CN117769774A - 用于连续地制备多相的流体流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于连续地制备多相的流体流的方法，尤其是在燃料电池的运行中，所述方法具有步骤：a)提供具有气相和液相的多相的流体流，其中，所述气相具有载体材料和过程材料，其中，所述液相具有过程材料，b)将所述多相的流体流引入可连续运行的旋转的分离器中，c)借助所述旋转的分离器将所述液相从所述多相的流体流中至少部分地分离，以用于产生具有被制备的气相的被制备的流体流，其中，所述被制备的气相具有载体材料和过程材料，其中，在所述被制备的气相中的过程材料的材料量份额为在所述多相的流体流的气相中的过程材料的材料量份额的50％或更多。

Description

用于连续地制备多相的流体流的方法

技术领域

本发明涉及一种用于连续地制备多相的流体流的方法、一种用于使用在对应的方法中的旋转的分离器和一种用于实施对应的方法的燃料电池系统。此外公开对应的旋转的分离器在多相的流体流的连续的制备中的应用。

在所附的权利要求中定义本发明的主题。

背景技术

在车辆技术的领域中使用燃料电池数年以来作为减少对化石原料如石油的依赖性的大有前景的可能性而适用。燃料电池在此构成对于蓄电池、例如锂离子蓄电池的使用最重要的备选方案之一。相对于蓄电池技术，燃料电池技术在此尤其是关于燃料、存储电位和再填充时间的实际操作以及使用现有的线路和存储基础设施的潜在可能性具有特别的优点。

在燃料电池中进行在控制的反应条件下氧气与燃料、例如氢气、甲烷或甲醇至水和必要时其他的反应产物的转化，其中，氧化还原反应的反应步骤在空间上分离地进行。燃料电池为此包括阳极和阴极，所述阳极和阴极通过电解质、例如电解质膜彼此分离。

反应物在运行中连续输送给燃料电池，其中，所述燃料大多过化学计量地使用。由此用于燃料电池的顺利运行需要用于流体管路的分离的系统。为了确保燃料电池的尽可能有效的运行和确保使用的材料的高的利用，在此尤其是需要，使从燃料电池中排出的流体流、尤其是过化学计量地使用的燃料至少部分地再循环到燃料电池中。然而这在实际中与显著的问题相关联，尤其是因为从燃料电池中排出的流体流通常具有化学转化的反应产物、大多是水，所述反应产物至少部分地以冷凝的形式存在。在排出的运行气体的再循环中大多适用避免：在燃料电池中产生的并且绝大部分冷凝的水也引回燃料电池中，在那里否则例如可能出现燃料电池堆的意外被淹。

出于这个原因，在用于再循环使用的流体管路系统中或至少在伴随阳极使用的流体管路系统中经常使用水分离器。

在现有技术中为此使用被动的水分离器。然而这些系统按照发明人的评估可能与显著的缺点相关联。例如这些系统会导致在流体管路系统中的意外的滞止压力或压力下降。尤其是当燃料电池以低负载运行并且从燃料电池堆中排出的流体流因此相对弱时，这样的系统此外具有关于冷凝的水的差的分离度。原则上由现有技术已知的被动的系统的分离功率通常感觉为不足够。

本发明的发明人现在认识到，通过使用旋转的分离器可以解决由现有技术已知的问题，尤其是当该分离器例如通过单独的电动机驱动并且因此不仅以优秀的分离功率将冷凝的副产品从流体流中去除，而且类似按照涡轮的方式通过其旋转也主动地保证在流体管路系统中的足够的流动。

但用于多相的流体流的连续的制备对旋转的分离器原则上有利的使用按照发明人的认识也会与缺点相关联，所述缺点对于确定的使用、尤其是在燃料电池中的流体管路系统中使用时可以视为不利。即在该本身极其有利的构造中，即，在发明人的自身的实验中出现个别意外的不可预测的效果，所述效果导致燃料电池的意外的功率损耗。

不受该理论约束，本发明的发明人假定，燃料电池的这些功率损耗可能是旋转的分离器的特别的有效功率的结果，当旋转的分离器以特别高的转速或分离功率运行时，这些功率损耗尤其是会出现。在该情况下，通过有效的旋转的分离器的水分离可以这样良好地起作用，使得在从旋转的分离器中排出的气相中的水的材料量份额也强烈下降。同时燃料电池的现在非常干燥的载运气体通过旋转的分离器也在低的负载时以足够的压力提供并且循环通过燃料电池。然而对于燃料电池的顺利运行经常需要将用于分离电极的电解质膜保持潮湿，以便能够实现足够的离子传输。不应受该理论约束，本发明的发明人从如下事实出发，即，旋转的分离器在燃料电池中、尤其是在与阳极连接的流体管路系统中的本身有利的使用相对于常规的分离器提高电解质膜不具有足够的膜片湿度的风险。

发明内容

本发明的任务在于，消除上述问题并且对于旋转的分离器在燃料电池系统中的使用的本身极其有利并且创新的设计给出一种方法，所述方法特别适合用于尤其是在燃料电池的运行中连续地制备多相的流体流，并且由此避免上述缺点以及能够实现燃料电池的有效的运行。

通过用于尤其是在燃料电池的运行中连续地制备多相的流体流的要给出的方法应该能够实现，也在使用旋转的分离器时获得被制备的流体流，利用所述流体流可以阻止电解质膜的意外的干燥。

本发明的发明人现在已认识到，为了解决上述任务，必须这样设计用于连续地制备多相的流体流的方法，使得在旋转的分离器的本身有利的使用中，在被制备的气相中的过程材料的材料量份额不以多于50％相对于最初的气相减少。

上述任务对应地通过如在权利要求中定义的用于连续地制备多相的流体流的方法或通过如接着公开的旋转的分离器和应用解决。优选的按照本发明的设计由从属权利要求和后续的实施方式得出。

按照本发明的技术方案的这样的接着称为优选的特征在特别优选的实施形式中与其他的称为优选的特征组合。更特别优选的因此是两个或更多接着称为特别优选的实施形式的组合。同样优选的是如下实施形式，在所述实施形式中，以任何的程度称为优选的特征与一个或多个以任何的程度称为优选的其他的特征组合。优选的旋转的分离器和应用的特征由优选的方法的特征得出。

本发明涉及一种用于连续地制备多相的流体流的方法，尤其是在燃料电池的运行中，具有步骤：

a)提供具有气相和液相的多相的流体流，其中，所述气相具有载体材料和过程材料，其中，所述液相具有过程材料，

b)将所述多相的流体流引入可连续运行的旋转的分离器中，其中，所述旋转的分离器优选连续或以间隔、特别优选连续地运行，

c)借助所述旋转的分离器将所述液相从所述多相的流体流中至少部分地分离，以用于产生具有被制备的气相的被制备的流体流，

其中，所述被制备的气相具有载体材料和过程材料，其中，在所述被制备的气相中的过程材料的材料量份额为在所述多相的流体流的气相中的过程材料的材料量份额的50％或更多。

按照本发明的方法特别适合用于在燃料电池、尤其是聚合物电解质燃料电池、即如下燃料电池的运行中使用，所述燃料电池作为电解质使用聚合物膜。在这里，在燃料电池的阳极侧的流体管路系统中的按照本发明的方法的使用是优选的。

然而，本发明的发明人得出如下评估，即，在用于在使用旋转的分离器的情况下连续地制备多相的流体流对于燃料电池的优化中收集的认识原则上也对于其他的应用范围相关，所述应用范围要求在气相中的过程材料浓度的谨慎的控制，因为例如下游的装置和元件需要过程材料的确定的最小量。

在按照本发明的方法的步骤a)中提供具有气相和液相的多相的流体流。对应的多相的流体流例如可以在燃料电池中形成，在所述燃料电池中通过氧化还原反应形成水，所述水以冷凝的形式与过量的燃料一起从燃料电池中引出。

从发明人的观点看，虽然原则上可能，多相的流体流在确定的使用中也具有固相、例如颗粒的污染物，然而这对于大多数应用较不优选并且应该尤其是在燃料电池的运行中原则上宁可避免。在每种情况中，可以视为按照本发明的方法的优点的是，在流体流中的必要时存在的颗粒的污染物可以通过使用旋转的分离器自动并且彻底地分离。

按照本发明要提供的多相的流体流在液相中具有过程材料。在本发明的范围中，该过程材料是化合物，所述化合物的浓度在按照本发明的方法中必须谨慎地控制。在大多数相关的使用中、尤其是在按照本发明的方法在聚合物电解质燃料电池中的优选的使用中，所述过程材料是水。

除了液相，过程材料也以气相存在，其中，通常依赖于温度和存在的压力调节过程材料在气相和液相之间的相平衡，或其中所述多相的系统至少努力达到该状态。

气相除了气态的过程材料之外此外还具有载体材料。简单地说，表述载体材料在此表示全部的气态的组成部分，所述组成部分不是过程材料。所述载体材料在按照本发明的方法中主要用于，提供足够的气体体积并且能够实现过程材料以液体的和气态的形式运输通过流体管路系统。在实际中、尤其是在燃料电池中的使用中，所述载体材料大多是过化学计量地输送的燃料或包含燃料的混合物，例如与氮气组合。

与上述实施方式一致，所提供的多相的流体流在按照本发明的方法的步骤b)中引入可连续运行的旋转的分离器中。可连续运行的旋转的分离器对于本领域技术人员从其他的应用领域原则上已知并且与其他的旋转的分离器、例如离心分离机相区分，所述其他的旋转的分离器不可以连续运行。本领域技术人员将这样的分离器称为旋转的分离器，所述分离器具有一个或多个元件，所述元件的旋转引起或促进分离作用。

借助该旋转的分离器，液相、即具有液体的过程材料的相在步骤c)中从多相的流体流中至少部分地分离，其中，原则上液相的98重量％或更多、特别优选液相的99重量％或更多的尽可能的分离是优选的。

通过该工作步骤c)，获得被制备的流体流，所述流体流具有至少一个被制备的气相。考虑以上实施方式可理解的是，被制备的流体流潜在地可以具有液相和气相，从而所述被制备的流体流也可以是多相的系统，这在一些情况中甚至可以是特别优选的，如接着公开的。

现在对于按照本发明的方法重要的是，所述被制备的气相不仅具有载体材料，而且也具有过程材料、即气态形式的过程材料。在这里按照发明人的评估必要的是，在被制备的气相、即在如从可连续运行的旋转的分离器中排出的被制备的流体流的气相中的过程材料的材料量份额尽管存在旋转的分离器的有效功率却不强烈减少，其中，在所述气相中的过程材料的材料量份额相对于在所述多相的流体流的气相中的相同的过程材料的材料量份额的减半可能被识别为有意义的界限值，利用所述界限值尤其是在聚合物电解质燃料电池的运行中可实现超过另一个参数范围并且在各种不同的运行条件中出色的性能。

证实为特别有利的是，这样运行按照本发明的方法，使得调节在被制备的气相相对于多相的流体流的气相的相对的组成中的尽可能小的差别。就此能够也在较长的时间间隔上可靠运行尤其是这样的燃料电池，所述燃料电池以低的负载运行并且在所述燃料电池中产生相对少的水，其中，在流体管路系统中的流体流可以通过旋转的分离器提供以需要的压力。因此，优选的是按照本发明的方法，其中，在被制备的气相中的过程材料的材料量份额为在多相的流体流的气相中的过程材料的材料量份额的80％或更多、优选90％或更多、特别优选95％或更多、更特别优选95％至105％。

在旋转的分离器之前和之后的气相的组成之间的该关系能够与本领域技术人员的理解一致地也通过在载体材料和过程材料之间的部分压力的比例表达。备选地，因此是按照本发明的方法，其中，过程材料的部分压力与载体材料的部分压力的比例从多相的流体流的气相至被制备的气相以50％或更少地减少。优选类似的是按照本发明的方法，其中，过程材料的部分压力与载体材料的部分压力的比例从多相的流体流的气相至被制备的气相以20％或更少、优选以10％或更少、特别优选以5％或更少地减少、更特别优选基本上完全不减少。

为了确定在旋转的分离器之前和之后的气相中的过程材料的材料量改变，本领域技术人员可以采用常用的确定方法，在所述确定方法中，所述本领域技术人员依赖于方法参数选择、尤其是依赖于过程材料选择合适的确定方法。对于有机的过程材料，本领域技术人员例如可以取出样品并且对其进行气体色谱分析法地研究。对于水作为过程材料的通常特别相关的情况，例如可以利用通常的湿度计进行所述确定，其中，在优选的设计中，湿度计可以分别放置在旋转的分离器之前和之后。分别按照选择的测量方法，也合适地确定气相的总压力，以便例如计算过程材料的部分压力。

与本领域技术人员的理解一致地，在所述方法条件、即在按照本发明的方法的运行中存在的温度和压力下进行所述材料量份额或部分压力的确定。

所述材料量份额或部分压力在每个瞬时清楚地定义并且本身不依赖于测量方法，所述测量方法仅影响所述确定的精确性。亦即本领域技术人员可自由选择使用的测量方法，尤其是当所确定的改变与定义的界限值这样远离，使得在考虑测量误差的情况下也达不到该界限值。通常仅当与定义的界限值的距离处于测量不可靠的大小时，本领域技术人员才必须采用更准确的测量方法。

本发明的发明人识别了不同的选项，利用所述选项，能够实现在气相中的过程材料的材料量份额的在按照本发明的方法要调节的最大的改变以及用于该改变的优选的值。按照本发明的发明人的评估，尤其是在旋转的分离器中通过合适的结构上和方法技术的措施阻止或至少在程度上减少在气相中包含的过程材料的冷凝，通过所述冷凝，在气相中的该过程材料的材料量份额减少。这构成特别的挑战，因为旋转的分离器使多相的流体流的液相至少部分地从平衡状态中去除，由此有利于冷凝。

在由现有技术中已知的在在使用旋转的分离器的情况下运行的燃料电池以外的方法中，该问题几乎不相关，因为在这些使用情况中大多本来优选的是，所述冷凝的过程材料可以尽可能完全地连同其余的要去除部分分离。

由本发明的发明人识别的用于控制部分压力变化的接着给出的选项可以按照本发明的发明人的评估由本领域技术人员以合适的方式选择和组合，从而获得一种方法，所述方法与由本领域技术人员使用的构造兼容。出于发明人的观点，证实为特别有利的是，组合两个或更多、优选三个或更多、特别优选四个或更多接着说明的选项，其中，更特别优选地使用全部的接着说明的选项。

许多在现有技术中使用的旋转的分离器具有元件、例如干燥机构或致冷干燥器，所述元件用于水的物理化学的结合，所述分离器旨在尽可能完全地净化气流。但按照发明人的评估，在按照本发明的方法中要使用的旋转的分离器应该不具有任何这些元件。因此优选的是按照本发明的方法，其中，旋转的分离器不具有用于尤其是通过化学的结合和/或过程材料的吸附从气相中去除气态的过程材料的机构。该设计也具有优点，即，对应的旋转的分离器更低程度地维护并且取消了不时更换干燥剂的必要性。

除了放弃用于干燥气相的特别的装置之外，本发明的发明人识别了对材料量改变发挥影响的特别有效的方式。原则上在直观上值得期望的是，尽可能很大程度上分离在多相的流体流中的液相，以便因此调节1％或更少、优选0.5％或更少、特别优选0.1％或更少的在制备的流体流中的液相的尽可能低的质量份额，这对于确定的应用也会是优选的。

然而本发明的发明人认识到，可以在如下情况特别有效地避免来自气相的气态的过程材料的意外的冷凝，即，尽管存在旋转的分离器的潜在高的有效性能，所述液相不完全从流体流中去除，从而被制备的流体流也还具有液相的剩余物，所述液相与气相处于平衡中。该方法引导的调节有利地特别简单地实现，即通过针对性地控制旋转的分离器的功率或其用于水的固有的分离有效性。在这里证实为特别合适的是，在液相中的冷凝的过程材料的剩余的份额以具有1μm或更少的平均的微滴大小的小的微粒的形式存在。

本发明的发明人已对于在尽可能很大程度上的分离和用于确保过程材料的材料量份额的尽可能小的改变的液相的保留之间的所述目标冲突识别了特别合适的范围，利用所述范围，可特别有利地运行按照本发明的方法，尤其是在聚合物电解质燃料电池的运行中。即优选的是按照本发明的方法，其中，这样进行在步骤c)中的分离，使得所述被制备的流体流关于被制备的流体流的质量具有0.05％至2％、优选0.1％至1％、特别优选0.2％至0.5％的质量份额的所述液相。

在考虑怎样能够阻止过程材料从气相中的意外的分离的过程中，本发明的发明人已认识到，有利地可以调节旋转的分离器的温度，以便减少在旋转的分离器中的意外的冷凝的程度。与本领域技术人员的理解一致地，在这里工作室的内壁的温度是相关的，所述工作室即如下空间，多相的流体流引导通过所述空间。尤其是结合用于调节液相的剩余含量的针对性的功率控制，该方式证实为出色的解决方案，以便提供被制备的流体流，所述流体流例如在包括聚合物电解质膜的燃料电池中能够实现长期的无误差的运行。在这里考虑到较容易的操作可能的是，对所述旋转的分离器在外面以隔热部覆盖，这对于许多应用是优选的。特别优选的是，为所述旋转的分离器配备加热装置，从而可以控制在所述方法中旋转的分离器的温度。因此按照本发明的方法是优选的，其中，所述旋转的分离器在工作室的内壁上具有60℃或更高、优选70℃或更高、特别优选80℃或更高的温度。

尤其是结合调温的旋转的分离器和/或在使用被加热的流体流时此外证实为有利的是，在所述旋转的分离器中设置液体的过程材料的贮器，所述贮器的气体空间与工作室处于流体引导的连接中。由此可能的是，通过在贮器中的优选调温的液体能够实现气相以过程材料的附加的饱和化，所述饱和抑制意外的冷凝。有利地，该贮器可以直接由分离的液相供给。该实施形式也因此证实为特别有利，因为其能够实现，气相以过程材料的饱和化的最小量。

为了控制在气相中的过程材料的材料量份额的改变的另一个选项按照发明人的观点在于适合地选择旋转的分离器的类型，因为利用旋转的分离器的特别的选择，基于其一般的工作原理，可以更容易地避免在过程材料的材料量份额中的过度强烈的改变，或所述方法参数能够特别容易地适配，以便抑制过于强烈的改变。在这里优选的是按照本发明的方法，其中，所述旋转的分离器是流体机械、旋转的过滤器、旋转的通道分离器或盘式分离器，其中，所述旋转的分离器优选是盘式分离器。盘式分离器也因此是优选的，因为所述盘式分离器通常可以特别高能效地运行，从而按照本发明的方法相对于现有技术节能。

在上述旋转的分离器中，按照本发明的发明人的认识，使用盘式分离器是特别优选的。特别是在包括聚合物电解质膜的燃料电池的流体管路系统中使用盘式分离器时，按照本发明的方法可以借此特别有利地运行，尤其是因为盘式分离器良好地适合用于确保连续的流体流。

盘式分离器的使用按照本发明的发明人的评估也因此是有利的，因为在该盘式分离器中，来自气相的过程材料的意外的冷凝的程度通过结构上的措施能够特别良好地被控制。在这里发明人认识到，特别有利的是，不过大地选择在盘式分离器的盘之间的距离。即优选的是按照本发明的方法，其中，所述旋转的分离器是盘式分离器，其中，所述盘之间的距离小于0.6mm，优选小于0.3mm，特别优选小于0.2mm。

此外发明人提出，为了减少意外的冷凝，使用具有特别光滑的表面的盘，这例如可以通过在制造方法中的合适的表面处理实现。不应受该理论约束，本发明的发明人从如下事实出发，即，特别光滑的表面以较小的程度作为凝结核作用并且由此冷凝的程度减少。因此优选的是按照本发明的方法，其中，所述旋转的分离器是盘式分离器，其中，所述盘具有按照DIN EN ISO 1302：2002的25μm或更少、优选10μm或更少、特别优选6.3μm或更少的平均表面粗糙度Rz。

对于本发明的发明人看来证实为更特别有利的是，与在现有技术中通常的结构的偏离地，由排斥所述过程材料的材料构成所述盘或以对应的材料涂敷所述表面。在这里可以在水作为过程材料的情况中例如涉及疏水的材料、例如聚四氟乙烯或其他全氟碳化合物。不应受该理论约束，本发明的发明人从如下事实出发，即，对应的排斥的表面只允许过程材料的较小程度的冷凝。因而优选的是按照本发明的方法，其中，所述旋转的分离器是盘式分离器，其中，所述盘中的至少一个、优选全部的盘、特别优选所述盘式分离器的全部的与所述流体流处于接触中的构件由排斥所述过程材料的材料制成或以排斥所述过程材料的材料涂敷，其中，所述过程材料在所述排斥所述过程材料的材料上具有在70°或更大、优选80°或更大、特别优选90°或更大、更特别优选100°或更大的范围中的接触角。

此外发明人认为合适的是，避免出现气体通过膨胀的冷却，这能促进来自气相的过程材料的冷凝。本发明的发明人对应地提出，这样设计或这样运行旋转的分离器，使得不出现等焓压力降低，所述压力降低可能通过焦耳汤姆逊效应导致冷却。因此优选的是按照本发明的方法，其中，在旋转的分离器之前的多相的流体流的气相和在旋转的分离器之后的制备的流体流的被制备的气相之间的总压力的区别为少于1％、优选少于0.5％、特别优选少于0.1％。

按照本发明的方法可以有利地这样实施，使得来自所述方法的分离的液相和/或被制备的气相可以引回工作装置中，所述工作装置用于提供多相的流体流。对应的按照本发明的方法因此可以在回路、尤其是封闭的回路中运行。

在这里可能的是，例如将分离的液相输送给工作装置，在所述工作装置中，产生在步骤a)中提供的多相的流体流。在这里例如可以涉及蒸汽机或类似的装置。在这里优选的是按照本发明的方法，其中，在步骤c)中分离的液相至少部分地输送给工作装置，在所述工作装置中，产生在步骤a)中提供的多相的流体流。

然而上述方式对于在燃料电池的运行中的使用通常是不值得追求的。即在燃料电池中，去除的液相应该与之相反输送给排出系统，利用所述排出系统，分离的液相从燃料电池系统中去除，以便阻止燃料电池的不希望的被淹。然而如以上解释的，在燃料电池中的使用中特别有利并且合适的是，将在步骤c)中产生的被制备的流体流引回燃料电池中。因此优选的是按照本发明的方法，其中，在步骤c)中产生的被处理的流体流至少部分地输送给工作装置，在所述工作装置中，产生在步骤a)中提供的多相的流体流。关于上述实施方式清楚的是，这样的按照本发明的方法是优选的，其中，所述工作装置是燃料电池、尤其是聚合物电解质燃料电池。

本发明的发明人已认识到，在非常低和非常高的温度时，尤其是结合燃料电池运行按照本发明的方法可以特别具有挑战性。在这里特别具有挑战性的是，在极端的温度范围中按照本发明控制在气态的组分中的过程材料的材料量份额的改变。对应地，本发明的发明人提出确定的温度范围，在所述温度范围中，可以特别有效地实施按照本发明的方法。在该背景下优选的是按照本发明的方法，其中，所述多相的流体流和/或所述被制备的流体流具有在-40至120℃的范围中、优选0至110℃的范围中的温度。

如以上解释的，视为本发明的特别有利的方面的是，通过旋转的分离器的功率控制在气相中的过程材料的材料量份额的改变，其中，该分离器能有意地使液相的一定的部分经过。为此证实为特别有利的是，以电动机装备旋转的分离器，从而该分离器可以通过电动机的功率控制。因此优选的是按照本发明的方法，其中，所述旋转的分离器通过电动机驱动，其中，所述电动机优选安装在相对于所述载体材料和/或所述过程材料防渗透的外壳中，其中，所述旋转的分离器的输送功率和/或分离功率优选可以通过所述电动机的功率控制。

如以上解释的，一种有利的设计是，这样运行旋转的分离器，使得液相的小的部分保留在被制备的流体流中。然而这可以在流体流的进一步使用中与问题相关联。例如可能的是，在旋转的分离器之前已经出现过程材料的冷凝并且该过程材料在流体管路系统的壁上分离。这样的分离可以通过流体流联动，从而会出现在到旋转的分离器中的液体进入中的不期望的波动，所述液体进入这时可能导致在被制备的流体流中的液相的意外高的份额。为了阻止这一点，可以设置更简单的、不旋转的预分离器，所述预分离器阻止这样的冷凝物进入旋转的分离器中。对应地优选的是按照本发明的方法，其中，所述多相的流体流在引入连续可运行的旋转的分离器中之前引导通过优选不旋转的预分离器。

分别按照流体管路系统的设计，在旋转的分离器后面也可以出现进一步的冷凝。同样不可以排除，在穿过旋转的分离器之后的液相的含量对于确定的应用还过高。在这些情况中合适的是再分离器的使用，所述再分离器可以有利地直接设置在工作装置的输入端之前，以便在可疑情况中将液相的含量减少到希望的程度。因此优选的是按照本发明的方法，其中，被处理的流体流引导通过优选不旋转的再分离器。

本发明的发明人可能从收集的认识和基本的发明想法出发识别特别的运行参数，利用所述运行参数，可以特别有利地运行按照本发明的方法。

即优选的是按照本发明的方法，其中，所述旋转的分离器关于具有少于1μm的直径的液体颗粒具有70％或更高、优选80％或更高、特别优选90％或更高的分离度。

优选的也是按照本发明的方法，其中，所述多相的流体流是气溶胶，其中，在所述多相的流体流中的液相优选作为具有少于10μm、优选少于5μm、特别优选少于2μm的直径d50的液体颗粒存在。

由发明人来看，这样的按照本发明的方法是特别有利的，其中气相作为载体材料具有多材料系统，其中，当使用的载体材料在多相的流体流的液相中尽可能少地溶解时，这关于方法导向的效率是特别有利的。亦即优选的是按照本发明的方法，其中，所述气相作为载体材料具有两种或更多不同的材料。优选的同样是按照本发明的方法，其中，在多相的流体流的液相中的全部的载体材料的组合的质量份额关于多相的流体流的液相的质量为少于5％、优选少于3％、特别优选少于1％。

本发明的发明人此外可能识别特别合适的载体材料。即优选的是按照本发明的方法，其中，所述载体材料选择自包括氦气、氖气、氩气、氮气、氧气、氢气和这些材料的混合物的组，其中，所述载体材料优选选自包括氮气、氢气和这些材料的混合物的组。

为了按照本发明的方法在燃料电池的运行中的使用，发明人可能此外标识用于载体材料的一种特别合适的混合物。在该情况中优选的是按照本发明的方法，其中，在多相的流体流的气相中的载体材料关于气相的质量具有质量份额30％至100％、优选质量份额50％至95％的氢气和质量份额0％至70％、优选质量份额5％至50％的氮气。

关于以上实施方式，对于本领域技术人员可看出的是，按照本发明的方法特别适合用于在燃料电池、尤其是聚合物电解质燃料电池中并且在这里特别是在其阳极侧的流体管路系统或流体管理系统中使用。在该使用目的中，相关的过程材料是水，所述过程材料的浓度应该特别地被控制。结果优选的是按照本发明的方法，其中，所述过程材料是水。在这里同样特别优选的是按照本发明的方法，其中，所述多相的流体流在步骤a)中通过工作装置产生，其中，所述工作装置优选是燃料电池、尤其是聚合物电解质燃料电池。

对于过程材料水和聚合物电解质燃料电池的运行，发明人可能识别在被制备的气流中的绝对的材料量份额的特别适合的范围。即优选的是按照本发明的方法，其中，在被制备的气相中的过程材料的材料量份额在10％至40％、优选13％至35％、特别优选16％至30％的范围中。

本领域技术人员关于以上实施方式认识到，本发明也涉及旋转的分离器。本发明因此也涉及一种用于在按照本发明的方法中使用的旋转的分离器，其中，所述旋转的分离器可连续运行，其中，所述旋转的分离器设计用于，将多相的流体流的具有过程材料的液相与具有载体材料和过程材料的气相至少部分地分离，从而获得的被制备的气相具有载体材料和过程材料并且从而在被制备的气相中的过程材料的材料量份额为在多相的流体流的气相中的过程材料的材料量份额的50％或更多。

按照本发明的旋转的分离器是特别优选的，因为利用其可以特别有效地实现按照本发明的方法。接着给出按照本发明的旋转的分离器的优选的设计，所述设计用于实现优选的按照本发明的方法并且出于这些原因可以视为特别有利。

即优选的是按照本发明的旋转的分离器，其中，所述旋转的分离器是流体机械、旋转的过滤器、旋转的通道分离器或盘式分离器，其中，所述旋转的分离器优选是盘式分离器。

也优选的是按照本发明的旋转的分离器，其中，所述旋转的分离器具有用于工作室的内壁的调温的加热装置。

同样优选的是按照本发明的旋转的分离器，其中，所述旋转的分离器是盘式分离器，其中，在所述盘之间的距离小于0.6mm，优选小于0.3mm，特别优选小于0.2mm。

此外优选的是按照本发明的旋转的分离器，其中，所述旋转的分离器是盘式分离器，其中，所述盘具有25μm或更少、优选10μm或更少、特别优选6.3μm或更少的平均表面粗糙度Rz。

此外优选的是按照本发明的旋转的分离器，其中，所述旋转的分离器是盘式分离器，其中，所述盘中的至少一个、优选全部的盘、特别优选所述盘式分离器的全部与流体流处于接触中的构件由排斥所述过程材料的材料制成或以排斥所述过程材料的材料涂敷，其中，所述过程材料在所述排斥所述过程材料的材料上具有在70°或更多、优选80°或更多、特别优选90°或更多、更特别优选100°或更多的范围中的接触角。

同样地优选的是按照本发明的旋转的分离器，具有不旋转的预分离器和/或不旋转的再分离器。

此外优选的是按照本发明的旋转的分离器，其中，所述旋转的分离器关于具有少于1μm的直径的液体颗粒具有70％或更多、优选80％或更多、特别优选90％或更多的分离度。

与本发明关联地，也公开了这样的旋转的分离器的应用，以用于在燃料电池、尤其是聚合物电解质燃料电池的运行中连续地制备多相的流体流，以用于延长燃料电池在以少于20％、优选少于10％的最高功率的功率运行时的使用寿命。

本发明最后也涉及一种燃料电池系统、尤其是聚合物电解质燃料电池系统，其具有用于燃料电池的至少一个电极、尤其是阳极的流体供应的流体管路系统，其中，在至少一个流体管路中设置这样的旋转的分离器，以用于连续地制备多相的流体流。

对应的按照本发明的燃料电池系统是有利的，因为在其中可以实施按照本发明的方法并且燃料电池在小的负载时也可以在较长的时间间隔上运行，其中，阻止电解质膜的干燥。此外通过所述旋转的分离器有利地能实现，也在低的负载和对应低的功率时足够地对燃料电池供给再循环的燃料。由此有利地实现高的运行安全性和长的使用寿命。

附图说明

接着参考附图进一步解释和说明本发明和本发明的优选的实施形式。在所述图中在此示出：

图1示出一种特别优选的实施形式的按照本发明的旋转的分离器的示意图，利用其以优选的设计可以实施按照本发明的方法。

具体实施方式

图1示出以一种特别优选的实施形式的按照本发明的旋转的分离器的示意图。

示出的旋转的分离器10适合和设定用于在按照本发明的方法中使用，所述旋转的分离器10是可连续运行的盘式分离器。

按照图1的旋转的分离器10设置在聚合物电解质燃料电池系统的阳极侧的流体管路系统(未示出)中并且在此用于连续地制备尤其是具有氢气和水的多相的流体流。

在图1示出的示例中，所述旋转的分离器10设计用于，将多相的流体流的特别是具有水的液相至少部分地与具有氢气、水和必要时氮气的气相分离。这可以利用按照本发明的旋转的分离器10有利地这样进行，使得获得的被制备的气相具有氢气和水并且在被制备的气相中的水的材料量份额为在多相的流体流的气相中的水的材料量份额、即在制备之前的50％或更多。

所述多相的流体流从下面进入旋转的分离器10中，这通过实心箭头表示。在这里设置在工作室16之下的输送设备确保通过旋转的分离器10的流体输送。所述旋转的分离器10具有包括多个盘12的盘堆叠，其中，所述盘堆叠通过电动机14旋转驱动。电动机14允许调节分离功率。分离通过盘堆叠进行，其中，所述分离的液相在示出的示例中在右边的边缘上导出，这通过非实心的箭头表示。

除了载体材料氢气之外也具有气态的水的被制备的气相在示意图中与之相反向左引导离开并且再循环至燃料电池。

按照图1的旋转的分离器10具有用于工作室16的内壁的调温的加热装置(未示出)并且在所述盘12之间具有0.25mm的距离。所述盘12的表面的平均表面粗糙度为6.3μm。所述旋转的分离器10的盘12由聚四氟乙烯构成并且所述工作室16的内壁以聚四氟乙烯涂敷。

按照图1的示例性的旋转的分离器10关于具有少于1μm的直径的液体颗粒具有70％或更多的分离度。

附图标记列表

10旋转的分离器

12盘

14电动机

16工作室

Claims (10)

1.用于连续地制备多相的流体流的方法，尤其是在燃料电池的运行中，所述方法具有步骤：

a)提供具有气相和液相的多相的流体流，其中，所述气相具有载体材料和过程材料，其中，所述液相具有过程材料，

b)将所述多相的流体流引入能连续运行的旋转的分离器(10)中，

c)借助所述旋转的分离器(10)将所述液相从所述多相的流体流中至少部分地分离，以用于产生具有被制备的气相的被制备的流体流，

其中，所述被制备的气相具有载体材料和过程材料，其中，在所述被制备的气相中的过程材料的材料量份额为在所述多相的流体流的气相中的过程材料的材料量份额的50％或更多。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，进行在步骤c)中的分离，使得所述被制备的流体流关于所述被制备的流体流的质量具有0.05％至2％、优选0.1％至1％、特别优选0.2％至0.5％的质量份额的液相。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其中，所述旋转的分离器(10)在所述工作室(16)的内壁上具有60℃或更高、优选70℃或更高、特别优选80℃或更高的温度。

4.按照权利要求1至3之一所述的方法，其中，所述旋转的分离器(10)是流体机械、旋转的过滤器、旋转的通道分离器或盘式分离器，其中，所述旋转的分离器(10)优选是盘式分离器。

5.按照权利要求4所述的方法，其中，所述旋转的分离器(10)是盘式分离器，其中，所述盘(12)具有25μm或更小、优选10μm或更小、特别优选6.3μm或更小的平均表面粗糙度Rz。

6.按照权利要求4或5所述的方法，其中，所述旋转的分离器(10)是盘式分离器，其中，在所述盘(12)之间的距离小于0.6mm，优选小于0.3mm，特别优选小于0.2mm。

7.按照权利要求4至6之一所述的方法，其中，所述旋转的分离器(10)是盘式分离器，其中，所述盘(12)中的至少一个、优选全部的盘(12)、特别优选所述盘式分离器的全部的与所述流体流处于接触中的构件由排斥所述过程材料的材料制成或以排斥所述过程材料的材料涂敷，其中，所述过程材料在所述排斥所述过程材料的材料上具有在70°或更大、优选80°或更大、特别优选90°或更大、更特别优选100°或更大的范围中的接触角。

8.按照权利要求1至7之一所述的方法，其中，所述旋转的分离器(10)通过电动机(14)驱动，其中，所述电动机(14)优选安装在相对于所述载体材料和/或所述过程材料防渗透的外壳中，其中，所述旋转的分离器(10)的输送功率和/或分离功率优选能够通过所述电动机(14)的功率控制。

9.用于使用在按照权利要求1至8之一所述的方法中的旋转的分离器(10)，其中，所述旋转的分离器(10)能够连续运行，其中，所述旋转的分离器(10)设计用于，将多相的流体流的具有过程材料的液相与具有载体材料和过程材料的气相至少部分地分离，从而获得的被制备的气相具有载体材料和过程材料并且从而在所述制备的气相中的过程材料的材料量份额为在所述多相的流体流的气相中的过程材料的材料量份额的50％或更多。

10.燃料电池系统，尤其是聚合物电解质燃料电池系统，具有用于燃料电池的至少一个电极、尤其是阳极的流体供应的流体管路系统，其中，在至少一个流体管路中设置按照权利要求9所述的旋转的分离器，以用于连续地制备多相的流体流。