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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere als Hilfsstromversorgungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst üblicherweise zumindest eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischem Strom aus Kathodenluft und Reformatgas. Eine derartige Brennstoffzelle ist dabei üblicherweise aus einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellenelemente zusammengesetzt, die aufeinander gestapelt sind und auch als Brennstoffzellenstapel bezeichnet werden können. Zum Erzeugen von Reformatgas kann das Brennstoffzellensystem mit einem Reformer ausgestattet sein, der aus einem Kraftstoff und aus Reformerluft das Reformatgas erzeugt. Der Kraftstoff ist dabei üblicherweise ein Kohlenwasserstoff. Das Reformatgas enthält Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid. Das Brennstoffzellensystem kann außerdem mit einer Luftversorgungseinrichtung ausgestattet sein, die mittels einer Luftfördereinrichtung aus einer Umgebung des Brennstoffzellensystems Umgebungsluft ansaugt und diese zumindest in Reformerluft und in Kathodenluft unterteilt. Die Reformerluft kann dann über eine Reformerluftleitung dem Reformer zugeführt werden, während die Kathodenluft über eine Kathodenluftleitung einer Kathodenseite der wenigstens einen Brennstoffzelle zugeführt werden kann. Des Weiteren kann es bei einem derartigen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, mit Hilfe einer Rezirkulationsleitung Anodengas einer Anodenseite der wenigstens einen Brennstoffzelle in Richtung Reformer zu führen, um so Anodenabgas von der jeweiligen Brennstoffzelle zum Reformer zurückführen zu können. Zum Antreiben des Anodenabgases kann in der Rezirkulationsleitung eine Heißgasfördereinrichtung angeordnet sein, die einen Heißgaspfad enthält, durch den das Anodenabgas strömt.
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Die jeweilige Brennstoffzelle kann zweckmäßig als SOFC-Brennstoffzelle konfiguriert sein, wobei SOFC für Solid Oxide Fuel Cell steht. Eine derartige SOFC kann auch als Hochtemperatur-Brennstoffzelle bezeichnet werden. Im Betrieb einer derartigen SOFC kann es demnach zu vergleichsweise hohen Temperaturen kommen. Insbesondere kann auch das rückgeführte Anodenabgas relativ heiß sein, so dass die in der Rezirkulationsleitung angeordnete Heißgasfördereinrichtung einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist. Um die thermische Belastung der Heißgasfördereinrichtung zu reduzieren, ist es möglich, mittels eines entsprechenden Wärmetauschers das rückgeführte Anodengas zu kühlen. Der hierzu erforderliche apparative Aufwand ist jedoch relativ groß.
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Aus der
DE 10 2006 021 866 A1 ist ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem bekannt. Dort wird zur Vermeidung einer Überhitzung der Heißgasfördereinrichtung vorgeschlagen, eine Fördereinrichtung zu verwenden, die sich zum Fördern heißer Gase in besonderer Weise eignet. Beispielhaft genannt sind zu diesem Zweck Verdichter von Abgasturboladern und Saugstrahlpumpen, in denen sich das Anodenabgas mit Reformerluft vermischt. Alternativ wird vorgeschlagen, dem Anodenabgas Reformerluft stromauf der Heißgasfördereinrichtung beizumischen, um dadurch das Anodenabgas zu kühlen.
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Aus der
DE 10 2007 019 359 A1 ist ein konventionelles Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem ausschließlich das Anodenabgas durch die Heißgasfördereinrichtung strömt, während Reformerluft und Kathodenluft über separate Leitungen ohne Wechselwirkung mit der Heißgasfördereinrichtung zum Reformer bzw. zur Brennstoffzelle geführt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine effiziente Kühlung der Heißgasfördereinrichtung auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Heißgasfördereinrichtung mit wenigstens einem Kühlluftpfad auszustatten, durch den die Reformerluft oder die Kathodenluft hindurchgeführt werden kann. Hierzu kann der wenigstens eine Kühlluftpfad in die Reformerluftleitung oder in die Kathodenluftleitung eingebunden sein, so dass im Betrieb des Brennstoffzellensystems die Reformerluft oder die Kathodenluft als Kühlluft durch die Heißgasfördereinrichtung strömt. Auf diese Weise lässt sich eine effiziente Kühlung der Heißgasfördereinrichtung realisieren, ohne dass ein zusätzlicher Kühlluftstrom generiert werden muss, da die Reformerluft bzw. die Kathodenluft ohnehin zum Reformer bzw. zur Brennstoffzelle geführt werden muss. Durch die Nutzung der Reformerluft bzw. der Kathodenluft zum Kühlen der Heißgasfördereinrichtung wird gleichzeitig eine Vorwärmung der Reformerluft stromauf des Reformers bzw. der Kathodenluft stromauf der jeweiligen Brennstoffzelle erreicht, was den energetischen Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert. Da die Luftversorgungseinrichtung ohnehin eine Luftfördereinrichtung umfasst, kann beim erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem auf eine zusätzliche Kühlluftfördereinrichtung verzichtet werden, wodurch der apparative Aufwand reduziert wird. Gleichzeitig wird keine nennenswerte zusätzliche Energie benötigt, um eine derartige Kühlluftfördereinrichtung anzutreiben. Auch diese Maßnahme führt letztlich zu einer Erhöhung des energetischen Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems.
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Insbesondere kann auf eine aufwändige Kühlung des Anodengases stromauf der Abgasfördereinrichtung verzichtet werden. Vorzugsweise gelangt somit ungekühltes Anodengas zur Heißgasfördereinrichtung.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Kühlluftpfad in die Reformerluftleitung eingebunden sein, wobei die Reformerluftleitung stromab der Heißgasfördereinrichtung mit der Rezirkulationsleitung verbunden ist. Auf diese Weise wird die Reformerluft nach dem Kühlen der Heißgasfördereinrichtung dem rückgeführten Anodenabgas zugemischt, so dass ein Gemisch aus Anodenabgas und Reformerluft dem Reformer zugeführt.
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Alternativ kann der Kühlluftpfad in die Kathodenluftleitung eingebunden sein.
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Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher die Heißgasfördereinrichtung einen ersten Kühlluftpfad und einen zweiten Kühlluftpfad enthält, wobei der erste Kühlluftpfad in die Reformerluftleitung eingebunden ist, während der zweite Kühlluftpfad in die Kathodenluftleitung eingebunden ist. Zweckmäßig sind die beiden Kühlluftpfade innerhalb der Heißgasfördereinrichtung voneinander getrennt und zweckmäßig mehr oder weniger gegeneinander abgedichtet. Somit strömt im Wesentlichen nur Reformerluft durch den ersten Kühlluftpfad, während durch den zweiten Kühlluftpfad im Wesentlichen nur Kathodenluft strömt. Hierdurch lassen sich innerhalb der Heißgasfördereinrichtung mit Hilfe der beiden separaten Kühlluftpfade unterschiedliche Kühlfunktionen bzw. Kühlaufgaben realisieren, beispielsweise abhängig vom zur Verfügung stehenden Kühlluftstrom. Beispielsweise ist in einem Nennbetriebszustand des Brennstoffzellensystems ein Volumenstrom der Kathodenluft deutlich größer als ein Volumenstrom der Reformerluft.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Heißgasfördereinrichtung ein im Heißgaspfad angeordnetes, um eine Drehachse drehbares Förderrad zum Antreiben des Anodenabgases aufweisen. Beispielsweise kann die Heißgasfördereinrichtung nach Art eines Radialverdichters aufgebaut sein. Die Heißgasfördereinrichtung kann nun einen Elektromotor aufweisen, dessen Rotor drehfest mit dem Förderrad verbunden ist. Zweckmäßig kann nun in der Heißgasfördereinrichtung ein Kühlraum ausgebildet sein, der bezüglich der Drehachse axial zwischen dem Förderrad und dem Elektromotor angeordnet ist. Dieser Kühlraum ist dabei in den ersten Kühlluftpfad eingebunden. Auf diese Weise ist der Elektromotor thermisch vom Förderrad getrennt, wodurch eine axiale Aufheizung des Elektromotors reduziert werden kann.
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Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann im Kühlraum eine drehfest mit dem Rotor verbundene Kühlscheibe angeordnet sein. Eine derartige Kühlscheibe verhindert zum einen die Übertragung von Strahlungswärme vom Förderrad zum Elektromotor. Zum anderen nimmt die Kühlscheibe unmittelbar Wärme des Rotors auf und verteilt diese auf eine größere Oberfläche, so dass durch den Kühlluftstrom im ersten Kühlluftpfad bzw. im Kühlraum auch eine effiziente Kühlung des Rotors realisierbar ist, um den Wärmeeintrag in den Elektromotor zu reduzieren.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann ein Stator des Elektromotors von einem Kühlmantel umhüllt sein, der in einen zweiten Kühlluftpfad der Heißgasfördereinrichtung eingebunden ist. Zweckmäßig ist der zweite Kühlluftpfad vom ersten Kühlluftpfad getrennt. Durch die Bereitstellung eines derartigen Kühlmantels kann nun auch Wärme vom Elektromotor radial abgeführt werden, wodurch eine effiziente Kühlung des Elektromotors erreicht werden kann.
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Wie bereits erwähnt, strömt im ersten Kühlluftpfad bevorzugt Reformerluft, während im zweiten Kühlluftpfad bevorzugt Kathodenluft strömt. Dementsprechend kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Kühlraum in die Reformerluftleitung eingebunden sein, während der Kühlmantel in die Kathodenluftleitung eingebunden ist.
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Entsprechend einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann das Förderrad in einem Förderraum angeordnet sein, der in den Heißgaspfad eingebunden ist, während der Kühlraum bezüglich der Drehachse axial zwischen dem Förderraum und dem Kühlmantel angeordnet ist. Somit bewirkt der Kühlraum auch eine thermische Entkopplung zwischen dem Förderraum und dem Kühlmantel.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der erste Kühlluftpfad gegenüber dem Heißgaspfad abgedichtet ist, so dass die Kühlluft und das Anodenabgas mediengetrennt durch die Heißgasfördereinrichtung hindurchgeführt werden können.
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Bei einer alternativen Ausführungsform kann dagegen vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten Kühlluftpfad und dem Heißgaspfad eine Leckage vorgesehen ist, die insbesondere saugseitig eines im Heißgaspfad angeordneten Förderrads zum Antreiben des Anodenabgases angeordnet sein kann. Durch Berücksichtigung bzw. Bereitstellung eines entsprechenden Druckgefälles zwischen dem ersten Kühlluftpfad und dem Heißgaspfad wird vorzugsweise erreicht, dass zwar Kühlluft, vorzugsweise Reformerluft, noch innerhalb der Heißgasfördereinrichtung in Form einer gezielten Leckage dem Anodenabgas zugemischt wird, während ein Überströmen von heißem Anodenabgas in den ersten Kühlluftpfad vermieden wird. Insbesondere kann somit Kühlluft vom Kühlraum in den Förderraum gelangen, während heißes Anodenabgas nicht vom Förderraum in den Kühlraum übertreten kann. Um ein entsprechendes Druckgefälle gewährleisten zu können, ist die gezielte Leckage zwischen Kühlraum und Förderraum zweckmäßig an der Saugseite des Förderrads angeordnet. Falls jedoch der Druck in der Reformerluft größer ist als an der Druckseite des Förderrads, kann die Leckage auch stromab des Förderrads angeordnet sein.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der zweite Kühlluftpfad gegenüber dem Heißgaspfad und/oder gegenüber dem ersten Kühlluftpfad abgedichtet sein, wodurch es möglich ist, die Kathodenluft mediengetrennt von der Reformerluft und/oder von dem Anodenabgas durch die Heißgasfördereinrichtung hindurchzuführen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems,
- 2 eine stark vereinfachte, geschnittene Prinzipdarstellung einer Heißgasfördereinrichtung des Brennstoffzellensystems.
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Entsprechend 1 umfasst ein Brennstoffzellensystem 1, das bei einem Kraftfahrzeug als APU verwendet werden kann, wobei APU für Auxiliary Power Unit steht, einen Reformer 2, zumindest eine Brennstoffzelle 3 und eine Luftversorgungseinrichtung 4. Der Reformer 2 dient zum Erzeugen eines Reformatgases aus Reformerluft und aus Kraftstoff. Die Versorgung mit Reformerluft erfolgt dabei über die Luftversorgungseinrichtung 4. Die Zuführung von Kraftstoff erfolgt über eine Kraftstoffversorgungseinrichtung 5, die beispielsweise eine Kraftstoffleitung 6 und eine darin angeordnete Kraftstofffördereinrichtung 7 umfasst. Die Kraftstoffleitung 6 verbindet einen Kraftstofftank 8 mit dem Reformer 2.
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Die Brennstoffzelle 3 dient zum Erzeugen von elektrischem Strom aus Kathodenluft und aus Reformatgas. Hierzu weist die Brennstoffzelle 3 in üblicher Weise ein Elektrolyt 9 auf, das in der Brennstoffzelle 3 eine Anodenseite 10 von einer Kathodenseite 11 trennt. Es ist klar, dass die Brennstoffzelle 3 in üblicher Bauart als Brennstoffzellenstapel ausgeformt sein kann, bei dem mehrere Brennstoffzellenelemente stapelförmig aufeinander geschichtet sind.
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Die Luftversorgungseinrichtung 4 umfasst eine Luftfördereinrichtung 12, die aus einer Umgebung 13 Umgebungsluft ansaugt und diese über eine Luftverteilereinrichtung 14 zumindest in Reformerluft und Kathodenluft unterteilt. Von der Luftverteilereinrichtung 14 geht eine Reformerluftleitung 15 in Richtung Reformer 2 ab. Ferner geht von der Luftverteilereinrichtung 14 eine Kathodenluftleitung 16 in Richtung Kathodenseite 11 der Brennstoffzelle 3 ab. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass von der Luftverteilerleiste 14 weitere Luftleitungen 17 und 18 zu anderen Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 abgehen. Schließlich ist hier noch eine Bypassluftleitung 19 angedeutet, die ebenfalls von der Luftverteilerleiste 14 abgeht und dabei sowohl den Reformer 2 als auch die Brennstoffzelle 3 und gegebenenfalls auch den Restgasbrenner umgeht. Die Bypassluftleitung 19 kann beispielsweise an eine Abgasleitung des Brennstoffzellensystems 1 angeschlossen sein. Ebenso kann die Bypassleitung 19 unmittelbar wieder in die Umgebung 13 führen. Die Bypassluftleitung 19 kann beispielsweise dazu genutzt werden, bei konstant arbeitender Luftfördereinrichtung 12 den Volumenstrom bzw. den Druck der Luftströme zu regulieren. Alternativ kann die Bypassluftleitung 19 parallel zur Kathodenluftleitung 16 zur Kathodenseite 11 der Brennstoffzelle 3 führen, beispielsweise um die Brennstoffzelle 3 zu kühlen bzw. um die Kathodenluft zu kühlen. Somit lässt sich in diesem Fall die Bypassluftleitung 19 zur Temperaturregelung der Brennstoffzelle 23 verwenden.
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Das hier vorgestellte Brennstoffzellensystem 1 umfasst außerdem eine Rezirkulationsleitung 20, die letztlich die Anodenseite 10 mit dem Reformer 2 verbindet und hierzu über eine Entnahmestelle 21 an eine Anodenabgasleitung 22 angeschlossen ist und die über eine Einleitstelle 23 mit der Reformerluftleitung 15 fluidisch verbunden ist. In der Rezirkulationsleitung 20 ist eine Heißgasfördereinrichtung 24 angeordnet, die das rückzuführende Anodenabgas antreibt. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Reformerluftleitung 15 stromauf der Heißgasfördereinrichtung 24 über die Einleitstelle 23 an die Rezirkulationsleitung 20 angeschlossen, so dass die Reformerluftleitung 15 hier nicht direkt an den Reformer 2 angeschlossen ist, sondern nur indirekt, nämlich über einen von der Einleitstelle 23 zum Reformer 2 führenden gemeinsamen Abschnitt 25 der Rezirkulationsleitung 20, in dem sich die Heißgasfördereinrichtung 24 befindet.
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Die Heißgasfördereinrichtung 24 enthält einen Heißgaspfad 26, durch den das Anodenabgas strömt. Die Heißgasfördereinrichtung 24 enthält außerdem einen ersten Kühlluftpfad 27, der in die Reformerluftleitung 15 eingebunden ist, sowie einen zweiten Kühlluftpfad 28, der in die Kathodenluftleitung 16 eingebunden ist. Somit kann Reformerluft durch den ersten Kühlluftpfad 27 und Kathodenluft durch den zweiten Kühlluftpfad 28 hindurchgeführt werden, um so die Heißgasfördereinrichtung 24 effizient zu kühlen.
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Die Reformerluftleitung 15 ist dabei so an die Heißgasfördereinrichtung 24 angeschlossen, dass die Reformerluft zuerst den ersten Kühlluftpfad 27 durchströmt und erst anschließend dem rückgeführten Anodenabgasstrom zugeführt wird.
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Der erste Kühlluftpfad 27 ist zweckmäßig mediengetrennt, also weitgehend abgedichtet vom Heißgaspfad 26 und vom zweiten Kühlluftpfad 28 durch die Heißgasfördereinrichtung 24 hindurchgeführt. Der zweite Kühlluftpfad 28 ist zweckmäßig mediengetrennt, also weitgehend abgedichtet vom ersten Kühlluftpfad 27 und vom Heißgaspfad 26 durch die Heißgasfördereinrichtung 24 hindurchgeführt.
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Die Kathodenluftleitung 16 besitzt bei der in 1 gezeigten Ausführungsform einen Kühlzweig 29, der bei einer ersten Verbindungsstelle 30 vom Hauptstrang der Kathodenluftleitung 16 abzweigt und durch den zweiten Kühlluftpfad 28 hindurchführt und bei einer zweiten Verbindungsstelle 31 wieder in den Hauptstrang der Kathodenluftleitung 16 zurückgeführt ist. Im Beispiel der 1 ist außerdem ein Kühlzweigbypass 32 vorgesehen, der die beiden Verbindungsstellen 30, 31 direkt verbindet und der mit Hilfe eines Steuerventils 33 steuerbar ist. Mit Hilfe des Steuerventils 33 lässt sich somit der Anteil der Kathodenluft, der durch den Kühlzweig 29 und somit durch den zweiten Kühlluftpfad 28 strömt, einstellen. Dabei ist grundsätzlich jede beliebige Aufteilung denkbar, so dass zwischen 0 % bis 100 % des Volumenstroms der Kathodenluft durch den Kühlzweig 29 oder durch den Kühlzweigbypass 32 geleitet werden können. Ebenso ist denkbar, eine feste Aufteilung permanent einzustellen. Insbesondere kann dann auch anstelle des Steuerventils 33 eine geeignete Drosseleinrichtung vorgesehen sein.
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Entsprechend 2 kann die Heißgasfördereinrichtung 24 in einem Gehäuse 34 einen Förderraum 35 enthalten, durch den der Heißgaspfad 26 hindurchführt und in dem ein Förderrad 36 zum Antreiben des Anodenabgases angeordnet ist, wobei das Förderrad 36 um eine Drehachse 37 rotieren kann. Insbesondere handelt es sich beim Förderrad 36 um ein Radialverdichterrad, dessen Saugseite axial angeordnet ist und dessen Druckseite radial angeordnet ist. Alternativ kann das Förderrad 36 beispielsweise auch als Diagonalrad ausgestaltet sein. Die Heißgasfördereinrichtung 24 enthält im Gehäuse 34 außerdem einen Motorraum 38, in dem ein Elektromotor 39 angeordnet ist, der in üblicher Weise einen Rotor 40 und einen Stator 41 aufweist. Der Rotor 40 besitzt eine Antriebswelle 42, die drehfest mit dem Förderrad 36 verbunden ist. Der Rotor 40 bzw. Antriebswelle 42 rotieren im Betrieb des Elektromotors 39 um die Drehachse 37. Im Gehäuse 34 ist außerdem bezüglich der Drehachse 37 axial zwischen dem Förderraum 35 und dem Motorraum 38 ein Kühlraum 43 angeordnet, durch den der erste Kühlluftpfad 27 hindurchführt. Innerhalb des Kühlraums 43 ist eine drehfest mit der Antriebswelle 42 verbundene Kühlscheibe 44 angeordnet, die wärmeübertragend mit der Antriebswelle 42 verbunden ist und die im Kühlraum 43 von der Reformerluft umströmbar angeordnet ist.
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Das Gehäuse 34 enthält außerdem einen Kühlmantel 45, der den Stator 41 umhüllt und diesen insbesondere bezüglich der Drehachse 37 in der Umfangsrichtung umschließt. Durch diesen Kühlmantel 45 ist der zweite Kühlluftpfad 28 hindurchgeführt.
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Der Kühlraum 43 ist dabei bezüglich der Drehachse 37 axial zwischen dem Förderraum 35 und dem Kühlmantel 45 angeordnet.
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Zweckmäßig ist der zweite Kühlluftpfad 28 gegenüber dem ersten Kühlluftpfad 27 abgedichtet, wodurch er zwangsläufig auch gegenüber dem Heißgaspfad 26 abgedichtet ist. Im Unterschied dazu kann zwischen dem ersten Kühlluftpfad 27 und dem Heißgaspfad 26 eine Leckage 46 vorhanden sein, die in 2 durch Pfeile angedeutet ist. Sofern der Druck in der Reformerluft größer ist als an der Druckseite des Förderrads 36 kann diese Leckage 46 wie in 2 gezeigt stromab des Förderrads 36 angeordnet sein. Sofern der Druck in der Reformerluft jedoch kleiner ist als an der Druckseite des Förderrads 36, jedoch größer ist als an der Saugseite des Förderrads 36, ist die Leckage 46 abweichend von der Darstellung der 2 dann zweckmäßig stromauf des Förderrads 36 ausgebildet.
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Bemerkenswert ist, dass die hier gezeigte Anodenabgasrückführung ohne Kühlung des rückgeführten Anodengases stromauf der Heißgasfördereinrichtung 24 auskom mt.
