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WO2024188418A1 - Elektrische anodengasförderpumpe für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Elektrische anodengasförderpumpe für ein brennstoffzellensystem Download PDF

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WO2024188418A1
WO2024188418A1 PCT/EP2023/056137 EP2023056137W WO2024188418A1 WO 2024188418 A1 WO2024188418 A1 WO 2024188418A1 EP 2023056137 W EP2023056137 W EP 2023056137W WO 2024188418 A1 WO2024188418 A1 WO 2024188418A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
anode gas
gas feed
feed pump
motor rotor
separating element
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2023/056137
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Rothgang
Michael-Thomas Benra
Thomas DITGES
Sven Nigrin
Stephan Zielberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pierburg GmbH filed Critical Pierburg GmbH
Priority to DE112023005950.0T priority Critical patent/DE112023005950A5/de
Priority to PCT/EP2023/056137 priority patent/WO2024188418A1/de
Publication of WO2024188418A1 publication Critical patent/WO2024188418A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D23/00—Other rotary non-positive-displacement pumps
    • F04D23/008—Regenerative pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
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    • F04D25/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to an electric anode gas feed pump for a fuel cell system with a stationary pump housing, an electric drive motor with a motor rotor and a motor stator which circumferentially encloses the motor rotor, a rotatable feed wheel which is connected to the motor rotor in a rotationally fixed manner, and a separating element which is arranged radially between the motor rotor and the motor stator, whereby the motor rotor and the motor stator are fluidically separated from one another, wherein the separating element is made of a composite material with a plastic matrix in which electrically conductive fillers are embedded.
  • a similar pump for pumping water in a dishwasher is known, for example, from DE 10 2013 214 190 A1.
  • the disclosed fluid pump has a separating element made of carbon fiber reinforced plastic, which has electrical conductivity due to the addition of carbon fibers.
  • Anode gas feed pumps are used to feed hydrogen or a hydrogen/nitrogen/water mixture to the anode of a fuel cell system.
  • the anode feed gas pump in particular the hydrogen-carrying chamber, is hermetically sealed from the environment to prevent the ingress of oxygen from the environment and the escape of hydrogen into the environment, as this would lead to the formation of an ignitable hydrogen-oxygen mixture.
  • an ignition spark must be avoided in the pump housing. Therefore, the components that come into contact with the hydrogen must have special properties that prevent, for example, the formation of an ignition spark on the component surface.
  • Such ignition sparks can arise, for example, due to electrostatic charging of a component surface that comes into contact with hydrogen, for example on a separating element that sits between the motor rotor and the motor stator of the electric drive motor.
  • Plastics are generally non-conductive, i.e. electrically non-conductive, and are therefore unsuitable for hydrogen applications, as this can lead to an unwanted local accumulation of electrical charge carriers on the component surface, which can ultimately discharge on a neighboring component with a different potential and cause an ignition spark. It has also been shown that excessive conductivity is also disadvantageous, as high electrical conductivity can lead to unwanted interaction of the dipole molecules of the separating element, which are responsible for the electrical conductivity, with the magnetic field of the electric motor. The intermittent reversal of the polarity of the magnetic field of the electric motor during commutation excites the dipole molecules, which can lead to heating of the separating element and thus damage to the entire pump.
  • the present invention is therefore based on the object of developing an electric anode gas feed pump for a fuel cell system. whose separation element for hydrogen application has appropriate dissipative properties that prevent sparking on the component surface.
  • An electric anode gas feed pump for a fuel cell system comprises a stationary pump housing which fluidically separates a pump interior from the environment, as well as an electric drive motor with a motor rotor and a motor stator which are arranged in the pump interior.
  • the motor rotor is designed as a so-called internal rotor and is thus circumferentially enclosed by the motor stator.
  • the electric anode gas feed pump further comprises a rotatable feed wheel which is connected to the motor rotor in a rotationally fixed manner, whereby the feed wheel can be driven by means of the electric drive motor.
  • the feed wheel rotates in a pump chamber formed in the pump interior, through which the fluid is fed by the feed wheel during pump operation.
  • the electric anode gas feed pump comprises a separating element which is arranged radially between the motor rotor and the motor stator and runs through the so-called air gap which is characteristic of a permanently excited synchronous motor.
  • the separating element forms two fluidically separated spaces, with the motor rotor being arranged in a motor rotor space formed inside the separating element and the motor stator being arranged in a motor stator space formed outside the separating element.
  • the motor rotor and the motor stator are fluidically separated from one another.
  • the motor rotor space is in fluid communication with the pump chamber, whereby the gas flowing through the pump chamber Anode gas can enter the motor rotor chamber and flow through it.
  • the motor rotor chamber is flooded with the anode gas, which means that the motor rotor is permanently surrounded by the anode gas.
  • the motor rotor and separating element are therefore permanently in contact with the anode gas, in particular with hydrogen.
  • the separating element is made from a composite material with a plastic matrix in which electrically conductive fillers are embedded.
  • the plastic matrix itself basically has electrically insulating properties, which are advantageous with regard to the self-inductance of the separating element and thus with regard to the occurrence of eddy currents in the separating element arranged between the motor rotor and motor stator, but prevent electrostatic charges from being discharged.
  • the controlled addition of electrically conductive fillers makes the composite material electrically conductive.
  • the proportion of electrically conductive fillers in the plastic matrix is so high that the separating element, or the composite material from which the separating element is made, has a surface resistance of between 10 6 Q (Ohm) and 10 12 Q, which gives the composite material dissipative properties.
  • the anode gas flows through the engine compartment and releases charged particles from the surface of the separating element, causing electrostatic charges to accumulate there.
  • the surface resistance with the parameters mentioned means that no large accumulations of charge can form on the surface, which could lead to an uncontrolled discharge, but that these can be recombined by the anode gas flowing past. Accordingly, only small local static charges are created, which are balanced out again without a high static charge being created. All electrically conductive materials that, in combination with a plastic matrix, have an electrical conductivity of the composite material and in particular result in a surface resistance of the composite material in the previously mentioned dimension.
  • the dimension of the surface resistance determines the extent to which a charge exchange can take place between the composite material of the separation element and the anode gas, with an increasing surface resistance generally leading to an increasing accumulation of electrostatic charges.
  • a surface resistance between 10 6 Q and 10 12 Q results in a controlled, continuous exchange of electrostatic charges between the gas mixture and the composite material, creating a type of electrostatic equilibrium so that no large accumulations of electrostatic charges can form on the component surface. This prevents sudden discharges and the generation of high voltage peaks, thereby protecting sensitive electronic components, such as the pump control of an electronically commutated electric motor, from overvoltage damage.
  • the hydrogen-oxygen mixture is prevented from being ignited by a spark caused by an electrostatic discharge. Nevertheless, the surface resistance is so high that the separation element does not become excessively heated by an excessive number of excitable dipole molecules.
  • the separating element has an electrical conductivity greater than IO -8 S/m (Siemens per meter).
  • An electrical conductivity greater than ICT 8 S/m results in a surface resistance of less than 10 12 Q, which ensures that the electrical charge carriers and thus the electrostatic charges can safely pass from the surface of the separation element to the anode gas.
  • the electrically conductive filler is graphite. Due to its layered crystal structure, graphite behaves anisotropically in terms of electrical conductivity, but within an atomic layer it has a relatively high electrical conductivity, which is similar to the electrical conductivity of metallic materials. Graphite is therefore particularly suitable as a filler for increasing the electrical conductivity of a composite material, but does not lead to high electrical conductivity. In contrast to metallic materials, graphite has a relatively low density and is therefore relatively light. Furthermore, graphite is relatively inexpensive as a filler.
  • the graphite content of the composite material of the separating element is at least 30%.
  • a 30% graphite content ensures that the surface resistance of the composite material is below 10 12 Q, which ensures a controlled, continuous exchange of electrostatic charges.
  • the separating element has a surface resistance between 10 6 Q and 10 9 Q.
  • a conductivity is disadvantageous with regard to heating of the separation element.
  • a low surface resistance means that the charged particles are released into the anode gas in a controlled manner, only to the extent that an excessive accumulation of charges on the surface is prevented, which increases the operational reliability of the anode gas feed pump.
  • the separating element has a water absorption capacity of less than 0.05%.
  • the low water absorption capacity prevents water from being deposited in the composite material, in particular in the plastic matrix, which would impair the dimensional stability of the separating element. Water storage would lead to the external dimensions of the separating element being changed, which could lead to leaks and/or damage, for example. Furthermore, the water can lead to changes in the electrical properties and consequently also to unwanted changes in the surface resistance, which is why water absorption should generally be avoided or kept relatively low.
  • the plastic matrix is made of a thermoplastic.
  • Thermoplastics such as polyethylene (PE), polyamide (PA) or polyvinyl chloride (PVC) can be processed relatively easily and quickly, for example in an injection molding process.
  • thermoplastics are recyclable and therefore sustainable.
  • the thermoplastic is polyphenylene sulfide (PPS).
  • PPS is characterized in particular by its low water absorption capacity and its high resistance to aggressive media.
  • the anode gas feed pump and thus also the separation element can come into contact with acidic media whose pH value can be between 3 and 7. Due to its relatively high acid resistance, PPS is therefore particularly suitable as a plastic matrix for a separation element of an anode gas feed pump for a fuel cell system.
  • the separating element is a can that is arranged in an air gap between the motor rotor and the motor stator.
  • the can is open at both ends and is mounted on both sides, preferably with a seal in between, in the pump housing of the anode gas feed pump.
  • the design of the can that is open on both sides enables the drive shaft connecting the feed wheel and the motor rotor to be mounted directly at two different, axially spaced locations in the pump housing, which would not be possible, for example, if a can were used instead of the can.
  • the motor rotor space formed inside the can and the motor stator space formed outside the can are fluidically separated from one another.
  • a can is therefore advantageous from a design, manufacturing and structural point of view.
  • Figure 1 shows a schematic sectional view through the rotation axis of the anode gas feed pump according to the invention
  • Figure 2 shows a first section of the electronics-side bearing of the separation element of the anode gas feed pump of Figure 1,
  • Figure 3 shows a second section of the conveyor wheel-side bearing of the separating element of the anode gas feed pump of Figure 1, and
  • Figure 4 shows the schematic structure of the composite material of the separation element of the anode gas feed pump of Figure 1.
  • FIG 1 shows an electric anode gas feed pump 10 that is used as a hydrogen recirculation blower in a fuel cell system.
  • the anode gas feed pump 10 comprises a multi-part pump housing 12 that has a cylindrical inner pump housing part 122 and an outer pump housing part 121, the inner pump housing part 122 being inserted into a central, cylindrical opening 123 of the outer pump housing part 121.
  • the anode gas feed pump 10 further comprises an electric drive motor 25 with a cylindrical motor rotor 26 and an annular motor stator 28 that circumferentially encloses the motor rotor 26.
  • the motor rotor 26 is connected in a rotationally fixed manner to a feed wheel 15 arranged in a pump chamber 18 by means of a drive shaft 14, the drive shaft 14 being mounted in the pump housing 12 by means of two roller bearings 141, 142.
  • the first roller bearing 141 is arranged in a corresponding cylindrical bearing seat 1211 of the outer pump housing part 121, whereas the second roller bearing 142 is arranged in a corresponding bearing seat 1221 of the inner pump housing part 122.
  • the anode gas feed pump 10 has a separating element 20 which is formed by a thin-walled, hollow cylindrical split tube 22 made of a composite material V.
  • the split tube 22 is mounted on both sides in the pump housing 12, the split tube 22 being mounted at its impeller-side end 222 in the inner pump housing part 122 and at its electronics-side end 221 in the outer pump housing part 121, with a seal 30, 32 being arranged at both ends 221, 222 between the split tube 22 and the pump housing 12.
  • a motor rotor chamber 124 and a motor stator chamber 126 fluidically separated from the motor rotor chamber 124 are formed within the pump housing 12 by means of the split tube 22.
  • the motor rotor chamber 124 is in fluid communication with the pump chamber 18, whereby the motor rotor chamber 124 is filled with the hydrogen or a hydrogen-nitrogen-water mixture flowing from the pump chamber 18 along the drive shaft 14 into the motor rotor chamber 124.
  • the rolling bearings 141, 142, the motor rotor 26, the drive shaft 14 and the radial inner wall 23 of the can 22 are thus in direct contact with the hydrogen-oxygen-water mixture in the motor rotor chamber 124.
  • An electronics chamber 128 is also formed in the pump housing 12, in which the power electronics 40 for controlling the electric drive motor 25 is arranged, wherein the electronics chamber 128 has no fluid connection to the motor rotor chamber 124, so that the power electronics 40 cannot come into contact with the hydrogen-nitrogen-water mixture.
  • the electronics-side end 221 of the split tube 22 is shown in Figure 2.
  • the outer pump housing part 121 has a first annular collar 1214 extending axially in the direction of the split tube 22, which radially encloses the split tube 22 at its electronics-side end 221 and on whose radial inner wall 1216 the first seal 30 formed by an O-ring 31 rests sealingly.
  • the split tube 22 has a radially outwardly extending projection 224 which has an axial Forms a contact surface 225 for the seal 30.
  • the first seal 30 rests against the radial outer wall 223 of the can 22.
  • the radial inner wall 1216 of the annular collar 1214, the axial contact surface 225 and the radial outer wall 223 form a first annular seal seat 34 in which the first seal 30 sits. Consequently, the first seal 30 seals the motor rotor chamber 124 against the motor stator chamber 126 on the electronics side.
  • the outer pump housing part 121 has a second annular collar 1218 extending axially in the direction of the can 22 and being radially enclosed by the can 22.
  • Figure 3 shows the impeller-side end 222 of the split tube 22, on which a third annular collar 1222 extends axially from the inner pump housing part 122 in the direction of the split tube 22, which radially encloses the split tube 22 at its impeller-side end 222.
  • the inner pump housing part 122 has a fourth annular collar 1224 extending axially in the direction of the split tube 22, on the radial outer wall 1225 of which the second seal 32 formed by a second O-ring 33 rests sealingly.
  • the split tube 22 has a radially inwardly extending projection 226 which forms an axial contact surface 227 for the second seal 32.
  • the second seal 32 rests sealingly on a radial inner wall 228 of the split tube 22.
  • the radial outer wall 1225 of the collar 1224, the axial contact surface 227 of the projection 226 and the radial inner wall 228 of the can 22 thus form a second annular sealing seat 36 in which the second seal 32 sits. Consequently, the second seal 32 seals the motor rotor chamber 124 against the motor stator chamber 126 on the conveyor wheel side.
  • FIG 4 shows the composite material V from which the separating element 20 is made.
  • the composite material V consists of an insulating plastic matrix K made of polyphenylene sulfide (PPS) with embedded electrically conductive fillers F made of graphite G, whereby the graphite content of the composite material V is 35%. Due to the addition of graphite G, the electrical conductivity of the composite material V is over ICT 8 S/m and the surface resistance R of the composite material V is approximately 10 8 Q, whereby the composite material V and thus the separating element 20 is able to balance out electrostatic charges e that have collected on the surface A of the composite material V using the anode gas. Such electrostatic charges e can lead to discharges and thus to sparking between the component surfaces, for example due to high potential differences between the electric motor 25 and the can 22.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • the graphite content of 35%, the electrical conductivity of over IO -8 S/m and the resulting surface resistance R of the composite material V of 10 8 Q determine the extent to which the electrical charge carriers e from the surface A of the composite material V are balanced by the anode gas flowing past, the parameters mentioned being chosen in such a way that overheating of the separating element 20 due to the excitation of dipole molecules in the composite material V is prevented.
  • the balancing of the electrostatic charges e ensures that the hydrogen-oxygen-water mixture which is formed in the event of leaks in the motor rotor chamber 124 and which represents an ignitable gas mixture is not ignited by an electrostatic discharge on the can 22 and the sparks which result from this.
  • the composite material V has a water absorption capacity of less than 0.05%, which means that the water in the hydrogen-nitrogen-water mixture cannot penetrate into the composite material V in relevant quantities and cause dimensional changes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Anodengasförderpumpe (10) für ein Brennstoffzellensystem, mit einem feststehenden Pumpengehäuse (12), einem elektrischen Antriebsmotor (25) mit einem Motorrotor (26) und einem Motorstator (28), der den Motorrotor (26) umfnglich umschließt, einem rotierbaren Förderrad (15), das drehfest mit dem Motorrotor (26) verbunden ist, und einem Separierungselement (20), das radial zwischen Motorrotor (26) und Motorstator (28) angeordnet ist, wodurch Motorrotor (26) und Motorstator (28) fluidisch voneinander getrennt sind, wobei das Separierungselement (20) aus einem Verbundwerkstoff (V) mit einer Kunststoffmatrix (K), in der elektrisch leitfähige Füllstoffe (F) eingebettet sind, hergestellt ist. Das Separierungselement (20) weist einen Oberflächenwiderstand (R) zwischen 106 Ω und 1012 Ω auf, wodurch der Verbundwerkstoff (V) und somit das Separierungselement (20) in der Lage ist, elektrostatische Ladungen (e), die sich auf der Oberfläche (A) des Verbundwerkstoffs (V) gesammelt haben, durch das Anodengas auszugleichen.

Description

B E S C H R E I B U N G
Elektrische Anodengasförderpumpe für ein Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft eine elektrische Anodengasförderpumpe für ein Brennstoffzellensystem mit einem feststehenden Pumpengehäuse, einem elektrischen Antriebsmotor mit einem Motorrotor und einem Motorstator, der den Motorrotor umfänglich umschließt, einem rotierbaren Förderrad, das drehfest mit dem Motorrotor verbunden ist, und einem Separierungselement, das radial zwischen Motorrotor und Motorstator angeordnet ist, wodurch Motorrotor und Motorstator fluidisch voneinander getrennt sind, wobei das Separierungselement aus einem Verbundwerkstoff mit einer Kunststoffmatrix, in die elektrisch leitfähige Füllstoffe eingebettet sind, hergestellt ist.
Eine ähnliche Pumpe zur Förderung von Wasser in einer Spülmaschine ist beispielsweise aus der DE 10 2013 214 190 Al bekannt. Die offenbarte Fluidpumpe weist ein Separierungselement aus kohlefaserverstärktem Kunststoff auf, der aufgrund der Beimischung der Kohlefasern eine elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Anodengasförderpumpen werden zur Förderung von Wasserstoff oder einem Wasserstoff/ Stickstoff / Wasser-Gemisch zur Anode eines Brennstoffzellensystems eingesetzt. Die Anodenfördergaspumpe, insbesondere der wasserstoffführende Raum ist gegenüber der Umgebung hermetisch abgedichtet, um ein Eindringen von Sauerstoff aus der Umgebung sowie ein Austreten von Wasserstoff in die Umgebung zu verhindern, da dies zur Bildung eines zündfähigen Wasserstoff-Sauerstoff- Gemisch führen würde. Dennoch muss im Falle einer Undichtigkeit im Pumpengehäuse das Entstehen eines Zündfunkens vermieden werden. Daher müssen die mit dem Wasserstoff in Kontakt kommenden Bauteile besondere Eigenschaften aufweisen, die beispielsweise die Entstehung eines Zündfunkens an der Bauteiloberfläche verhindern. Derartige Zündfunken können beispielsweise aufgrund von elektrostatischer Aufladung einer mit Wasserstoff in Kontakt kommenden Bauteiloberfläche entstehen, beispielsweise an einem Separierungselement, das zwischen dem Motorrotor und dem Motorstator des elektrischen Antriebsmotors sitzt.
In herkömmlichen Wasserpumpen, wie der in der DE 10 2013 214 190 Al offenbarten Wasserpumpe, sind diese Separierungselemente häufig aus Kunststoff hergestellt.
Kunststoffe sind in der Regel nicht konduktiv, also elektrisch nichtleitend und sind daher für Wasserstoffanwendungen ungeeignet, da es zu einer ungewollten lokalen Ansammlung elektrische Ladungsträger auf der Bauteiloberfläche kommen kann, die sich letztendlich an einem benachbarten Bauteil unterschiedlichen Potentials entladen und einen Zündfunken verursachen können. Ferner hat sich gezeigt, dass eine zu hohe Konduktivität ebenfalls nachteilig ist, da eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu einer ungewollten Interaktion der für die elektrische Leitfähigkeit verantwortlichen Dipolmoleküle des Separierungselements mit dem Magnetfeld des Elektromotors führen kann. Durch die während der Kommutierung intermittierende Umpolung des Magnetfelds des Elektromotors werden die Dipolmoleküle angeregt, was zu einer Erhitzung des Separierungselements und dadurch zu einer Schädigung der gesamten Pumpe führen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Anodengasförderpumpe für ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, deren Separierungselement für eine Wasserstoffanwendung entsprechende dissipative Eigenschaften aufweist, die eine Funkenbildung an der Bauteiloberfläche verhindern.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße elektrische Anodengasförderpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Eine erfindungsgemäße elektrische Anodengasförderpumpe für ein Brennstoffzellensystem umfasst ein feststehendes Pumpengehäuse, das einen Pumpeninnenraum fluidisch von der Umgebung trennt, sowie einen elektrischen Antriebsmotor mit einem Motorrotor und einem Motorstator, die in dem Pumpeninnenraum angeordnet sind. Der Motorrotor ist als sogenannter Innenläufer ausgebildet und somit von dem Motorstator umfänglich umschlossen. Die elektrische Anodengasförderpumpe umfasst ferner ein rotierbares Förderrad, das drehfest mit dem Motorrotor verbunden ist, wodurch das Förderrad mittels des elektrischen Antriebsmotors antreibbar ist. Das Förderrad rotiert in einer in dem Pumpeninnenraum gebildeten Pumpkammer, durch die das Fluid von dem Förderrad im Pumpenbetrieb gefördert wird.
Weiterhin umfasst die elektrische Anodengasförderpumpe ein Separierungselement, das radial zwischen Motorrotor und Motorstator angeordnet ist und durch den sogenannten, für einen permanenterregten Synchronmotor charakteristischen Luftspalt verläuft. Durch das Separierungselement sind zwei fluidisch voneinander getrennte Räume gebildet, wobei in einem im Inneren des Separierungselements gebildeten Motorrotorraum der Motorrotor angeordnet ist und in einem außerhalb des Separierungselements gebildeten Motorstatorraum der Motorstator angeordnet ist. Dadurch sind Motorrotor und Motorstator fluidisch voneinander getrennt. Der Motorrotorraum steht mit der Pumpkammer in fluidischer Verbindung, wodurch das durch die Pumpkammer strömende Anodengas in den Motorrotorraum gelangen kann und diesen durchströmt. Folglich ist der Motorrotorraum mit dem Anodengas geflutet, wodurch der Motorrotor permanent von dem Anodengas umgeben ist. Motorrotor und Separierungselement sind daher permanent mit dem Anodengas, insbesondere mit Wasserstoff in Kontakt.
Das Separierungselement ist aus einem Verbundwerkstoff mit einer Kunststoffmatrix, in die elektrisch leitfähige Füllstoffe eingebettet sind, hergestellt. Die Kunststoffmatrix selbst weist dabei grundsätzlich elektrisch isolierende Eigenschaften auf, die zwar hinsichtlich der Eigeninduktivität des Separierungselements und somit hinsichtlich des Auftretens von Wirbelströmen in dem zwischen Motorrotor und Motorstator angeordneten Separierungselement vorteilhaft sind, jedoch ein Ableiten elektrostatischer Ladungen verhindern. Durch die kontrollierte Beimischung elektrisch leitfähiger Füllstoffe wird der Verbundwerkstoff jedoch elektrisch leitend. Der Anteil an elektrisch leitfähigen Füllstoffen in der Kunststoffmatrix ist dabei derart hoch, dass das Separierungselement, bzw. der Verbundwerkstoff, aus dem das Separierungselement hergestellt ist, einen Oberflächenwiderstand zwischen 106 Q (Ohm) und 1012 Q aufweist, wodurch der Verbundwerkstoff dissipative Eigenschaften erhält. Das Anodengas durchströmt den Motorraum und löst dabei geladene Teilchen aus der Oberfläche des Separierungselements, sodass sich dort elektrostatische Ladungen ansammeln. Der Oberflächenwiderstand mit den genannten Parametern bewirkt, dass sich keine größeren Ladungsansammlungen an der Oberfläche bilden können, die zu einer unkontrollierten Entladung führen, sondern dass diese durch das vorbeiströmende Anodengas wieder rekombiniert werden können. Entsprechend entstehen lediglich lokal geringe statische Ladungen, die jedoch wieder ausgeglichen werden, ohne dass eine hohe statische Ladung entstehen kann. Als Füllstoffe eignen sich alle elektrisch leitenden Werkstoffe, die in Verbindung mit einer Kunststoffmatrix eine elektrische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffes bewirken und insbesondere in einem Oberflächenwiderstand des Verbundwerkstoffs in zuvor genannter Dimension resultieren.
Die Dimension des Oberflächenwiderstands bestimmt, in welchem Maße ein Ladungsaustausch zwischen dem Verbundwerkstoff des Separierungselements und dem Anodengas stattfinden kann, wobei ein zunehmender Oberflächenwiderstand grundsätzlich zu einer zunehmenden Ansammlung von elektrostatischen Ladungen führt. Ein Oberflächenwiderstand zwischen 106 Q und 1012 Q resultiert in einem kontrollierten, stetigen Austausch elektrostatischer Ladungen zwischen dem Gasgemisch und dem Verbundwerkstoff, wodurch eine Art elektrostatisches Gleichgewicht geschaffen wird, sodass sich keine größeren Ansammlungen elektrostatischer Ladungen auf der Bauteiloberfläche bilden können. Dadurch wird verhindert, dass es zu schlagartigen Entladungen und zur Erzeugung hoher Spannungsspitzen kommt, wodurch empfindliche Elektronikbauteile, wie beispielsweise die einer Pumpensteuerung eines elektronisch kommutierten Elektromotors, vor Überspannungsschäden geschützt werden. Weiterhin wird verhindert dass im Falle des Auftretens von Undichtigkeiten, insbesondere dann, wenn ungewollt Sauerstoff in die Pumpe eintritt oder Wasserstoff aus der Pumpe austritt, und sich dadurch ein zündfähiges Wasserstoff-Sauerstoffgemisch bildet, das Wasserstoff-Sauerstoffgemisch durch einen aufgrund einer elektrostatischen Entladung entstehenden Funken gezündet wird. Dennoch ist der Oberflächenwiderstand derart hoch, dass es nicht zu einer übermäßigen Erhitzung des Separierungselements durch eine zu hohe Anzahl an anregbaren Dipolmolekülen kommt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Separierungselement eine elektrische Leitfähigkeit größer als IO-8 S/m (Siemens pro Meter) auf. Eine elektrische Leitfähigkeit größer als ICT8 S/m resultiert in einem Oberflächenwiderstand von unter 1012 Q, wodurch sichergestellt ist, dass die elektrischen Ladungsträger und somit die elektrostatischen Ladungen sicher von der Oberfläche des Separierungselements auf das Anodengas übergehen können. Je höher die elektrische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffes ist, desto geringer ist dessen Oberflächenwiderstand. Der Oberflächenwiderstand hängt also maßgeblich von der elektrischen Leitfähigkeit und somit von dem Anteil an elektrisch leitfähigen Füllstoffen in dem Verbundwerkstoff ab.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrisch leitfähige Füllstoff Graphit. Graphit verhält sich aufgrund seiner schichtartig aufgebauten Kristallstruktur in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit anisotrop, weist jedoch innerhalb einer atomaren Schicht eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit auf, die ähnlich hoch wie die elektrische Leitfähigkeit metallischer Werkstoffe ist. Graphit eignet sich daher besonders gut als Füllstoff zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit eines Verbundwerkstoffes, führt jedoch nicht zu einer hohen elektrischen Leitfähigkeit. Im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen besitzt Graphit hingegen eine relativ geringe Dichte und weist daher ein relativ geringes Gewicht auf. Ferner ist Graphit als Füllstoff relativ kostengünstig.
Vorzugsweise beträgt der Graphitanteil des Verbundwerkstoffs des Separierungselements mindestens 30%. Ein 30-prozentiger Anteil an Graphit stellt sicher, dass der Oberflächenwiderstand des Verbundwerkstoffes bei unter 1012 Q liegt, wodurch ein kontrollierter, stetiger Austausch der elektrostatischen Ladungen gewährleistet ist.
Besonders bevorzugt weist das Separierungselement einen Oberflächenwiderstand zwischen 106 Q und 109 Q auf. Wie zuvor bereits erwähnt, ist eine zu hohe Leitfähigkeit nachteilig in Bezug auf die Erhitzung des Separierungselements. Bei einem Oberflächenwiderstand zwischen 109 und 1012 kommt es zu einer stärkeren Anregung der Dipolmoleküle und infolgedessen zu einer stärkeren Erwärmung als bei einem Oberflächenwiderstand zwischen 106 und 109 Q. Ein geringer Oberflächenwiderstand führt dazu, dass die geladenen Teilchen kontrolliert an das Anodengas abgegeben werden, und zwar nur in dem Maße, dass eine zu große Ansammlung der Ladungen auf der Oberfläche verhindert wird, wodurch die Betriebssicherheit der Anodengasförderpumpe erhöht wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Separierungselement eine Wasseraufnahmefähigkeit von kleiner 0,05 % auf. Die geringe Wasseraufnahmefähigkeit verhindert, dass sich Wasser in dem Verbundwerkstoff, insbesondere in der Kunststoffmatrix einlagert, der die Maßhaltigkeit des Separierungselements beeinträchtigt. Eine Wassereinlagerung würde dazu führen, dass die äußeren Dimensionen des Separierungselements verändert würden, was beispielsweise zu Undichtigkeiten und/oder Schäden führen kann. Ferner kann das Wasser zur Änderung der elektrischen Eigenschaften und folglich auch zur ungewollten Änderung des Oberflächenwiderstands führen, weshalb eine Wasseraufnahme grundsätzlich zu vermeiden bzw. relativ gering zu halten ist.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kunststoffmatrix aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet. Thermoplastische Kunststoffe, wie Polyethylen (PE), Polyamid (PA) oder Polyvinylchlorid (PVC) lassen sich relativ einfach und schnell verarbeiten, beispielsweise in einem Spritzgussverfahren. Ferner sind thermoplastische Kunststoffe recyclebar und daher nachhaltig. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der thermoplastische Kunststoff Polyphenylensulfid (PPS). PPS zeichnet sich insbesondere durch seine geringe Wasseraufnahmefähigkeit und seine hohe Beständigkeit gegen aggressive Medien aus. Im Brennstoffzellenbetrieb kann die Anodengasförderpumpe und somit auch das Separierungselement mit sauren Medien in Kontakt kommen, deren pH-Wert zwischen 3 und 7 liegen kann. Aufgrund seiner relativ hohen Säurebeständigkeit eignet sich PPS daher besonders gut als Kunststoffmatrix für ein Separierungselements einer Anodengasförderpumpe für ein Brennstoffzellensystem.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Separierungselement ein Spaltrohr, das in einem Luftspalt zwischen Motorrotor und Motorstator angeordnet ist. Das Spaltrohr ist an beiden Enden offen und ist beidseitig, vorzugsweise unter Zwischenlage einer Dichtung in dem Pumpengehäuse der Anodengasförderpumpe gelagert. Die beidseitig offene Ausführung des Spaltrohrs ermöglicht eine direkte Lagerung der das Förderrad und den Motorrotor verbindenden Antriebswelle an zwei verschiedenen, axial voneinander entfernten Stellen in dem Pumpengehäuse, was beispielsweise bei der Verwendung eines Spalttopfes anstelle des Spaltrohrs nicht möglich wäre. Mittels einer entsprechenden Dichtung, die jeweils an den entsprechenden Lagerstellen in dem Pumpengehäuse zwischen Spaltrohr und Pumpengehäuseaufnahme angeordnet ist, werden der innerhalb des Spaltrohrs gebildete Motorrotorraum und der außerhalb des Spaltrohrs gebildete Motorstatorraum fluidisch voneinander getrennt. Ein Spaltrohr ist somit aus konstruktiver, fertigungstechnischer und struktureller Sicht vorteilhaft.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch die Drehachse der erfindungsgemäßen Anodengasförderpumpe,
Figur 2 zeigt einen ersten Ausschnitt der elektronikseitigen Lagerung des Separierungselements der Anodengasförderpumpe der Figur 1,
Figur 3 zeigt einen zweiten Ausschnitt der förderradseitigen Lagerung des Separierungselements der Anodengasförderpumpe der Figur 1, und
Figur 4 zeigt den schematischen Aufbau des Verbundwerkstoffs des Separierungselements der Anodengasförderpumpe der Figur 1.
Figur 1 zeigt eine elektrische Anodengasförderpumpe 10, die als Wasserstoffrezirkulationsgebläse in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt wird. Die Anodengasförderpumpe 10 umfasst ein mehrteiliges Pumpengehäuse 12, das ein zylindrisches inneres Pumpengehäuseteil 122 und ein äußeres Pumpengehäuseteil 121 aufweist, wobei das innere Pumpengehäuseteil 122 in eine zentrale, zylindrische Öffnung 123 des äußeren Pumpengehäuseteils 121 eingeschoben ist. Die Anodengasförderpumpe 10 umfasst ferner einen elektrischen Antriebsmotor 25 mit einem zylindrischen Motorrotor 26 und einem ringförmigen Motorstator 28, der den Motorrotor 26 umfänglich umschließt. Der Motorrotor 26 ist mittels einer Antriebswelle 14 drehfest mit einem in einer Pumpkammer 18 angeordneten Förderrad 15 verbunden, wobei die Antriebswelle 14 mittels zweier Wälzlager 141,142 in dem Pumpengehäuse 12 gelagert ist. Das erste Wälzlager 141 ist in einer entsprechenden zylindrischen Lageraufnahme 1211 des äußeren Pumpengehäuseteils 121 angeordnet, wohingegen das zweite Wälzlager 142 in einer korrespondierenden Lageraufnahme 1221 des inneren Pumpengehäuseteils 122 angeordnet ist. Die Anodengasförderpumpe 10 weist ein Separierungselement 20 auf, das durch ein dünnwandiges, hohlzylindrisches und aus einem Verbundwerkstoff V hergestelltes Spaltrohr 22 gebildet ist. Das Spaltrohr 22 ist beidseitig in dem Pumpengehäuse 12 gelagert, wobei das Spaltrohr 22 an seinem förderradseitigen Ende 222 in dem inneren Pumpengehäuseteil 122 und an seinem elektronikseitigen Ende 221 in dem äußeren Pumpengehäuseteil 121 gelagert ist, wobei an beiden Enden 221,222 jeweils eine Dichtung 30,32 zwischen dem Spaltrohr 22 und dem Pumpengehäuse 12 angeordnet ist. Dadurch sind mittels des Spaltrohrs 22 innerhalb des Pumpengehäuses 12 ein Motorrotorraum 124 und ein fluidisch von dem Motorrotorraum 124 getrennter Motorstatorraum 126 gebildet. Der Motorrotorraum 124 steht mit der Pumpkammer 18 in fluidischer Verbindung, wodurch der Motorrotorraum 124 mit dem aus der Pumpkammer 18 entlang der Antriebswelle 14 in den Motorrotorraum 124 strömenden Wasserstoff bzw. einem Wasserstoff-Stickstoff-Wassergemisch gefüllt ist. Somit stehen die Wälzlager 141,142, der Motorrotor 26, die Antriebswelle 14 und die radiale Innenwand 23 des Spaltrohrs 22 in direktem Kontakt mit dem Wasserstoff- Sauerstoff-Wassergemisch in dem Motorrotorraum 124. In dem Pumpengehäuse 12 ist ferner ein Elektronikraum 128 gebildet, in dem die Leistungselektronik 40 zur Steuerung des elektrischen Antriebsmotors 25 angeordnet ist, wobei der Elektronikraum 128 keine fluidische Verbindung zu dem Motorrotorraum 124 aufweist, sodass die Leistungselektronik 40 nicht mit dem Wasserstoff-Stickstoff-Wassergemisch in Kontakt kommen kann.
Das elektronikseitige Ende 221 des Spaltrohrs 22 ist in Figur 2 dargestellt. Das äußere Pumpengehäuseteil 121 weist einen ersten ringförmigen, sich axial in Richtung des Spaltrohrs 22 erstreckenden Kragen 1214 auf, der das Spaltrohr 22 an seinem elektronikseitigen Ende 221 radial umschließt und an dessen radialer Innenwand 1216 die durch einen O-Ring 31 gebildete erste Dichtung 30 dichtend anliegt. Das Spaltrohr 22 weist eine sich radial nach außen erstreckende Auskragung 224 auf, die eine axiale Anlagefläche 225 für die Dichtung 30 bildet. Darüber hinaus liegt die erste Dichtung 30 an der radialen Außenwand 223 des Spaltrohrs 22 an. Somit bilden die radiale Innenwand 1216 des ringförmigen Kragens 1214, die axiale Anlagefläche 225 sowie die radiale Außenwand 223 einen ersten ringförmigen Dichtungssitz 34, in der die erste Dichtung 30 sitzt. Folglich dichtet die erste Dichtung 30 elektronikseitig den Motorrotorraum 124 gegen den Motorstatorraum 126 ab. Ferner weist das äußere Pumpengehäuseteil 121 einen zweiten ringförmigen, sich axial in Richtung des Spaltrohrs 22 erstreckenden Kragen 1218 auf, der von dem Spaltrohr 22 radial umschlossen ist.
Figur 3 zeigt das förderradseitige Ende 222 des Spaltrohrs 22, an dem sich ausgehend von dem inneren Pumpengehäuseteil 122 ein dritter ringförmiger Kragen 1222 axial in Richtung Spaltrohr 22 erstreckt, der das Spaltrohr 22 an seinem förderradseitigen Ende 222 radial umschließt. Das innere Pumpengehäuseteil 122 weist einen vierten ringförmigen, sich axial in Richtung des Spaltrohrs 22 erstreckenden Kragen 1224 auf, an dessen radialer Außenwand 1225 die durch einen zweiten O-Ring 33 gebildete zweite Dichtung 32 dichtend anliegt. Das Spaltrohr 22 weist eine sich radial nach innen erstreckende Auskragung 226 auf, die eine axiale Anlagefläche 227 für die zweite Dichtung 32 bildet. Zusätzlich liegt die zweite Dichtung 32 an einer radialen Innenwand 228 des Spaltrohrs 22 dichtend an. Die radiale Außenwand 1225 des Kragens 1224, die axiale Anlagefläche 227 der Auskragung 226 sowie die radiale Innenwand 228 des Spaltrohrs 22 bilden somit einen zweiten ringförmigen Dichtungssitz 36, in der die zweite Dichtung 32 sitzt. Folglich dichtet die zweite Dichtung 32 förderradseitig den Motorrotorraum 124 gegen den Motorstatorraum 126 ab.
Figur 4 zeigt den Verbundwerkstoff V, aus dem das Separierungselement 20 hergestellt ist. Der Verbundwerkstoff V besteht aus einer isolierenden Kunststoffmatrix K aus Polyphenylensulfid (PPS) mit darin eingebetteten elektrisch leitfähigen Füllstoffen F aus Graphit G, wobei der Graphitanteil des Verbundwerkstoffs V bei 35% liegt. Durch die Beimischung des Graphits G liegt die elektrische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs V bei über ICT8 S/m und der Oberflächenwiderstand R des Verbundwerkstoffs V bei ca. 108 Q, wodurch der Verbundwerkstoff V und somit das Separierungselement 20 in der Lage ist, elektrostatische Ladungen e, die sich auf der Oberfläche A des Verbundwerkstoffs V gesammelt haben, durch das Anodengas auszugleichen. Derartige elektrostatische Ladungen e können beispielsweise durch hohe Potentialdifferenzen zwischen Elektromotor 25 und Spaltrohr 22 zu Entladungen und somit zur Funkenbildung zwischen den Bauteiloberflächen führen.
Der Graphitanteil von 35%, die elektrische Leitfähigkeit von über IO-8 S/m und der daraus resultierende Oberflächenwiderstand R des Verbundwerkstoffs V von 108 Q bestimmen, in welchem Maße die elektrischen Ladungsträger e von der Oberfläche A des Verbundwerkstoffs V durch das vorbeiströmende Anodengas ausgeglichen werden, wobei die genannten Parameter derart gewählt wurden, dass eine Überhitzung des Separierungselements 20 aufgrund der Anregung von in dem Verbundwerkstoff V befindlichen Dipolmolekülen verhindert wird. Der Ausgleich der elektrostatischen Ladungen e gewährleistet, dass das bei Undichtigkeiten in dem Motorrotorraum 124 entstehende Wasserstoff- Sauerstoff-Wassergemisch, das ein zündfähiges Gasgemisch darstellt, nicht durch eine elektrostatische Entladung an dem Spaltrohr 22 und die dabei entstehenden Funken gezündet wird. Darüber hinaus besitzt der Verbundwerkstoff V aufgrund der PPS-Kunststoffmatrix K eine Wasseraufnahmefähigkeit von unter 0,05%, wodurch das Wasser in dem Wasserstoff-Stickstoff-Wassergemisch nicht in relevanter Menge in den Verbundwerkstoff V eindringen und Maßveränderungen verursachen kann.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Elektrische Anodengasförderpumpe (10) für ein Brennstoffzellensystem, mit einem feststehenden Pumpengehäuse (12), einem elektrischen Antriebsmotor (25) mit einem Motorrotor (26) und einem Motorstator (28), der den Motorrotor (26) umfänglich umschließt, einem rotierbaren Förderrad (15), das drehfest mit dem Motorrotor (26) verbunden ist, und einem Separierungselement (20), das radial zwischen Motorrotor (26) und Motorstator (28) angeordnet ist, wodurch Motorrotor (26) und Motorstator (28) fluidisch voneinander getrennt sind, wobei das Separierungselement (20) aus einem Verbundwerkstoff (V) mit einer Kunststoffmatrix (K), in die elektrisch leitfähige Füllstoffe (F) eingebettet sind, hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Separierungselement (20) einen Oberflächenwiderstand (R.) zwischen 106 Q und 1012 Q aufweist.
2. Elektrische Anodengasförderpumpe (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Separierungselement (20) eine elektrische Leitfähigkeit größer als 10'8 S/m aufweist.
3. Elektrische Anodengasförderpumpe (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Füllstoff (F) Graphit (G) ist.
4. Elektrische Anodengasförderpumpe (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitanteil des Verbundwerkstoffs (V) des Separierungselementes (20) mindestens 30% beträgt.
5. Elektrische Anodengasförderpumpe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Separierungselement (20) einen Oberflächenwiderstand zwischen 106 Q und 109 Q aufweist.
6. Elektrische Anodengasförderpumpe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Separierungselement (20) eine Wasseraufnahmefähigkeit von kleiner 0,05% aufweist.
7. Elektrische Anodengasförderpumpe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix (K) aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet ist.
8. Elektrische Anodengasförderpumpe (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff Polyphenylensulfid ist.
9. Elektrische Anodengasförderpumpe (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Separierungselement (20) ein Spaltrohr (22) ist, das in einem Luftspalt (L) zwischen Motorrotor (26) und Motorstator (28) angeordnet ist.
10. Elektrische Anodengasförderpumpe (10) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltrohr (22) beidseitig unter Zwischenlage einer Dichtung (30,32) im Pumpengehäuse (12) gelagert ist.
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