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.