auslassseite (2b) über den Motor (6) fluidisch verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidpumpe (1) derart ausgelegt ist, dass alle vom Kühlfluid unmittelbar beaufschlagbaren Oberflächen innerhalb des Führungskanals (23) keine Ionen in das Kühlfluid ablösen.
Fluidpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass die vom Kühlfluid unmittelbar beaufschlagbaren Oberflächen zumindest bereichsweise mit Aluminiumoxid passiviert sind, und/oder - dass das Laufrad (4) einteilig und vorzugsweise aus Polyphenylensulfid geformt ist.
Fluidpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, - dass der Motor (6) eine mit Strom beaufschlagbare Gruppe (7) mit einem mit der Welle (8) drehfest verbundenen Rotor (9) und einem Stator (10) aufweist, - dass der Motor (6) ein Motorgehäuse (11) aufweist und die mit Strom beaufschlagbare Gruppe (7) in dem Motorgehäuse (11) aufgenommen ist, und - dass der Motorpfad (23b) des Führungskanals (23) innerhalb des Motorgehäuses (11) ausgebildet ist und von der mit Strom beaufschlagbaren Gruppe (7) durch das Motorgehäuse (11) fluidisch getrennt ist.
Fluidpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Motor (6) ein Motorgehäuse (11) aufweist und der Motorpfad (23b) des Führungskanals (23) zumindest bereichsweise durch einen in dem Motorgehäuse (11) ausgeformten Kühlfluidmantel (24) abgebildet ist.
Fluidpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass der elektrische Motor (6) ein Motorgehäuse (11) und die Laufradeinheit (2) ein Laufradgehäuse (3) aufweisen, und - dass die Fluidpumpe (1) eine Gleitringdichtung (28) aufweist, die zwischen dem Motorgehäuse (11) und dem Laufradgehäuse (3) dichtend eingeklemmt ist.
Fluidpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitringdichtung (28) aus SiC geformt ist.
Fluidpumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, - dass die Fluidpumpe (1) wenigstens ein Lager (16a, 16b) für die rotierende Welle (8) aufweist und das wenigstens eine Lager (16a, 16b) von dem Laufradpfad (23a) des Führungskanals (23) durch die Gleitringdichtung (28) fluidisch getrennt ist, und/oder - dass die Fluidpumpe (1) wenigstens ein Lager (16a, 16b) für die rotierende Welle (8) aufweist und das wenigstens eine Lager (16a, 16b) wasserdicht ist.
Fluidpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die Fluidpumpe (1) einen Wechselrichter (17) für den elektrischen Motor (6) aufweist, wobei der Wechselrichter (17) an einem der Laufradeinheit (2) gegenüberliegenden Längsende (6b) des Motors (6) angeordnet ist, und - dass der Motorpfad (23b) des Führungskanals (23) zumindest bereichsweise, vorzugsweise mäanderartig oder labyrinthartig, zu dem Wechselrichter (17) benachbart geführt ist, so dass der Wechselrichter (17) von dem mittels der Laufradeinheit (2) geförderten Kühlfluid kühlbar ist.
Fluidpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, - dass die Fluidpumpe (1) einen Wechselrichter (17) für den elektrischen Motor (6) und der elektrische Motor (6) ein Motorgehäuse (11) aufweist, und - dass der Wechselrichter (17) an einem der Laufradeinheit (2) gegenüberliegenden Längsende (6b) des Motors (6) an einem quer zur Rotrationsachse (RA) ausgerichteten Boden (11b) des Motorgehäuses (11) außenliegend und wärmeübertragend angeordnet ist, und - dass der Motorpfad (23b) des Führungskanals (23) zumindest bereichsweise, vorzugsweise mäanderartig oder labyrinthartig, an dem Boden (11b) des Motorgehäuses (11) von dem Wechselrichter (17) abgewandt geführt ist, so dass der Wechselrichter (17) von dem mittels der Laufradeinheit (2) geförderten Kühlfluid kühlbar ist.
Fluidpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die Fluidpumpe (1) eine maximale elektrische Leistung zwischen 4.000 W und 6.000 W, vorzugsweise 4.500 W, und/oder eine maximale Fördermenge zwischen 400 l/min und 700 l/min und/oder einen maximalen Druck zwischen 3 bar und 4 bar, vorzugsweise 3,5 bar, und/oder eine maximale Drehzahl zwischen 5.000/min und 6.000/min, vorzugsweise 5.400/min, und/oder ein maximales Drehmoment zwischen 6,0 Nm und 8,0 Nm aufweist, und/oder - dass der elektrische Motor (6) mit einer durch einen Wechselrichter (17) umgewandelten Gleichspannung zwischen 400 V und 860 V betreibbar ist und/oder der elektrische Motor (6) ein Permanent Magnet Synchron Motor ist, und/oder - dass das Laufrad (4) einen maximalen Wirkungsgrad zwischen 60% und 70%, vorzugsweise 65%, aufweist.
Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel aus mehreren Brennstoffzellen für ein Lastkraftfahrzeug, wobei das Brennstoffzellensystem die Fluidpumpe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.