DE102021116944A1 - Low-trouble rotating separator with high compatibility for use in fuel cell systems - Google Patents

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Johannes Lissy
Dietmar Gernand
Eike Stitterich
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters

Abstract

Die Erfindung betrifft einen rotierenden Abscheider zur kontinuierlichen Aufbereitung von Fluidströmen, insbesondere in Brennstoffzellensystemen, umfassend: - ein Gehäuse mit einer im Inneren des Gehäuses angeordneten Arbeitskammer, und - zumindest ein Abscheideelement, welches mittels einer Halteanordnung rotierbar in der Arbeitskammer angeordnet ist, wobei das Gehäuse zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden Kunststoff mit einem spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand von 106Ω m oder weniger besteht, und wobei die Halteanordnung zumindest teilweise aus einem metallischen Material mit einer Zugfestigkeit von 800 MPa oder mehr besteht.The invention relates to a rotating separator for the continuous processing of fluid flows, in particular in fuel cell systems, comprising: - a housing with a working chamber arranged inside the housing, and - at least one separating element, which is arranged rotatably in the working chamber by means of a holding arrangement, the housing consists at least partially of an electrically conductive plastic with a specific electrical volume resistance of 106Ω m or less, and wherein the holding arrangement consists at least partially of a metallic material with a tensile strength of 800 MPa or more.

Description

Die Erfindung betrifft einen rotierenden Abscheider zur kontinuierlichen Aufbereitung von Fluidströmen, insbesondere in Brennstoffzellensystemen, entsprechende Brennstoffzellensysteme mit einem solchen rotierenden Abscheider und die Verwendung entsprechender rotierender Abscheider zur kontinuierlichen Aufbereitung von mehrphasigen Fluidströmen beim Betrieb von Brennstoffzellen.The invention relates to a rotating separator for the continuous processing of fluid flows, in particular in fuel cell systems, corresponding fuel cell systems with such a rotating separator and the use of corresponding rotating separators for the continuous processing of multi-phase fluid flows during the operation of fuel cells.

Der Gegenstand der Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.The subject matter of the invention is defined in the appended claims.

Der Einsatz von Brennstoffzellen im Bereich der Fahrzeugtechnik gilt seit einigen Jahren als vielversprechende Möglichkeit, die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen wie Erdöl zu reduzieren. Die Brennstoffzelle stellt dabei eine der wichtigsten Alternativen zum Einsatz von Batterien, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, dar. Gegenüber der Batterietechnologie weist die Brennstoffzellentechnologie dabei spezifische Vorteile auf, insbesondere hinsichtlich der praktischen Handhabung des Brennstoffes, des Speicherpotentials und der Nachfüllzeiten sowie der potentiellen Möglichkeit, die bestehende Leitungs- und Speicherinfrastruktur zu verwenden.The use of fuel cells in the field of vehicle technology has been considered a promising option for reducing dependence on fossil raw materials such as crude oil for several years. The fuel cell represents one of the most important alternatives to the use of batteries, such as lithium-ion batteries. Compared to battery technology, fuel cell technology has specific advantages, especially with regard to the practical handling of the fuel, the storage potential and the refill times as well as the potential Possibility to use the existing line and storage infrastructure.

In Brennstoffzellen erfolgt die Umsetzung von Sauerstoff mit einem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, Methan oder Methanol, zu Wasser und ggf. anderen Reaktionsprodukten unter kontrollierten Reaktionsbedingungen, wobei die Reaktionsschritte der Redoxreaktion räumlich getrennt ablaufen. Die Brennstoffzelle besteht hierzu aus einer Anode und einer Kathode, die durch einen Elektrolyten, beispielsweise eine Elektrolytmembran, voneinander getrennt sind.In fuel cells, oxygen is converted with a fuel, for example hydrogen, methane or methanol, to form water and possibly other reaction products under controlled reaction conditions, with the reaction steps of the redox reaction taking place spatially separately. For this purpose, the fuel cell consists of an anode and a cathode, which are separated from one another by an electrolyte, for example an electrolyte membrane.

Die Reaktanten werden der Brennstoffzelle im Betrieb kontinuierlich zugeführt, wobei der Brennstoff zumeist überstöchiometrisch eingesetzt wird. Dadurch ist für den reibungslosen Betrieb einer Brennstoffzelle ein ausgefeiltes System für die Fluidleitung notwendig. Um einen möglichst effizienten Betrieb der Brennstoffzelle zu gewährleisten und eine hohe Ausnutzung der eingesetzten Materialien zu gewährleisten, ist es dabei insbesondere notwendig, die aus der Brennstoffzelle austretenden Fluidströme, insbesondere den überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff, zumindest teilweise in die Brennstoffzelle zu rezirkulieren. Dies ist jedoch in der Praxis mit erheblichen Problemen verbunden, insbesondere, weil die aus der Brennstoffzelle austretenden Fluidströme regelmäßig das Reaktionsprodukt der chemischen Umsetzung, zumeist Wasser, umfassen, welches zumindest teilweise in kondensierter Form vorliegt. Beim Rezirkulieren der austretenden Betriebsgase gilt es zumeist zu vermeiden, dass auch das in der Brennstoffzelle erzeugte und größtenteils kondensierte Wasser in die Brennstoffzelle zurückgeführt wird, wo es andernfalls beispielsweise zu einer ungewollten Flutung des Brennstoffzellen-Stacks kommen könnte.The reactants are continuously fed to the fuel cell during operation, with the fuel mostly being used superstoichiometrically. A sophisticated system for the fluid line is therefore necessary for the smooth operation of a fuel cell. In order to ensure the most efficient possible operation of the fuel cell and to ensure high utilization of the materials used, it is particularly necessary to at least partially recirculate the fluid streams exiting the fuel cell, in particular the superstoichiometric fuel used, into the fuel cell. In practice, however, this is associated with considerable problems, in particular because the fluid streams emerging from the fuel cell regularly include the reaction product of the chemical conversion, mostly water, which is at least partially present in condensed form. When recirculating the escaping operating gases, it is usually necessary to avoid that the water generated in the fuel cell and mostly condensed is also fed back into the fuel cell, where otherwise, for example, the fuel cell stack could be flooded unintentionally.

Aus diesem Grund wird in dem zum Rezirkulieren verwendeten Fluidleitungssystem, bzw. zumindest in dem mit der Anode eingesetzten Fluidleitungssystem, häufig ein Wasserabscheider eingesetzt.For this reason, a water separator is often used in the fluid line system used for recirculation, or at least in the fluid line system used with the anode.

Im Stand der Technik kommen hierfür passive Wasserabscheider zum Einsatz. Diese Systeme können nach Einschätzung der Erfinder jedoch mit erheblichen Nachteilen verbunden sein. Beispielsweise können sie zu ungewollten Staudrücken bzw. Druckabfällen im Fluidleitungssystem führen. Insbesondere wenn die Brennstoffzelle mit niedriger Last betrieben wird und der aus dem Brennstoffzellen-Stack austretende Fluidstrom somit vergleichsweise schwach ist, weisen solche Systeme zudem schlechte Abscheidegrade bezogen auf das auskondensierte Wasser auf. Grundsätzlich wird die Abscheideleistung der aus dem Stand der Technik bekannten passiven Systeme regelmäßig als unzureichend empfunden.In the prior art, passive water separators are used for this. According to the inventors, however, these systems can be associated with considerable disadvantages. For example, they can lead to unwanted dynamic pressures or pressure drops in the fluid line system. In particular, when the fuel cell is operated at low load and the fluid flow emerging from the fuel cell stack is therefore comparatively weak, such systems also have poor degrees of separation in relation to the water that has condensed out. In principle, the separation performance of the passive systems known from the prior art is regularly felt to be insufficient.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nun erkannt, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme durch den Einsatz eines rotierenden Abscheiders gelöst werden können, welcher mit einer ausgezeichneten Abscheideleistung kondensierte Nebenprodukte aus dem Fluidstrom entfernt und zudem, quasi nach Art einer Turbine, durch seine Rotation auch aktiv eine ausreichende Strömung im Fluidleitungssystem sicherstellt.The inventors of the present invention have now recognized that the problems known from the prior art can be solved by using a rotating separator, which removes condensed by-products from the fluid flow with excellent separation efficiency and, more or less in the manner of a turbine, through its Rotation also actively ensures sufficient flow in the fluid line system.

Der grundsätzlich vorteilhafte Einsatz von rotierenden Abscheidern zur kontinuierlichen Aufbereitung von mehrphasigen Fluidströmen kann nach Erkenntnis der Erfinder aber auch mit Nachteilen verbunden sein, die für bestimmte Anwendungen, insbesondere beim Einsatz in dem Fluidleitungssystem in einer Brennstoffzelle, als unvorteilhaft angesehen werden können.According to the inventors, the basically advantageous use of rotating separators for the continuous processing of multiphase fluid streams can also be associated with disadvantages which can be regarded as disadvantageous for certain applications, in particular when used in the fluid line system in a fuel cell.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung sind zu der Erkenntnis gelangt, dass die aus dem Stand der Technik verfügbaren rotierenden Abscheider für den langfristigen zuverlässigen Einsatz in Brennstoffzellensystemen in vielen Fällen nicht geeignet sind. Bei Brennstoffzellensystemen, insbesondere solchen, die in Fahrzeugen eingesetzt werden sollen, handelt es sich regelmäßig um hochgradig sensible Systeme. Entsprechende Brennstoffzellensysteme können sehr anfällig für Störungen, wie beispielsweise ungewollte elektrische Entladungen, plötzliche Druckschwankungen im Leitungssystem oder den Eintrag von Fremdpartikeln in den Brennstoffzellenstapel sein.The inventors of the present invention have come to the realization that the rotating separators available from the prior art are in many cases unsuitable for long-term reliable use in fuel cell systems. Fuel cell systems, in particular those that are to be used in vehicles, are regularly highly sensitive systems. Corresponding fuel cell systems can be very susceptible to disturbances, such as unwanted electrical discharges, sudden pressure fluctuations in the line system or the entry of foreign particles into the fuel cell stack.

Im Gegensatz zu den passiven Abscheidesystemen aus dem Stand der Technik kann insbesondere auch ein Ausfall des aktiv arbeitenden rotierenden Abscheiders und der damit verbundene schlagartige Abfall der Abscheideleistung zu einem erheblichen Eintrag von Wasser in den Brennstoffzellenstapel führen, wodurch die Brennstoffzelle potentiell irreparabel beschädigt werden kann.In contrast to the passive separation systems from the prior art, a failure of the actively working rotating separator and the associated sudden drop in the separation performance can lead to a significant entry of water into the fuel cell stack, which can potentially irreparably damage the fuel cell.

Nach Einschätzung der Erfinder sind die aus dem Stand der Technik bekannten rotierenden Abscheider zwar leistungsstark, beim Einsatz in Brennstoffzellensystemen jedoch auch mit einer erhöhten Gefahr verbunden, entsprechende Störungen im Brennstoffzellensystem zu verursachen. Dies kann beispielsweise durch den Eintrag von durch Verschleiß erzeugten Partikeln sowie der eingesetzten Schmiermittel erfolgen. Zudem sind die aktiven rotierenden Abscheider besonders anfällig für statische Aufladungen, die den reibungslosen Betrieb des Brennstoffzellensystems gefährden können. Zudem kann es in Einzelfällen beim Einsatz von rotierenden Abscheidern sogar zu einem Funkenschlag kommen, welcher in einen mit Sauerstoff und Wasserstoff arbeitenden System, wie der Brennstoffzelle, vermieden werden sollte.According to the inventors' assessment, the rotating separators known from the prior art are powerful, but when used in fuel cell systems they are also associated with an increased risk of causing corresponding faults in the fuel cell system. This can be done, for example, by the entry of particles generated by wear and the lubricants used. In addition, the active rotating separators are particularly susceptible to static charges, which can endanger the smooth operation of the fuel cell system. In addition, in individual cases, when using rotating separators, sparks can even occur, which should be avoided in a system that works with oxygen and hydrogen, such as the fuel cell.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die vorstehend beschriebene Problematik zu beheben und für die an sich überaus vorteilhafte und innovative Ausgestaltung des Einsatzes eines rotierenden Abscheiders in einem Brennstoffzellensystem einen optimierten rotierenden Abscheider zur kontinuierlichen Aufbereitung von Fluidströmen anzugeben, der für die spezifischen Anforderungen des Einsatzes in einem Brennstoffzellensystem besonders geeignet ist.The object of the present invention was to solve the problems described above and to specify an optimized rotating separator for the continuous treatment of fluid flows for the extremely advantageous and innovative design of the use of a rotating separator in a fuel cell system, which is suitable for the specific requirements of the application is particularly suitable in a fuel cell system.

Es war somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen rotierenden Abscheider mit einer hohen Kompatibilität für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen anzugeben, der einen besonders störungs- und/oder wartungsarmen Betrieb eines entsprechenden Brennstoffzellensystems mit einem aktiven rotierenden Abscheider ermöglicht.It was therefore the object of the present invention to specify a rotating separator with a high degree of compatibility for use in fuel cell systems, which enables a corresponding fuel cell system with an active rotating separator to be operated with particularly little disruption and/or little maintenance.

Insbesondere war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Anfälligkeit des rotierenden Abscheiders für ungewollte elektrostatische Aufladung zu reduzieren, die Gefahr von Funkenschlag zu minimieren sowie die Kontamination der nachgeschalteten Brennstoffzelle mit Partikeln, beispielsweise Abrieb, Rost und/oder Schmierstoffen, zu vermindern.In particular, it was the object of the present invention to reduce the susceptibility of the rotating separator to unwanted electrostatic charging, to minimize the risk of sparking and to reduce the contamination of the downstream fuel cell with particles, for example abrasion, rust and/or lubricants.

Es war eine ergänzende Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den rotierenden Abscheider zum kontinuierlichen Aufbereiten von Fluidströmen so auszugestalten, dass dieser zuverlässig mit besonders hohen Drehzahlen und besonders hohen Abscheideleistungen betrieben werden kann, insbesondere über solche Zeiträume, die der Lebenserwartung eines in einem Fahrzeug eingesetzten Brennstoffzellensystem entsprechen.It was an additional object of the present invention to design the rotating separator for the continuous processing of fluid flows in such a way that it can be operated reliably at particularly high speeds and particularly high separation rates, in particular over periods of time that correspond to the life expectancy of a fuel cell system used in a vehicle .

Es war eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verwendung für entsprechende rotierende Abscheider zur kontinuierlichen Aufbereitung von mehrphasigen Fluidströmen beim Betrieb von Brennstoffzellen anzugeben.A further object of the present invention was to specify a use for corresponding rotating separators for the continuous treatment of multi-phase fluid streams during the operation of fuel cells.

Darüber hinaus war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches vorteilhafterweise über einen rotierenden Abscheider verfügt, dabei jedoch besonders betriebssicher sowie störungs- und/oder wartungsarm betreibbar sein sollte.In addition, it was an object of the present invention to specify a fuel cell system which advantageously has a rotating separator, but which should be particularly reliable and easy to operate with little disruption and/or maintenance.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben im Rahmen eines Entwicklungsprojektes erkannt, dass die vorstehend beschriebenen Aufgaben durch einen rotierenden Abscheider gelöst werden können, wie er in den Ansprüchen definiert ist.The inventors of the present invention have found during a development project that the objects described above can be achieved by a rotary separator as defined in the claims.

Die vorstehend genannten Aufgaben werden entsprechend durch rotierende Abscheider, Verwendungen und Brennstoffzellensysteme gelöst, wie sie in den Ansprüchen definiert sind, gelöst. Bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungen.The objects mentioned above are correspondingly solved by rotary separators, uses and fuel cell systems as defined in the claims. Preferred configurations according to the invention result from the dependent claims and the following statements.

Solche Merkmale erfindungsgemäßer Gegenstände, die nachfolgend als bevorzugt bezeichnet sind, werden in besonders bevorzugten Ausführungsformen mit anderen als bevorzugt bezeichneten Merkmalen kombiniert. Ganz besonders bevorzugt sind somit Kombinationen von zwei oder mehr der nachfolgend als besonders bevorzugt bezeichneten Ausführungsformen. Ebenfalls bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen ein in irgendeinem Ausmaß als bevorzugt bezeichnetes Merkmal mit ein oder mehreren weiteren Merkmalen kombiniert wird, die in irgendeinem Ausmaß als bevorzugt bezeichnet werden. Merkmale bevorzugter Verwendungen und Brennstoffzellensysteme ergeben sich aus den Merkmalen bevorzugter Verfahren.Such features of objects according to the invention, which are referred to below as preferred, are combined in particularly preferred embodiments with other features referred to as preferred. Combinations of two or more of the embodiments described below as particularly preferred are therefore very particularly preferred. Also preferred are embodiments in which a feature identified as preferred to some extent is combined with one or more other features identified as preferred to some extent. Features of preferred uses and fuel cell systems result from the features of preferred methods.

Die Erfindung betrifft einen rotierenden Abscheider zur kontinuierlichen Aufbereitung von Fluidströmen, insbesondere in Brennstoffzellensystemen, umfassend:

  • - ein Gehäuse mit einer im Inneren des Gehäuses angeordneten Arbeitskammer, und
  • - zumindest ein Abscheideelement, welches mittels einer Halteanordnung rotierbar in der Arbeitskammer angeordnet ist,
wobei das Gehäuse zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden Kunststoff mit einem spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand von 106 Ω m oder weniger besteht,
wobei die Halteanordnung zumindest teilweise aus einem metallischen Material mit einer Zugfestigkeit von 800 MPa oder mehr besteht.The invention relates to a rotating separator for the continuous treatment of fluid flows, in particular in fuel cell systems, comprising:
  • - a housing with a working chamber arranged inside the housing, and
  • - at least one separating element, which is rotatably arranged in the working chamber by means of a holding arrangement,
wherein the housing consists at least partially of an electrically conductive plastic with a specific electrical volume resistance of 10 6 Ω m or less,
wherein the holding arrangement consists at least partially of a metallic material with a tensile strength of 800 MPa or more.

Der erfindungsgemäße rotierende Abscheider ist zur kontinuierlichen Aufbereitung von Fluidströmen geeignet und wie vorstehend erläutert insbesondere für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen optimiert. Auch wenn die spezifischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen rotierenden Abscheiders diesen für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen prädestinieren, ist der erfindungsgemäße rotierende Abscheider nach Einschätzung der Erfinder grundsätzlich auch für andere Anwendungen vorteilhaft geeignet, in denen ein besonders leistungsstarker Abscheider benötigt wird, der jedoch möglichst störungsunanfällig und wartungsarm sein soll.The rotating separator according to the invention is suitable for the continuous processing of fluid flows and, as explained above, is optimized in particular for use in fuel cell systems. Even if the specific properties of the rotating separator according to the invention make it predestined for use in fuel cell systems, the inventors believe that the rotating separator according to the invention is also advantageously suitable for other applications in which a particularly powerful separator is required, but which should be as trouble-free and low-maintenance as possible target.

Kontinuierlich betreibbare rotierende Abscheider sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt.Rotating separators that can be operated continuously are known in principle to the person skilled in the art from the prior art.

Der erfindungsgemäße rotierende Abscheider umfasst ein Gehäuse mit einer im inneren des Gehäuses angeordneten Arbeitskammer. Dies bedeutet, dass der Innenraum des rotierenden Abscheiders, in dem die tatsächliche Abtrennung von flüssigen Bestandteilen aus der Gasphase erfolgt, zumindest teilweise, bevorzugt bis auf die Ein- und Auslässe vollständig, von einer Umwandungsstruktur des Gehäuses umgeben ist.The rotating separator according to the invention comprises a housing with a working chamber arranged inside the housing. This means that the interior of the rotating separator, in which the actual separation of liquid components from the gas phase takes place, is surrounded at least partially, preferably completely except for the inlets and outlets, by a wall structure of the housing.

Darüber hinaus umfasst der erfindungsgemäße rotierende Abscheider zumindest ein Abscheideelement. Dieses Abscheideelement bzw. dessen Rotation in der Arbeitskammer ist für die hohe Abscheidewirkung des rotierenden Abscheiders verantwortlich.In addition, the rotating separator according to the invention comprises at least one separating element. This separating element or its rotation in the working chamber is responsible for the high separating effect of the rotating separator.

Um die die Abscheidung unterstützende oder bedingende Rotation des Abscheideelements in der Arbeitskammer zu ermöglichen, ist das Abscheideelement durch eine Halteanordnung rotierbar in der Arbeitskammer angeordnet.In order to enable the rotation of the separating element in the working chamber, which supports or conditions the separation, the separating element is arranged in the working chamber so that it can rotate by means of a holding arrangement.

Erfindungswesentlich ist, dass das Gehäuse zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden Kunststoff mit einem maximalen spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand besteht. Zudem ist erfindungswesentlich, dass die Halteanordnung zumindest teilweise aus einem metallischen Material mit einer besonders hohen Zugfestigkeit besteht.It is essential to the invention that the housing consists at least partially of an electrically conductive plastic with a maximum specific electrical volume resistance. In addition, it is essential to the invention that the holding arrangement consists at least partially of a metallic material with a particularly high tensile strength.

Nach Einschätzung der Erfinder ist es die spezifische Kombination dieser Merkmale, die in einem besonders vorteilhaften rotierenden Abscheider resultiert. Insbesondere lassen sich mit einem solchen erfindungsgemäßen rotierenden Abscheider ungewollte elektrostatische Aufladung vorteilhafterweise minimieren. Neben der überraschend hohen Robustheit des erhaltenen rotierenden Abscheiders wird der Eintrag von Fremdpartikeln, die beispielsweise durch Abrieb entstehen können, in die Brennstoffzelle reduziert. Als ganz besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen rotierenden Abscheiders kann es jedoch angesehen werden, dass durch das synergistische Zusammenwirken der spezifischen Merkmale das Risiko eines Funkenschlags in vorteilhafter Weise minimiert wird.According to the inventors, it is the specific combination of these features that results in a particularly advantageous rotary separator. In particular, unwanted electrostatic charging can advantageously be minimized with such a rotating separator according to the invention. In addition to the surprisingly high level of robustness of the rotating separator obtained, the introduction of foreign particles, which can be caused by abrasion, for example, into the fuel cell is reduced. However, it can be regarded as a very particular advantage of the rotating separator according to the invention that the risk of sparking is minimized in an advantageous manner as a result of the synergistic interaction of the specific features.

Der spezifische elektrische Durchgangswiderstand von Materialien ist eine dem Fachmann gut geläufige Größe, die er für die meisten Materialien einschlägigen Tabellenwerken entnehmen kann. Die Messung des spezifischen elektrischen Durchgangswiderstands bei anderen Komponenten erfolgt in Übereinstimmung mit der üblichen Praxis entweder gemäß der DIN EN ISO 3915 aus 1999, die insbesondere für besonders leitfähige Materialien zum Einsatz kommt, bzw. gemäß der IEC 60093 aus 1993, die bei hohen spezifischen elektrischen Durchgangswiderständen eingesetzt wird. Die Frage, welche der beiden Normen einzusetzen ist, richtet sich nach den Vorgaben der beiden Vorschriften sowie den Eigenschaften des jeweiligen untersuchten Materials.The specific electrical volume resistance of materials is a variable that is well known to a person skilled in the art and can be found in relevant tables for most materials. The measurement of the specific electrical volume resistance of other components is carried out in accordance with common practice, either in accordance with DIN EN ISO 3915 from 1999, which is used in particular for particularly conductive materials, or in accordance with IEC 60093 from 1993, which is used for high specific electrical volume resistance is used. The question of which of the two standards is to be used depends on the specifications of the two regulations and the properties of the material being examined.

Analog zu dem spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand ist auch die Zugfestigkeit von metallischen Materialien ein Wert, den der Fachmann beispielsweise den einschlägigen Tabellenwerken entnehmen kann, oder der zumeist von Zulieferern der entsprechenden Materialien bereitgestellt wird. Darüber hinaus kann die Zugfestigkeit mit einer geeigneten Zugprüfmaschine vom Fachmann selbst bestimmt werden, insbesondere gemäß der DIN EN ISO 689-1 aus 2020.Analogously to the specific electrical volume resistance, the tensile strength of metallic materials is also a value which the person skilled in the art can take from the relevant tables, for example, or which is usually provided by suppliers of the relevant materials. In addition, the tensile strength can be determined by the specialist himself using a suitable tensile testing machine, in particular in accordance with DIN EN ISO 689-1 from 2020.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden sämtliche Materialeigenschaften, insbesondere der spezifische elektrische Durchgangswiderstand bei einer Temperatur von 20°C bestimmt.Within the scope of the present invention, all material properties, in particular the specific electrical volume resistance, are determined at a temperature of 20.degree.

Nach Einschätzung der Erfinder ist es besonders vorteilhaft, wenn der elektrisch leitende Kunststoff eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit und demnach einen besonders niedrigen spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand aufweist. Bevorzugt ist insoweit ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der elektrisch leitende Kunststoff einen spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand von 105 Ω m oder weniger, bevorzugt 104 Ω m oder weniger, besonders bevorzugt 102 Ω m oder weniger, aufweist.According to the inventors, it is particularly advantageous if the electrically conductive plastic has a particularly high electrical conductivity and therefore a particularly low specific electrical volume resistance. In this respect, preference is given to a rotating separator according to the invention, the electrically conductive Plastic has a specific electrical volume resistance of 10 5 Ω m or less, preferably 10 4 Ω m or less, particularly preferably 10 2 Ω m or less.

Auch wenn es prinzipiell möglich ist, das Gehäuse aus verschiedenen Materialien zusammenzusetzen und Verbundmaterialien einzusetzen, ist es nach Einschätzung der Erfinder besonders vorteilhaft, das Gehäuse möglichst weitgehend aus dem elektrisch leitenden Kunststoff zu fertigen. Bevorzugt ist folglich ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei das Gehäuse zu mehr als 80 %, bevorzugt zu mehr als 90 %, besonders bevorzugt zu mehr als 95 %, ganz besonders bevorzugt zu mehr als 99 %, aus dem elektrisch leitenden Kunststoff besteht, bezogen auf die Masse des Gehäuses.Even if it is in principle possible to assemble the housing from different materials and to use composite materials, the inventors believe that it is particularly advantageous to manufacture the housing as far as possible from the electrically conductive plastic. Preference is therefore given to a rotating separator according to the invention, in which the housing consists of more than 80%, preferably more than 90%, particularly preferably more than 95%, very particularly preferably more than 99%, of the electrically conductive plastic, based on the mass of the case.

Bei einigen elektrisch leitenden Kunststoffen kann es nachteilhafterweise dazu kommen, dass das weitgehend aus diesen elektrisch leitenden Kunststoffen gefertigte Gehäuse keine ausreichende Festigkeit aufweist. Zur Umgehung dieses Problems schlagen die Erfinder vor, auch an die Zugfestigkeit des eingesetzten elektrisch leitenden Kunststoffs eine Mindestanforderung zu stellen. Hierbei hat sich für Duroplaste besonders eine Zugfähigkeit von 80 MPa oder mehr als besonders sinnvoll erwiesen, wobei die Erfinder vorschlagen, dass beim Einsatz vom Thermoplasten eine Festigkeit von mindestens 110 MPa eingestellt werden sollte. Bevorzugt ist daher ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der elektrisch leitende Kunststoff eine Zugfestigkeit von 80 MPa oder mehr, bevorzugt von 100 M Pa oder mehr, besonders bevorzugt von 140 M Pa oder mehr, aufweist.With some electrically conductive plastics, it can disadvantageously happen that the housing, which is largely made of these electrically conductive plastics, does not have sufficient strength. To circumvent this problem, the inventors propose that a minimum requirement be made of the tensile strength of the electrically conductive plastic used. A tensile strength of 80 MPa or more has proven to be particularly useful for duroplastics, with the inventors proposing that when using thermoplastics a strength of at least 110 MPa should be set. A rotating separator according to the invention is therefore preferred, in which case the electrically conductive plastic has a tensile strength of 80 MPa or more, preferably 100 MPa or more, particularly preferably 140 MPa or more.

In Übereinstimmung mit den vorstehenden Ausführungen sind nach Einschätzung der Erfinder insbesondere Thermoplaste und Duroplaste als elektrisch leitende Kunststoffe besonders geeignet. Bevorzugt ist also ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der elektrisch leitende Kunststoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Thermoplasten und Duroplasten, bevorzugt Thermoplasten.In accordance with the above statements, according to the inventors' assessment, thermoplastics and duroplastics in particular are particularly suitable as electrically conductive plastics. A rotating separator according to the invention is therefore preferred, in which case the electrically conductive plastic is selected from the group consisting of thermoplastics and duroplastics, preferably thermoplastics.

Solche elektrisch leitenden Kunststoffe lassen sich beispielsweise dadurch erhalten, dass an sich wenig leitenden Kunststoffen, die jedoch über besonders vorteilhafte Verarbeitungseigenschaften verfügen, elektrisch leitfähige Additive zugesetzt werden. Diese spezifische Form von elektrisch leitenden Kunststoffen ist nach Einschätzung der Erfinder aufgrund ihrer hervorragenden Verarbeitungseigenschaften für erfindungsgemäße rotierende Abscheider besonders bevorzugt. Bevorzugt ist entsprechend ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der elektrisch leitende Kunststoff ein oder mehrere elektrisch leitfähige Additive umfasst.Such electrically conductive plastics can be obtained, for example, by adding electrically conductive additives to plastics that are intrinsically less conductive but have particularly advantageous processing properties. According to the inventors, this specific form of electrically conductive plastics is particularly preferred for rotating separators according to the invention because of their outstanding processing properties. Accordingly, a rotating separator according to the invention is preferred, wherein the electrically conductive plastic comprises one or more electrically conductive additives.

Den Erfindern der vorliegenden Erfindung ist es insoweit gelungen, besonders geeignete Kunststoffe zu identifizieren, mit denen sich ausgezeichnete elektrisch leitenden Kunststoffe erhalten lassen, die in erfindungsgemäßen rotierenden Abscheidern zu vorteilhaften Gehäusen verarbeitet werden können. Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der elektrisch leitende Kunststoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus verstärkten Phenolharzmassen, Polyamiden, insbesondere Polyphthalamiden, und Polyphenylensulfid.To this extent, the inventors of the present invention have succeeded in identifying particularly suitable plastics with which excellent electrically conductive plastics can be obtained which can be processed into advantageous housings in rotating separators according to the invention. A rotating separator according to the invention is preferred, in which case the electrically conductive plastic is selected from the group consisting of reinforced phenolic resin compositions, polyamides, in particular polyphthalamides, and polyphenylene sulfide.

Beim Betrieb von Brennstoffzellensystemen, insbesondere beim längeren Einsatz mit hohen Leistungen können sehr leicht besonders hohe Temperaturen in den verarbeiteten Fluiden auftreten. Entsprechend schlagen die Erfinder der vorliegenden Erfindung vor, dass der elektrisch leitende Kunststoff für bestimmte Anwendungen nicht nur hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit und bevorzugt hinsichtlich seiner Zugfestigkeit optimiert werden sollte, sondern dass die Auswahl des elektrisch leitenden Kunststoffs zudem in Abhängigkeit von der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs erfolgen sollte. Bevorzugt ist nämlich ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der elektrisch leitende Kunststoff eine Glasübergangstemperatur von 110 °C oder mehr, bevorzugt von 120 °C oder mehr, besonders bevorzugt 130 °C oder mehr, aufweist.During the operation of fuel cell systems, particularly when they are used for long periods at high power, particularly high temperatures can very easily occur in the fluids being processed. Accordingly, the inventors of the present invention propose that the electrically conductive plastic for certain applications should not only be optimized in terms of its electrical conductivity and preferably in terms of its tensile strength, but that the selection of the electrically conductive plastic should also be made depending on the glass transition temperature of the plastic . A rotating separator according to the invention is preferred, in which case the electrically conductive plastic has a glass transition temperature of 110° C. or more, preferably 120° C. or more, particularly preferably 130° C. or more.

In Brennstoffzellensystemen arbeiten erfindungsgemäße rotierende Abscheider vor allem mit Fluidströmen, die Wasser und/oder Wasserstoff umfassen. Mit Blick auf eine effiziente Verfahrensführung im Brennstoffzellensystem und zur Vermeidung des Austritts dieser Komponenten aus dem Fluidleitungssystem ist nach Einschätzung der Erfinder besonders vorteilhaft, die Materialien des Gehäuses so zu wählen, dass diese einen möglichst niedrigen Diffusionskoeffizienten für diese Komponenten aufweisen. Ohne an diese Theorie gebunden sein zu wollen gehen die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch davon aus, dass sich durch eine möglichst niedrige Diffusion der Arbeitsfluide in das Material des Gehäuses eine besonders langfristige Haltbarkeit ergibt. Bevorzugt ist vor diesem Hintergrund ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der Diffusionskoeffizient von Wasser bei 20 °C im elektrisch leitenden Kunststoff 10-10 m2/s oder weniger, bevorzugt 10-12 m2/s oder weniger, besonders bevorzugt 10-14 m2/s oder weniger, beträgt und/oder wobei der Diffusionskoeffizient von Wasserstoff bei 20 °C im elektrisch leitenden Kunststoff 10-5 m2/s oder weniger, bevorzugt 10-6 m2/s oder weniger, besonders bevorzugt 5×10-6 m2/s oder weniger, beträgt.In fuel cell systems, rotating separators according to the invention work primarily with fluid streams that include water and/or hydrogen. With a view to efficient process management in the fuel cell system and to avoid these components escaping from the fluid line system, the inventors believe it is particularly advantageous to choose the materials of the housing so that they have the lowest possible diffusion coefficient for these components. Without wishing to be bound by this theory, the inventors of the present invention also assume that the lowest possible diffusion of the working fluids into the material of the housing results in particularly long-term durability. Against this background, a rotating separator according to the invention is preferred, the diffusion coefficient of water at 20° C. in the electrically conductive plastic being 10 -10 m 2 /s or less, preferably 10 -12 m 2 /s or less, particularly preferably 10 -14 m 2 / s or less, and / or wherein the diffusion coefficient of hydrogen at 20 ° C in the electrically conductive plastic is 10 -5 m 2 / s or less, preferably 10 -6 m 2 / s or less, particularly preferably 5 × 10 - 6 m 2 /s or less.

Im Lichte der vorstehenden Ausführungen und angesichts der Vorgabe, dass die entsprechenden rotierenden Abscheider in Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen regelmäßig in breiten Temperaturbereichen eingesetzt werden müssen, schlagen die Erfinder der vorliegenden Erfindung vor, dass der elektrisch leitende Kunststoff so gewählt werden sollte, dass sich der Diffusionskoeffizient von Wasser und/oder Wasserstoff im erwarteten Einsatzbereich mit der Temperatur nur geringfügig ändert. Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei sich der Diffusionskoeffizient von Wasser und/oder Wasserstoff im elektrisch leitenden Kunststoff zwischen -40 °C und 120 °C um weniger als 80 %, bevorzugt um weniger als 90 %, besonders bevorzugt um weniger als 99 % unterscheidet.In the light of the above statements and in view of the requirement that the corresponding rotating separators in fuel cell systems in vehicles must be used regularly in wide temperature ranges, the inventors of the present invention propose that the electrically conductive plastic should be selected so that the diffusion coefficient of Water and/or hydrogen changes only slightly with temperature in the expected range of use. A rotating separator according to the invention is preferred, the diffusion coefficient of water and/or hydrogen in the electrically conductive plastic between −40° C. and 120° C. changing by less than 80%, preferably by less than 90%, particularly preferably by less than 99%. differs.

Bei Experimenten mit aus dem Stand der Technik bekannten rotierenden Abscheidern wurde festgestellt, dass es über kleine Mengen an rezirkuliertem Wasser zu einem ungewollten Eintrag von Fremdionen in die Brennstoffzelle kommen kann. Ohne an diese Theorie gebunden sein zu wollen, nehmen die Erfinder der vorliegenden Erfindung an, dass die eingetragenen Ionen aus den Gehäusen und/oder der Halteanordnung stammen und sich in den kleinen Wassertropfen, die mit dem Fluidstrom mitgeführt werden, gelöst haben. Nach Einschätzung der Erfinder sollte dies weitgehend vermieden werden, was insbesondere durch eine geeignete Wahl des Kunststoffes des Gehäuses bewerkstelligt werden kann. Insbesondere beim Einsatz von elektrisch leitenden Kunststoffen, die über den Zusatz von Additiven hergestellt wurden, ist es besonders vorteilhaft, den erhaltenen Werkstoff so auszuführen, dass er beim Kontakt mit Wasser im Wesentlichen keine Ionen an das Wasser abgibt, beispielsweise durch die Applikation einer entsprechenden Beschichtung. Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der elektrisch leitende Kunststoff bei Kontakt mit Wasser im Wesentlichen keine Ionen an das Wasser abgibt.In experiments with rotating separators known from the prior art, it was found that small amounts of recirculated water can lead to unwanted entry of foreign ions into the fuel cell. Without wishing to be bound by this theory, the inventors of the present invention believe that the entrained ions originate from the housings and/or the holding arrangement and have dissolved in the small water droplets carried along with the fluid flow. According to the inventors, this should be largely avoided, which can be achieved in particular by a suitable choice of the plastic of the housing. In particular when using electrically conductive plastics that have been produced by adding additives, it is particularly advantageous to design the material obtained in such a way that it releases essentially no ions into the water when it comes into contact with water, for example by applying a corresponding coating . A rotating separator according to the invention is preferred, in which case the electrically conductive plastic essentially does not release any ions into the water when it comes into contact with water.

Für die meisten Ausgestaltungen der rotierenden Abscheider ist es zielführend, wenn das Gehäuse und damit die Arbeitskammer über zumindest eine Öffnung mit dem aufzubereitenden Fluid versorgt werden kann. Zudem sollte die Arbeitskammer über zwei separate Auslassöffnungen verfügen, über die zum einen das aufbereitete Gas und zum anderen die abgetrennte flüssige Phase voneinander unabhängig aus dem rotierenden Abscheider ausgeführt werden können. Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei die Arbeitskammer zumindest eine Einlassöffnung und zumindest zwei Auslassöffnungen aufweist.For most configurations of the rotating separator it is expedient if the housing and thus the working chamber can be supplied with the fluid to be treated via at least one opening. In addition, the working chamber should have two separate outlet openings, through which the processed gas and the separated liquid phase can be discharged independently from the rotating separator. A rotating separator according to the invention is preferred, wherein the working chamber has at least one inlet opening and at least two outlet openings.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass in den aus dem Stand der Technik bekannten rotierenden Abscheidern regelmäßig vergleichsweise raue Bauteile eingesetzt werden, da der Oberflächenbeschaffenheit der Innenwände der Arbeitskammer bei vielen Anwendungen keine gesteigerte Bedeutung beigemessen wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nunmehr jedoch erkannt, dass es besonders vorteilhaft ist, die Innenwände der Arbeitskammer besonders glatt auszuführen. Dies hat zunächst mit Blick auf den in der Gasphase verbleibenden Wassergehalt als vorteilhaft erwiesen, welcher nach Einschätzung der Erfinder durch eine verringerte Kondensation in der Arbeitskammer vorteilhaft beeinflusst wird. Zudem haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch erkannt, dass besonders glatte Innenwände der Arbeitskammer das Ausmaß des ungewollten Abriebs verhindern, die ungewollte Aufnahme von Ionen aus dem Kunststoff in das mitgeführte Wasser reduzieren und die Oxidationsbeständigkeit der Oberfläche verbessern. Bevorzugt ist folglich ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei die Innenwände der Arbeitskammer an der Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz von 10 µm oder weniger, bevorzugt 8 µm oder weniger, besonders bevorzugt 6 µm oder weniger, aufweisen. Die gemittelte Rautiefe Rz wird hierbei gemäß der DIN EN ISO 4287 aus 2010 mit einem 3D Profilometer bestimmt, bspw. einem Filmetrics Profilm3D oder einem Keyence Laser Profilsensor.The inventors of the present invention have recognized that comparatively rough components are regularly used in the rotating separators known from the prior art, since the surface quality of the inner walls of the working chamber is not given increased importance in many applications. However, the inventors of the present invention have now recognized that it is particularly advantageous to design the inner walls of the working chamber to be particularly smooth. This initially proved to be advantageous with regard to the water content remaining in the gas phase, which, according to the inventors, is advantageously influenced by reduced condensation in the working chamber. In addition, the inventors of the present invention have also recognized that particularly smooth inner walls of the working chamber prevent the extent of unwanted abrasion, reduce the unwanted absorption of ions from the plastic into the entrained water and improve the oxidation resistance of the surface. Preference is therefore given to a rotating separator according to the invention, the inner walls of the working chamber having an average surface roughness Rz of 10 μm or less, preferably 8 μm or less, particularly preferably 6 μm or less. The average peak-to-valley height Rz is determined in accordance with DIN EN ISO 4287 from 2010 using a 3D profilometer, e.g. a Filmetrics Profilm3D or a Keyence laser profile sensor.

Auch wenn die vorstehende Lehre vorteilhafterweise auf eine große Vielzahl von rotierenden Abscheidern einsetzbar ist, beispielsweise für Strömungsmaschinen, rotierende Filter oder rotierende Kanalabscheider, ist es doch explizit bevorzugt, wenn der erfindungsgemäße rotierende Abscheider ein Tellerseparator ist. Solche Tellerseparatoren sind, bedingt durch ihren prinzipiellen Aufbau, regelmäßig besonders geeignet für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen und sind vorteilhafterweise bereits grundsätzlich besonders störungs- und/oder wartungsarm. Darüber hinaus sind Tellerseparatoren auch deshalb bevorzugt, weil diese regelmäßig besonders energieeffizient betrieben werden können. Bevorzugt ist somit ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der rotierende Abscheider ein Tellerseparator ist.Even if the above teaching can advantageously be used on a large number of rotating separators, for example for flow machines, rotating filters or rotating channel separators, it is nevertheless explicitly preferred if the rotating separator according to the invention is a disc separator. Due to their basic structure, such plate separators are regularly particularly suitable for use in fuel cell systems and are advantageously already fundamentally particularly low in faults and/or maintenance. In addition, plate separators are also preferred because they can usually be operated in a particularly energy-efficient manner. A rotating separator according to the invention is therefore preferred, the rotating separator being a disc separator.

Ausgehend von dem Einsatz eines Tellerseparators für den erfindungsgemäßen rotierenden Abscheider haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung bauliche Ausgestaltungen des rotierenden Abscheiders und insbesondere des in diesem eingesetzten Abscheideelements identifiziert, die neben einer besonders vorteilhaften Abscheideleistung auch zu einer besonders hohen Lebensdauer geführt haben. Hierzu schlagen die Erfinder der vorliegenden Erfindung einen optimierten Abstand zwischen den Tellern des Abscheideelements vor. Bevorzugt ist nämlich ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei das Abscheideelement eine Anordnung von mehreren Tellern umfasst, wobei der Abstand zwischen den Tellern kleiner als 0,6 mm, bevorzugt kleiner als 0,3 mm, besonders bevorzugt kleiner als 0,2 mm, ist.Based on the use of a disk separator for the rotating separator according to the invention, the inventors of the present invention have identified structural configurations of the rotating separator and in particular of the separating element used in it, which, in addition to a particularly advantageous separating performance, have also led to a particularly long service life. For this purpose, the inventors of the present invention propose an optimized distance between the plates of the separating element. Namely, a rotating separator according to the invention is preferred, wherein the separating element has a Arrangement of several plates, wherein the distance between the plates is less than 0.6 mm, preferably less than 0.3 mm, particularly preferably less than 0.2 mm.

Über die vorstehenden Ausführungen hinaus hat es sich nach Einschätzung der Erfinder als besonders vorteilhaft erwiesen, die Teller des Tellerseparators aus einem wasserabweisenden Material herzustellen. Dies hat sich mit Blick auf den ungewollten Eintrag von Ionen und/oder anderen Fremdpartikeln in die nachgeschaltete Brennstoffzelle als besonders vorteilhaft erwiesen. Bevorzugt ist demnach ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei das Abscheideelement, insbesondere die Teller eines Tellerseparators, zumindest teilweise aus einem wasserabweisenden Material besteht oder mit einem wasserabweisenden Material beschichtet ist, wobei Wasser auf dem wasserabweisenden Material einen Kontaktwinkel im Bereich von 70° oder mehr, bevorzugt 80° oder mehr, besonders bevorzugt 90° oder mehr, ganz besonders bevorzugt 100° oder mehr, aufweist.In addition to the above statements, the inventors believe that it has proven to be particularly advantageous to produce the plates of the plate separator from a water-repellent material. This has proven to be particularly advantageous with regard to the unwanted entry of ions and/or other foreign particles into the downstream fuel cell. Preference is therefore given to a rotating separator according to the invention, in which the separating element, in particular the discs of a disc separator, consists at least partially of a water-repellent material or is coated with a water-repellent material, with water on the water-repellent material preferably having a contact angle in the range of 70° or more 80° or more, more preferably 90° or more, most preferably 100° or more.

Auch wenn bereits mit Zugfestigkeiten von 800 MPa oder mehr für das metallische Material leistungsfähige erfindungsgemäße rotierende Abscheider erhalten werden können, schlagen die Erfinder der vorliegenden Erfindung vor, dass die Zugfestigkeit des metallischen Materials vorteilhafterweise noch höher gewählt werden sollte. Nach Einschätzung der Erfinder ist mit höheren Zugfestigkeiten, wie sie beispielsweise mit legierten Stählen zu erreichen sind, eine grundlegende Verbesserung des erfindungsgemäßen rotierenden Abscheiders möglich, wobei hier in der Praxis wohl eine Abwägung zu den nötigen Materialkosten erfolgen wird. Bevorzugt ist insbesondere ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei das metallische Material eine Zugfestigkeit von 1000 MPa oder mehr, bevorzugt von 1100 MPa oder mehr, besonders bevorzugt von 1200 MPa oder mehr, aufweist.Although high-performance rotating separators according to the present invention can be obtained even with tensile strengths of 800 MPa or more for the metallic material, the inventors of the present invention propose that the tensile strength of the metallic material should advantageously be selected even higher. In the opinion of the inventors, a fundamental improvement of the rotating separator according to the invention is possible with higher tensile strengths, such as can be achieved with alloyed steels, although in practice the necessary material costs will probably be weighed up here. A rotating separator according to the invention is particularly preferred, the metallic material having a tensile strength of 1000 MPa or more, preferably 1100 MPa or more, particularly preferably 1200 MPa or more.

Analog zu den vorstehenden Ausführungen zu der glatten Oberfläche der Innenwände der Arbeitskammer hat es sich als vorteilhaft erwiesen, auch die Halteanordnung bzw. die Bestandteile der Halteanordnung, mit einer besonderen glatten Oberfläche auszuführen, wobei die gleiche Messvorschrift zur Bestimmung herangezogen werden kann. Bevorzugt ist insoweit ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei die Halteanordnung an der Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz von 10 µm oder weniger, bevorzugt 8 µm oder weniger, besonders bevorzugt 6 µm oder weniger, aufweist.Analogously to the above statements on the smooth surface of the inner walls of the working chamber, it has proven to be advantageous to also design the holding arrangement or the components of the holding arrangement with a particularly smooth surface, with the same measuring specification being able to be used for the determination. In this respect, preference is given to a rotating separator according to the invention, the holding arrangement having an average peak-to-valley height Rz of 10 μm or less, preferably 8 μm or less, particularly preferably 6 μm or less, on the surface.

Ebenfalls analog zu den vorstehenden Ausführungen zum Gehäuse ist es nach Einschätzung der Erfinder auch besonders vorteilhaft, wenn die Halteanordnung bzw. die einzelnen Komponenten der Halteanordnung im Wesentlichen vollständig aus dem entsprechenden Werkstoff bestehen. Bevorzugt ist entsprechend ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei die Halteanordnung zu mehr als 80 %, bevorzugt zu mehr als 90 %, besonders bevorzugt zu mehr als 95 %, ganz besonders bevorzugt zu mehr als 99 %, aus dem metallischen Material besteht, bezogen auf die Masse der Halteanordnung.Similarly to the above statements on the housing, the inventors believe that it is also particularly advantageous if the holding arrangement or the individual components of the holding arrangement consist essentially entirely of the corresponding material. Accordingly, a rotating separator according to the invention is preferred, wherein the holding arrangement consists of more than 80%, preferably more than 90%, particularly preferably more than 95%, very particularly preferably more than 99%, of the metallic material, based on the mass of the holding arrangement.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung schlagen vor, dass die Halteanordnung im erfindungsgemäßen rotierenden Abscheider zielführenderweise eine Welle und/oder eine Vorspannfeder und/oder ein Lager, bevorzugt sämtliche dieser Komponenten, umfasst, wobei diese Komponenten der Halteanordnung jeweils wie vorstehend als bevorzugt beschrieben weitgehend aus dem metallischen Material bestehen sollen.The inventors of the present invention propose that the holding arrangement in the rotating separator according to the invention expediently comprises a shaft and/or a prestressing spring and/or a bearing, preferably all of these components, with these components of the holding arrangement each as described above as being preferred largely from the should consist of metallic material.

Bevorzugt ist insoweit ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei die Halteanordnung zumindest eine Welle umfasst, wobei die Welle bevorzugt zumindest teilweise, besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig, aus dem metallischen Material besteht.In this respect, preference is given to a rotating separator according to the invention, in which case the holding arrangement comprises at least one shaft, in which case the shaft preferably consists at least partially, particularly preferably essentially completely, of the metallic material.

Bevorzugt ist ebenfalls ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei die Halteanordnung zumindest eine Vorspannfeder umfasst, wobei die Vorspannfeder bevorzugt zumindest teilweise, besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig, aus dem metallischen Material besteht.A rotating separator according to the invention is also preferred, wherein the holding arrangement comprises at least one pretensioning spring, wherein the pretensioning spring preferably consists at least partially, particularly preferably essentially completely, of the metallic material.

Bevorzugt ist zudem ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei die Halteanordnung zumindest ein Lager umfasst, wobei das Lager bevorzugt zumindest teilweise aus dem metallischen Material besteht.A rotating separator according to the invention is also preferred, in which case the holding arrangement comprises at least one bearing, in which case the bearing preferably consists at least partially of the metallic material.

Auch wenn mit dem vorstehend offenbarten erfindungsgemäßen rotierenden Abscheider ausgezeichnete Ergebnisse beim Einsatz als Abscheider im Fluidleitungssystem eines Brennstoffzellensystems erzielt werden können, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannt, dass der Eintrag von Schmierstoffen, die der Schmierung des Lagers der Halteanordnung dienen, in die Brennstoffzelle weiterhin ein Problem darstellen kann. Aus diesem Grund schlagen die Erfinder der vorliegenden Erfindung vor, ein schmierstofffreies Lager bzw. ein gedichtetes Lager einzusetzen. Vorteilhafterweise können durch diese Ausgestaltung auch die Verunreinigungen im aufbereiteten Fluidstrom reduziert werden, die bei herkömmlichen Lagern auf den Einsatz von Schmierstoffen zurückzuführen sind. Bevorzugt ist somit ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei das Lager ein schmierstofffreies Lager oder ein gedichtetes Lager ist, bevorzugt ein doppelt gedichtetes Kugellager, bevorzugt mit zumindest einem Dichtungselement zumindest teilweise aus einem Material bestehend, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fluorsilikon (FKM) und Perflourkarbonverbindungen (PFCx), insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE).Even if excellent results can be achieved with the rotating separator according to the invention disclosed above when used as a separator in the fluid line system of a fuel cell system, the inventors of the present invention have recognized that the entry of lubricants that serve to lubricate the bearing of the holding arrangement into the fuel cell continues can pose a problem. For this reason, the inventors of the present invention propose using a lubricant-free bearing or a sealed bearing. Advantageously, this configuration can also reduce the contamination in the processed fluid flow, which can be attributed to the use of lubricants in conventional bearings. Preference is therefore given to a rotating separator according to the invention, the bearing being a lubricant-free bearing or a sealed bearing, preferably a double-sealed ball bearing, preferably with at least one sealing element consisting at least partially of a material which is selected from the group consisting of fluorosilicone (FKM) and perfluorocarbon compounds (PFCx), in particular polytetrafluoroethylene (PTFE).

Über die bauliche Ausgestaltung der Lager hinaus schlagen die Erfinder der vorliegenden Erfindung zudem bestimmte Schmierstoffe vor, die nach Einschätzung der Erfinder eine besonders hohe Verträglichkeit mit Brennstoffzellensystemen aufweisen und die, zumindest wenn sie nur in geringen Mengen in die Brennstoffzelle gelangen, dort vergleichsweise wenig Schaden anrichten. Bevorzugt ist deshalb ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei das Lager ein gedichtetes Lager ist, wobei das gedichtete Lager einen Schmierstoff umfasst, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Molybdändisulfid, PTFE-Schmierstoffen und Graphit.In addition to the structural design of the bearings, the inventors of the present invention also propose certain lubricants which, according to the inventors, have a particularly high level of compatibility with fuel cell systems and which, at least if they only get into the fuel cell in small quantities, cause comparatively little damage there . Preferred therefore is a rotary separator according to the invention, wherein the bearing is a sealed bearing, wherein the sealed bearing comprises a lubricant selected from the group consisting of molybdenum disulfide, PTFE lubricants and graphite.

Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung eines erfindungsgemäßen rotierenden Abscheiders zur kontinuierlichen Aufbereitung von mehrphasigen Fluidströmen beim Betrieb von Brennstoffzellen, insbesondere Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen.The invention also relates to the use of a rotating separator according to the invention for the continuous treatment of multi-phase fluid flows during the operation of fuel cells, in particular polymer electrolyte fuel cells.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Brennstoffzellensystem, insbesondere Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelle, ein Fluidleitungssystem zur Fluidversorgung, insbesondere zur Fluidversorgung der Anode, wobei in zumindest einer Fluidleitung ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider zur kontinuierlichen Aufbereitung von mehrphasigen Fluidströmen vorgesehen ist.The invention also relates to a fuel cell system, in particular a polymer electrolyte fuel cell system, comprising a fuel cell, a fluid line system for supplying fluid, in particular for supplying fluid to the anode, a rotating separator according to the invention for the continuous processing of multiphase fluid flows being provided in at least one fluid line.

Nachfolgend werden die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur näher erläutert und beschrieben. In der Figur zeigt dabei:

  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen rotierenden Abscheiders in einer besonders bevorzugten Ausführungsform.
The invention and preferred embodiments of the invention are explained and described in more detail below with reference to the attached figure. The figure shows:
  • 1 a schematic representation of a rotary separator according to the invention in a particularly preferred embodiment.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen rotierenden Abscheiders 10 in einer besonders bevorzugten Ausführungsform. 1 shows a schematic representation of a rotating separator 10 according to the invention in a particularly preferred embodiment.

Der rotierende Abscheider 10 dient dabei der kontinuierlichen Aufbereitung von Fluidströmen und ist in der in 1 gezeigten Ausgestaltung für den Einbau in das Fluidleitungssystem eines Brennstoffzellensystems mit einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle vorgesehen. Der Strom der Gasphase wird in 1 mit ausgefüllten Pfeilen angedeutet, wohingegen der Abfluss der abgetrennten flüssigen Phase mit einem offenen Pfeil angedeutet wird.The rotating separator 10 is used for the continuous processing of fluid flows and is in the in 1 shown configuration for installation in the fluid line system of a fuel cell system provided with a polymer electrolyte fuel cell. The gas phase stream is 1 indicated with filled-in arrows, whereas the outflow of the separated liquid phase is indicated with an open arrow.

Der rotierende Abscheider 10 umfasst ein Gehäuse 12. Im Inneren des Gehäuses 12 befindet sich eine Arbeitskammer 14. In dieser ist ein Abscheideelement 16 angeordnet. Das Abscheideelement 16 ist dabei mittels einer Halteanordnung 18 rotierbar in der Arbeitskammer 14 aufgehangen, wobei die Rotation durch einen Antrieb 28 bedingt wird, welcher vorliegend als Elektromotor ausgeführt ist.The rotating separator 10 comprises a housing 12. A working chamber 14 is located inside the housing 12. A separating element 16 is arranged in this chamber. The separating element 16 is rotatably suspended in the working chamber 14 by means of a holding arrangement 18, the rotation being caused by a drive 28, which in the present case is designed as an electric motor.

In der dargestellten Ausführungsform besteht das Gehäuse vollständig aus einem elektrisch leitenden Kunststoff mit einem spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand von 100 Ω m. Der eingesetzte elektrisch leitende Kunststoff weist eine Zugfestigkeit von 120 MPa auf und ist ein thermoplastischer Kunststoff. Der elektrisch leitende Kunststoff umfasst das Polyamid PA12 und ist mit einem Anteil von 25 % Glasfaser verstärkt.In the illustrated embodiment, the housing consists entirely of an electrically conductive plastic with a specific electrical volume resistance of 100 Ω m. The electrically conductive plastic used has a tensile strength of 120 MPa and is a thermoplastic. The electrically conductive plastic includes the polyamide PA12 and is reinforced with 25% glass fiber.

Die Glasübergangstemperatur des elektrisch leitenden Kunststoffs liegt bei 138 °C. Der elektrisch leitende Kunststoff ist so gewählt, dass er bei Kontakt mit Wasser im Wesentlichen keine Ionen an das Wasser abgibt.The glass transition temperature of the electrically conductive plastic is 138 °C. The electrically conductive plastic is selected in such a way that it essentially does not release any ions into the water when it comes into contact with water.

In der 1 dargestellten Ausführungsform umfasst die Arbeitskammer 14 insgesamt drei Öffnungen, nämlich eine Einlassöffnung und zwei Auslassöffnungen. In der beispielhaften bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen rotierenden Abscheiders 10 gemäß 1 weisen die Innenwände der Arbeitskammer 14 an ihrer Oberfläche eine gemittelte Rautiefe von etwa 5 µm auf.In the 1 illustrated embodiment, the working chamber 14 comprises a total of three openings, namely an inlet opening and two outlet openings. In the exemplary preferred embodiment of the rotary separator 10 according to the invention 1 the inner walls of the working chamber 14 have an average peak-to-valley height of about 5 μm on their surface.

Wie in 1 deutlich zu erkennen ist, handelt es sich bei dem dargestellten erfindungsgemäßen rotierenden Abscheider 10 um einen Tellerseparator. Entsprechend umfasst das Abscheideelement 16 eine Anordnung von mehreren Tellern 20, die in der vorliegend lediglich schematisch gezeigten Ausführungsform einen Abstand von 0,25 mm voneinander haben.As in 1 As can clearly be seen, the rotating separator 10 according to the invention shown is a disc separator. Correspondingly, the separating element 16 comprises an arrangement of a plurality of plates 20 which, in the embodiment shown here only schematically, have a distance of 0.25 mm from one another.

Der erfindungsgemäße rotierende Abscheider gemäß 1 umfasst mehrere Teller 20, die jeweils vollständig aus PTFE ausgebildet sind. Der erfindungsgemäße rotierende Abscheider 10 umfasst zudem eine Halteanordnung 18, die in der vorliegend gezeigten Ausführungsform neben einer von innen hohlen Welle 24 und einer Vorspannfeder 26 zwei Lager 22a, 22b umfasst.The rotating separator according to the invention 1 includes a plurality of plates 20 each formed entirely of PTFE. The rotating separator 10 according to the invention also comprises a holding arrangement 18 which, in the embodiment shown here, comprises two bearings 22a, 22b in addition to a shaft 24 which is hollow from the inside and a prestressing spring 26 .

Sämtliche dieser Bauteile bestehen in der gezeigten beispielhaften Ausführungsform aus einem hochfesten, hochlegierten Stahl (X46Cr13) mit einer Zugfestigkeit von 1000 MPa. Die Oberfläche der einzelnen Komponenten der Halteanordnung 18 wird in der dargestellten Ausführungsform besonders glatt ausgeführt und weist jeweils ein Rautiefe von 4 µm auf. Bei den eingesetzten Lagern 22a, 22b handelt es sich um doppelt gedichtete Kugellager, in denen Molybdändisulfid als Schmierstoff eingesetzt wird.In the exemplary embodiment shown, all of these components consist of a high-strength, high-alloy steel (X46Cr13) with a tensile strength of 1000 MPa. The surface of the individual components of the holding arrangement 18 is particularly smooth in the illustrated embodiment and each has a surface roughness of 4 µm. The bearings 22a, 22b used are double-sealed ball bearings in which molybdenum disulfide is used as a lubricant.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Rotierender Abscheiderrotating separator
1212
GehäuseHousing
1414
Arbeitskammerworking chamber
1616
Abscheideelementseparating element
1818
Halteanordnungholding arrangement
2020
TellerPlate
22a, 22b22a, 22b
Lagercamp
2424
WelleWave
2626
Vorspannfederbias spring
2828
Antriebdrive

Claims (10)

Rotierender Abscheider (10) zur kontinuierlichen Aufbereitung von Fluidströmen, insbesondere in Brennstoffzellensystemen, umfassend: - ein Gehäuse (12) mit einer im Inneren des Gehäuses (12) angeordneten Arbeitskammer (14), und - zumindest ein Abscheideelement (16), welches mittels einer Halteanordnung (18) rotierbar in der Arbeitskammer (14) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (12) zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden Kunststoff mit einem spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand von 106 Ω m oder weniger besteht, und wobei die Halteanordnung (18) zumindest teilweise aus einem metallischen Material mit einer Zugfestigkeit von 800 MPa oder mehr besteht.Rotating separator (10) for the continuous processing of fluid flows, in particular in fuel cell systems, comprising: - a housing (12) with a working chamber (14) arranged inside the housing (12), and - at least one separating element (16) which is The holding arrangement (18) is rotatably arranged in the working chamber (14), the housing (12) consisting at least partially of an electrically conductive plastic with a specific electrical volume resistance of 10 6 Ω m or less, and the holding arrangement (18) at least partly is made of a metallic material with a tensile strength of 800 MPa or more. Rotierender Abscheider (10) nach Anspruch 1, wobei der elektrisch leitende Kunststoff einen spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand von 105 Ω m oder weniger, bevorzugt 104 Ω m oder weniger, besonders bevorzugt 102 Ω m oder weniger, aufweist.Rotating separator (10) after claim 1 , wherein the electrically conductive plastic has a specific electrical volume resistance of 10 5 Ω m or less, preferably 10 4 Ω m or less, particularly preferably 10 2 Ω m or less. Rotierender Abscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der elektrisch leitende Kunststoff eine Zugfestigkeit von 80 MPa oder mehr, bevorzugt von 100 MPa oder mehr, besonders bevorzugt von 140 MPa oder mehr, aufweist.Rotating separator (10) according to one of Claims 1 or 2 , wherein the electrically conductive plastic has a tensile strength of 80 MPa or more, preferably 100 MPa or more, particularly preferably 140 MPa or more. Rotierender Abscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Innenwände der Arbeitskammer (14) an der Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz von 10 µm oder weniger, bevorzugt 8 µm oder weniger, besonders bevorzugt 6 µm oder weniger, aufweisen, und/oder wobei die Halteanordnung (18) an der Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz von 10 µm oder weniger, bevorzugt 8 µm oder weniger, besonders bevorzugt 6 µm oder weniger, aufweist.Rotating separator (10) according to one of Claims 1 until 3 , wherein the inner walls of the working chamber (14) on the surface have an average peak-to-valley height Rz of 10 µm or less, preferably 8 µm or less, particularly preferably 6 µm or less, and/or the holding arrangement (18) on the surface having a average peak-to-valley height Rz of 10 μm or less, preferably 8 μm or less, particularly preferably 6 μm or less. Rotierender Abscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der rotierende Abscheider ein Tellerseparator ist.Rotating separator (10) according to one of Claims 1 until 4 , where the rotary separator is a disc separator. Rotierender Abscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Abscheideelement (16), insbesondere die Teller (20) eines Tellerseparators, zumindest teilweise aus einem wasserabweisenden Material besteht oder mit einem wasserabweisenden Material beschichtet ist, wobei Wasser auf dem wasserabweisenden Material einen Kontaktwinkel im Bereich von 70° oder mehr, bevorzugt 80° oder mehr, besonders bevorzugt 90° oder mehr, ganz besonders bevorzugt 100° oder mehr, aufweist.Rotating separator (10) according to one of Claims 1 until 5 , wherein the separating element (16), in particular the plates (20) of a plate separator, consists at least partially of a water-repellent material or is coated with a water-repellent material, water forming a contact angle on the water-repellent material in the range of 70° or more, preferably 80 ° or more, more preferably 90° or more, most preferably 100° or more. Rotierender Abscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Halteanordnung (18) zumindest ein Lager (22a, 22b) umfasst, wobei das Lager (22a, 22b) bevorzugt zumindest teilweise aus dem metallischen Material besteht.Rotating separator (10) according to one of Claims 1 until 6 , wherein the holding arrangement (18) comprises at least one bearing (22a, 22b), wherein the bearing (22a, 22b) preferably consists at least partially of the metallic material. Rotierender Abscheider (10) nach Anspruch 7, wobei das Lager (22a, 22b) ein schmierstofffreies Lager oder ein gedichtetes Lager ist, bevorzugt ein doppelt gedichtetes Kugellager, bevorzugt mit zumindest einem Dichtungselement zumindest teilweise aus einem Material bestehend, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fluorsilikon (FKM) und Perfluorkarbonverbindungen (PFCx), insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), wobei das Lager (22a, 22b) besonders bevorzugt ein gedichtetes Lager ist, wobei das gedichtete Lager einen Schmierstoff umfasst, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Molybdändisulfid, PTFE-Schmierstoffen und Graphit.Rotating separator (10) after claim 7 , wherein the bearing (22a, 22b) is a lubricant-free bearing or a sealed bearing, preferably a double-sealed ball bearing, preferably with at least one sealing element consisting at least partially of a material selected from the group consisting of fluorosilicone (FKM) and perfluorocarbon compounds (PFCx), in particular polytetrafluoroethylene (PTFE), the bearing (22a, 22b) particularly preferably being a sealed bearing, the sealed bearing comprising a lubricant selected from the group consisting of molybdenum disulfide, PTFE lubricants and graphite. Verwendung eines rotierenden Abscheiders (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur kontinuierlichen Aufbereitung von mehrphasigen Fluidströmen beim Betrieb von Brennstoffzellen, insbesondere Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen.Use of a rotating separator (10) according to one of Claims 1 until 8th for the continuous processing of multi-phase fluid flows during the operation of fuel cells, in particular polymer electrolyte fuel cells. Brennstoffzellensystem, insbesondere Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelle, ein Fluidleitungssystem zur Fluidversorgung, insbesondere zur Fluidversorgung der Anode, wobei in zumindest einer Fluidleitung ein rotierender Abscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur kontinuierlichen Aufbereitung von mehrphasigen Fluidströmen vorgesehen ist.Fuel cell system, in particular polymer electrolyte fuel cell system, comprising a fuel cell, a fluid line system for fluid supply, in particular for fluid supply of the anode, wherein in at least one fluid line a rotating separator (10) according to one of Claims 1 until 8th intended for the continuous processing of multi-phase fluid flows.
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