DE102005039869B4

DE102005039869B4 - Fluidfördervorrichtung und Dichtungszusammenbau für eine Fluidfördervorrichtung

Info

Publication number: DE102005039869B4
Application number: DE102005039869.3A
Authority: DE
Inventors: Ralph Hobmeyr
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2025-08-24
Also published as: DE102005039869A1; US8506266B2; US20060046129A1; US20110100473A1; US7905493B2

Abstract

Dichtungszusammenbau (100) für eine Fluidfördervorrichtung (41) mit:einer drehbaren Welle (46), die ein Antriebsende (87) besitzt, das einem Vortriebsende (89) entgegengesetzt ist;einer ersten Dichtung (102), die konzentrisch an der Welle (46) zwischen dem Antriebsende (87) und dem Vortriebsende (89) angeordnet ist, wobei die erste Dichtung (102) mit unter Druck stehendem Prozessfluid in Kontakt steht;einer zweiten Dichtung (104), die konzentrisch an der Welle (46) zwischen der ersten Dichtung (102) und dem Antriebsende (87) angeordnet ist;einem Ring (130'), der an der drehbaren Welle (46) fixiert und an der Welle (46) zwischen und benachbart der jeweiligen ersten Dichtung (102) und zweiten Dichtung (104) angeordnet ist, wobei sich der Ring (130') auf einer Seite der ersten Dichtung (102) befindet, die einer Seite gegenüberliegt, die mit den Prozessfluiden in Kontakt steht, wobei der Ring (130') eine Zentralbohrung (132), welche die Welle (46) fixiert aufnimmt, und eine radial außen liegende Fläche aufweist; undeinem Zwischenverbindungsfach (80), das zwischen der ersten und der zweiten Dichtung (102, 104) ausgebildet ist und den Ring (130') enthält, wobei das Zwischenverbindungsfach (80) ein Barrierefluid enthält, wodurch eine Wanderung von unter Druck stehenden Prozessfluiden über die erste Dichtung (102) verhindert wird,wobei der Ring (130') eine erste Fläche (134') und eine zweite Fläche (136') umfasst, und wobei die erste Dichtung (102) einen ersten Dichtungskopf (124a) umfasst, der zu der ersten Fläche (134') weist, und die zweite Dichtung (104) einen zweiten Dichtungskopf (124b) umfasst, der zu der zweiten Fläche (136') weist, und wobei eine Distanz zwischen der ersten oder der zweiten Fläche (134', 136') des Rings (130') und dem ersten Dichtungskopf (124a) bzw. dem zweiten Dichtungskopf (124b) kleiner als oder gleich 5 µm ist,wobei die erste Fläche (134') zumindest eine darin geformte Nut (190) besitzt, um eine Barrierefluidströmungsgeschwindigkeit zwischen dem Ring (130') und dem ersten Dichtungskopf (124a) zu steigern, undwobei die Nut (190) sich von der radial außen liegenden Fläche des Rings (130') radial nach innen erstreckt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidfördervorrichtung und einen Dichtungszusammenbau für eine Fluidfördervorrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektrochemische Brennstoffzellen können in einem breiten Gebiet von Anwendungen als eine Energiequelle verwendet werden wie als eine zu Verbrennungsmotoren alternative Energiequelle für Fahrzeuganwendungen. Eine elektrochemische Brennstoffzelle umfasst eine zwischen Elektroden schichtartig angeordnete Membran. Eine bevorzugte Brennstoffzelle ist als eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM) bekannt, bei der Wasserstoff (H₂) als eine Brennstoffquelle oder ein reduzierendes Mittel an einer Anodenelektrode verwendet wird und Sauerstoff (O₂) als das oxidierende Mittel an einer Kathodenelektrode entweder in reiner gasförmiger Form oder kombiniert mit Stickstoff und anderen inerten in der Luft vorhandenen Verdünnungsstoffen vorgesehen ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Elektrizität durch elektrisch leitende Elemente benachbart der Elektroden über das elektrische Potential erhalten, das bei der Reduktions-Oxidations-Reaktion, die in der Brennstoffzelle stattfindet, erzeugt wird.
Fluidfördervorrichtungen in dem Brennstoffzellensystem rezirkulieren die Prozessfluide (beispielsweise Reaktandengase, Kühlmittel, Abflussströme) über das System hinweg. Die Fluidfördervorrichtungen, die wasserstoffhaltige Gase an die Anode liefern bzw. von dieser entfernen, weisen bestimmte Konstruktionsherausforderungen hinsichtlich der Reaktivität von Wasserstoff und wasserstoffhaltigen Gasen auf. Die Fluidfördervorrichtung sollte die wasserstoffhaltigen Prozessfluide ausreichend isolieren, so dass die wasserstoffhaltigen Gase nicht in die umliegende Umgebung freigegeben werden. Zusätzlich ist es erwünscht, eine Leckage in Fluidfördervorrichtungen, die Hochdruckfluide verarbeiten, zu verhindern, insbesondere, wenn die Fluidfördervorrichtung eine variable Drehzahl besitzt, da eine derartige Leckage die Ineffizienz der Fluidfördervorrichtungen steigert. Fluidfördervorrichtungen wie beispielsweise Pumpen, Gebläse und Kompressoren, besitzen typischerweise rotierende Wellen, die durch das Gehäuse eines Motorfachs zu einem Prozessfluidfach verlaufen. Mechanische Dichtungen, die die Welle umgeben und die Motor- und Prozessfluidfächer trennen, können Prozessfluide vollständig von der Umgebung abdichten, jedoch besitzen die mechanischen Dichtungen typischerweise eine hohe Reibung, was die Dichtungslebensdauer verkürzen kann. Andere Ausgestaltungen von Fluidfördervorrichtungen können die Vorrichtung von der umliegenden Umgebung durch Kapseln derselben in einem (beispielsweise hermetisch) abgedichteten Schutzgehäuse isolieren. Es besteht Bedarf nach einer Verbesserung der Fluidbarrieren von Fluidfördervorrichtungen, die unter Druck stehende Prozessfluide für ein Brennstoffzellensystem fördern, welche potentiell reaktiv, korrosiv und/oder brennbar sind.
Herkömmliche Dichtungszusammenbauten sind aus den Druckschriften US 5 490 679 A und US 3 079 605 A bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Dichtungszusammenbau für eine Fluidfördervorrichtung vorgesehen, der eine drehbare Welle mit einem Antriebsende, das einem Vortriebsende gegenüberliegt, umfasst. Eine erste Dichtung ist konzentrisch an der Welle zwischen dem Antriebsende und dem Vortriebsende angeordnet. Die erste Dichtung steht in Kontakt mit dem Prozessfluid. Eine zweite Dichtung ist ebenfalls konzentrisch an der Welle zwischen der ersten Dichtung und dem Antriebsende angeordnet. Ein Ring ist an der drehbaren Welle fixiert und an der Welle zwischen und benachbart der jeweiligen ersten und zweiten Dichtung angeordnet, wobei der Ring sich auf einer Seite der ersten Dichtung befindet, die einer Seite gegenüberliegt, die mit den Prozessfluiden in Kontakt steht. Der Ring umfasst eine Zentralbohrung, welche die Welle fixiert aufnimmt, und eine radial außen liegende Fläche. Somit wird ein Zwischenverbindungsfach zwischen der ersten und der zweiten Dichtung gebildet, das den Ring und Barrierefluid umfasst. Das Zwischenverbindungsfach, das das Barrierefluid besitzt, verhindert eine Wanderung von unter Druck stehenden Prozessfluiden über die erste Dichtung. Der Ring umfasst eine erste Fläche und eine zweite Fläche. Die erste Dichtung umfasst einen ersten Dichtungskopf, der zu der ersten Fläche weist, und die zweite Dichtung umfasst einen zweiten Dichtungskopf, der zu der zweiten Fläche weist. Eine Distanz zwischen der ersten oder der zweiten Fläche des Rings und dem ersten Dichtungskopf bzw. dem zweiten Dichtungskopf ist kleiner als oder gleich 5 µm. Die erste Fläche besitzt zumindest eine darin geformte Nut, um eine Barrierefluidströmungsgeschwindigkeit zwischen dem Ring und dem ersten Dichtungskopf zu steigern. Die Nut erstreckt sich von der radial außen liegenden Fläche des Rings radial nach innen.
Bei einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine Fluidfördervorrichtung für ein Prozessfluid vor, die ein Prozessfluidfach in Kontakt mit Prozessfluiden, die einen ersten Druck aufweisen, und ein Antriebsfach umfasst, das einen zweiten Druck aufweist und eine Antriebseinheit besitzt, um die Prozessfluide in dem Prozessfluidfach zu bewegen, wobei der erste Druck größer als der zweite Druck ist, und ein Dichtungszusammenbau zwischen dem Prozessfluidfach und dem Antriebsfach angeordnet ist, der einen Ring, eine erste Dichtung und eine zweite Dichtung umfasst. Die erste Dichtung und die zweite Dichtung bilden ein Zwischenverbindungsfach, durch das sich die Antriebseinheit erstreckt, und das Zwischenverbindungsfach verhindert im Wesentlichen eine Wanderung der Prozessfluide an das Antriebsfach. Der Ring weist eine Zentralbohrung, welche die Antriebseinheit fixiert aufnimmt, und eine radial außen liegende Fläche auf. Die erste Dichtung umfasst einen ersten Dichtungskopf, der zu einer ersten Fläche des Rings weist, und die zweite Dichtung umfasst einen zweiten Dichtungskopf, der zu einer zweiten Fläche an einer der ersten Fläche entgegengesetzten Seite des Rings weist. Eine Distanz zwischen der ersten oder der zweiten Fläche des Rings und dem ersten Dichtungskopf bzw. dem zweiten Dichtungskopf ist kleiner als oder gleich 5 µm. Die erste Fläche besitzt zumindest eine darin geformte Nut, um eine Barrierefluidströmungsgeschwindigkeit zwischen dem Ring und dem ersten Dichtungskopf zu steigern. Die Nut erstreckt sich von der radial außen liegenden Fläche des Rings radial nach innen.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung bestimmt sind.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Brennstoffzellensystems ist, das eine Anodenrezirkulation aufweist;
2 eine Schnittansicht einer beispielhaften Fluidfördervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine detaillierte Ansicht eines Dichtungssystems der Fluidfördervorrichtung von 2 ist;
4 eine ausgeschnittene perspektivische Ansicht eines beispielhaften Viertelabschnitts einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Gleitrings ist, der mit einem Dichtungszusammenbau verwendbar ist;
5 eine ausgeschnittene perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines beispielhaften Viertelabschnitts eines Gleitrings ist, der mit einem Dichtungszusammenbau der vorliegenden Erfindung verwendbar ist;
6 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist, wobei Barrierefluid an ein Dichtungssystem für eine Fluidfördervorrichtung von einem Speicherbehälter gemäß der vorliegenden Erfindung geliefert wird;
7 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wobei Barrierefluid von einem Kathodenrezirkulationskreislauf an ein Dichtungssystem für eine Fluidfördervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung geliefert wird; und
8 eine schematische Darstellung einer anderen alternativen Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wobei Barrierefluid von einem Anodenrezirkulationskreislauf an ein Dichtungssystem für eine Fluidfördervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung geliefert wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dichtungszusammenbau in einer Fluidfördervorrichtung in einem Brennstoffzellensystem, um Prozessfluide in einem Stufenfach von einem Antriebsfach in Fluidverbindung mit der Umgebung zu trennen. Das Dichtungssystem bildet eine Fluidbarriere teilweise dadurch, dass ein Zwischenverbindungsfach gebildet wird, das die Stufen- und Antriebsfächer trennt. Das Zwischenverbindungsfach des Dichtungszusammenbaus wird durch ein Paar Dichtungen gebildet. Bei bestimmten Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Zwischenverbindungsfach mit einem unter Druck stehenden Barrierefluid (beispielsweise Barrieregas) gefüllt ist, um einen Druck herzustellen, der größer oder gleich dem des benachbarten Stufenfaches ist, um zu verhindern, dass Prozessfluide zwischen den Stufen- und Antriebsfächern wandern können. Die vorliegende Erfindung kann in Fluidfördervorrichtungen verwendet werden, die sowohl in flüssiger als auch gasförmiger Phase befindliche Prozessfluide rezirkulieren, und ist insbesondere nützlich bei Anwendungen mit stark unter Druck gesetzten Prozessgasen. Zunächst ist zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung eine kurze Beschreibung eines beispielhaften elektrochemischen Brennstoffzellensystems, in dem die vorliegende Erfindung verwendbar ist, zum Verständnis verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung hilfreich.
In 1 ist eine einzelne Brennstoffzelle 20 in einem Stapel 22 gezeigt. Der Stapel 22 kann optional eine Vielzahl verbundener Brennstoffzellen umfassen, wie es in der Technik gut bekannt ist, wobei jedoch der Einfachheit halber hier nur eine einzelne Brennstoffzelle gezeigt ist. Die Brennstoffzelle 20 umfasst eine Polymerelektrolytmembran 24, die schichtartig zwischen zwei Elektroden: einer Kathode 26 und einer Anode 28, angeordnet ist. Reaktandengase werden an sowohl die Anode 28 als auch die Kathode 26 eingeführt, wobei bei einer bevorzugten Ausführungsform das an die Anode 28 eingeführte Reaktandengas wasserstoffhaltig (ein Reduktionsmittel) ist und das an die Kathode eingeführte Reaktandengas sauerstoffhaltig (ein Oxidationsmittel) ist.
Die Kathoden- und Anodenelektroden 26, 28 umfassen typischerweise Katalysatoren, um die elektrochemische Reaktion zwischen dem Sauerstoff und dem Wasserstoff zu erleichtern. Eine bevorzugte Polymerelektrolytmembran ist eine Protonenaustauschmembran (PEM) 24, die einen Transport von Protonen von der Anode 28 an die Kathode 26 zulässt, während eine externe Schaltung an der Anode 28 freigegebene Elektronen überträgt, um ein elektrochemisches Potential zu erzeugen. PEMs 24 erfordern eine Befeuchtung, die allgemein durch einen Befeuchter 32 vorgesehen wird, der Feuchtigkeit an in den Stapel 22 eintretende Reaktandengasströme liefert. Fluidfördervorrichtungen, die beispielsweise Pumpen, Kompressoren und Gebläse umfassen, rezirkulieren Reaktandengase und Fluidströme zu und von dem Stapel 22. Beispielsweise liefert ein Kathodengebläse / Kompressor 30 sauerstoffhaltiges Gas an die Kathode 26.
Elektrochemische Reaktionen in der Brennstoffzelle 20 erzeugen Produktwasser auf der Seite der Kathode 26. An der Anode 28 wird Wasserstoffgas im Verhältnis zu den in der Brennstoffzelle 20 ablaufenden Reaktionen verbraucht. Bei typischen Betriebsabläufen werden wenige oder gar keine Reaktionsnebenprodukte an der Anode 28 erzeugt. Es sind viele verschiedene Ausgestaltungen zur Fluidförderung an der Anode 28 möglich, wie eine diskontinuierliche Lieferung, wie beispielsweise eine „Stichlieferung“ des Anodenreaktanden in den Stapel 22. Die in 1 gezeigte Ausgestaltung umfasst einen kontinuierlich arbeitenden Kreislauf 34, bei dem der Anodenabflussstrom durch eine Fluidfördervorrichtung oder -pumpe 40 zur Anodenrezirkulation in den Anodeneinlass 36 des Stapels 22 rezirkuliert oder zurückgeführt wird. Der zurückgeführte Anodenstrom 34 gelangt optional durch einen Rezirkulationskreislauffilter 37, um Unreinheiten zu entfernen oder eine potentielle Vergiftung der Brennstoffzelle 20 zu verhindern. Anodengase umfassen typischerweise Feuchtigkeit, während sie durch die Brennstoffzelle 20 rezirkuliert werden, und bleiben beim Austritt aus dem Stapel 22 allgemein befeuchtet. Ferner sammelt der Abfluss der Anode 28 allgemein Stickstoff oder andere Verdünnungsstoffe durch Diffusion über die PEM 24 oder über eine Gasleckage in dem System.
Die Förderung von wasserstoffhaltigen Prozessgasen oder Fluiden, wie beispielsweise Anodenabfluss, kann betriebliche als auch qualitätsbezogene Probleme aufgrund der hohen Reaktivität des Wasserstoffs aufweisen. Die Leckage von befeuchtetem wasserstoffhaltigem Gas in das Antriebsfach kann eine Korrosion oder einen chemischen Angriff (beispielsweise eine Passivierung) der verschiedenen Komponenten des Motors bewirken. Insbesondere erscheint es, dass ein Einwirken der wasserstoffhaltigen befeuchteten Anodengase auf die magnetischen Materialien in dem Motor einen nachteiligen Einfluss auf die induktive Leistung besitzt wie auch die Lebensdauer des Pumpenmotors signifikant verkürzt. Zusätzlich umfassen andere Fluidfördervorrichtungen in dem System solche mit unter Druck stehenden Fluiden, wie beispielsweise den Kathodenkompressor oder das Kathodengebläse 30, bei denen eine Leckage eine Ineffizienz unterstützt. Es hat sich herausgestellt, dass herkömmliche Einzeldichtungskonstruktionen für Hochdruckdifferenzen über die Dichtung hinweg nicht gut geeignet sind und potentiell eine erhebliche Fluidleckage zulassen. Die vorliegende Erfindung sieht ein Fluiddichtungssystem vor, das eine Isolierung verschiedener unter Druck stehender Brennstoffzellenprozessfluide und insbesondere von Hochdruck-Prozessfluidströmen sicherstellt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung eines Fluidbarrierendichtungssystems in einer Fluidfördervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt. Es ist eine beispielhafte Fluidfördervorrichtung, ein Kompressor 41, gezeigt. Obwohl die Fluidfördervorrichtung 41 als ein zweistufiger Radialkompressor gezeigt ist, sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Konstruktion und den gezeigten Typ von Fluidfördervorrichtung beschränkt ist. Der Kompressor 41 besitzt ein Prozessfluidvortriebs- oder Stufenfach 42, das die Prozessfluide enthält und transportiert. Eine Vortriebsvorrichtung (beispielsweise ein oder mehrere Schaufelräder 44) treibt das Prozessfluid in dem Stufenfach 42 an und ist mit einer Antriebseinheit verbunden, die eine drehbare Welle 46 umfasst, die zu einem Motor- oder Antriebsfach 48 verläuft. Das Prozessfluid wird in das Stufenfach 42 an einem Saugeinlass (nicht gezeigt) eingeführt, durch die Fluidvortriebsvorrichtung 44 unter Druck gesetzt und tritt an einem Auslass (nicht gezeigt) aus. Ein derartiges Prozessfluid ist in dem Fall, wenn die Fluidfördervorrichtung 41 eine Anodenrezirkulationspumpe 40 ist, typischerweise ein unter Druck stehendes befeuchtetes wasserstoffhaltiges Gas, wobei jedoch die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf beliebige unter Druck stehende Gase in dem System anwendbar ist, die diejenigen umfassen, die brennbar, giftig, reaktiv oder korrosiv sind, die ausschließlich in dem Prozessfluidstufenfach 42 einer Fluidfördervorrichtung 41 enthalten sein sollten.
Das Antriebsfach 48 des Kompressors 41 nimmt die Antriebseinheit auf, die einen Motor 86 umfasst, der in einem Motorgehäuse 88 aufgenommen ist. Der Motor 86 ist mit der Welle 46 verbunden, um eine Rotation zu bewirken. Die Welle 46 der Antriebseinheit überträgt schließlich eine Bewegung an das Schaufelrad 44, um Fluide in dem Stufenfach 42 vorzutreiben. Die Welle 46 verläuft axial von einem Antriebsende 87 in dem Antriebsfach 48 in und durch das Zwischenverbindungsgebiet oder -fach 80 an ein Fluidvortriebsende 89 in dem Stufenfach 42. Allgemein ist ein Kühlgebläse 90 in dem Antriebsfach 48 vorgesehen, das Umgebungsluft zur Kühlung des Motors 86 und seiner verschiedenen Komponenten zieht. Ein derartiges Kühlgebläse 90 kann an einer Anzahl verschiedener Stellen in dem Antriebsfach 48, die von der in 2 gezeigten Stelle verschieden sind, angeordnet sein. Das Antriebsfach 48 steht in Fluidverbindung mit der Außenumgebung oder Umwelt. Ein Gehäuse 92 umschließt die Komponenten des Motors 86 und des Kühlgebläses 90. Das Antriebsfach 48 ist von dem Stufenfach 42 durch ein Dichtungszusammenbausystem 100 getrennt, das konzentrisch um die Welle 46 herum angeordnet ist und diese umgibt. Das Dichtungssystem 100 sieht eine Fluidbarriere zwischen dem Stufenfach 42 und dem Antriebsfach 48 vor.
Wie in 3 gezeigt ist, umfasst das Dichtungssystem 100 eine erste Dichtung 102 und eine zweite Dichtung 104. Die erste Dichtung 102 liegt gegenüber dem Stufenfach 42 und steht mit Prozessfluiden in Kontakt, und die zweite Dichtung 104 liegt gegenüber dem Antriebsfach 48 und steht mit der Umgebung in Kontakt. Somit bilden die erste und zweite Dichtung 102, 104 ein Zwischenverbindungsgebiet oder -fach 80, das von den Stufen- und Antriebsflächern 102, 104 im Wesentlichen isoliert ist. Die erste und zweite Dichtung 102, 104 besitzen gemeinsame Komponentenzusammenbauausgestaltungen und werden hier anhand einer gemeinsamen Beschreibung diskutiert, die nominelle Bezeichnungen von „a“ für die erste Dichtung 102 und „b“ für die zweite Dichtung 104 aufweist.
Jede Dichtung 102, 104 umfasst einen Kranz 122a, 122b; einen Gleitkopf 124a, 124b; und eine Abschirmung 126a, 126b. Ein Gleitring 130 ist entlang der Welle 46 in dem Zwischenverbindungsfach 80 angeordnet und umfasst eine Zentralbohrung 132 und eine erste und zweite gegenüberliegende Fläche 134, 136. Die Zentralbohrung 132 nimmt den Hauptkörper der Antriebswelle 46 fixiert auf. Die Kränze 122a, 122b umfassen ähnlicherweise eine Zentralbohrung 138a, 138b. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der Gleitring 130 fest an der Welle 46 in dem Zwischenverbindungsfach 80 durch Kränze 122a und 122b befestigt und befindet sich benachbart zu und schichtartig angeordnet zwischen jeweiligen Gleitköpfen 124a, 124b der ersten und zweiten Dichtung 102, 104. Die Kränze 122a, 122b besitzen eine erste Fläche 140a, 140b; und eine zweite Fläche 142a, 142b. Die erste Fläche 140a des Kranzes 122a der ersten Dichtung 102 steht mit der ersten Fläche 134 des Gleitrings 130 in Kontakt. Ähnlicherweise steht die erste Fläche 140b des Kranzes 122b der zweiten Dichtung 104 in Kontakt mit der zweiten Fläche 136 des Gleitrings 130. Die Zentralbohrungen 138a, 138b nehmen jeweils die Antriebswelle 46 auf, und jeder Kranz 122a und 122b ist daran abgedichtet und fest befestigt und fixiert und dichtet somit den Gleitring 130 und die Antriebswelle 46 in dem Zwischenverbindungsfach 80 ab. Bei alternativen Ausführungsformen, die hier nicht gezeigt sind, wird die Dichtung der Kränze 122a, 122b durch Dichtungen (beispielsweise einen O-Ring) erreicht, die zwischen den Kränzen 122a, 122b und dem Gleitring 130 angeordnet sind. Eine andere Alternative besteht darin, eine herkömmliche mechanische Dichtung zwischen den Kränzen 122a, 122b und dem Gleitring 130 vorzusehen, um eine Fluidleckage dazwischen zu verhindern.
Die Gleitköpfe 124a, 124b sind benachbart zu jedem jeweiligen Kranz 122a, 122b angeordnet und umfassen eine Reaktionsfläche 150a, 150b; eine Eingriffsfläche 152a, 152b; und eine Ausnehmung 154a, 154b. Die Reaktionsfläche 150a ist benachbart der ersten Fläche 134 des Gleitrings 130 angeordnet. Im Betrieb und bei der Rotation der Welle 46 und des Gleitrings 130 trennt sich die Reaktionsfläche 150a und wird von der ersten Fläche 134 des Gleitrings 130 beabstandet, um einen Spalt 160a zu definieren, in dem ein Luftstrom erzeugt wird, wenn die Welle 46 rotiert, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Ähnlicherweise ist die Reaktionsfläche 150b von der zweiten Fläche 136 des Gleitrings 130 beabstandet, um einen Spalt 160b im Betrieb zu definieren. Die Gleitköpfe 124a, 124b sind allgemein zwischen Flanschen 162a, 162b und Reaktionsflächen 164a, 164b durch Halterungen 126a, 126b nicht drehbar gestützt und es wird zugelassen, dass sich diese darin bewegen können.
Jeder Gleitkopf 124a, 124b ist durch eine Feder 166a, 166b gestützt, die in Kanälen der Halterungen 126a, 126b angeordnet ist, so dass die Federn 166a, 166b eine Vorspannung auf die Gleitköpfe 124a, 124b ausüben, so dass die Gleitköpfe 124a, 124b in Richtung der jeweiligen ersten und zweiten Fläche 134, 136 des Gleitrings 130 vorgespannt sind. Bei den Perioden ohne Betrieb, wenn keine Rotation der Welle 46 des Gleitrings 130 und der Kränze 122a, 122b vorhanden ist, stehen die Reaktionsflächen 150a, 150b somit physisch in Kontakt mit der ersten und zweiten Fläche 134, 136 des Gleitrings 130. Im Betrieb und bei der Rotation des Gleitrings 130 trennt das Volumen des strömenden Fluids die Gleitköpfe 124a, 124b von dem Gleitring 130, um Spalte 160a, 160b zu bilden. Die Federn 166a, 166b begrenzen die axiale Bewegung der Gleitköpfe 124a, 124b aufgrund von Druckschwankungen. Die Halterung 126a, 126b stützt ferner den Gleitkopf 124a, 124b durch die Wechselwirkung der O-Ringe 170a, 170b, wodurch die O-Ringe 170a, 170b zwischen der Reaktionsfläche 164a, 164b und den Ausnehmungen 154a, 154b der Gleitköpfe 124a, 124b angeordnet sind. Auf diese Weise können sich die Gleitköpfe 124a, 124b axial relativ zu den Halterungen 126a, 126b durch die durch die Federn 166a, 166b auf diese ausgeübte Vorspannung bewegen. Die O-Ringe 170a, 170b dienen dazu, eine Dichtung zwischen der Reaktionsfläche 164a, 164b und den Gleitköpfen 124a, 124b aufrechtzuerhalten, wenn sich die Gleitköpfe 124a, 124b relativ zu den Halterungen 126a, 126b bewegen. Diesbezüglich sieht die Ausnehmung 154a, 154b einen Zwischenraum allgemein zwischen den Halterungen 126a, 126b und den Gleitköpfen 124a, 124b vor, um den Gleitköpfen 124a, 124b zu ermöglichen, sich relativ zu der Halterung 126a, 126b bewegen zu können, während immer noch ein Kontakt mit den O-Ringen 170a, 170b beibehalten wird. Die Halterungen 126a, 126b sind durch die Trennwand 174 an einer Zentralöffnung 176 (2) durch Abschirmungen 178 fest gestützt, um die Halterungen 126a, 126b mit der notwendigen Festigkeit zu versehen, die erforderlich ist, um die Dichtungen 102, 104 zu stützen und ferner zu verhindern, dass Fluide in den Dichtungszusammenbau 100 eintreten.
Die Abschirmung 178 erstreckt sich von den Flanschen 162a, 162b und umfasst einen Flansch 182, der dazu dient, einen Bereich allgemein zwischen den Gleitköpfen 124a, 124b und dem Gleitring 130 zu blockieren. Genauer blockieren, wenn bewirkt wird, dass das Fluid über die Dichtungen 102, 104 strömt, die Flansche 182 die Strömung vor einem Eintritt in das Zwischenverbindungsfach 80 und lenken die Strömung an die Spalte 160a, 160b allgemein zwischen den Gleitköpfen 124a, 124b und dem Gleitring 130 um. Auf diese Weise tritt das Fluid in jede Dichtung 102, 104 allgemein zwischen den Gleitköpfen 124a, 124b und dem Gleitring 130 auf eine gesteuerte Art und Weise ein und kann durch die Wechselwirkung des Gleitrings 130, der Gleitköpfe 124a, 124b und der Kränze 122a, 122b gesteuert werden. Genauer wird aufgrund der Rotation des Gleitrings 130 relativ zu den Gleitköpfen 124a, 124b ein Luftstrom in den Spalten 160a, 160b erzeugt, der in der Richtung des Stufenfaches 42 strömt, wodurch das Stufenfach 42 gegen einen Verlust von Prozessfluiden abgedichtet wird. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, strömen die Barrierefluide, die in das Zwischenverbindungsfach 80 eingeführt werden, bevorzugt in der Richtung des Stufenfachs 42 und optional genauso in das Antriebsfach 48.
Um die Fluidströmung durch die Dichtungen 102, 104 allgemein über Spalte 160a, 160b zu regulieren, werden die Federn 166a, 166b so eingestellt, dass sie die jeweilige Anwendung anpassen. Da der Gleitring 130 relativ zu den Gleitköpfen 124a, 124b rotiert, ist eine genaue Einstellung der Federn 166a, 166b, so dass die Gleitköpfe 124a, 124b in nächster Nähe zu dem Gleitring 130 gehalten werden, erforderlich. Die Beibehaltung der Gleitköpfe 124a, 124b in nächster Nähe zu den Flächen 134, 136 des Gleitrings 130 ist wichtig, da dies eine Fluidströmung durch jede jeweilige Dichtung 102, 104 beschränkt und dadurch die Gesamteffektivität der Dichtungen 102, 104 steigert. Eine Einstellung der Federkonstante oder des verwendeten Typs von Federn variiert abhängig von der Anwendung und der gewünschten Fluidströmung durch jede jeweilige Dichtung 102, 104. Genauer können, wenn eine kleine Menge an Fluidströmung erwünscht ist, die Federn 166a, 166b so verwendet werden, dass sie fest an die Flächen 134, 136 des Gleitrings 130 pressen, während, um zuzulassen, dass mehr Fluid durch die Dichtungen 102, 104 gelangen kann, die Federn 166a, 166b entspannt werden, wodurch die Distanz zwischen den Gleitköpfen 124a, 124b und dem Gleitring 130 erhöht wird.
4 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform, wobei eine Viertelabschnittsansicht des Gleitrings 130 eine ringförmige Scheibe mit einer glatten ersten und zweiten Fläche 134, 136 ist, die in den Spalten 160a, 160b (3) rotiert, die zwischen dem ersten und zweiten Dichtungskopf 124a, 124b (3) ausgebildet sind. Bei der Rotation der Welle 46 (3) beseitigt der Gleitring 130 im Wesentlichen die gesamte Fluidverbindung in den Spalten 160a, 160b. Das Volumen an Fluid, das durch die Spalten 160a, 160b strömt, kann minimiert werden. Beispielsweise hängt die Volumenströmung durch die Spalte 160a, 160b von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise der Drehzahl der Welle 46, dem Durchmesser des Gleitrings 130, der Temperatur der Fluide wie auch der Distanz und den physikalischen Eigenschaften des Gleitrings 130 und des jeweiligen gegenüberliegenden Gleitkopfes 124a und 124b. Es ist bevorzugt, dass die physische Distanz zwischen jeder Gleitringfläche 134, 136 und der jeweiligen Reaktionsfläche 150a, 150b der Gleitköpfe 124a, 124b kleiner als etwa 10 µm, bevorzugt kleiner als etwa 5 µm, bevorzugter zwischen etwa 1 bis etwa 3 µm und noch bevorzugter kleiner als oder gleich etwa 1 µm ist. Nicht beschränkende Beispiele von Materialien zum Aufbau des Gleitrings und des Gleitkopfes umfassen Metalle, wie beispielsweise rostfreien Stahl, Keramik wie auch Kohlenstoffverbundstoffe.
In 5 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Viertels eines Gleitrings 130' gezeigt. Der Gleitring 130' ist eine ringförmige Scheibe mit einer zentralen Bohrung 132, durch die die Welle 46 (3) aufgenommen ist. Der Gleitring 130' besitzt eine erste Fläche 134' und eine zweite Fläche 136', die benachbart der Reaktionsflächen 150a, 150b des ersten und zweiten Gleitkopfes 124a, 124b der ersten und zweiten Dichtungen 102, 104, die in 3 gezeigt sind, angeordnet sind. Aerodynamische Nuten 190 sind in der ersten Fläche 134', der zweiten Fläche 136' oder beiden ausgebildet. Die Nuten 190 erhöhen die Geschwindigkeit der Fluide, die in dem Spalt (beispielsweise 160a, 160b) strömen, so dass das Volumen an Fluid, das durch die Spaltgebiete 160a, 160b strömt, verringert wird. Die Form, die Anordnung wie auch die Anzahl von Nuten 190 wird am besten durch eine Berechnungssoftware für Fluiddynamik (CFD) bestimmt, wie für Fachleute bekannt ist. Bevorzugte Nuten dringen etwa 4 bis etwa 5 µm in die erste oder zweite Fläche 134', 136' ein.
Mit erneutem Bezug auf 2 wird bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Barrierefluid in das Zwischenverbindungsfach 80 bei einem Druck eingeführt, der etwa gleich oder größer als der Druck der Prozessfluide in dem Stufenfach 42 ist, um ein zusätzliches Mittel zum Isolieren der Prozessfluide, die durch das Stufenfach 42 zirkulieren, von dem Antriebsfach 48 und der externen Umgebung vorzusehen (zusätzlich zu der ersten und zweiten Dichtung 102, 104, die an der Verbindungsstelle oder Grenze zwischen dem Gehäuse jedes Fachs und der Welle 46 angeordnet sind). Bevorzugt ist das Barrierefluid ein Gas, das zerstäubte Flüssigkeitströpfchen umfassen kann, und besitzt einen Druck von größer als oder im Wesentlichen gleich dem der Prozessfluide. Es sei angemerkt, dass das Barrierefluid einen Druck besitzen kann, der geringfügig niedriger als der Prozessfluiddruck ist, und im Betrieb kompensiert der Druck, der über die Dichtungsausgestaltung der Dichtungen 102, 104, die oben beschrieben sind, erzeugt wird, den geringfügig niedrigeren Druck des Barrierefluides, das in das Zwischenverbindungsfach 80 eingeführt wird, um eine Fluidbarriere mit einem Druck vorzusehen, der äquivalent zu dem des benachbarten Prozessfluids ist, wodurch eine Wanderung von Prozessfluid von dem Stufenfach 42 und dem Antriebsfach 48 durch das Zwischenverbindungsfach 80 verhindert wird. Ein Barrierefluiddurchgang 103 ist mit einem Einlass 105 des Zwischenverbindungsfachs 80 verbunden, in den Barrierefluid gefüllt und an diesen geliefert wird. Es hat sich herausgestellt, dass durch Einführung eines unter Druck stehenden Barrieregases in das Zwischenverbindungsfach 80 die Effektivität des Dichtungszusammenbaus 100 gesteigert wird, insbesondere, wenn ein großer Druckabfall zwischen dem Druck in dem Stufenfach 42 und dem Druck in dem Antriebsfach 48 auftritt. Bei alternativen Ausführungsformen, bei denen der Differenzdruck zwischen dem Stufenfach 42 und dem Antriebsfach 48 kleiner als etwa 0,5 bar ist, erzeugt der Dichtungszusammenbau 100 ausreichend Druck, um eine Fluidwanderung zwischen den Fächern 42, 48 zu verhindern. Somit wird bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ermöglicht, dass keine Prozessfluide, insbesondere keine wasserstoffhaltigen Fluide oder Hochdruckprozessfluide durch das Dichtungssystem 100 lecken und in das Antriebsfach 48 eintreten können.
Ein erster Druck in dem Stufenfach 42 ist als P₁ bezeichnet. Ein zweiter Druck in dem Antriebsfach 48 ist als P₂ bezeichnet, und ein dritter Druck in dem Zwischenverbindungsfach 80 ist als P₃ bezeichnet. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft die Beibehaltung des Zwischenverbindungsfachkammerdrucks P₃ auf einem höheren Niveau oder gleich dem Druck der benachbarten Stufenfächer (d.h. P₃ > P₁), wodurch verhindert wird, dass Prozessfluid von dem Stufenfach 42 in das Zwischenverbindungsfach 80 oder das Antriebsfach 48 oder an die externe Umgebung wandern kann. Beispielsweise variieren gegenwärtige Druckwerte der Prozessfluide in einem Stufenfach für eine Anodenrezirkulationskreislaufpumpe allgemein zwischen etwa 1 bis 2,8 bar absolut allgemein gleich bei oder oberhalb atmosphärischem Umgebungsdruck. Kathodenbetriebssysteme können Prozessfluiddrücke von 2 bis 3 bar besitzen. Somit ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform bevorzugt, dass der Zwischenverbindungsfachdruck zwischen etwa 1 und etwa 3 bar absolut liegt, was den Betriebsdrücken des Brennstoffzellensystems entspricht. Es sei jedoch angemerkt, dass derartige Werte von der Konstruktion des Brennstoffzellensystems abhängig sind und stark schwanken können. Der Druck der Anoden- und Kathodeneinlasskreisläufe oder des Anodenrezirkulationskreislaufs in einer Brennstoffzelle ist allgemein abhängig von dem Brennstoffzellensystemdruck, der seinerseits allgemein eine Funktion der Leistungspegelabgabe der Brennstoffzelle ist. Andere Variablen in der Brennstoffzelle begrenzen die Betriebssystemdrücke weiter, einschließlich von Membrandrucktoleranzniveaus. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für unter Druck stehende Brennstoffzellenströme geeignet, so dass der Druck (P₃) des Barrierefluides und Zwischenverbindungsfachs 80 den Prozessfluiddruck in dem Stufenfach 42 (P₁) erfüllt oder überschreitet. Der höhere Druck P₃ des Zwischenverbindungsfachs 80 erlaubt eine Verbesserung des Fluiddichtungssystemzusammenbaus 100 der vorliegenden Erfindung durch Anpassung oder Überschreitung des Gesamtdrucks der Brennstoffzelle, wenn diese arbeitet.
Potentiell wandern geringe Mengen an Barrieregas über die erste Dichtung 102 und strömen von der Richtung des höheren Drucks zu dem Gebiet des niedrigeren Drucks, was sich in einer Barrieregasströmung in das Stufenfach 42 niederschlägt, die von dem Zwischenverbindungsfach 80 stammt. Da der Betriebssystemdruck der Brennstoffzelle gewöhnlich den Umgebungsdruck überschreitet, ist eine Primärbetrachtung der Differenzdruck zwischen dem Zwischenverbindungsfachdruck P₃ und dem Stufenfachdruck P₁, um Prozessfluide zu isolieren, anstatt dem Antriebsfachdruck P₂. Bei alternativen Ausführungsformen überschreitet der Druck des Barrieregases in dem Zwischenverbindungsfach 80 den Druck sowohl der benachbarten Stufen- als auch Antriebsfächer 42, 48. (P₃ > P₁ und P₃ > P₂). Bei Ausführungsformen, bei denen der Druck P₃ des Zwischenverbindungsfachs 80 größer als der Druck P₂ des Antriebsfachs 48 ist, strömt Barrierefluid in das Antriebsfach 48 über die zweite Dichtung 104. Die Größe der Leckage über die Dichtungen 102, 104 ist abhängig von den mechanischen Dichtungskomponenteneinstellungen (beispielsweise Federspannung) wie auch den Differenzdrücken zwischen P₃ und P₁ bzw. P₂.
Gemäß bestimmter bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein geringfügig positiver Differenzdruck zwischen dem Zwischenverbindungsfach 80 und dem Stufenfach 42 aufrechterhalten, so dass P₃-P₁ = ΔP₁, wobei ΔP₁ bevorzugt größer oder gleich 0 ist. Das Barrierefluid puffert und blockiert Prozessfluid vor einem Eintritt in das Zwischenverbindungsfach 80 und drängt ferner Barrieregas zu einer Strömung in das Stufenfach 42, wenn eine Fluidverbindung über eine Fluidwanderung über die erste Dichtung 102 hinweg vorhanden ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist der Differenzdruck zwischen dem Zwischenverbindungsfach 80 und dem Antriebsfach 48 gegeben durch P₃-P₂ = ΔP₂. Wie vorher bei bestimmten Ausführungsformen beschrieben wurde, wird ΔP2 auf einem Wert gehalten, der größer als oder gleich Null ist, um Barrierefluid, das in Richtung des Antriebsfachs 48 strömt, zu begünstigen. Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen kann ΔP₂ ein negativer Wert sein, wobei der Antriebsfachdruck P₂ größer als P₃ ist und somit in Richtung des Zwischenverbindungsfachs 80 strömt.
Brennstoffzellenbetriebsabläufe schwanken bei verschiedenen Betriebsbedingungen stark, wie beispielsweise Starts oder Schwankungen in der Leistungsanforderung. Daher ist der Druck in dem Brennstoffzellenbetriebssystem ähnlicherweise dynamisch und kann Übergangsbetriebsperioden ausgesetzt sein. Eine Systemkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung optimiert die Differenzdruckwerte der Fluidbarriere 56 (d.h. ΔP₁ und ΔP₂), damit diese ausreichend sind, wenn sich die Prozessfluide auf maximalen Drücken befinden, wodurch potentielle Druckspitzen in den Brennstoffzellenbetriebsabläufen berücksichtigt werden.
Wie vorher beschrieben wurde, ist eine Dichtungsleckage (d.h. Fluidwanderung über die Dichtung) eine Funktion der Differenzdrücke und erhöht sich in Verbindung mit erhöhtem Differenzdruck. Bei bestimmten beispielhaften Brennstoffzellensystemen ist ein durchschnittlicher Differenzdruck für ΔP₁ bevorzugt kleiner als etwa 1,5 bar, bevorzugter kleiner als etwa 0,5 bar und am bevorzugtesten zwischen etwa 0,1 bar und etwa 0,5 bar, um die Integrität der Fluidbarriere aufrechtzuerhalten. Ein Durchschnittswert gibt den Differenzdruckwert an, der über eine Zeitdauer beibehalten wird, indem die augenblicklichen Differenzdruckwerte gemittelt werden. Bei derartigen Niveaus ist der Differenzdruck relativ klein, jedoch für eine Fluidbarriere immer noch ausreichend hoch. Wie für Fachleute angemerkt sei, können viele Variablen in einem System den erforderlichen Barrieregasdruck beeinflussen, und somit können sowohl P₃ als auch die Differenzdrücke ΔP₁ und ΔP₂ abhängig von der Systemkonstruktion stark variieren.
Barrieregas, das in das Stufenfach 42 leckt, vereinigt sich mit Prozessfluiden und tritt unterstromig in die Brennstoffzelle 20 ein. Die Auswahl der Zusammensetzung des Barrieregases betrifft die Bewertung des Einflusses, den das Barrieregas auf Betriebsabläufe der Brennstoffzelle 20 haben kann. Obwohl die Konzentration der Menge von Barrieregas, das in die Brennstoffzelle 20 strömt, bevorzugt klein oder vernachlässigbar ist, ist eine Verträglichkeit mit den internen Komponenten der Brennstoffzelle 20 wichtig, um eine Vergiftung der Elektrodenkatalysatoren, der Membran 24 oder anderer Komponenten zu vermeiden. Ähnlicherweise tritt das Barrieregas auch in das Antriebsfach 48 ein, in dem es mit den Komponenten des Motors 46 in Kontakt tritt. Obwohl die Menge an Barrieregas, die in das Antriebsfach 48 eintritt, bevorzugt vernachlässigbar oder klein ist, ist eine geeignete Verträglichkeit mit den Komponenten des Antriebsfachs 48 und der externen Umgebung ebenfalls wichtig. Somit gleicht die Auswahl eines geeigneten Barrierefluids gemäß der vorliegenden Erfindung die physikalischen Eigenschaften des Gases und ihren Einfluss auf das System mit relativen Kosten aus. Die vorliegende Erfindung schlägt mehrere verschiedene Brennstoffzellensystemausgestaltungen zur Bereitstellung eines Barrierefluids für das Zwischenverbindungsfach 80 vor.
6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 200 zur Lieferung des Barrierefluids an eine Fluidfördervorrichtung 202. Ein Speichertank 204 enthält ein unter Druck stehendes Inertgas. Allgemein sind Inertgase bevorzugte Barrierefluide gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei jedoch auch Luft ein geeignetes Barrieregas aufgrund ihres breiten Vorkommens und ihrer relativ geringen Reaktivität mit den Komponenten der Brennstoffzelle und den Komponenten des Motor und der Umgebung ist. Beispiele von Barrieregasen zur Verwendung gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfassen beispielsweise Luft (etwa 79 % N2, 21 % O₂ und andere Spurenverdünnungsstoffe), Stickstoff, Helium und Mischungen daraus. Der Speichertank 204 ist mit der Fluidfördervorrichtung 202 über einen Verbindungsdurchgang 206 verbunden. Ein Reduktionsventil 208 ist in dem Verbindungsdurchgang 206 angeordnet, um einen Rückfluss von Barrieregas zu verhindern und um optional den Druck des Barrierefluids zu regeln, wenn dieses in die Fluidfördervorrichtung 202 eintritt. Die verbleibenden Aspekte des Brennstoffzellensystems 200 sind gleich denen, die in 1 gezeigt sind.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 7 gezeigt ist, ist ein Brennstoffzellensystem 240 gezeigt, bei dem Druckluft, die als Reaktand für den Kathodeneinlass verwendet wird, von dem Kathodenkompressor/Gebläse 30 zur Verwendung als das Barrierefluid umgelenkt wird. Ein Anteil des Kathodeneinlassversorgungsstroms wird in einen Versorgungsdurchgang 250 umgelenkt. Der Versorgungsdurchgang 250 ist mit einer Fluidfördervorrichtung 260 verbunden, in der das Barrieregas an ein Zwischenverbindungsfach 262 geliefert wird. Die verbleibenden Komponenten des Brennstoffzellensystems 240 sind gleich denen, die in den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben wurden. Somit sieht der umgelenkte Anteil des Kathodeneinlassstroms ein Barrieregas mit einem Druck vor, der gleich oder höher als der der Prozessfluide ist (hier beispielsweise die Fluidfördervorrichtung 260 zur Anodenrezirkulation). Somit bietet die vorliegende Ausführungsform ein vereinfachtes System, da keine doppelten Gasaufbereitungssysteme erforderlich sind und ferner kein Bedarf nach einer unabhängigen Druckinstrumentierung innerhalb der Fächer besteht, da der Kathodendruck für Brennstoffzellenbetriebsabläufe oberhalb des Anodendrucks gehalten wird.
8 zeigt eine alternative bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 280 gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem ein Anodenrezirkulationskreislauf 282 einen Einlass 284 zu einem Stapel 286 umfasst, an dem ein Einlassdurchgang 288 Wasserstoffgasreaktand von einer Wasserstoffversorgungsquelle 290 wie auch rezirkulierte Anodenprozessfluide von einer Fluidfördervorrichtung 292 zur Anodenrezirkulation aufnimmt. Die Anodenfluidfördervorrichtung 292 nimmt Anodenabfluss von dem Stapel 286 durch einen Anodenzufuhrdurchgang 294 auf. Ein Barrierefluidlieferdurchgang 296 lenkt einen Anteil des rezirkulierten Anodenabflussstroms zum Transport an einen Einlass 298 eines Zwischenverbindungsfachs 300, das einen Dichtungszusammenbau gemäß der vorliegenden Erfindung (nicht gezeigt) besitzt, in der Fluidfördervorrichtung 292 um. Der Dichtungszusammenbau sieht eine geringfügige Erhöhung des Drucks in dem Zwischenverbindungsfach 300 über den Druck des daran gelieferten Barrierefluids vor. Ein Reduktionsventil 301 ist in dem Barrierefluidlieferdurchgang 296 angeordnet. Die vorliegende Ausführungsform sieht einen geringfügig höheren Druck in dem Zwischenverbindungsfach 300 im Vergleich zu einem Stufenfach 302 vor. Somit verhindert sie zusätzlich zu dem Dichtungszusammenbau, dass Prozessfluide in das Zwischenverbindungsfach 300 oder an ein Antriebsfach 306 strömen können. Es sei jedoch angemerkt, dass Anodenabfluss, der den Stapel 286 verlässt, eine relativ niedrige Wasserstoffkonzentration besitzt, und dass der Anodenabfluss hauptsächlich aus Stickstoff, Wasserdampf und anderen Verdünnungsstoffen besteht, so dass die Menge an Wasserstoff, die an das Antriebsfach 306 wandert, vernachlässigbar ist. Der Betrieb von jedem der oben beschriebenen Brennstoffzellensysteme mit Barrierefluidlieferung wird bevorzugt durch Steuereinheiten automatisiert und spricht auf Betriebsparameterfunktionen an, wie es für Fachleute offensichtlich ist.
Die vorliegende Erfindung sieht auch Verfahren zum Betrieb einer Fluidfördervorrichtung in einer Brennstoffzelle vor. Ein Zwischenverbindungsfach wird zwischen einer ersten Dichtung und einer zweiten Dichtung gebildet. Die erste Dichtung wird durch ein Prozessfluidfach begrenzt, und eine zweite Dichtung wird durch ein Antriebsfach begrenzt.
Das Zwischenverbindungsfach enthält eine Welle, die von dem Prozessfluidfach, das Prozessfluide enthält, an das Antriebsfach verläuft, das in Fluidverbindung mit der Umgebung steht. Das Zwischenverbindungsfach nimmt ferner einen Ring zum Dichten auf, der mit der Welle rotiert. Ein Barrierefluid wird an das Zwischenverbindungsfach geliefert, wobei das Barrierefluid einen Druck besitzt, der größer oder gleich dem des Prozessfluidfachs ist, wodurch eine Wanderung von Prozessfluiden durch die erste Dichtung zu dem Zwischenverbindungsfach, dem Antriebsfach oder beiden verhindert wird. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen wird zumindest ein Anteil des Barrierefluids von einem Fluidstrom geliefert, der zu oder von der Brennstoffzelle geliefert wird. Das Barrierefluid kann einen Anteil von Fluidströmen umfassen, die zu oder von der Kathode oder bei der Alternative der Anode geliefert werden. Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen wird zumindest ein Anteil des Barrierefluids von einem Fluidstrom geliefert, der von einem Behälter zur Speicherung von Barrierefluid geliefert wird.
Die vorliegende Vorgehensweise vermindert Schwierigkeiten, die mit Anstrengungen verbunden sind, bessere Prozessfluidisolierungsdichtungen für Fluidfördervorrichtungen zu konstruieren, die unter hohem Druck stehende Prozessströme verarbeiten. Die vorliegende Erfindung kann auch anderen Verfahren zum Isolieren von Prozessfluiden von den anderen Fächern und der umgebenden Umwelt durch Einschließen der gesamten Pumpe einschließlich der Antriebs- und Prozessfluidfächer gegenübergestellt werden. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere nützlich, eine Fluidisolierung von stark unter Druck gesetzten Prozessströmen zu unterstützen, indem ein geringerer Differenzdruck über zumindest einen Anteil des Dichtungszusammenbaus erzeugt wird, wodurch eine Fluidwanderung verhindert wird. Die vorliegende Erfindung sieht Fluidfördervorrichtungen und Verfahren zum Isolieren von Prozessfluiden vor, die einerseits eine Wanderung von Prozessfluiden in die umgebende Umwelt verhindern während gleichzeitig das Antriebsfach vor jeglichem Schaden oder Angriff durch die Prozessfluide geschützt wird. Ferner wird aufgrund des geringen physischen Kontaktes eine Abnutzung durch Reibung verringert, und die Lebensdauer von Dichtungssystemen der vorliegenden Erfindung ist gegenüber Dichtungszusammenbauten nach dem Stand der Technik verbessert. Die vorliegende Erfindung sieht eine hocheffektive Isolierung von unter hohem Druck stehenden Prozessfluiden vor und kann relativ einfach und mit relativ geringen Kosten in Brennstoffzellensysteme eingebaut werden.

Claims

Dichtungszusammenbau (100) für eine Fluidfördervorrichtung (41) mit: einer drehbaren Welle (46), die ein Antriebsende (87) besitzt, das einem Vortriebsende (89) entgegengesetzt ist; einer ersten Dichtung (102), die konzentrisch an der Welle (46) zwischen dem Antriebsende (87) und dem Vortriebsende (89) angeordnet ist, wobei die erste Dichtung (102) mit unter Druck stehendem Prozessfluid in Kontakt steht; einer zweiten Dichtung (104), die konzentrisch an der Welle (46) zwischen der ersten Dichtung (102) und dem Antriebsende (87) angeordnet ist; einem Ring (130'), der an der drehbaren Welle (46) fixiert und an der Welle (46) zwischen und benachbart der jeweiligen ersten Dichtung (102) und zweiten Dichtung (104) angeordnet ist, wobei sich der Ring (130') auf einer Seite der ersten Dichtung (102) befindet, die einer Seite gegenüberliegt, die mit den Prozessfluiden in Kontakt steht, wobei der Ring (130') eine Zentralbohrung (132), welche die Welle (46) fixiert aufnimmt, und eine radial außen liegende Fläche aufweist; und einem Zwischenverbindungsfach (80), das zwischen der ersten und der zweiten Dichtung (102, 104) ausgebildet ist und den Ring (130') enthält, wobei das Zwischenverbindungsfach (80) ein Barrierefluid enthält, wodurch eine Wanderung von unter Druck stehenden Prozessfluiden über die erste Dichtung (102) verhindert wird, wobei der Ring (130') eine erste Fläche (134') und eine zweite Fläche (136') umfasst, und wobei die erste Dichtung (102) einen ersten Dichtungskopf (124a) umfasst, der zu der ersten Fläche (134') weist, und die zweite Dichtung (104) einen zweiten Dichtungskopf (124b) umfasst, der zu der zweiten Fläche (136') weist, und wobei eine Distanz zwischen der ersten oder der zweiten Fläche (134', 136') des Rings (130') und dem ersten Dichtungskopf (124a) bzw. dem zweiten Dichtungskopf (124b) kleiner als oder gleich 5 µm ist, wobei die erste Fläche (134') zumindest eine darin geformte Nut (190) besitzt, um eine Barrierefluidströmungsgeschwindigkeit zwischen dem Ring (130') und dem ersten Dichtungskopf (124a) zu steigern, und wobei die Nut (190) sich von der radial außen liegenden Fläche des Rings (130') radial nach innen erstreckt.
Dichtungszusammenbau (100) nach Anspruch 1, wobei das unter Druck stehende Prozessfluid ein Fluid umfasst, das zu oder von einer Brennstoffzelle (20) geliefert wird.
Dichtungszusammenbau (100) nach Anspruch 1, wobei das Barrierefluid einen Anteil eines Fluidstroms umfasst, der zu oder von einer Kathode (26) einer Brennstoffzelle (20) geliefert wird.
Dichtungszusammenbau (100) nach Anspruch 1, wobei das Barrierefluid einen Anteil eines Fluidstroms umfasst, der zu oder von einer Anode (28) einer Brennstoffzelle (20) geliefert wird.
Dichtungszusammenbau (100) nach Anspruch 1, wobei das Barrierefluid ein unter Druck stehendes Gas umfasst, das von einem Speicherbehälter geliefert wird.
Dichtungszusammenbau (100) nach Anspruch 1, wobei die Distanz kleiner als oder gleich 1 µm ist.
Dichtungszusammenbau (100) nach Anspruch 1, wobei das Barrierefluid einen Druck besitzt, der größer als oder gleich dem des unter Druck stehenden Prozessfluids ist.
Dichtungszusammenbau (100) nach Anspruch 7, wobei im Betrieb eine Druckdifferenz zwischen dem Barrierefluid und dem unter Druck stehenden Prozessfluid kleiner als 1,5 bar ist.
Dichtungszusammenbau (100) nach Anspruch 7, wobei im Betrieb eine Druckdifferenz zwischen dem Barrierefluid und dem unter Druck stehenden Prozessfluid kleiner als 0,5 bar ist.
Fluidfördervorrichtung (41) für ein Prozessfluid, mit: einem Prozessfluidfach (42) in Kontakt mit Prozessfluiden, die einen ersten Druck besitzen; einem Antriebsfach (48) mit einem zweiten Druck und mit einer Antriebseinheit (46) zum Bewegen der Prozessfluide in dem Prozessfluidfach (42), wobei der erste Druck größer als der zweite Druck ist; und einem Dichtungszusammenbau (100), der zwischen dem Prozessfluidfach (42) und dem Antriebsfach (48) angeordnet ist, mit einem Ring (130'), einer ersten Dichtung (102) und einer zweiten Dichtung (104), wobei die erste Dichtung (102) und die zweite Dichtung (104) ein Zwischenverbindungsfach (80) bilden, durch das die Antriebseinheit (46) verläuft, wobei der Dichtungszusammenbau (100) eine Wanderung der Prozessfluide an das Antriebsfach (48) im Wesentlichen verhindert, wobei der Ring (130') eine Zentralbohrung (132), welche die Antriebseinheit (46) fixiert aufnimmt, und eine radial außen liegende Fläche aufweist, wobei die erste Dichtung (102) einen ersten Dichtungskopf (124a) umfasst, der zu einer ersten Fläche (134') des Rings (130') weist, und die zweite Dichtung (104) einen zweiten Dichtungskopf (124b) umfasst, der zu einer zweiten Fläche (136') an einer der ersten Fläche (134') entgegengesetzten Seite des Rings (130') weist, und wobei eine Distanz zwischen der ersten oder der zweiten Fläche (134', 136') des Rings (130') und dem ersten Dichtungskopf (124a) bzw. dem zweiten Dichtungskopf (124b) kleiner als oder gleich 5 µm ist, wobei die erste Fläche (134') zumindest eine darin geformte Nut (190) besitzt, um eine Barrierefluidströmungsgeschwindigkeit zwischen dem Ring (130') und dem ersten Dichtungskopf (124a) zu steigern, und wobei die Nut (190) sich von der radial außen liegenden Fläche des Rings (130') radial nach innen erstreckt.
Fluidfördervorrichtung (41) nach Anspruch 10, wobei das Zwischenverbindungsfach (80) des Dichtungszusammenbaus (100) einen dritten Druck besitzt, der größer als der erste Druck ist.
Fluidfördervorrichtung (41) nach Anspruch 11, wobei eine Druckdifferenz zwischen dem dritten Druck und dem ersten Druck kleiner als oder gleich 1,5 bar ist.
Fluidfördervorrichtung (41) nach Anspruch 11, wobei eine Druckdifferenz zwischen dem dritten Druck und dem ersten Druck kleiner als 0,1 bis 0,5 bar ist.
Fluidfördervorrichtung (41) nach Anspruch 10, wobei das Prozessfluid zu oder von einer Brennstoffzelle (20) geliefert wird.
Fluidfördervorrichtung (41) nach Anspruch 10, wobei das Zwischenverbindungsfach (80) ein unter Druck stehendes Barrierefluid umfasst.
Fluidfördervorrichtung (41) nach Anspruch 15, wobei das unter Druck stehende Barrierefluid einen Anteil eines Fluidstroms umfasst, der zu oder von einer Brennstoffzelle (20) geliefert wird.
Fluidfördervorrichtung (41) nach Anspruch 15, wobei das unter Druck stehende Barrierefluid einen Anteil eines Fluidstroms umfasst, der zu oder von einem Speicherbehälter geliefert wird.