WO2023131412A1 - Vorrichtung zur anodengasrezirkulation in einem brennstoffzellensystem - Google Patents

Vorrichtung zur anodengasrezirkulation in einem brennstoffzellensystem Download PDF

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WO2023131412A1
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anode gas
fuel cell
cell system
channel
gas recirculation
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Stefan Rothgang
Michael-Thomas Benra
Andreas Burger
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Pierburg Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a device for anode gas recirculation in a fuel cell system with a fan with an impeller and a delivery channel that extends from a delivery channel inlet to a delivery channel outlet, and an electric motor with a drive shaft on which the impeller is attached.
  • Fuel cell systems are used to convert chemical reaction energy from a continuously supplied fuel, in particular hydrogen and an oxidizing agent, mostly oxygen, into electrical energy that can be used, for example, as drive energy for vehicles.
  • the hydrogen path of a low-temperature fuel cell essentially consists of the supply route for the pure hydrogen via the pressure reduction and metering valve, the actual fuel cell unit and a recirculation path that connects the outlet of the fuel cell unit with its inlet, i.e. the hydrogen Feed line, connects gas-tight.
  • the resulting cycle is referred to as an anode gas recirculation cycle.
  • This anode gas recirculation circuit is necessary in order to prevent any unused hydrogen from being released into the atmosphere, which is present because the fuel cell unit is supplied with fresh hydrogen over-stoichiometrically.
  • the anode gas circuit is therefore closed and the unused hydrogen is fed back into the feed section behind the hydrogen metering by means of a recirculation fan.
  • a recirculation fan Such fans are designed for example as a side channel blower.
  • These blowers are usually driven by electric motors which, when operated in vehicles, are supplied with voltage via the vehicle battery. A problem with these drives is the high heat generated by the electronic components and the windings of the stator.
  • the returned anode gas consists of the components nitrogen, which comes from the fresh air of the fuel cell unit, and water vapour.
  • liquid product water is present at the outlet of the fuel cell unit, which is also conveyed via the recirculation fan.
  • Such a unit is known, for example, from DE 10 2007 033 203 A1.
  • An anode gas recirculation fan is described here, on the housing cover of which a side channel of the compressor is formed.
  • a channel acting as a separator which is inclined downwards, extends in the radial direction from an interrupter area of the side channel. This channel opens into a continuing drain channel in which a drain valve is arranged.
  • the separation efficiency of this arrangement is not sufficient, so that an additional separator is necessary.
  • an anode gas recirculation fan is known from DE 10 2017 221 309 A1, in the housing of which a gas-liquid separator is integrated, which has a collection container arranged below the fan, from which a channel protrudes, in which a drain valve is arranged.
  • a gas-liquid separator in the housing of which a gas-liquid separator is integrated, which has a collection container arranged below the fan, from which a channel protrudes, in which a drain valve is arranged.
  • the object is therefore to provide a device for anode gas recirculation in a fuel cell system, which on the one hand ensures adequate separation and removal of the water from the anode gas circuit and on the other hand reliably prevents overheating of the electric motor.
  • the minimum possible installation space should be required for these functions.
  • the device according to the invention for anode gas recirculation in a fuel cell system has a fan whose impeller is rotatably arranged in a conveying channel, so that the anode gas is conveyed through the impeller from a conveying channel inlet to a conveying channel outlet.
  • the impeller is driven by an electric motor that drives a drive shaft to which the impeller is attached.
  • the fan has a cooling channel through which the anode gas flows, which at least partially surrounds the electric motor of the fan.
  • This cooling duct is fluidly connected to a condensate drain duct which extends below the cooling duct in an outer housing which delimits the fan axially and radially.
  • This condensate drain channel can be released via a drain valve or be closed, which is usually done depending on the level in the condensate drain channel.
  • the drain valve is accommodated at least partially, ie at least with its closing element, in a receptacle on the outer housing.
  • the separated liquid can thus be discharged from the condensate discharge channel via the discharge valve.
  • the outer housing can have several housing parts, one of which has the receptacle. This housing part can delimit the fan both radially and axially.
  • the cooling duct is usually arranged upstream of the conveying duct and at the same time serves as a separator, so that the separated water no longer gets into the conveying duct, which also improves the efficiency and the function of the blower.
  • the terms above, below, below, above, downwards or upwards each refer to an installation direction in which the blower is installed in a vehicle, for example. It is always assumed that a center of gravity serves as a reference point for the fan. Accordingly, the terms always refer to the direction of the acting gravitational force, it being assumed that, for example, the vehicle is standing on a straight plane that is aligned perpendicular to the direction of gravitation. If a first element is arranged above a second element, this means that this first element is arranged further away from the center of gravity than the second element and a fluid would be loaded due to the gravitational force in the direction of the second element.
  • Closing member of the drain valve and the condensate drain channel arranged so that the water always flows due to the gravitational force from the cooling channel in the direction of the closing member through the condensate drain channel.
  • the closing element When the closing element is opened, the water is conveyed to the cathode by the existing driving pressure gradient.
  • the receptacle is formed on a radially outer part of the motor housing, which radially surrounds the electric motor of the fan. Additional bores or channels in the other housing parts can thus be dispensed with, which simplifies assembly and production.
  • a first condensate stream can also be discharged via the motor housing part from the cooling duct and a second condensate stream can be discharged from the conveying duct of the fan, with a separate drain valve being able to be used in each case.
  • the cooling channel is preferably designed as a droplet separator, with the droplets being able to be discharged via the condensate discharge channel, which can be opened and closed by means of the drain valve.
  • the design of the cooling channel as a droplet separator can have different designs. In any case, fixtures or precautions must be taken to at least partially separate the water from the anode gas to separate. This can be done, for example, by centrifugal separation, but also by internals that lead to a forced deflection of the gas flow. Accordingly, use is made of the fact that the temperature of the anode gas flow is usually below 100° C. and is therefore suitable for cooling the electronics and the stator of the electric motor.
  • the cooling channel can be used as a condenser by providing appropriate built-in components or by guiding the anode gas helically around the electric motor with sufficient speed. Both lead to the water being separated due to the higher inertia compared to the gas on the internals or the outer wall and can be discharged via a condensate drain.
  • the cooling and condensation functions are thus implemented in the cooling channel in a very small space and in a single process step.
  • the use of a separate coolant can be completely dispensed with.
  • the drain valve controls the condensate drain channel so that it can be emptied when the fuel cell is in operation and the water can be fed back to the cathode or drained from the system.
  • the cooling channel has an opening that forms an inlet of the condensate discharge channel and an anode gas outlet that opens out at the conveyor channel inlet.
  • the moist anode gas flow is accordingly divided into the condensate flow and a dehumidified anode gas flow in the downstream region of the cooling channel by skillful arrangement of the opening for the condensate and the anode gas outlet. Additional connecting lines or separators can be omitted, so that production and assembly can be carried out inexpensively.
  • the actuator of the drain valve is preferably an electromagnetic actuator. Such an electromagnet can be made small and switch very quickly. The energy consumption and space requirements are very low.
  • the release valve can be designed as a proportional valve, which can be used to release nitrogen at the same time.
  • the drain valve is switched depending on the fill level of the liquid in the condensate drain channel.
  • this must not be completely filled so that condensed water can get back into the cooling channel and should only be emptied in such a way that no air is sucked in from the outside. Accordingly, either a liquid level should always remain in front of the valve or the emptying should take place under the condition of the driving flushing gradient between cathode and anode, as is the case when the fuel cell is in active operation.
  • the condensate discharge duct has an enlargement geodetically above a closing element of the drain valve, which enlargement serves as a reservoir in which condensate can be stored. In this way, the emptying intervals can be chosen to be longer.
  • the discharge valve is electrically connected to a control unit of the fan.
  • the discharge valve can either be controlled completely via the control unit, so that a separate control unit can be dispensed with, or at least data which can cause the discharge valve to be triggered can be transmitted to the discharge valve.
  • electrical contact lines are arranged in the outer housing, via which the control unit of the blower is connected to the actuator of the drain valve. Additional external lines that are exposed to the environment can be dispensed with.
  • the electrical contact lines protrude from the outer housing as contact lugs in the area of the receptacle of the drain valve, corresponding contact elements, which are connected to the coil and/or a control unit of the actuator, being arranged on the actuator, so that by inserting of the drain valve, an electrical contact is made to the coil and/or to the control unit of the actuator. Accordingly, no additional electrical connection has to be made when installing the drain valve, but the electrical connection is also automatically made by producing the mechanical arrangement of the drain valve in the receptacle.
  • the drain valve is preferably designed as a plug-in valve, the closing element of which protrudes into the receptacle and the actuator of which protrudes at least partially out of the outer housing, with an actuator housing being fastened to the outer housing.
  • the actuator remains easily accessible and fastening is simplified. Nevertheless, the installation space requirement is very small due to the integration.
  • a valve seat of the drain valve can be formed in the outer housing.
  • a separate production of a separate, inner flow housing of the valve can be dispensed with, as a result of which the number of components is reduced.
  • a wall delimiting the cooling channel at the bottom is designed to be inclined towards an opening which forms the inlet of the condensate discharge channel. In this way, all the water dripping off the walls is safely guided into the opening and thus to the condensate drain by the acting gravitational force.
  • the inlet of the condensate drainage channel is arranged on the inner wall of the outer housing adjacent to the deepest area of the wall delimiting the bottom, since the main part of the water settles on this outer wall and runs down there.
  • the outer wall is usually colder than the inner wall against which the stator rests, and on the other hand to the flow of the anode gas, which usually circulates at least in sections around the electric motor, causing the heavier water droplets to flow outwards against the radially delimiting wall to be driven.
  • This ensures that the separated water is removed from the cooling channel as quickly and completely as possible. Understood by the deepest part of the inner wall, which is located in the vicinity of the inclined wall delimiting downwards and there in the area to which the water flows due to gravity.
  • both the condensate drain channel and the receptacle for the drain valve are formed in a radial extension of the outer housing. In this way, the drain valve remains easily accessible and the connection for draining the water remains accessible.
  • the anode gas outlet of the cooling channel is arranged offset axially to the inlet of the condensate discharge channel and above the inlet of the condensate discharge channel.
  • the condensate usually collects below the Anode gas outlet of the cooling channel to get to the condensate discharge channel and thus usually does not flow against the gravitational force in the conveying channel. Accordingly, good separation of the anode gas flow from the condensate flow is achieved.
  • the anode gas outlet of the cooling channel is arranged above the conveying channel and is offset radially inwards relative to the inner wall of the outer housing and is at a radial distance from the inner wall.
  • the cooling channel surrounds the electric motor in a helical manner. Accordingly, a separation takes place in the form of a centrifugal separator. To this end, the cooling channel must not be designed with too large a cross section, but rather a sufficient flow rate in the cooling channel must be ensured. If this is the case, the heavier water droplets are accelerated against the outer wall and flow down the wall to the condensate drain channel.
  • a device for anode gas recirculation in a fuel cell system which requires little installation space and at the same time cools the drive motor and separates water from the anode gas stream. Furthermore, a controlled drainage of the separated condensate is ensured.
  • the functions of the drive and the promotion, the cooling of the drive, the condensate separation and the regulation of the discharge of the condensate combined in a single component.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a device according to the invention for anode gas recirculation in a fuel cell system.
  • FIG. 2 shows a perspective view of the device from FIG. 1 with the outer housing part cut away.
  • FIG. 3 shows a cross section through the device from FIG. 1 viewed from above.
  • FIG. 4 shows a cross section through the outer housing of the device from FIG. 1 in the area of the condensate discharge channel.
  • the device for anode gas recirculation shown in Figures 1 to 4 consists of a fan 10, which has an outer housing 11, which is formed by a radially outer motor housing part 12 and a fan housing 14, which can have a fan head cover 16 or is produced in one piece with this, as shown in Figure 4.
  • the radially outer motor housing part 12 radially surrounds an inner motor housing part 18, in which an electric motor 20 is arranged, which drives an impeller 22 rotating in the fan housing 14, via which an anode gas is conveyed via a delivery channel 24, which is at least partially in the fan housing 14, in the fan head cover 16, which delimits the conveying channel 24 axially downwards, and is formed in the inner part 18 of the motor housing.
  • the outer motor housing part 12 is attached to the fan housing 14 and to the Blower head cover 16 is closed on the opposite axial side by a cover 26, under which a control unit 28 of the electric motor 20 is arranged, which, like windings 30 of a stator 32 of the electric motor 20, is connected to a voltage source via a plug 34.
  • the stator 32 corresponds in a known manner to a permanent magnet rotor 36 which is fixedly mounted on a drive shaft 38 on which the impeller 22 is in turn mounted.
  • a flange 40 is formed on the fan housing 14 , on which a conveyor channel outlet 42 is formed, which is fluidically connected to the conveyor channel 24 .
  • a cooling duct inlet 44 is also formed on the outer motor housing part 12, which leads into a cooling duct 46 formed between the inner motor housing part 18 and the outer motor housing part 12 and at least partially surrounding the electric motor 20 and into which anode gas containing water flows.
  • the cooling channel 46 serves to dissipate heat from the electric motor 20 and is delimited radially outwards by an inner wall 48 of the outer motor housing part 12 .
  • Baffle walls 50 are formed in the cooling channel 46 and extend axially into the cooling channel 46 from above and below, so that a flow reversal in the cooling channel 46 is constantly forced.
  • the baffle walls 50 serve as internals of a droplet separator 52, since the water present in the anode gas stream as droplets or water vapor, due to its higher inertia compared to the nitrogen and hydrogen present in the anode gas stream, collides with the baffle walls 50 and collects, in particular on the inner wall 48, which is colder and in the direction of which the drops are carried by the centrifugal force, slide down due to the gravitational force.
  • a wall 54 delimiting the cooling channel 46 axially downwards is inclined to an opening 56 on the inner wall 48 of the radially outer motor housing part 12 formed, so that the drops collecting on this wall 54 bounding at the bottom slide to this opening 56, which serves as an inlet 58 of a condensate discharge channel 60. This is thus formed on the inner wall 48 in the immediate vicinity of this lowest point of the wall 54 .
  • the condensate drain channel 60 extends through the outer motor housing part 12.
  • An anode gas outlet 62 through which the anode gas reduced by the discharged water from the cooling channel 46 flows, can be arranged axially slightly higher than the inlet 58 of the condensate discharge channel 60 in order to prevent water from flowing to the anode gas outlet 62 .
  • the anode gas outlet 62 is arranged directly in the flow shadow of a last baffle 50, through which water is once again separated immediately before the anode gas outlet 62.
  • the anode gas outlet 62 is arranged in a radially inner area of the cooling channel 46, i.e.
  • the anode gas outlet 62 opens directly into or forms a conveyor channel inlet 64, via which the at least partially dried anode gas flows into the conveyor channel 24, where it is compressed and flows to the conveyor channel outlet 42, which is fluidically connected to a fuel cell stack, while the condensate obtained flows into the Condensate drain channel 60 flows. In this way, the electric motor 20 is cooled and the process water is separated from the anode gas stream at the same time.
  • the condensate drain channel 60 extends into a radial expansion 66 of the radially outer motor housing part 12, which is formed approximately opposite the inlet 58 of the condensate drain channel 60.
  • a receptacle 68 for a discharge valve 70 with an electromagnetic actuator 72 is formed in the radial expansion 66 and is arranged below the inlet 58 .
  • the electromagnetic actuator 72 is connected to a closing element 74 which, in order to close and open the condensate discharge channel 60, can be placed on a valve seat 76, which is formed in the region of the receptacle 68, or is lifted off it.
  • An extension 78 of the condensate discharge channel 60 is provided below the closing element 74 in the motor housing part 12 and serves as a reservoir so that a larger quantity of condensate can be stored before the drain valve 70 has to be opened for emptying.
  • the condensate discharge channel 60 is discharged depending on the fill level of the water at the drain valve 70, with a water column always remaining in the area of the valve seat 76 during operation in order to prevent undesired intake of gas from the outside.
  • the condensate discharge channel 60 opens out at a socket 80 which is inserted into the motor housing part 12 and forms a condensate outlet 82 of the condensate discharge channel 60 .
  • the contact elements 90 can, for example be designed as insulation displacement contacts, so that when the drain valve 70 designed as a plug-in valve is plugged in, an electrical connection is established as soon as the actuator 72 is placed on the extension 66 serving as a fixing flange and fixed there when the drain valve 70 is pushed into the receptacle 68 .
  • This design makes it possible to dispense with a separate control unit for the actuator 72 of the drain valve 70 and instead integrates it in the control unit 28 of the blower 10, via which a power supply for the coil 86 is then switched on and off in order to empty the condensate discharge channel 60 or to keep closed.
  • the anode gas of the recirculation path is used directly for cooling the electric motor driving the fan, and at the same time water is continuously extracted from this gas.
  • the device for anode gas recirculation also contains the necessary elements for controlling and carrying out a discharge of the condensate through controlled emptying. This can always be carried out, for example, once the condensate discharge channel has been filled to a certain extent, but should be carried out during operation of the fuel cell if it is desired to drain the water to the cathode. Accordingly, a defined liquid level must be maintained in the condensate discharge channel, with emptying being able to take place as a function of a detected filling. This integration reduces the space required and integrates several functions of the system in one component, so that costs are reduced.
  • a second condensate drain can be formed directly in front of an interrupter section of the conveyor channel, via which the residual moisture that gets into the conveyor channel can also be separated. This can also be done via a solenoid valve, which can then be formed in a receptacle on an extension on the blower head cover.
  • Different droplet separators can also be used, or the different discharges of the separated substances shown can be combined in different ways with the various options for separation.
  • the drain valve can of course also be designed with a separate control unit and a separate plug. Contact can also be made from the plug of the blower to a control unit of the actuator that is integrated in the drain valve.
  • the condensate drain channel can also not be arranged in the outer part of the motor housing, but instead extend downwards through the other parts of the outer housing, ie the fan housing and possibly the fan head cover. In this case, the opening for discharging the condensate would be formed in the axially downward limiting wall.

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Abstract

Es sind Vorrichtungen zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem mit einem Gebläse (10), mit einem Laufrad (16) und einem Förderkanal (18), der sich von einem Förderkanaleinlass (60) zu einem Förderkanalauslass (36) erstreckt, und einem Elektromotor (14) mit einer Antriebswelle (32), auf der das Laufrad (16) befestigt ist, bekannt. Um möglichst wenig Bauteile verwenden zu müssen und eine sichere Wärmeabfuhr und Kondensatabfuhr herzustellen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Gebläse (10) einen vom Anodengas durchströmten Kühlkanal (46) aufweist, welcher den Elektromotor (20) des Gebläses (10) zumindest teilweise umgibt, und fluidisch mit einem Kondensatablaufkanal (60) verbunden ist, der sich unterhalb des Kühlkanals (46) in einem Außengehäuse (11) erstreckt, welches das Gebläse (10) begrenzt, und der durch ein Ablassventil (70) freigebbar und verschließbar ist, welches in einer Aufnahme (68) am Außengehäuse (11) aufgenommen ist und über welches Flüssigkeit aus dem Kondensatablaufkanal (60) abführbar ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem mit einem Gebläse mit einem Laufrad und einem Förderkanal, der sich von einem Förderkanaleinlass zu einem Förderkanalauslass erstreckt, und einem Elektromotor mit einer Antriebswelle, auf der das Laufrad befestigt ist.
Brennstoffzellensysteme dienen zur Umwandlung von chemischer Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff und eines Oxidationsmittels, zumeist Sauerstoff, in elektrische Energie, die beispielsweise als Antriebsenergie für Fahrzeuge verwendet werden kann. Der Wasserstoffpfad einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, wie sie üblicherweise in Fahrzeugen verwendet wird, besteht im Wesentlichen aus der Zuführstrecke des reinen Wasserstoffs über Druckminderungs- und Dosierventil, der eigentlichen Brennstoffzelleneinheit und einem Rezirkulationspfad, der den Austritt der Brennstoffzelleneinheit mit dessen Eintritt, also der Wasserstoff-Zuführstrecke, gasdicht verbindet. Der so entstehende Kreislauf wird als Anodengasrezirkulationskreislauf bezeichnet. Dieser Anodengasrezirkulationskreislauf ist erforderlich, um keinen Wasserstoff ungenutzt in die Atmosphäre zu entlassen, der vorhanden ist, weil die Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit Frischwasserstoff überstöchiometrisch erfolgt. Somit wird der Anodengaskreislauf geschlossen ausgeführt und der unverbrauchte Wasserstoff mittels eines Rezirkulationsgebläses in die Zuführstrecke hinter der Wasserstoffdosierung zurückgeführt. Derartige Gebläse werden beispielsweise als Seitenkanalgebläse ausgebildet. Der Antrieb dieser Gebläse erfolgt üblicherweise über Elektromotoren, die beim Betrieb in Fahrzeugen über die Fahrzeugbatterie mit Spannung versorgt werden. Problematisch an diesen Antrieben ist die hohe Wärmeentwicklung der elektronischen Komponenten und der Wicklungen des Stators.
Neben dem unverbrauchten Wasserstoff besteht das zurückgeführte Anodengas aus den Bestandteilen Stickstoff, der aus der Frischluft der Brennstoffzelleneinheit stammt, sowie Wasserdampf. Außerdem liegt flüssiges Produktwasser am Austritt der Brennstoffzelleneinheit vor, welches ebenfalls über das Rezirkulationsgebläse gefördert wird.
Um das Wasser aus dem Gasgemisch abzuführen, ist es notwendig, das Produktwasser vom Gasstrom zu trennen. Hierzu werden Kondensatoren verwendet. Des Weiteren muss das Wasser aus dem Raum, in dem es gesammelt wird, abgelassen werden, wozu Schaltventile verwendet, die beim Betrieb der Brennstoffzelle geöffnet werden können, wodurch das Wasser zur Kathode der Brennstoffzelle zurückgeführt wird oder abgeschieden wird.
Eine solche Einheit ist beispielsweise aus der DE 10 2007 033 203 Al bekannt. Hierin wird ein Anodengasrezirkulationsgebläse beschrieben, an dessen Gehäusedeckel ein Seitenkanal des Verdichters ausgebildet ist. Aus einem Unterbrecherbereich des Seitenkanals erstreckt sich ein als Abscheider wirkender Kanal in radialer Richtung, der nach unten geneigt ist. Dieser Kanal mündet in einen weiterführenden Ablasskanal, in dem ein Ablassventil angeordnet ist. Der Abscheidegrad dieser Anordnung ist jedoch nicht ausreichend, so dass ein zusätzlicher Abscheider notwendig ist. Des Weiteren ist aus der DE 10 2017 221 309 Al ein Anodengasrezirkulationsgebläse bekannt, in dessen Gehäuse ein Gas-Flüssigkeitsabscheider integriert ist, der einen unterhalb des Gebläses angeordneten Sammelbehälter aufweist, aus dem ein Kanal ragt, in dem ein Ablassventil angeordnet ist. Trotz der Integration des Abscheiders in das Gehäuse des Gebläses wird ein zusätzlicher großer Bauraum benötigt.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, mit welcher einerseits eine ausreichende Abscheidung und Abfuhr des Wassers aus dem Anodengaskreislauf sichergestellt wird und andererseits eine Überhitzung des Elektromotors zuverlässig vermieden wird. Für diese Funktionen soll ein möglichst minimaler Bauraum benötigt werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem weist ein Gebläse auf, dessen Laufrad drehbar in einem Förderkanal angeordnet ist, so dass das Anodengas durch das Laufrad von einem Förderkanaleinlass zu einem Förderkanalauslass gefördert wird. Der Antrieb des Laufrades erfolgt über einen Elektromotor, der eine Antriebswelle antreibt, auf der das Laufrad befestigt ist. Erfindungsgemäß weist das Gebläse einen vom Anodengas durchströmten Kühlkanal auf, welcher den Elektromotor des Gebläses zumindest teilweise umgibt. Dieser Kühlkanal ist fluidisch mit einem Kondensatablaufkanal verbunden, der sich unterhalb des Kühlkanals in einem Außengehäuse erstreckt, welches das Gebläse axial und radial begrenzt. Dieser Kondensatablaufkanal kann über ein Ablassventil freigegeben oder geschlossen werden, was üblicherweise in Abhängigkeit des Füllstandes im Kondensatablaufkanal erfolgt. Das Ablassventil ist erfindungsgemäß zumindest teilweise, also zumindest mit seinem Schließglied, in einer Aufnahme am Außengehäuse aufgenommen. Über das Ablassventil kann somit die abgeschiedene Flüssigkeit aus dem Kondensatablaufkanal abgeführt werden. Das Außengehäuse kann mehrere Gehäuseteile aufweisen, von denen eines die Aufnahme aufweist. Dieses Gehäuseteil kann das Gebläse sowohl radial als auch axial begrenzen. Der Kühlkanal ist üblicherweise stromaufwärts des Förderkanals angeordnet und dient gleichzeitig als Abscheider, so dass das abgeschiedene Wasser nicht mehr in den Förderkanal gelangt, wodurch auch der Wirkungsgrad und die Funktion des Gebläses verbessert wird. So kann die am Elektromotor entstehende Wärme zuverlässig abgeführt werden und der Elektromotor vor Überhitzung geschützt werden. Vor allem kann durch die Anordnung des Ablassventils direkt im Außengehäuse auf zusätzliche Schnittstellen verzichtet werden. Dies vereinfacht die Abdichtung und reduziert den benötigten Bauraum.
Für die gesamte Offenbarung dieser Schrift wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe oberhalb, unterhalb, unter, über, nach unten oder nach oben jeweils auf eine Einbaurichtung bezogen sind, in der das Gebläse beispielsweise in einem Fahrzeug verbaut wird. Dabei wird immer davon ausgegangen, dass ein Erdschwerpunkt als Bezugspunkt zum Gebläse dient. Die Begriffe beziehen sich entsprechend immer auf die Richtung der wirkenden Gravitationskraft, wobei davon ausgegangen wird, dass beispielsweise das Fahrzeug auf einer geraden Ebene steht, die senkrecht zur Gravitationsrichtung ausgerichtet ist. Ist also ein erstes Element oberhalb eines zweiten Elementes angeordnet, so bedeutet dies, dass dieses erste Element weiter vom Erdschwerpunkt entfernt angeordnet ist, als das zweite Element und ein Fluid aufgrund der Gravitationskraft in Richtung des zweiten Elementes belastet würde. Entsprechend sind das Schließglied des Ablassventils und der Kondensatablaufkanal so angeordnet, dass das Wasser immer aufgrund der Gravitationskraft aus dem Kühlkanal in Richtung des Schließgliedes durch den Kondensatablaufkanal strömt. Beim Öffnen des Schließgliedes wird das Wasser durch das vorhandene treibende Druckgefälle zur Kathode gefördert.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Aufnahme an einem das Gebläse axial nach unten begrenzenden Kopfgehäuseteil des Außengehäuses ausgebildet. Entsprechend strömt das abgeschiedene Wasser nach unten zum Ablassventil und bildet vor dem Ventil eine Sperre, durch die ein Einsaugen von Luft bei geöffnetem Ventil verhindert wird. Die Abführung des Kondensats findet so an der tiefsten Stelle des Gebläses statt.
In einer alternativen oder ergänzenden Ausführung ist die Aufnahme an einem radial äußeren Motorgehäuseteil ausgebildet, welches den Elektromotor des Gebläses radial umgibt. So kann auf zusätzliche Bohrungen beziehungsweise Kanälen in den anderen Gehäuseteilen verzichtet werden, wodurch die Montage und Herstellung vereinfacht werden. Auch kann ein erster Kondensatstrom über das Motorgehäuseteil aus dem Kühlkanal und ein zweiter Kondensatstrom aus dem Förderkanal des Gebläses abgeführt werden, wobei jeweils ein separates Ablassventil verwendet werden kann.
Vorzugsweise ist der Kühlkanal als Tropfenabscheider ausgebildet, wobei die Tropfen über den Kondensatablaufkanal abführbar sind, der mittels des Ablassventils freigebbar und verschließbar ist. Die Ausbildung des Kühlkanals als Tropfenabscheider kann dabei verschiedene Bauformen aufweisen. In jedem Fall müssen Einbauten oder Vorkehrungen getroffen werden, die dazu dienen, das Wasser vom Anodengas zumindest teilweise zu trennen. Dies kann beispielsweise durch eine Zentrifugalabscheidung aber auch durch Einbauten, die zu einer gezwungenen Umlenkung des Gasstroms führen, erfolgen. Entsprechend wird es genutzt, dass die Temperatur des Anodengasstroms üblicherweise unter 100°C liegt und somit zur Kühlung der Elektronik und des Stators des Elektromotors geeignet ist. Gleichzeitig kann jedoch der Kühlkanal als Kondensator genutzt werden, indem entsprechende Einbauten vorgesehen werden oder das Anodengas mit ausreichender Geschwindigkeit wendeiförmig um den Elektromotor geführt wird. Beides führt dazu, dass das Wasser aufgrund der höheren Trägheit im Vergleich zum Gas an den Einbauten oder der äußeren Wand abgeschieden wird und über einen Kondensatablauf abgeführt werden kann. Somit werden im Kühlkanal die Funktionen der Kühlung und der Kondensation auf engstem Bauraum und in einem einzigen Verfahrensschritt verwirklicht. Auf die Verwendung eines separaten Kühlmittels kann vollständig verzichtet werden. Das Ablassventil beherrscht den Kondensatablaufkanal, so dass dieser bei ausreichendem Füllstand im Betrieb der Brennstoffzelle geleert werden kann und das Wasser der Kathode wieder zugeführt oder aus dem System abgeführt werden kann.
In einer weiterführenden Ausführungsform weist der Kühlkanal eine Öffnung auf, die einen Einlass des Kondensatablaufkanals bildet und einen Anodengasauslass auf, der am Förderkanaleinlass mündet. Der feuchte Anodengasstrom wird entsprechend im stromabwärtigen Bereich des Kühlkanals durch geschickte Anordnung der Öffnung für das Kondensat und des Anodengasauslasses in den Kondensatstrom und einen entfeuchteten Anodengasstrom aufgeteilt. Zusätzliche Verbindungsleitungen oder Abscheider können entfallen, so dass die Herstellung und die Montage kostengünstig durchgeführt werden können. Vorzugsweise ist der Aktor des Ablassventils ein elektromagnetischer Aktor. Ein solcher Elektromagnet kann klein ausgeführt werden und sehr schnell schalten. Dabei sind der Energieverbrauch und der Platzbedarf sehr gering. Des Weiteren kann das Ablassventil als Proportionalventil ausgebildet werden, was gleichzeitig zum Abblasen von Stickstoff genutzt werden kann.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird das Ablassventil in Abhängigkeit eines Füllstandes der Flüssigkeit im Kondensatablaufkanal geschaltet. Dieser darf einerseits nicht vollständig gefüllt werden, so dass Kondenswasser zurück in den Kühlkanal gelangt und sollte immer nur so entleert werden, dass keine Luft von außen angesaugt wird. Entsprechend sollte entweder vor dem Ventil immer ein Flüssigkeitsspiegel verbleiben oder die Entleerung unter der Bedingung des gesichert vorliegenden, treibenden Spülgefälles zwischen Kathode und Anode, wie es beim aktiven Betrieb der Brennstoffzelle gegeben ist, stattfindet.
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform weist der Kondensatablaufkanal geodätisch oberhalb eines Schließgliedes des Ablassventils eine Erweiterung, die als Reservoir dient, in dem Kondensat gespeichert werden kann. So können die Entleerungsintervalle größer gewählt werden.
Vorteilhafterweise ist das Ablassventil elektrisch mit einer Steuereinheit des Gebläses verbunden. Entsprechend kann das Ablassventil entweder vollständig über die Steuereinheit angesteuert werden, so dass auf eine separate Steuereinheit verzichtet werden kann oder es können zumindest Daten, welche ein Auslösen des Ablassventils verursachen können, an das Ablassventil übermittelt werden. So werden die Kosten für die Elektronik des Ablassventils reduziert. Um diese elektrische Verbindung möglichst ausfallsicher herstellen zu können, sind im Außengehäuse elektrische Kontaktleitungen angeordnet, über die die Steuereinheit des Gebläses mit dem Aktor des Ablassventils verbunden ist. Auf zusätzliche äußere Leitungen, die der Umgebung ausgesetzt sind, kann verzichtet werden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die elektrischen Kontaktleitungen als Kontaktfahnen im Bereich der Aufnahme des Ablassventils aus dem Außengehäuse ragen, wobei am Aktor korrespondierende Kontaktelemente, die mit der Spule und/oder einer Steuereinheit des Aktors verbunden sind, angeordnet sind, so dass durch Einsetzen des Ablassventils eine elektrische Kontaktierung zur Spule und/oder zur Steuereinheit des Aktors hergestellt wird. Entsprechend muss keine zusätzliche elektrische Verbindung bei der Montage des Ablassventils hergestellt werden, sondern durch Herstellung der mechanischen Anordnung des Ablassventils in der Aufnahme wird automatisch auch die elektrische Verbindung hergestellt.
Das Ablassventil ist vorzugsweise als Steckventil ausgeführt, dessen Schließglied in die Aufnahme ragt und dessen Aktor zumindest teilweise aus dem Außengehäuse ragt, wobei ein Aktorgehäuse am Außengehäuse befestigt ist. So bleibt der Aktor gut zugänglich und die Befestigung wird vereinfacht. Dennoch ist der Bauraumbedarf durch die Integration sehr gering.
Insbesondere kann ein Ventilsitz des Ablassventils im Außengehäuse ausgebildet sein. In diesem Fall kann auf eine gesonderte Herstellung eines separaten, inneren Strömungsgehäuses des Ventils verzichtet werden, wodurch die Anzahl an Bauteilen reduziert wird. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn eine den Kühlkanal nach unten begrenzende Wand zu einer Öffnung geneigt ausgebildet ist, die den Einlass des Kondensatablaufkanals bildet. Auf diese Weise wird das gesamte an den Wänden abtropfende Wasser durch die wirkende Gravitationskraft sicher in die Öffnung und somit zum Kondensatablauf geführt.
In einer weiterführenden Ausbildung der Erfindung ist der Einlass des Kondensatablaufkanals an der Innenwand des Außengehäuses benachbart zum tiefsten Bereich der nach unten begrenzenden Wand angeordnet, da sich der Hauptteil des Wassers an dieser äußeren Wand absetzt und dort hinabläuft. Dies liegt einerseits daran, dass die Außenwand üblicherweise kälter ist als die innere Wand, an der der Stator anliegt, und andererseits an der Strömungsführung des Anodengases, welches üblicherweise zumindest abschnittsweise um den Elektromotor zirkuliert, wodurch die schwereren Wassertropfen nach außen gegen die radial begrenzende Wand getrieben werden. So wird sichergestellt, dass das abgeschiedene Wasser möglichst schnell und vollständig aus dem Kühlkanal abgeführt wird. Unter dem tiefsten Bereich der Innenwand verstanden, der sich in der Nähe der nach unten begrenzenden geneigten Wand befindet und dort in dem Bereich, zu dem aufgrund der Gravitation das Wasser fließt.
Vorzugsweise ist sowohl der Kondensatablaufkanal als auch die Aufnahme für das Ablassventil in einer radialen Erweiterung des Außengehäuses ausgebildet. Auf diese Weise bleibt das Ablassventil gut zugänglich und auch die Anbindung zur Abführung des Wassers bleibt erreichbar.
Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn der Anodengasauslass des Kühlkanals axial versetzt zum Einlass des Kondensatablaufkanals und oberhalb des Einlasses des Kondensatablaufkanals angeordnet ist. Bei einer solchen Anordnung sammelt sich das Kondensat üblicherweise unterhalb des Anodengasauslasses des Kühlkanals, um zum Kondensatablaufkanal zu gelangen und strömt somit üblicherweise nicht entgegen der Gravitationskraft in den Förderkanal. Entsprechend wird eine gute Trennung des Anodengasstroms vom Kondensatstrom erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Anodengasauslass des Kühlkanals oberhalb des Förderkanals und zur Innenwand des Außengehäuses radial nach innen versetzt angeordnet und weist einen radialen Abstand zur Innenwand auf. Dies hat zur Folge, dass das Kondensat, welches an der Innenwand entlangläuft, nicht zum Anodengasauslass des Kühlkanals gelangt, da die Wand aufgrund des radialen Abstandes nicht unmittelbar in den Anodengasauslass mündet. Entsprechend strömt das Kondensat fast vollständig durch den Kondensatauslass ab.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung umgibt der Kühlkanal den Elektromotor wendeiförmig. Entsprechend erfolgt eine Abscheidung in Form eines Zentrifugalabscheiders. Hierzu darf lediglich der Kühlkanal nicht mit einem zu großen Querschnitt ausgebildet werden, sondern es muss eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit im Kühlkanal sichergestellt werden. Ist dies der Fall, werden die schwereren Wassertropfen gegen die Außenwand beschleunigt und strömen entlang der Wand hinab zum Kondensatablaufkanal.
Es wird somit eine Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem geschaffen, welche wenig Bauraum benötigt und gleichzeitig eine Kühlung des Antriebsmotors und eine Wasserabscheidung aus dem Anodengasstrom realisiert. Des Weiteren wird ein kontrollierter Abfluss des abgeschiedenen Kondensats sichergestellt. Es werden somit die Funktionen des Antriebs und der Förderung, der Kühlung des Antriebs, der Kondensatabscheidung und der Regelung der Abführung des Kondensats in einem einzigen Bauteil vereinigt.
Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung aus Figur 1 mit weggeschnittenem Außengehäuseteil.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung aus Figur 1 mit Blick von oben.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch das Außengehäuse der Vorrichtung aus Figur 1 im Bereich des Kondensatablaufkanals.
Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellte Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation besteht aus einem Gebläse 10, welches ein Außengehäuse 11 aufweist, das durch ein radial äußeres Motorgehäuseteil 12 und ein Gebläsegehäuse 14 gebildet ist, welches einen Gebläsekopfdeckel 16 aufweisen kann oder einstückig mit diesem hergestellt wird, wie in Figur 4 dargestellt ist. Das radial äußere Motorgehäuseteil 12 umgibt ein inneres Motorgehäuseteil 18 radial, in dem ein Elektromotor 20 angeordnet ist, der ein im Gebläsegehäuse 14 umlaufendes Laufrad 22 antreibt, über welches ein Anodengas über einen Förderkanal 24 gefördert wird, der zumindest teilweise im Gebläsegehäuse 14, im Gebläsekopfdeckel 16, der den Förderkanal 24 axial nach unten begrenzt, und im inneren Motorgehäuseteil 18 ausgebildet ist. Das äußere Motorgehäuseteil 12 wird am Gebläsegehäuse 14 befestigt und an der zum Gebläsekopfdeckel 16 entgegengesetzten axialen Seite durch einen Deckel 26 verschlossen, unter dem eine Steuereinheit 28 des Elektromotors 20 angeordnet ist, welche ebenso wie Wicklungen 30 eines Stators 32 des Elektromotors 20 über einen Stecker 34 an eine Spannungsquelle angeschlossen ist. Der Stator 32 korrespondiert in bekannter Weise mit einem permanentmagnetischen Rotor 36, der fest auf einer Antriebswelle 38 befestigt ist, auf der wiederum das Laufrad 22 befestigt ist.
Am Gebläsegehäuse 14 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Flansch 40 ausgebildet, an dem ein Förderkanalauslass 42 ausgebildet ist, der mit dem Förderkanal 24 fluidisch verbunden ist. Am äußeren Motorgehäuseteil 12 ist des Weiteren ein Kühlkanaleinlass 44 ausgebildet, der in einen zwischen dem inneren Motorgehäuseteil 18 und dem äußeren Motorgehäuseteil 12 ausgebildeten und den Elektromotor 20 zumindest teilweise umgebenden Kühlkanal 46 führt und in den Wasser enthaltendes Anodengas strömt. Der Kühlkanal 46 dient zur Abführung von Wärme aus dem Elektromotor 20 und wird radial nach außen durch eine Innenwand 48 des äußeren Motorgehäuseteils 12 begrenzt.
Im Kühlkanal 46 sind Prallwände 50 ausgebildet, die sich axial von oben und unten in den Kühlkanal 46 erstrecken, so dass stetig eine Strömungsumkehr im Kühlkanal 46 erzwungen wird. Die Prallwände 50 dienen als Einbauten eines Tropfenabscheiders 52, da das im Anodengasstrom als Tropfen oder Wasserdampf vorliegende Wasser aufgrund seiner höheren Trägheit im Vergleich zum im Anodengasstrom vorhandenen Stickstoff und Wasserstoff gegen die Prallwände 50 prallt, sich sammelt und insbesondere an der Innenwand 48, welche kälter ist und in deren Richtung die Tropfen durch die Fliehkraft getragen werden, aufgrund der Gravitationskraft hinabgleitet. Eine den Kühlkanal 46 nach axial unten begrenzende Wand 54 ist zu einer Öffnung 56 an der Innenwand 48 des radial äußeren Motorgehäuseteils 12 schräg ausgebildet, so dass die sich auf dieser nach unten begrenzenden Wand 54 sammelnden Tropfen zu dieser Öffnung 56 gleiten, welche als Einlass 58 eines Kondensatablaufkanals 60 dient. Dieser ist somit in unmittelbarer Nähe zu diesem tiefstgelegenen Platz der Wand 54 an der Innenwand 48 ausgebildet. Der Kondensatablaufkanal 60 erstreckt sich durch das äußere Motorgehäuseteil 12.
Ein Anodengasauslass 62, durch welchen das um das abgeführte Wasser reduzierte Anodengas aus dem Kühlkanal 46 strömt, kann axial geringfügig höher angeordnet werden als der Einlass 58 des Kondensatablaufkanals 60, um zu verhindern, dass Wasser zum Anodengasauslass 62 strömt. Zusätzlich ist der Anodengasauslass 62 unmittelbar im Strömungsschatten einer letzten Prallwand 50 angeordnet, durch die unmittelbar vor dem Anodengasauslass 62 noch einmal Wasser abgetrennt wird. Des Weiteren ist der Anodengasauslass 62 in einem radial inneren Bereich des Kühlkanals 46 angeordnet, weist also einen radialen Abstand zur Innenwand 48 auf, so dass das trägere Wasser auch nach innen und damit entgegen der Zentrifugalkraft und der durch die Prallwand 50 vorgenommenen Beschleunigung nach außen, transportiert werden müsste, um zum Anodengasauslass 62 des Kühlkanals 46 zu gelangen.
Der Anodengasauslass 62 mündet unmittelbar in, beziehungsweise bildet einen Förderkanaleinlass 64, über den das zumindest teilweise getrocknete Anodengas in den Förderkanal 24 einströmt, wo es verdichtet wird und zum Förderkanalauslass 42 strömt, der mit einem Brennstoffzellenstapel fluidisch verbunden ist, während das gewonnene Kondensat in den Kondensatablaufkanal 60 strömt. So wird gleichzeitig eine Kühlung des Elektromotors 20 und eine Abscheidung des Prozesswassers aus dem Anodengasstrom erreicht. Der Kondensatablaufkanal 60 erstreckt sich in eine radiale Erweiterung 66 des radial äußeren Motorgehäuseteils 12, die etwa gegenüberliegend zum Einlass 58 des Kondensatablaufkanals 60 ausgebildet ist. In der radialen Erweiterung 66 ist eine Aufnahme 68 für ein Ablassventil 70 mit einem elektromagnetischen Aktor 72 ausgebildet, welches unterhalb des Einlasses 58 angeordnet ist. Der elektromagnetische Aktor 72 ist mit einem Schließglied 74 verbunden, welches zum Verschließen und Öffnen des Kondensatablaufkanals 60 auf einen Ventilsitz 76, der im Bereich der Aufnahme 68 ausgebildet ist, aufsetzbar ist oder von diesem abgehoben wird. Unterhalb des Schließgliedes 74 ist im Motorgehäuseteil 12 eine Erweiterung 78 des Kondensatablaufkanals 60 vorgesehen werden, die als Reservoir dient, so dass eine größere Menge Kondensat gespeichert werden kann, bevor das Ablassventil 70 zum Entleeren geöffnet werden muss. Entsprechend wird der Kondensatablaufkanal 60 in Abhängigkeit des Füllstandes des Wassers am Ablassventil 70 abgeführt, wobei im Bereich des Ventilsitzes 76 während des Betriebes immer eine Wassersäule stehen bleiben sollte, um ein unerwünschtes Ansaugen von Gas von außen zu verhindern. Stromabwärts des Ablassventils 70 mündet der Kondensatablaufkanal 60 an einem in das Motorgehäuseteil 12 eingesetzten Stutzen 80 der einen Kondensatauslass 82 des Kondensatablaufkanals 60 bildet.
Zur Vereinfachung der Montage und der Herstellung der Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation sind im radial äußeren Motorgehäuseteil 12 elektrische Kontaktleitungen 84 ausgebildet, über die die Steuereinheit 28 des Gebläses 10 mit dem elektromagnetischen Aktor 72, insbesondere einer Spule 86 des Elektromagneten elektrisch verbunden wird, indem im Bereich der Aufnahme 68 aus dem Motorgehäuseteil 12 Kontaktfahnen 88 ragen, die mit Kontaktelementen 90 beim Befestigen des Ablassventils 70 verbunden werden, welche an einem Aktorgehäuse 92 ausgebildet sind und zur Spule 86 führen. Die Kontaktelemente 90 können beispielsweise als Schneid-Klemm-Kontakte ausgebildet sein, so dass beim Einstecken des als Steckventil ausgeführten Ablassventils 70 eine elektrische Verbindung hergestellt wird, sobald der Aktor 72 beim Einschieben des Ablassventils 70 in die Aufnahme 68 auf die als Befestigungsflansch dienende Erweiterung 66 aufgesetzt und dort befestigt wird.
Durch diese Ausführung kann auf eine separate Steuereinheit des Aktors 72 des Ablassventils 70 verzichtet werden und stattdessen diese in der Steuereinheit 28 des Gebläses 10 integriert werden, über die dann eine Stromversorgung der Spule 86 an- und abgeschaltet wird, um den Kondensatablaufkanal 60 zu leeren oder geschlossen zu halten.
Entsprechend wird das Anodengas des Rezirkulationspfades unmittelbar zur Kühlung des das Gebläse antreibenden Elektromotors verwendet und gleichzeitig wird diesem Gas kontinuierlich Wasser entzogen. Zusätzlich beinhaltet die Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation auch die notwendigen Elemente zur Steuerung und Durchführung einer Abführung des Kondensats durch kontrollierte Entleerung. Diese kann beispielsweise immer ab einem gewissen Füllgrad des Kondensatablaufkanals durchgeführt werden, sollte jedoch während des Betriebes der Brennstoffzelle durchgeführt werde, wenn eine Abführung des Wassers zur Kathode erwünscht ist. Entsprechend ist ein definierter Flüssigkeitsspiegel im Kondensatablaufkanal zu halten, wobei die Entleerung in Abhängigkeit einer detektierten Füllung erfolgen kann. Durch diese Integration wird der benötigte Bauraum verringert und mehrere Funktionen des Systems in einem Bauteil integriert, so dass Kosten reduziert werden.
Es sollte deutlich sein, dass die beschriebene Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. So kann, wenn das Gebläse ein Seitenkanalgebläse ist, an dessen tiefster Stelle im Förderkanal und in Drehrichtung des Laufrades betrachtet unmittelbar vor einem Unterbrecherabschnitt des Förderkanals ein zweiter Kondensatablauf ausgebildet sein, über den Restfeuchte, die in den Förderkanal gelangt, ebenfalls noch abgeschieden werden kann. Dies kann ebenfalls über ein Magnetventil erfolgen, welches dann in einer Aufnahme an einer Erweiterung am Gebläsekopfdeckel ausgebildet werden kann. Es können auch verschiedene Tropfenabscheider verwendet werden oder die verschiedenen gezeigten Abführungen der getrennten Stoffe mit den verschiedenen Möglichkeiten zur Abscheidung unterschiedlich kombiniert werden. Des Weiteren kann das Ablassventil selbstverständlich auch mit einer separaten Steuereinheit und einem separaten Stecker ausgebildet werden. Auch kann eine Kontaktierung vom Stecker des Gebläses zu einer im Ablassventil integrierten Steuereinheit des Aktors erfolgen. Der Kondensatablaufkanal kann alternativ auch nicht im äußeren Motorgehäuseteil angeordnet sein, sondern sich stattdessen nach unten durch die anderen Teile des Außengehäuses, also das Gebläsegehäuse und gegebenenfalls den Gebläsekopfdeckel erstecken. In diesem Fall würde die Öffnung zum Abführen des Kondensats in der axial nach unten begrenzenden Wand ausgebildet.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem mit einem Gebläse (10) mit einem Laufrad (22) und einem Förderkanal (24), der sich von einem Förderkanaleinlass (64) zu einem Förderkanalauslass (42) erstreckt, und einem Elektromotor (20) mit einer Antriebswelle (38), auf der das Laufrad (22) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (10) einen vom Anodengas durchströmten Kühlkanal (46) aufweist, welcher den Elektromotor (20) des Gebläses (10) zumindest teilweise umgibt, und fluidisch mit einem Kondensatablaufkanal (60) verbunden ist, der sich unterhalb des Kühlkanals (46) in einem Außengehäuse (11) erstreckt, welches das Gebläse (10) begrenzt, und der durch ein Ablassventil (70) freigebbar und verschließbar ist, welches in einer Aufnahme (68) am Außengehäuse (11) aufgenommen ist und über welches Flüssigkeit aus dem Kondensatablaufkanal (60) abführbar ist. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (68) für das Ablassventil (70) an einem das Gebläse (10) axial nach unten begrenzenden Gebläsekopfdeckel (16) des Außengehäuses (11) ausgebildet ist. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (68) an einem radial äußeren Motorgehäuseteil (12) des Außengehäuses (11) ausgebildet ist, welches den Elektromotor (20) des Gebläses (10) radial umgibt. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (46) als Tropfenabscheider (52) ausgebildet ist. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (46) eine Öffnung (56) aufweist, die einen Einlass (58) des Kondensatablaufkanals (60) bildet und einen Anodengasauslass (62) aufweist, der am Förderkanaleinlass (64) mündet. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (72) des Ablassventils (70) ein elektromagnetischer Aktor ist. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablassventil (70) in Abhängigkeit eines Füllstandes der Flüssigkeit im Kondensatablaufkanal (60) geschaltet ist. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 19 dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatablaufkanal (60) oberhalb eines Schließgliedes (74) des Ablassventils (70) eine Erweiterung (78) aufweist, die als Reservoir dient. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablassventil (70) elektrisch mit einer Steuereinheit (28) des Gebläses (10) verbunden ist. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Außengehäuse (11) elektrische Kontaktleitungen (84) angeordnet sind, über die die Steuereinheit (28) des Gebläses (10) mit dem Aktor (72) des Ablassventils (70) verbunden ist. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontaktleitungen (84) als Kontaktfahnen (88) im Bereich der Aufnahme (68) des Ablassventils (70) aus dem Außengehäuse (11) ragen, wobei am Aktor (72) korrespondierende Kontaktelemente (90), die mit einer Spule (86) und/oder einer Steuereinheit des Aktors (72) verbunden sind, angeordnet sind, so dass durch Einsetzen des Ablassventils (70) eine elektrische Kontaktierung zur Spule (86) und/oder zur Steuereinheit des Aktors (72) hergestellt ist. 20 Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablassventil (70) ein Steckventil ist, dessen Schließglied (74) in die Aufnahme (68) ragt und dessen Aktor (72) zumindest teilweise aus dem Außengehäuse (11) ragt, wobei ein Aktorgehäuse (92) am Außengehäuse (11) befestigt ist. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilsitz (76) des Ablassventils (70) im Außengehäuse (11) ausgebildet ist. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Kühlkanal (46) nach unten begrenzende Wand (54) zur Öffnung (56) geneigt ausgebildet ist, die den Einlass (58) des Kondensatablaufkanals (60) bildet. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (58) des Kondensatablaufkanals (60) an der Innenwand (48) des Außengehäuses (11) benachbart zum tiefsten Bereich der nach unten begrenzenden Wand (54) angeordnet ist. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 21 der Kondensatablaufkanal (60) und die Aufnahme (68) für das Ablassventil (70) in einer radialen Erweiterung (66) des Außengehäuses (11) ausgebildet sind. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodengasauslass (62) des Kühlkanals (46) axial versetzt zum Einlass (58) des Kondensatablaufkanals (60) und oberhalb des Einlasses (58) des Kondensatablaufkanals (60) angeordnet ist. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodengasauslass (62) des Kühlkanals (46) oberhalb des Förderkanals (24) und zur Innenwand (48) des Außengehäuses (11) radial nach innen versetzt angeordnet ist und einen radialen Abstand zur Innenwand (48) aufweist. Vorrichtung zur Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (46) den Elektromotor (20) wendeiförmig umgibt.
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