DE112006003397T5

DE112006003397T5 - Brennstoffzellenverdichtersystem

Info

Publication number: DE112006003397T5
Application number: DE112006003397T
Authority: DE
Inventors: William Nicholas Windsor Eybergen; Martin Dale Canton Pryor; James Matthew Allen Park Brown
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2008-10-16
Also published as: KR20080077675A; US20070231164A1; JP2009520141A; WO2007070596A2; WO2007070596A3

Abstract

Mehrstufiges Brennstoffzellenverdichtersystem, das enthält:
einen Motor, der eine durch den Motor angetriebene Welle enthält, und
einen mit dem Motor verbundenen Verdichter, wobei der Verdichter enthält:
einen Einlass einer ersten Stufe,
ein erstes Gehäuse in Fluidverbindung mit dem Einlass der ersten Stufe,
ein erstes Laufrad, das wenigstens teilweise von dem ersten Gehäuse umgeben ist, wobei das erste Laufrad durch die Welle angetrieben ist, um einen Fluidstrom durch eine erste Stufe des Systems zu bewirken,
einen Auslass der ersten Stufe in Fluidverbindung mit dem ersten Gehäuse,
einen Einlass einer zweiten Stufe,
ein zweites Gehäuse in Fluidverbindung mit dem Einlass der zweiten Stufe,
ein zweites Laufrad, das wenigstens teilweise von dem zweiten Gehäuse umgeben ist, wobei das zweite Laufrad von der Welle angetrieben ist, um einen Fluidstrom durch eine zweite Stufe des Systems zu bewirken,
einen Auslass der zweiten Stufe in Fluidverbindung mit...

Description

Zugehörige Anmeldungen
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der am 14. Dezember 2005 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/750225 in Anspruch, die durch die Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin einbezogen wird.
Hintergrund
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Brennstoffzellenverdichtersystem, das ein mehrstufiges Brennstoffzellen-Radialverdichtersystem enthält, das ein Rohr zum Übertragen eines Fluids von einer ersten Stufe zu einer zweiten Stufe des Verdichtersystems verwendet.
Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Während eines Teils ihres Betriebs verlangen Brennstoffzellen im Allgemeinen, dass das in das Brennstoffzellenpaket eintretende Fluid unter einem hohen Druck bei einer geringen Strömung vorhanden ist. Ein einstufiger Radialverdichter ist im Allgemeinen nicht in der Lage, unter diesen Bedingungen zu arbeiten, weil sie sich in dem Bereich jenseits des Pumppunktes des Verdichters befinden. Bei einem Verdichter mit mehreren aufeinanderfolgenden Stufen ist die Pumpgrenze durch die Druckdifferenzen über den einzelnen Stufen festgelegt, die sich zum Erzeugen eines höheren Gesamtdrucks des Verdichtersystems zusammensetzen und die Pumpgrenze zu einem höheren Druck hin verschieben, um einen erweiterten Betriebsbereich zuzulassen.
Ein einstufiger Radialverdichter ist allgemein nicht in der Lage, das Fluid wirksam auf den benötigten Druck zu verdichten, ohne hohe Rotordrehzahlen zu erreichen, die jenseits der Leistungsfähigkeit von Standardlagern aus Massenproduktion liegen können. Bei konventionellen Verdichtern mit mehreren aufeinanderfolgenden Stufen kann das Fluid unter Verwendung einer niedrigeren Rotordrehzahl in einer ersten Stufe auf einen ersten Druck verdichtet und danach in einer zweiten Stufe auf einen höheren Druck weiter verdichtet werden. Konventionelle mehrstufige Verdichter verwenden allgemein interne Übergänge vom U-Rohr-Typ mit Strömungsdiffusoren zum Leiten des Fluidstroms von einer ersten Stufe zu einer zweiten Stufe des Verdichters. Solche konventionellen Übergänge vom U-Rohr-Typ können jedoch zu engen Effizienzbereichen führen, die die Gesamtsystemeffizienz des Betriebsbereichs des Verdichters z. B. als ein Ergebnis einer schlechten Leistungsfähigkeit des Verdichters außerhalb seiner Spitze beeinträchtigen können.
Es besteht Bedarf an einem Brennstoffzellenverdichtersystem, das den Druckverlust zwischen den Stufen des Verdichters verringert, um die Brennstoffzelleneffizienz zu steigern. Außerdem besteht der Wunsch nach Brennstoffzellenverdichtersystemen, die dazu eingerichtet sein können, dicht gepackt zu sein, um den Raum zu verkleinern und die Packungsanforderungen zu verringern, insbesondere weil die Geometrie des Verdichterdiffusors für ein konventionelles Brennstoffzellenverdichtersyster typischerweise relativ komplex ist. Konventionelle Verdichterdiffusoren verwenden gewöhnlich einen kreisförmigen Querschnitt, der von einem kleinen Durchmesser an dem Anfang des Diffusors bis zu einem großen Durchmesser an dem Auslass des Diffusors reicht. Derartige Geometrien machen gewöhnlich ein Wachsausschmelzverfahren erforderlich, das sowohl zu erhöhten Kosten als auch zu einer langsameren Herstellung führen kann. Demnach besteht auch der Wunsch nach einem Brennstoffzellenverdichtersystem mit einer veränderten Geometrie des Verdichterdiffusors, die die Herstellbarkeit des Verdichterdiffusors verbessert.
Übersicht
In einer Ausführungsform schafft die Erfindung ein mehrstufiges Brennstoffzellen-Radialverdichtersystem, das einen Motor, der eine von dem Motor angetriebene Welle enthält, und einen mit dem Motor verbundenen Verdichter aufweist. Der Verdichter enthält einen Einlass einer ersten Stufe, ein erstes Gehäuse in Fluidverbindung mit dem Einlass der ersten Stufe und ein von der Welle angetriebenes erstes Laufrad zum Erzeugen eines Fluidstroms durch die erste Stufe des Systems. Der Verdichter enthält weiterhin einen Auslass der ersten Stufe in Fluidverbindung mit dem ersten Gehäuse, einen Einlass einer zweiten Stufe, ein Gehäuse der zweiten Stufe in Fluidverbindung mit dem Einlass der zweiten Stufe, ein von der Welle angetriebenes zweites Laufrad zum Erzeugen eines Fluidstroms durch die zweite Stufe, einen Auslass der zweiten Stufe in Fluidverbindung mit dem zweiten Gehäuse und ein Rohr, das sich zwischen dem Auslass der ersten Stufe und dem Einlass der zweiten Stufe erstreckt. Das Rohr schafft eine Fluidverbindung zwischen dem Auslass der ersten Stufe und dem Einlass der zweiten Stufe, wodurch wenigstens ein Teil des Fluids von der ersten Stufe zu der zweiten Stufe des Systems geleitet wird. Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenradialverdichters geschaffen. Es wird angemerkt, dass das „Rohr" weitere Formen von Fluidverbindungselementen enthalten oder aufweisen kann, die ein Fluidleitungsrohr oder flexible Fluidverbindungseinrichtungen (z. B. Schläuche oder andere Fluidleitungen) ohne eine Beschränkung auf diese enthalten können.
Die Verwendung eines äußeren Fluidüberströmrohres, das unter anderem zur Minimierung der Verluste eingerichtet ist, kann die Effizienzbereiche für den Verdichter verbreitern, was zu einer Verbesserung der Gesamteffizienz des Verdichtersystems innerhalb eines breiteren oder des vollen Betriebsbereiches führt.
Ein verbessertes mehrstufiges Brennstoffzellenverdichtersystem kann einige Vorteile bieten. Unter anderem kann ein verbessertes mehrstufiges Brennstoffzellenverdichtersystem dazu dienen, den Druckverlust über einem weiten Betriebsbereich zwischen aufeinander folgenden Stufen eines Systems unter Verwendung eines Rohres zum Leiten eines Fluidstroms von einer ersten Stufe zu einer zweiten Stufe, z. B. anstelle eines U-Rohr-Übergangs, zu minimieren. Außerdem kann eine Verdichterdiffusorgeometrie, die z. B. einen gestreckten kreisförmigen Querschnitt verwendet, die Herstellbarkeit des Verdichterdiffusors zur Verwendung in Verbindung mit einem mehrstufigen Brennstoffzellenverdichtersystem verbessern. Weiterhin kann das Pumpen des Verdichters verringert oder vermieden werden, weil jede einzelne Verdichterstufe ein niedrigeres Druckverhältnis aufweisen kann als ein einstufiger Verdichter, der auf das gleiche Druckverhältnis fördert.
Diese und weitere Merkmale dieser Erfindung werden Fachleuten aus der folgenden detaillierten Beschreibung klar, die im Wege. eines Beispiels Merkmale dieser Erfindung veranschaulicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung im Wege eines Beispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:
1 ist eine perspektivische Ansicht eines mehrstufigen Brennstoffzellenverdichtersystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Draufsicht auf ein mehrstufiges Brennstoffzellenverdichtersystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Querschnittsansicht eines mehrstufigen Brennstoffzellenverdichtersystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Querschnittsansicht eines mehrstufigen Brennstoffzellenverdichtersystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine perspektivische Ansicht einer Kupplung für ein Brennstoffzellenverdichtersystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine teilweise im Querschnitt dargestellte Ansicht eines Gehäuses für ein Brennstoffzellenverdichtersystem, die eine nicht gebördelte Bördelverbindung zeigt.
7A ist eine Querschnittsansicht eines Verdichterdiffusors nach dem Stand der Technik.
7B ist eine Querschnittsansicht eines Verdichterdiffusors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen in den beigefügten Zeichnungen Beispiele dargestellt sind. Während die Erfindung in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen beschrieben wird, wird erkannt, dass es damit nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele zu beschränken. Es ist im Gegenteil beabsichtigt, dass die Erfindung Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente umfasst, die in dem Geist und Bereich der Erfindung enthalten sein können, wie er durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist.
Die 1 bis 2 stellen allgemein eine perspektivische Ansicht bzw. eine Draufsicht auf ein mehrstufiges Brennstoffzellenverdichtersystem 10 gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Das dargestellte System 10 enthält einen Motor 12 und einen Verdichter 14.
Unter Bezug auf die 3 bis 4, die allgemein eine Querschnittsansicht eines mehrstufigen Brennstoffzellenverdichtersystems darstellen, enthält der Motor 12 eine Welle 16. Der Motor 12 kann einen Elektromotor enthalten und zum Antreiben der Welle 16 eingerichtet sein. In einer Ausführungsform kann ein Lager 18 innerhalb des Verdichters 14 angeordnet sein, in dem der Rotor des Motors 12 mit der Verdichterwelle 16 verbunden oder direkt an dieser befestigt sein kann. In anderen Ausführungsformen können mehrere Lager in dem Verdichter 14 angeordnet sein. Das Lager 18 (oder die mehreren Lager) kann zur Aufnahme einer Drehbewegung der Welle 16 vorgesehen sein, wo bei die Welle 16 eine gemeinsame Welle zum Antreiben von zwei Laufrädern für ein System, wie z. B. das System 10, sein kann, wie es weiter unten beschrieben ist. In einer Ausführungsform kann sich die Welle 16 in einer im Allgemeinen axialen Richtung zwischen dem Motor 12 und dem Verdichter 14 erstrecken.
Der Verdichter 14 ist dazu eingerichtet, einströmendes Fluid zur Verwendung in einer Brennstoffzelle auf einen höheren Druck zu verdichten. Der Verdichter 14 kann z. B. über eine Kupplung 20 mit dem Motor 12 verbunden sein. Unter Bezug auf 5: Die Kupplung 20 kann eine Anzahl von Stiften 22 zum Koppeln des Motors 12 mit dem Verdichter 14 enthalten. In der dargestellten Ausführungsform enthält die Kupplung 20 drei in einem Winkelabstand voneinander angeordnete Stifte. Wieder unter Bezug auf die 3 bis 4: In einer Ausführungsform kann innerhalb des Verdichters ein Lager 24 oder eine Anzahl von Lagern angeordnet sein. Weiterhin kann in einer Ausführungsform innerhalb des Motors eine Anzahl von Lagern angeordnet sein. In einer anderen Ausführungsform kann sowohl innerhalb des Motors 12 als auch innerhalb des Verdichters 14 mindestens ein Lager angeordnet sein. Der Verdichter 14 kann eine erste Stufe 26, ein Rohr 28 und eine zweite Stufe 30 enthalten. Dadurch, dass der Verdichter 14 mehrere Stufen enthält, kann er im Allgemeinen sogar bei niedrigeren Betriebsdrehzahlen höhere Drücke als ein konventioneller einstufiger Verdichter erreichen.
In der dargestellten Ausführungsform ist die erste Stufe 26 dazu eingerichtet, dass sie zum Verdichten eines einströmenden Fluids auf einen Druck der ersten Stufe in der Lage ist. Die erste Stufe 26 kann stromabwärts von dem Motor 12 angeordnet sein. Unter Bezug auf die 1 bis 4: Die erste Stufe 26 kann einen Einlass 32, ein Gehäuse 34, ein Laufrad 36 und einen Auslass 38 enthalten.
Der Einlass 32 der ersten Stufe kann dazu eingerichtet sein, Fluid in die erste Stufe 26 des Verdichters 14 aufzunehmen. In einer Ausführungsform kann der Einlass 32 der ersten Stufe in einem Winkel nicht axial bezogen auf die Welle 16 angeordnet sein. In der dargestellten Ausführungsform kann der Einlass 32 der ersten Stufe z. B. im Wesentlichen rechtwinklig zu der Welle 16 angeordnet sein. In einer Ausführungsform kann ein Fluid in einem Winkel nicht axial bezogen auf die Welle 16 in den Einlass 32 der ersten Stufe einströmen und z. B. radial durch einen Filter geführt werden, wenn dies erwünscht ist. Das Fluid kann danach axial in die erste Stufe 26 hinein umgelenkt werden, so dass das Fluid in Axialrichtung in die erste Stufe 26 hinein strömt.
Ein erstes Gehäuse 34 kann dazu eingerichtet sein, das Fluid einzuschließen, während es durch die erste Stufe 26 des Systems 10 geleitet wird. Das erste Gehäuse 34 kann mit dem Einlass 32 in Fluidverbindung stehen. In einer Ausführungsform kann das erste Gehäuse 34 einen ersten Abschnitt (z. B. eine erste Hälfte) 40 und einen zweiten Abschnitt (z. B. eine zweite Hälfe) 42 aufweisen, die unter Verwendung einer Anzahl von Befestigungselementen 44 verbunden sind, die konventionelle Befestigungsmittel (z. B. Aufnahmeöffnungen und entsprechende Schrauben oder Stifte) enthalten können, die um eine Außenoberfläche sowohl des ersten Abschnitts 40 als auch des zweiten Abschnitts 42 herum angeordnet sind. In einer speziellen Ausführungsform können die mehreren Befestigungselemente 44 im Wesentlichen um den Außenumfang des ersten Abschnitts 40 und des zweiten Abschnitts 42 herum angeordnet sein.
Unter Bezug auf 6: In einer anderen Ausführungsform können Abschnitte um eine Oberfläche (z. B. einer Außenoberfläche) des ersten und zweiten Abschnitts 40, 42 des Gehäuses 34 durch einen zusätzlichen Arbeitsgang verbunden sein. Der zusätzliche Arbeitsgang kann Crimpen bzw. Bördeln, Schweißen, Kleben (und/oder Verwenden eines Haftmittels) oder eine Kombination von zwei oder mehr der zuvor genannten enthalten. Abschnitte der Außenoberflächen des ersten und zweiten Abschnitts 40, 42 können z. B. und ohne eine Beschränkung darauf miteinander verbördelt werden, um wenigstens einen Teil des Gehäuses 34 zu bilden. Im Wege eines veranschaulichten Beispiels können Streifen, wie etwa die allgemein dargestellten, d. h. die Streifen 43, 59, beim Vorgang des Bördelns nach unten gebogen oder gefalzt werden. In einer Ausführungsform kann das erste Gehäuse 34 einen Diffusor aufweisen.
Wieder unter Bezug auf die 1 bis 4: ein erstes Laufrad 36 kann zur Drehung innerhalb des Gehäuses 34 eingerichtet sein, um Fluid, das durch die erste Stufe 26 des Systems 10 geleitet wird, unter Druck zu versetzen. Das erste Laufrad 36 ist wenigstens teilweise von dem Gehäuse 34 umgeben. Das erste Laufrad 36 kann durch die Welle 16 angetrieben sein, um einen Fluidstrom durch die erste Stufe 26 des Systems 10 zu bewirken. In einer bestimmten Ausführungsform kann das erste Laufrad 36 mit der Welle 16 gekoppelt sein. Wenn das Laufrad 36 in dem Gehäuse 34 gedreht wird, kann von der ersten Stufe verdichtetes Fluid erzeugt werden.
Der Auslass 38 der ersten Stufe kann dazu eingerichtet sein, von der ersten Stufe unter Druck gesetztes Fluid zur weiteren Verdichtung zu der zweiten Stufe 30 des Systems 10 zu leiten. In einer Ausführungsform kann der Auslass 38 der ersten Stufe in einem Winkel nicht axial bezogen auf die Welle 16 angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann der Auslass 38 der ersten Stufe im Wesentlichen rechtwinklig zu der Welle 16 vorgesehen sein. Der Auslass 38 der ersten Stufe steht in Fluidverbindung mit dem Gehäuse 34.
Wie in den Ausführungsbeispielen dargestellt ist ein Rohr 28 vorgesehen und zum Übertragen von unter Druck stehendem Fluid der ersten Stufe zur weiteren Verdichtung aus der ersten Stufe 26 zu der zweiten Stufe 30 eingerichtet. In einer Ausführungsform erstreckt sich das Rohr 28 zwischen dem Auslass 38 der ersten Stufe zu einem Einlass 46 der zweiten Stufe, um eine Fluidverbindung zwischen dem Auslass 38 der ersten Stufe und dem Einlass 46 der zweiten Stufe herzustellen. Dadurch kann das Rohr 28 wenigstens einen Teil des Fluids von der ersten Stufe 26 zu der zweiten Stufe 30 des Systems 10 leiten. In einer Ausführungsform befindet sich wenigstens ein Teil des Rohres 28, das eine äußere Überströmleitung sein kann, außen oder außerhalb des Verdichters 14. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Rohr 28 ein Polymer- oder Plastikmaterial aufweisen. In einer Ausführungsform kann das Rohr 28 Polypropylen oder Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS) enthalten.
Die zweite Stufe 30 kann dazu eingerichtet sein, das Fluid in dem System weiter zu verdichten. Das heißt, das von der ersten Stufe unter Druck versetzte Fluid kann zu einem unter Druck versetzten Fluid der zweiten Stufe weiter verdichtet werden. In einer Ausführungsform kann die zweite Stufe 30 einen Einlass 46, ein Gehäuse 48, ein Laufrad 50 und einen Auslass 52 enthalten.
Der Einlass 46 der zweiten Stufe kann zum Aufnehmen von Fluid aus dem Rohr 28 in die zweite Stufe 30 des Verdichters 14 hinein eingerichtet sein. In einer Ausführungsform kann der Einlass 46 der zweiten Stufe im Wesentlichen an der Welle 16 ausgerichtet sein, so dass das Fluid in einer axialen Richtung in die zweite Stufe 30 hinein strömen kann.
Das zweite Gehäuse 48 kann dazu eingerichtet sein, das Fluid einzuschließen, wenn es durch die zweite Stufe 30 des Systems 10 hindurchgeleitet wird. In einer Ausführungsform steht das zweite Gehäuse 48 in Fluidverbindung mit dem Einlass 46. Wenn es erwünscht ist, kann ein Nasenkegel 54 enthalten und innerhalb des zweiten Gehäuses 58 angeordnet sein. In einer Weise, die der das erste Gehäuse 34 betreffenden ähnlich ist, kann das zweite Gehäuse 48 einen ersten Abschnitt (z. B. eine erste Hälfte) 56 und einen zweiten Abschnitt (z. B. eine zweite Hälfte) 58 aufweisen, die unter Verwendung einer Anzahl von Befestigungselementen 60 verbunden sind, die in einer Ausführungsform um eine Außenoberfläche sowohl des ersten Abschnitts 56 als auch des zweiten Abschnitts 58 herum angeordnet sind. In einer bestimmten Ausführungsform können die mehreren Befestigungselemente 60 im Wesentlichen um den Außenumfang des ersten Abschnitts 56 und des zweiten Abschnitts 58 herum angeordnet sein. Unter Bezug auf 6: In einer anderen Ausführungsform können der erste und zweite Abschnitt 56 und 58 des Gehäuses 48 um Bereiche einer Außenoberfläche des ersten und zweiten Abschnitts 56 herum miteinander verbunden (z. B. miteinander verbördelt) sein, um das Gehäuse 48 zu bilden, wie es allgemein im Zusammenhang mit dem ersten Gehäuse 34 erörtert worden ist. Im Wege eines Beispiels, aber ohne eine Beschränkung darauf, könnten ein Streifen 59 und/oder ein Streifen 43 im Rahmen eines Bördelvorgangs nach unten gebogen oder gefalzt werden. In einer Ausführungsform kann das zweite Gehäuse 48 einen Diffusor enthalten.
Wieder mit Bezug auf die 1 bis 4: Ein zweites Laufrad 50 kann zur Drehung in dem zweiten Gehäuse 48 eingerichtet sein, um das Fluid unter Druck zu versetzen, das durch die erste Stufe 30 des Systems 10 geführt wird. In einer Ausführungsform ist das zweite Laufrad 50 wenigstens teilweise von dem Gehäuse 48 umgeben und wird von der Welle 16 angetrieben, um einen Fluidstrom durch die zweite Stufe 30 des Systems 10 zu leiten. In einer bestimmten Ausführungsform kann das zweite Laufrad 50 mit der Welle 16 gekoppelt sein. In einer Ausführungsform kann das zweite Laufrad an einer Stelle auf der Welle, die dem ersten Laufrad 36 benachbart ist, mit der Welle 16 gekoppelt sein. Außerdem kann das zweite Laufrad 50 in Ausführungsformen des Systems bezogen auf das erste Laufrad 36 Rücken an Rücken angeordnet sein. Allgemein kann von der zweiten Stufe unter Druck versetztes Fluid erzeugt werden, wenn das Laufrad 50 in dem Gehäuse 48 gedreht wird.
Ein Auslass 52 der zweiten Stufe kann vorgesehen sein, um das Druckfluid der zweiten Stufe zur weiteren Verwendung oder Verarbeitung von dem Verdichter 14 weg zu leiten, wie etwa um das Fluid zu einem Einlass einer Brennstoffzelle zu leiten. In einer Ausführungsform kann der Auslass 52 der zweiten Stufe so eingerichtet sein, dass er sich in einem Winkel nicht axial bezogen auf die Welle 16 befindet und im Wesentlichen rechtwinklig zu der Welle 16 angeordnet sein kann, wenn dies erwünscht ist. Der Auslass 52 der zweiten Stufe steht in Fluidverbindung mit dem Gehäuse 48.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenradialverdichters geschaffen. Wie in 7A allgemein gezeigt verwenden konventionelle Verdichterdiffusoren gewöhnlich einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser, der über den Umlauf um einen Verdichterauslass 62 herum größer wird. In einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Verdichterdiffusor 64, wie er z. B. allgemein in 7B dargestellt ist, verglichen mit dem konventionellen Verdichterdiffusor aus 7A einen gestreckten, kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenradialverdichters enthält das Ausbilden eines ersten Teils eines Diffusors, das Ausbilden eines zweiten Teils eines Diffusors und das Verbinden des ersten und zweiten Teils. Der Schritt des Ausbildens kann Druckgießen, Schmieden oder Prägen enthalten. In einer Ausführungsform enthält der Diffusor einen Verdichterauslass 62 und weist eine innere Oberfläche 66, die sich von einer ersten Seite 68 des Verdichterauslasses 62 aus gerade erstreckt, einen Abschnitt mit einer Wölbung 69 und einen sich zu der zweiten Seite 70 des Verdichterauslasses 62 hin erstreckenden Abschnitt auf. In einer Ausführungsform der Erfindung, wie sie allgemein dargestellt ist, kann der Übergang von dem Abschnitt mit der Wölbung 69 zu dem sich zu der zweiten Seite 70 hin erstreckenden Abschnitt ein im Wesentlichen gerades Segment 72 enthalten und weiterhin eine im Wesentlichen rechtwinklige Ecke 74 aufweisen (d. h. wenn er im Querschnitt betrachtet wird). Die Gestaltung gemäß der offenbarten Ausführungsform kann unter anderem auf die halbinselartige Querschnittsform verzichten, die allgemein in 7A zu erkennen ist, was die Strömung und die Herstellbarkeit möglicherweise verbessern kann.
Im Wege eines Beispiels und ohne eine Beschränkung darauf kann der abgewandelte Aufbau und die abgewandelte Geometrie des erfindungsgemäßen Verdichterdiffusors 64 unter anderem die Herstellbarkeit des erfindungsgemäßen Verdichterdiffusors 64 verbessern, indem es möglich gemacht wird, dass der erfindungsgemäße Verdichterdiffusor 64 allgemein durch Druckgießen in zwei Teilen ohne die typischen Formverschlusserfordernisse hergestellt wird. Weil das Wachsausschmelzverfahren zum Herstellen eines Verdichterdiffusors mit einer derartigen abgewandelten Geometrie nicht erforderlich ist, können die Herstellungskosten verringert und die Produktionsraten erhöht werden. Die abgewandelte Geometrie kann auch dabei helfen, zum Aufrechterhalten eines tangentialen Eintritts von dem Laufrad in den Diffusor zu dienen.
Die vorangegangenen Beschreibungen bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung vorgestellt worden. Es ist nicht beabsichtigt, dass sie erschöpfend sind oder die Erfindung auf die offenbarten konkreten Formen beschränken, und es sind im Lichte der obigen Lehre vielfältige Abwandlungen und Änderungen möglich. Die Ausführungsformen wurden gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung zu erklären, um dadurch andere Fachleute in die Lage zu versetzen, die Erfindung zu nutzen, und es sind vielfältige Ausführungsformen mit verschiedenen Abwandlungen für den jeweilis in Betracht gezogenen Gebrauch geeignet. Es ist beabsichtigt, dass der Bereich der Erfindung durch die hieran anschließenden Ansprüche und ihre Äquivalente festgelegt ist.
Zusammenfassung
Ein mehrstufiges Brennstoffzellen-Radialverdichtersystem weist einen Motor, der eine Welle enthält, und einen mit dem Motor verbundenen Verdichter auf. Der Verdichter enthält einen Einlass einer ersten Stufe, ein erstes Gehäuse in Fluidverbindung mit dem Einlass der ersten Stufe und ein erstes Laufrad, das von der Welle angetrieben wird, um eine Fluidströmung durch die erste Stufe des Systems zu bewirken. Der Verdichter enthält weiterhin einen Auslass der ersten Stufe in Fluidverbindung mit dem ersten Gehäuse, einen Einlass einer zweiten Stufe, ein zweites Gehäuse in Fluidverbindung mit dem Einlass der zweiten Stufe, ein zweites Laufrad zum Bewirken einer Fluidströmung durch die zweite Stufe, einen Auslass der zweiten Stufe in Fluidverbindung mit dem zweiten Gehäuse und ein Rohr, das sich zwischen dem Auslass der ersten Stufe und dem Einlass der zweiten Stufe erstreckt. Das Rohr stellt eine Fluidverbindung des Auslasses der ersten Stufe mit dem Einlass der zweiten Stufe her, wodurch wenigstens ein Teil eines Fluids von der ersten Stufe zu der zweiten Stufe des Systems geleitet wird.

Claims

Mehrstufiges Brennstoffzellenverdichtersystem, das enthält: einen Motor, der eine durch den Motor angetriebene Welle enthält, und einen mit dem Motor verbundenen Verdichter, wobei der Verdichter enthält: einen Einlass einer ersten Stufe, ein erstes Gehäuse in Fluidverbindung mit dem Einlass der ersten Stufe, ein erstes Laufrad, das wenigstens teilweise von dem ersten Gehäuse umgeben ist, wobei das erste Laufrad durch die Welle angetrieben ist, um einen Fluidstrom durch eine erste Stufe des Systems zu bewirken, einen Auslass der ersten Stufe in Fluidverbindung mit dem ersten Gehäuse, einen Einlass einer zweiten Stufe, ein zweites Gehäuse in Fluidverbindung mit dem Einlass der zweiten Stufe, ein zweites Laufrad, das wenigstens teilweise von dem zweiten Gehäuse umgeben ist, wobei das zweite Laufrad von der Welle angetrieben ist, um einen Fluidstrom durch eine zweite Stufe des Systems zu bewirken, einen Auslass der zweiten Stufe in Fluidverbindung mit dem zweiten Gehäuse und ein Rohr, das sich zwischen dem Auslass der ersten Stufe und dem Einlass der zweiten Stufe erstreckt, zur Fluidverbindung des Auslasses der ersten Stufe mit dem Einlass der zweiten Stufe, wodurch wenigstens ein Teil eines Fluids von der ersten Stufe zu der zweiten Stufe des Systems geleitet wird.
System nach Anspruch 1, bei dem der Motor einen Elektromotor enthält.
System nach Anspruch 1, bei dem der Einlass der ersten Stufe in einem Winkel nicht axial bezogen auf die Welle angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, bei dem der Auslass der ersten Stufe in einem Winkel nicht axial bezogen auf die Welle angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, bei dem der Einlass der zweiten Stufe im Wesentlichen an der Welle ausgerichtet ist.
System nach Anspruch 1, bei dem der Auslass der zweiten Stufe in einem Winkel nicht axial bezogen auf die Welle angeordnet ist.
System nach Anspruch 3, bei dem der nicht axiale Winkel im Wesentlichen rechtwinklig ist.
System nach Anspruch 1, bei dem das erste Laufrad und das zweite Laufrad Rücken an Rücken angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, bei dem der Motor stromaufwärts von der ersten Stufe angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein Teil des Fluids axial in die erste Stufe hinein strömt.
System nach Anspruch 1, das weiterhin ein oder mehrere Lager enthält, die in dem Motor angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, das weiterhin ein oder mehrere Lager enthält, die in dem Verdichter angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, das weiterhin eine Antriebskupplung zum Koppeln des Motors mit dem Verdichter enthält.
System nach Anspruch 13, bei dem die Antriebskupplung eine Anzahl von Stiften enthält.
System nach Anspruch 14, bei dem die Kupplung drei Stifte enthält, die in einem Winkelabstand angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, das weiterhin einen in dem zweiten Gehäuse angeordneten Nasenkegel aufweist.
System nach Anspruch 1, bei dem ein erster Abschnitt und ein zweiter Abschnitt des ersten Gehäuses unter Verwendung einer Anzahl von Befestigungselementen verbunden sind, die um einen Außenoberflächenbereich des ersten und zweiten Abschnitts herum angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, bei dem ein erster Abschnitt und ein zweiter Abschnitt des ersten Gehäuses um eine Außenoberfläche des ersten und des zweiten Abschnitts durch einen zusätzlichen Arbeitsvorgang verbunden sind.
System nach Anspruch 18, bei dem der zusätzliche Arbeitsvorgang Bördeln, Schweißen, Kleben oder Verwenden eines Haftmittels oder eine Kombination von zwei oder mehr der zuvor genannten enthält.
System nach Anspruch 18, bei dem die Außenoberfläche im Wesentlichen den Umfang des ersten und/oder zweiten Abschnitts enthält.
System nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein Teil des Rohres eine äußere Überströmleitung ist.
System nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein Teil des Rohres ein Polymer- oder Plastikmaterial enthält.
System nach Anspruch 22, bei dem wenigstens ein Teil des Rohres Polypropylen oder Acrylnitrilbutadienstyren (ABS) enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenradialverdichters, das enthält: Ausbilden eines ersten Teils eines Diffusors, Ausbilden eines zweiten Teils eines Diffusors und Verbinden des ersten Teils und des zweiten Teils zur Bildung eines Diffusors, der einen Verdichterauslass enthält, wobei der Diffusor eine innere Oberfläche aufweist, die sich von ei ner ersten Seite des Verdichterauslasses aus erstreckt, einen gewölbten Abschnitt enthält und sich zu einer zweiten Seite des Verdichterauslasses hin erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das Ausbilden Druckgießen, Schmieden oder Prägen enthält.