WO2023274786A1 - Aufbereitungssystem und verfahren zum aufbereiten einer aus einer brennstoffzelle austretenden rückführströmung - Google Patents

Aufbereitungssystem und verfahren zum aufbereiten einer aus einer brennstoffzelle austretenden rückführströmung Download PDF

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WO2023274786A1
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return flow
fuel cell
separating
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PCT/EP2022/066883
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Mathias Diekjakobs
Tobias Pieper
Martin Rölver
Julian NIEHOFF
Stephan Ahlborn
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Hengst Se
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a processing system for processing a recycle stream comprising hydrogen which exits from a fuel cell.
  • the invention relates to a method for treating a return flow exiting from a fuel cell and comprising hydrogen by means of a treatment system.
  • Fuel cells are usually operated super-stoichiometrically. This avoids damage to the membranes of the fuel cell and at the same time ensures the intended reaction in the fuel cell.
  • the excess hydrogen not used in the reaction and exiting the fuel cell is returned to the fuel cell in a hydrogen recycle path to avoid wasting the gas.
  • the recirculation flow exiting the fuel cell usually includes not only hydrogen but also nitrogen and gaseous and liquid water.
  • the hydrogen is often conducted through a jet pump that works according to the Venturi principle and is connected to a hydrogen reservoir. A suction effect is generated at the jet pump via the hydrogen flow from the hydrogen supply, by means of which the return flow is sucked in and mixed with the hydrogen from the hydrogen supply.
  • the intake of the recirculation flow depends, among other things, on the volume flow of the flow coming from the hydrogen supply, with the manipulated variable for controlling the Volume flow or to maintain the return of the exiting from the fuel cell return flow through the jet pump is usually the fluid pressure.
  • an active fan can also be arranged in the return path, which supports the operation of the jet pump.
  • blowers with a power of between 300 watts and several kilowatts have been used to date.
  • the manufacture and operation of such fans is, however, comparatively cost-intensive due to the previously complex design and the high energy requirement.
  • the system efficiency is reduced by the comparatively high parasitic power.
  • the object on which the invention is based is therefore to improve the treatment of a recirculation flow that exits a fuel cell and contains hydrogen.
  • the object is achieved by a treatment system of the type mentioned at the outset, the treatment system according to the invention having an active centrifugal separator which is set up to separate liquid water from the return flow.
  • the processing system according to the invention is therefore a recirculation and separation system which combines the recirculation of hydrogen with the separation of liquid water from the recirculation flow containing hydrogen.
  • the treatment system can also be set up to, in addition to that liquid water and to separate nitrogen from the hydrogen-comprising recycle stream.
  • the active centrifugal separator is designed as a disc separator.
  • the active centrifugal separator is a disc separator.
  • the active centrifugal separator preferably comprises a disk stack that can be driven in rotation and has a plurality of separating disks arranged one above the other.
  • the disk stack of the active centrifugal separator, which includes the separating disks can be set up so that the return flow, which includes hydrogen, flows through it from the inside to the outside.
  • the plate pack of the active centrifugal separator which includes the separating plates, can be set up so that the return flow including hydrogen flows through it from the outside to the inside.
  • the treatment system according to the invention has a separator drive, which can be controlled in particular and/or is driven by an electric motor.
  • the separator drive is preferably set up to drive the active centrifugal separator in rotation.
  • the treatment system can include a control device which is set up to control the operation of the separator drive, in particular its speed.
  • the control device preferably allows the implementation of a needs-based separation strategy, which is able to implement effective water separation in the entire operating range of the fuel cell, ie both in low and in high load ranges.
  • Control device also allows a targeted power setting on the separator drive.
  • a treatment system according to the invention which has a line system is advantageous.
  • the return flow can be fed to the active centrifugal separator via the line system.
  • the return flow can be discharged from the active centrifugal separator via the line system.
  • the active centrifugal separator is preferably set up to promote the recirculation flow in to support the management system.
  • the active centrifugal separator can also have a conveying function.
  • the line system can, for example, comprise a line section which is arranged upstream of the active centrifugal separator in the flow direction of the return flow and is set up to connect the fuel cell to the active centrifugal separator.
  • the centrifugal separator can develop a suction effect in this line section.
  • the line system preferably has one or more line sections which are arranged downstream of the centrifugal separator in the flow direction of the return flow.
  • the active centrifugal separator can be set up to develop a pressure effect in the one or more line sections of the line system arranged behind the centrifugal separator.
  • the active centrifugal separator has a separating device that can be driven in rotation for separating water from the return flow, with the separating device preferably being set up to implement a conveying function for conveying the return flow in a line system of the treatment system in addition to the separating function.
  • the energy required for the recirculation to overcome the pressure difference is thus applied, for example, by a rotating disk pack of the active centrifugal separator designed as a disk separator.
  • the separating plates of the plate pack can have a geometry that supports the conveying effect.
  • the separating device has one or more separating plates, one separating plate or several or all separating plates each having one or more conveying elements that support the conveying of the return flow.
  • the conveying elements can be connected to the respective separating plate in a non-positive, positive and/or material connection. Alternatively, the conveying elements can be integral parts of the respective separating plates.
  • the one or more conveying elements can be arranged on the upper side and/or the underside of the separating plate. If a separator plate has a plurality of conveying elements, these are preferably arranged at a distance from one another, for example the conveying elements can be arranged distributed uniformly over the circumference of the respective separating plate.
  • the one or more conveying elements can be conveying ridges, conveying scoops or conveying vanes, for example.
  • the active centrifugal separator comprises a conveying device for supporting the return flow.
  • the conveying device can be arranged upstream or downstream of the separating device in the flow direction of the return flow.
  • the separating device can comprise one or more separating elements.
  • the separating elements can be separating disks of a stack of disks.
  • the conveying function can be upstream or downstream of the separating discs. If the conveying device is arranged downstream of the separating device in the flow direction of the return flow, the required conveying capacity is reduced since the volume flow to be conveyed is reduced due to the water separation that has already taken place.
  • the processing system according to the invention is further developed advantageously in that the conveying device and the separating device are kinematically coupled to one another.
  • the conveying device is driven via a drive shaft of the separating device.
  • the separating device can be driven via a drive shaft of the conveyor device.
  • the drive shaft of the conveying device or the drive shaft of the separating device can be driven by the separator drive.
  • Separator can be dispensed with separate drives.
  • the conveying device comprises an impeller.
  • the conveying device comprises a conveying wheel.
  • the delivery device can include a screw compressor.
  • the conveying device can also include a side channel compressor.
  • the treatment system according to the invention comprises a bypass line which is set up to route the return flow past the conveyor device. The bypass line can be blocked and released by a bypass valve. In the case of larger volume flows, the delivery unit can be bypassed using a bypass line, so that the water-laden return flow can reach the separating device of the active centrifugal separator directly.
  • Hydrogen from a hydrogen supply in particular a hydrogen tank, can then be supplied to the return flow freed from water with the aid of a supply device.
  • a hydrogen supply in particular a hydrogen tank
  • the advantage of this design is that a low delivery rate is required and the overall system can be operated with optimized efficiency. It is also possible to direct a partial flow through the bypass line.
  • the active centrifugal separator is set up to separate gaseous nitrogen from the recirculation flow.
  • the recycle stream is preferably a liquid water and nitrogen laden hydrogen stream.
  • the active centrifugal separator is primarily used to separate liquid water from hydrogen.
  • the active centrifugal separator can also have a nitrogen separation function.
  • the nitrogen separation takes place, for example, mechanically at high speeds.
  • the separating device that can be driven in rotation can therefore be operated in a nitrogen separating mode at particularly high speeds. In the case of large separation rates for nitrogen, the hydrogen-nitrogen mixture does not have to be drained or can be drained for a longer period of time
  • a treatment system which has one or more physical or chemical filters or adsorbents which are set up to separate nitrogen from the recycle flow.
  • the one or more filters or adsorbents are preferably set up to use the nitrogen Separating physisorption or chemisorption.
  • the one or more physical or chemical filters or adsorbents are preferably operated in a bypass.
  • a treatment system according to the invention with a feed device is also preferred, the feed device being set up to feed the return flow after the water separation by the active centrifugal separator to a main hydrogen feed stream for the fuel cell.
  • the excess hydrogen discharged from the fuel cell is thus fed via the feed device to the main hydrogen feed stream coming from a hydrogen supply and mixed with it.
  • the hydrogen flow is then reintroduced into the fuel cell.
  • a treatment system according to the invention is also advantageous in which the feed device is designed as a jet pump.
  • the jet pump can also be referred to as a radiator, propellant pump or jet pump.
  • the jet pump can be operated as an ejector or injector.
  • the active centrifugal separator supports the flow conditions at the jet pump required for the recirculation of the recirculation flow. This applies in particular in the lower load range of the fuel cell, in which the volume flows are relatively low and the flow conditions at the jet pump are unfavorable for the recirculation.
  • the jet pump can be an adjustable jet pump or a variable jet pump.
  • a treatment system according to the invention which comprises a metering valve is also advantageous.
  • the feed device can be charged with hydrogen, preferably in a pulsed manner, via the metering valve. With pulsed charging, the hydrogen is fed to the feed device in bursts.
  • the metering valve is preferably arranged between the jet pump and a hydrogen supply. Pulsed feeding of the jet pump with hydrogen makes it possible to increase the suction power of the jet pump. This leads to a return with the jet pump even with very low return streams functions.
  • the housing of the active centrifugal separator can be equipped with a compensation volume to dampen pressure pulsations.
  • the treatment system according to the invention has an additional separation device which is set up to separate liquid water from an oxygen supply flow comprising oxygen, in particular on a cathode side of the fuel cell.
  • the additional separating device and the separating device can be kinematically coupled to one another.
  • the additional separating device can be passive or active and can be connected upstream or downstream of the separating device.
  • the additional separator can be part of the active
  • the supply air on the cathode side of the fuel cell has to be humidified for the operation of the fuel cell. Humidification can take place by means of a water spray mist, in which case water droplets form in the supply air and can lead to the fuel cell being overdosed with water. The fuel cell runs the risk of being flooded.
  • Additional separation device can be used to implement droplet separation in the air flow.
  • a membrane humidifier which takes up a comparatively large amount of space, can be dispensed with and a simpler spray mist-based humidification principle with little space requirement can be used.
  • the treatment system thus ensures reliable water separation in the entire volume flow range of the fuel cell.
  • the additional separating device is preferably a disk separator and/or comprises a stack of disks with a plurality of separating disks.
  • the additional separating device is driven via a drive shaft of the separating device.
  • the separating device is driven via a drive shaft of the additional separating device.
  • Separator can be driven by the separator drive.
  • the plate packs of the separator and the additional separator are preferably separated from one another in a gas-tight manner, so that an exchange of fluid is avoided.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a method of the type mentioned at the beginning, liquid water being separated from the return flow by means of an active centrifugal separator of the treatment system within the scope of the method according to the invention.
  • the method according to the invention is preferably carried out by means of a treatment system according to one of the embodiments described above.
  • the active centrifugal separator is driven in rotation by means of an in particular controllable and/or electromotive separator drive of the processing system.
  • the operation, in particular the speed, of the separator drive is controlled or regulated by means of a control device of the treatment system.
  • the promotion of the return flow in a line system of the treatment system can also be supported by the active centrifugal separator.
  • the return flow in a line system of the processing system is converted by a conveying function
  • the active centrifugal separator has both a separating function and a conveying function.
  • the recirculation in the line system of the treatment system is designed separately from a separating device of the active centrifugal separator
  • a conveying function is also implemented in the centrifugal separator.
  • this is not implemented by the separating device, but by a separate conveying device of the centrifugal separator.
  • the return flow is guided past the conveying device by means of a bypass line of the active centrifugal separator.
  • gaseous nitrogen can be separated from the return flow by means of the active centrifugal separator. It is also possible that the recycle stream after hydrogen separation by the active centrifugal separator is fed to a main hydrogen stream for the fuel cell.
  • the method can also include the pulsed charging of the supply device with hydrogen via a metering valve of the processing system and/or the separation of liquid water from an oxygen-comprising oxygen supply flow, in particular on a cathode side of the fuel cell, by means of an additional separation device of the processing system.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a centrifugal separator of a treatment system according to the invention in a schematic sectional view
  • FIG. 3 shows a centrifugal separator of a treatment system according to the invention in a schematic sectional view
  • FIG. 6 shows the centrifugal separator shown in FIG. 5 in a schematic representation with the bypass valve open; 7 shows a control scheme for the operation of a treatment system according to the invention.
  • FIG. 8 shows another centrifugal separator of a treatment system according to the invention in a schematic representation.
  • 1 shows a fuel cell system 100 in which a fuel cell 102 is operated.
  • the fuel cell 102 is connected to a processing system 10 for processing fluid streams.
  • a return flow that exits the fuel cell 102 and includes hydrogen is processed by the processing system 10 .
  • the recycle flow is returned to the fuel cell 102 via a hydrogen recycle path 12 .
  • the treatment system 10 comprises a line system 14, with an active centrifugal separator 16 being integrated into the line system 14.
  • the active centrifugal separator 16 is used to separate liquid water from the recycle flow exiting the fuel cell 102 . the active one
  • Centrifugal separator 16 is designed as a disk separator and includes a controllable and electromotive separator drive 74. Centrifugal separator 16 is connected to a drain valve 18, via which the water separated from the return flow by centrifugal separator 16 can be removed from hydrogen return path 12.
  • Fuel cell 102 is connected to the line section 22a with the
  • Centrifugal separator 16 connected. After the return flow has passed the centrifugal separator 16, the return flow is fed to a conveying device 20 via the line section 22b.
  • the conveyor device 20 can be a blower, for example. In the illustrated
  • the conveying device 20 is designed separately from the centrifugal separator 16 . In other exemplary embodiments, the conveying device 20 can also be integrated into the centrifugal separator 16 .
  • the conveyor 20 is connected via a line section 22c of the line system 14 with a feed device 24, which is adapted to the return flow after the water separation through the active centrifugal separator 16 to supply a main hydrogen feed stream for the fuel cell 102 .
  • the feed device 24 is designed as a jet pump.
  • the active centrifugal separator 16 and the conveyor 20 support the flow conditions required for the recirculation at the feeder 24.
  • a further centrifugal separator 26 can also be arranged between the feed device 24 and the fuel cell 102 . If the feed device 24 is designed as a jet pump, cooling occurs behind the feed device 24 in the direction of flow due to the gas expansion, as a result of which condensate can form again. The condensate can be separated from the return flow by means of the centrifugal separator 26 . The separated condensate can then be removed from the hydrogen return path 12 via the drain valve 28 connected to the centrifugal separator 26 .
  • the feed device 24 is connected to the centrifugal separator 26 via the line section 22d of the line system 14 .
  • the centrifugal separator 26 is connected to the fuel cell 102 via the line section 22e of the line system 14 .
  • the main inflow of hydrogen flowing through the feed device 24 has its origin in a hydrogen supply 34, with the hydrogen supply 34 being able to be a hydrogen tank.
  • the hydrogen supply 34 is connected to the feed device 24 via the metering valve 32 and the feed line 30 .
  • the feed device 24 can be charged with hydrogen from the hydrogen reservoir 34 in a pulsed manner via the metering valve 32 . It is possible to increase the suction power of the feed device 24 by pulsed charging of the feed device 24 designed as a jet pump with hydrogen. As a result, even at low loads, the recirculation of the hydrogen discharged from the fuel cell 102 works, even if the delivery device is not operated or is only operated at low power.
  • the conditioning system 10 is used to condition an oxygen supply flow comprising oxygen.
  • the oxygen supply flow can be an air flow, for example.
  • the Oxygen supply flow is first passed through a filter 38 in which particulate matter is filtered out of the oxygen supply flow.
  • the oxygen supply flow is fed to a temperature control device 42 in which the oxygen supply flow can be heated or cooled to a suitable temperature.
  • the oxygen supply flow is humidified in a humidifier 44 .
  • the supply air can be humidified, for example, by means of a water spray generated by the humidifier 44 . In this case, water droplets to be removed from the introduction of the oxygen supply flow into the fuel cell 102 may form.
  • An additional separating device 46 of the processing system 10 is used for this purpose.
  • the additional separating device 46 can be a passive or an active separating device.
  • the additional separating device is a plate separator driven by an electric motor.
  • the fuel cell 102 After the hydrogen supply flow has passed through the fuel cell 102, it is supplied to the humidifier 44 again. Before being introduced into an expander 50, liquid water is again separated from the exhaust air flow by means of an additional separating device 48.
  • the fuel cell 102 is also connected to a coolant circuit 52, via which the fuel cell 102 is cooled during operation.
  • the coolant circuit 52 includes an ion exchanger 54, via which the electrical conductivity of the coolant is kept at a low level.
  • FIG. 2 shows a centrifugal separator 16 embodied as a plate separator, in which a recirculation flow comprising hydrogen and nitrogen, which is charged with liquid water, is introduced via an inlet 56 .
  • the return flow is conducted from the inside to the outside through the plate pack 62 of the separating device 60 of the centrifugal separator 16 .
  • the liquid water separated by the rotating plate pack 62 is discharged from the centrifugal separator 16 through the outlet 58b.
  • the centrifugal separator 16 is also set up to gaseous nitrogen to be separated from the return flow.
  • the nitrogen separation takes place, for example, in a nitrogen separation mode with particularly high speeds.
  • the separated nitrogen is discharged from the centrifugal separator 16 via the outlet 58c.
  • the freed from liquid water and nitrogen recycle flow is via the outlet 58a from the
  • the disk pack 62 is driven in rotation via the separator drive 74 .
  • the separator drive 74 is an electric motor which is connected to the disk pack 62 via a drive shaft 66 .
  • a conveying device 64 is fastened to the drive shaft 66 in addition to the plate pack 62 of the separating device 60 .
  • the conveying device can be a fan wheel, for example, by means of which the return flow is accelerated before it is introduced into the plate stack 62 .
  • a fan wheel for example, by means of which the return flow is accelerated before it is introduced into the plate stack 62 .
  • a fan wheel for example, by means of which the return flow is accelerated before it is introduced into the plate stack 62 .
  • Speed converter may be arranged so that the disk pack 62 and the conveyor 64 can be operated at different speeds.
  • FIG. 4 shows two separating disks 68a, 68b of a stack of disks 62 arranged one above the other.
  • a plurality of conveying elements 70 supporting the conveying of the recirculating flow are arranged on each of the separating disks 68a, 68b.
  • the conveying elements 70 are arranged on the upper side and distributed uniformly over a circumference of the separating plates 68a, 68b.
  • the conveying elements 70 are designed as curved conveying webs and act as conveying blades.
  • the stack of plates 62 also has a conveying function in addition to a separating function.
  • FIG. 5 and 6 show a centrifugal separator 16 which has a separating device 60 and a conveyor device 64 arranged at a distance from the separating device 60 .
  • the active centrifugal separator 16 supports the return flow through the conveying device 64, the conveying device 64 in the exemplary embodiment shown in FIG.
  • the conveying device 64 can also be arranged behind the separating device 60 in the flow direction of the return flow.
  • the separating device 60 comprises a disk pack 62 , the disk pack 62 being driven in rotation via a separator drive 74 .
  • Separator drive 74 is a controllable electric motor.
  • the conveyor device 64 and the separating device 60 are kinematically coupled to one another.
  • the conveying device 64 is driven via a drive shaft 66 of the separator device 60 , the drive shaft 66 being connected to the separator drive 74 .
  • the delivery device 64 can be a pump wheel or a delivery wheel, for example.
  • the centrifugal separator 16 also includes a bypass line 78 which is set up to route the return flow past the conveying device 64 .
  • the bypass line 78 can be blocked and released by a bypass valve 76 . In Fig. 5, the bypass line 78 is blocked, so that
  • bypass line 78 is open, so that the return flow is partially or completely routed directly to the disk pack 62 of the centrifugal separator 16 . This can be particularly advantageous in the case of large volume flows.
  • Fig. 7 shows a control scheme for the operation of a
  • Treatment system 10 wherein the control scheme can be implemented by means of a control device of the treatment system 10.
  • the diagram shown shows the volume flow VS over the delivery rate FL within the return path 12. Up to a delivery rate FLi, a sufficient volume flow can be ensured by operating a delivery device within the return path 12. Above the delivery rate FLi and up to a delivery rate FL 2 , a feed device 24 embodied as a jet pump can then be pulsed with hydrogen in the return path.
  • the pulsed feeding can be done, for example, with a metering valve 32 be realized between the feed device 24 designed as a jet pump and the hydrogen reservoir 34 .
  • FIG. 8 shows a centrifugal separator 16 of a processing system 10 which has two separating chambers.
  • a separating device 60 comprising a plate stack 62 is arranged in a first separating chamber and separates liquid water from a return flow flowing in via the inlet 56 .
  • the separated water is discharged via the outlet 58b.
  • the recycle stream, freed of liquid water and comprising hydrogen, is discharged from the centrifugal separator 16 via the outlet 58a.
  • a humidified oxygen supply flow is introduced into the second separation chamber via inlet 82 .
  • the rotating disc pack 80 separates liquid water from the oxygen supply flow within the second separation chamber, with the separated water then being discharged from the centrifugal separator 16 via the outlet 84a.
  • the dewatered oxygen supply stream is discharged from the centrifugal separator 16 via outlet 84b.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Aufbereitungssystem (10) zum Aufbereiten einer aus einer Brennstoffzelle (102) austretenden und Wasserstoff umfassenden Rückführströmung, mit einem aktiven Zentrifugalabscheider (16, 26), welcher dazu eingerichtet ist, flüssiges Wasser aus der Rückführströmung abzuscheiden.

Description

Aufbereitungssystem und Verfahren zum Aufbereiten einer aus einer Brennstoffzelle austretenden Rückführströmung
Die Erfindung betrifft ein Aufbereitungssystem zum Aufbereiten einer aus einer Brennstoffzelle austretenden und Wasserstoff umfassenden Rückführströmung.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbereiten einer aus einer Brennstoffzelle austretenden und Wasserstoff umfassenden Rückführströmung mittels eines Aufbereitungssystems.
Brennstoffzellen werden üblicherweise überstöchiometrisch betrieben. Hierdurch wird eine Beschädigung der Membranen der Brennstoffzelle vermieden und gleichzeitig wird die beabsichtigte Reaktion in der Brennstoffzelle sichergestellt. Der überschüssige, bei der Reaktion nicht verwendete und wieder aus der Brennstoffzelle austretende Wasserstoff wird in einem Wasserstoff- Rückführpfad wieder in die Brennstoffzelle zurückgeführt, um eine Verschwendung des Gases zu vermeiden. Die aus der Brennstoffzelle austretende Rückführströmung umfasst üblicherweise neben Wasserstoff auch Stickstoff sowie gasförmiges und flüssiges Wasser. Im Wasserstoff-Rückführpfad von Brennstoffzellensystemen wird der Wasserstoff häufig durch eine nach dem Venturi-Prinzip arbeitende Strahlpumpe geleitet, welche mit einem Wasserstoffvorrat verbunden ist. Über die Wasserstoffströmung aus dem Wasserstoffvorrat wird an der Strahlpumpe eine Saugwirkung erzeugt, durch welche die Rückführströmung angesaugt und mit dem Wasserstoff aus dem Wasserstoffvorrat vermischt wird. Die Ansaugung der Rückführströmung ist hierbei unter anderem von dem Volumenstrom der aus dem Wasserstoffvorrat kommenden Strömung abhängig, wobei die Stellgröße zur Regelung des Volumenstroms bzw. zur Aufrechterhaltung der Rückführung der aus der Brennstoffzelle austretenden Rückführströmung durch die Strahlpumpe in der Regel der Fluiddruck ist.
Bei einem hohen Wasserstoffbedarf, also bei hoher Last an der Brennstoffzelle, funktioniert die Strahlpumpe einwandfrei, da die Strömung aus dem Wasserstoffvorrat ausreichend stark ist und für eine ausreichende Ansaugung der Rührführströmung sorgt. Bei einem geringen Wasserstoffbedarf, also bei niedriger Last an der Brennstoffzelle, besteht das Problem, dass die Strahlpumpe durch einen Strömungsabriss keine ausreichende Saugwirkung mehr generiert. Um dem Saugwirkungsabfall entgegenzuwirken, ist es bekannt, vor der Strahlpumpe ein Dosierventil anzuordnen, um die Strahlpumpe über das Dosierventil gepulst, also stoßweise, mit Wasserstoff aus dem Wasserstoffvorrat zu beschicken. Hierdurch kann die Saugwirkung in einem begrenzten Betriebsbereich angehoben werden.
Um die geringe Saugleistung der Strahlpumpe im niedrigen Lastbereich der Brennstoffzelle zu kompensieren, kann im Rückführpfad auch ein aktives Gebläse angeordnet werden, welches den Betrieb der Strahlpumpe unterstützt. In diesem Zusammenhang werden bisher Gebläse mit einer Leistung zwischen 300 Watt und mehreren Kilowatt eingesetzt. Die Herstellung und der Betrieb derartiger Gebläse ist aufgrund der bisher aufwändigen Konstruktion und des hohen Energiebedarfs jedoch vergleichsweise kostenintensiv. Ferner wird der Systemwirkungsgrad durch die vergleichsweise hohe Parasitärleistung verringert.
Ein weiteres Problem während des Betriebs von Brennstoffzellen besteht darin, dass der überschüssige und wieder aus der Brennstoffzelle austretende Wasserstoff innerhalb der Brennstoffzelle Feuchtigkeit aufnimmt, Wassertropfen mitreißt und sich mit Stickstoff vermischt, welches durch die Membrane in der Brennstoffzelle diffundiert ist. Um Beschädigungen der Brennstoffzelle zu vermeiden und einen einwandfreien Betrieb der Brennstoffzelle zu gewährleisten, dürfen jedoch keine Wassertropfen zurück in die Brennstoffzelle gelangen, da diese die Verteilerkanäle in den Bipolarplatten verstopfen können und die aktive Reaktionsfläche des Katalysators belegen können, wodurch der Betrieb der Brennstoffzelle beeinträchtigt und die Brennstoffzelle beschädigt werden kann. Ferner ist eine Vereisung der Brennstoffzelle im Ruhezustand durch Wasserrückstände zu vermeiden, da dies ebenfalls zu einer Beschädigung und einem Funktionsausfall der Brennstoffzelle führen kann.
Gleichzeitig führt eine stetig fortschreitende Aufkonzentration des Stickstoffs zu einem Verdünnungseffekt, welcher eine Verringerung des Wirkungsgrads und somit Leistungseinbußen der Brennstoffzelle hervorrufen kann. Zur Abscheidung des Wassers aus dem Rückführpfad werden bisher passive Abscheider, wie etwa Gewebeabscheider oder Zyklone, verwendet, deren Abscheideleistung jedoch begrenzt ist. Zum Austragen des Stickstoffs wird das verbleibende Wasserstoff- Stickstoff-Gemisch bisher zyklisch durch ein Spülventil aus dem System gespült.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit darin, die Aufbereitung einer aus einer Brennstoffzelle austretenden und Wasserstoff umfassenden Rückführströmung zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Aufbereitungssystem der eingangs genannten Art, wobei das erfindungsgemäße Aufbereitungssystem einen aktiven Zentrifugalabscheider aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, flüssiges Wasser aus der Rückführströmung abzuscheiden.
Durch die Integration eines aktiven Zentrifugalabscheiders in den Wasserstoff- Rückführpfad des Anodenmanagements der Brennstoffzelle wird eine energieeffiziente und wirksame Wasserabscheidung umgesetzt, sodass ein Einleiten von flüssigem Wasser, beispielsweise in Form von Wassertropfen, in die Brennstoffzelle durch die Rückführströmung verhindert wird. Beschädigungen der Brennstoffzelle, beispielsweise durch eine Verstopfung der Verteilerkanäle in den Bipolarplatten, und Funktionsbeeinträchtigungen, beispielsweise durch das Belegen der aktiven Reaktionsfläche des Katalysators durch Wassertropfen, werden somit effektiv vermieden.
Das erfindungsgemäße Aufbereitungssystem ist also ein Rückführ- und Abscheidesystem, welches die Rückführung von Wasserstoff mit der Abscheidung von flüssigem Wasser aus der Wasserstoff umfassenden Rückführströmung vereint. Das Aufbereitungssystem kann ferner dazu eingerichtet sein, neben dem flüssigen Wasser auch Stickstoff aus der Wasserstoff umfassenden Rückführströmung abzuscheiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbereitungssystems ist der aktive Zentrifugalabscheider als Tellerseparator ausgebildet. Der aktive Zentrifugalabscheider ist in diesem Fall ein Tellerabscheider. Der aktive Zentrifugalabscheider umfasst vorzugsweise ein rotierend antreibbares Tellerpaket mit einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Abscheidetellern. Das die Abscheideteller umfassende Tellerpaket des aktiven Zentrifugalabscheiders kann dazu eingerichtet sein, von der Wasserstoff umfassenden Rückführströmung von innen nach außen durchströmt zu werden. Ferner kann das die Abscheideteller umfassende Tellerpaket des aktiven Zentrifugalabscheiders dazu eingerichtet sein, von der Wasserstoff umfassenden Rückführströmung von außen nach innen durchströmt zu werden.
In einer Weiterbildung weist das erfindungsgemäße Aufbereitungssystem einen, insbesondere steuerbaren und/oder elektromotorischen, Abscheiderantrieb auf. Der Abscheiderantrieb ist vorzugsweise dazu eingerichtet, den aktiven Zentrifugalabscheider rotatorisch anzutreiben. Das Aufbereitungssystem kann eine Steuerungseinrichtung umfassen, welche dazu eingerichtet ist, den Betrieb des Abscheiderantriebs, insbesondere dessen Drehzahl, zu steuern. Die Steuerungseinrichtung erlaubt vorzugsweise die Umsetzung einer bedarfsgerechten Abscheidestrategie, welche in der Lage ist, im gesamten Betriebsbereich der Brennstoffzelle, also sowohl in niedrigen als auch in hohen Lastbereichen, eine effektive Wasserabscheidung umzusetzen. Die
Steuerungseinrichtung erlaubt ferner eine gezielte Leistungseinstellung am Abscheiderantrieb.
Es ist darüber hinaus ein erfindungsgemäßes Aufbereitungssystem vorteilhaft, welches ein Leitungssystem aufweist. Über das Leitungssystem kann die Rückführströmung dem aktiven Zentrifugalabscheider zuführbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann die über das Leitungssystem die Rückführströmung von dem aktiven Zentrifugalabscheider abführbar sein. Vorzugsweise ist der aktive Zentrifugalabscheider dazu eingerichtet, die Förderung der Rückführströmung in dem Leitungssystem zu unterstützen. Dem aktiven Zentrifugalabscheider kann also neben der Abscheidefunktion auch eine Förderfunktion zukommen. Das Leitungssystem kann beispielsweise einen Leitungsabschnitt umfassen, welcher in Strömungsrichtung der Rückführströmung vor dem aktiven Zentrifugalabscheider angeordnet und dazu eingerichtet ist, die Brennstoffzelle mit dem aktiven Zentrifugalabscheider zu verbinden. In diesem Leitungsabschnitt kann der Zentrifugalabscheider eine Saugwirkung entfalten. Das Leitungssystem weist vorzugsweise einen oder mehrere Leitungsabschnitte auf, welche in Strömungsrichtung der Rückführströmung hinter dem Zentrifugalabscheider angeordnet sind. Der aktive Zentrifugalabscheider kann dazu eingerichtet sein, in dem einen oder den mehreren hinter dem Zentrifugalabscheider angeordneten Leitungsabschnitten des Leitungssystems eine Druckwirkung zu entfalten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbereitungssystems weist der aktive Zentrifugalabscheider eine rotierend antreibbare Abscheideeinrichtung zur Abscheidung von Wasser aus der Rückführströmung auf, wobei die Abscheideeinrichtung vorzugsweise dazu eingerichtet ist, neben der Abscheidefunktion zusätzlich eine Förderfunktion zum Fördern der Rückführströmung in einem Leitungssystem des Aufbereitungssystems umzusetzen. Die für die Rückführung notwendige Energie zur Überwindung der Druckdifferenz wird also beispielsweise durch ein rotierendes Tellerpaket des als Tellerseparator ausgebildeten aktiven Zentrifugalabscheiders aufgebracht. Hierzu können die Abscheideteller des Tellerpakets eine die Förderwirkung unterstützende Geometrie aufweisen.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aufbereitungssystems weist die Abscheideeinrichtung einen oder mehrere Abscheideteller auf, wobei ein Abscheideteller oder mehrere oder sämtliche Abscheideteller jeweils eine oder mehrere das Fördern der Rückführströmung unterstützende Förderelemente aufweisen. Die Förderelemente können kraft-, form- und/oder stoffschlüssig mit dem jeweiligen Abscheideteller verbunden sein. Alternativ können die Förderelemente integrale Bestandteile der jeweiligen Abscheideteller sein. Das eine oder die mehreren Förderelemente können auf der Oberseite und/oder der Unterseite der Abscheideteller angeordnet sein. Wenn ein Abscheideteller mehrere Förderelemente aufweist, sind diese vorzugsweise beabstandet voneinander angeordnet, beispielsweise können die Förderelemente gleichmäßig über den Umfang des jeweiligen Abscheidetellers verteilt angeordnet sein. Das eine oder die mehreren Förderelemente können beispielsweise Förderstege, Förderschaufeln oder Förderflügel sein.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbereitungssystems umfasst der aktive Zentrifugalabscheider eine Fördereinrichtung zum Unterstützen der Rückführströmung. Die Fördereinrichtung kann in Strömungsrichtung der Rückführströmung vor oder hinter der Abscheideeinrichtung angeordnet sein. Die Abscheideeinrichtung kann eine oder mehrere Abscheideelemente umfassen. Die Abscheideelemente können Abscheideteller eines Tellerpakets sein. Die Förderfunktion kann den Abscheidetellern je nach Anordnung der Fördereinrichtung also vor- oder nachgelagert sein. Bei einer Anordnung der Fördereinrichtung in Strömungsrichtung der Rückführströmung hinter der Abscheideeinrichtung wird die benötigte Förderleistung reduziert, da der zu fördernde Volumenstrom aufgrund der bereits erfolgten Wasserabscheidung verringert ist.
Das erfindungsgemäße Aufbereitungssystem wird ferner dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass die Fördereinrichtung und die Abscheideeinrichtung kinematisch miteinander gekoppelt sind. Beispielsweise wird die Fördereinrichtung über eine Antriebswelle der Abscheideeinrichtung angetrieben. Alternativ kann die Abscheideeinrichtung über eine Antriebswelle der Fördereinrichtung angetrieben werden. Die Antriebswelle der Fördereinrichtung bzw. die Antriebswelle der Abscheideeinrichtung kann von dem Abscheiderantrieb angetrieben werden. Durch die kinematische Kopplung von Fördereinrichtung und
Abscheideeinrichtung kann auf separate Antriebe verzichtet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbereitungssystems umfasst die Fördereinrichtung ein Pumpenrad. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Fördereinrichtung ein Förderrad. Ferner kann die Fördereinrichtung einen Schraubenkompressor umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Fördereinrichtung auch einen Seitenkanalverdichter umfassen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Aufbereitungssystem eine Bypass-Leitung, welche dazu eingerichtet ist, die Rückführströmung an der Fördereinrichtung vorbeizuleiten. Die Bypass-Leitung kann durch ein Bypass-Ventil gesperrt und freigegeben werden. Bei größeren Volumenströmen kann die Fördereinheit durch eine Bypass-Leitung umgangen werden, sodass die mit Wasser beladene Rückführströmung direkt in die Abscheideeinrichtung des aktiven Zentrifugalabscheiders gelangen kann. Der von Wasser befreiten Rückführströmung kann dann mithilfe einer Zuführeinrichtung Wasserstoff aus einem Wasserstoffvorrat, insbesondere einem Wasserstofftank, zugeführt werden. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass eine geringe Förderleistung benötigt wird und das Gesamtsystem wirkungsgradoptimiert betrieben werden kann. Ferner ist es möglich, einen Teilstrom durch die Bypass- Leitung zu leiten.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbereitungssystems ist der aktive Zentrifugalabscheider dazu eingerichtet, gasförmigen Stickstoff aus der Rückführströmung abzuscheiden. Die Rückführströmung ist vorzugsweise eine mit Flüssigwasser und Stickstoff beladene Wasserstoffströmung. Der aktive Zentrifugalabscheider dient primär dazu, Flüssigwasser vom Wasserstoff zu trennen. Zusätzlich kann dem aktiven Zentrifugalabscheider aber auch eine Stickstoff-Abscheidefunktion zukommen. Die Stickstoff-Abscheidung erfolgt beispielsweise mechanisch bei hohen Drehzahlen. Die rotierend antreibbare Abscheideeinrichtung ist also in einem Stickstoff-Abscheidemodus mit besonders hohen Drehzahlen betreibbar. Bei großen Abscheideraten für Stickstoff kann außerdem ein Ablassen des Wasserstoff-Stickstoff-Gemisches entfallen bzw. durch längere
Gasablassintervalle reduziert werden und damit der Kraftstoffverbrauch reduziert werden.
Es ist darüber hinaus ein erfindungsgemäßes Aufbereitungssystem bevorzugt, welches einen oder mehrere physikalische oder chemische Filter oder Adsorbentien aulweist, welche dazu eingerichtet sind, Stickstoff aus der Rückführströmung abzuscheiden. Der eine oder die mehreren Filter oder Adsorbentien sind vorzugsweise dazu eingerichtet, den Stickstoff mithilfe von Physisorption oder Chemisorption abzuscheiden. Der eine oder die mehreren physikalischen oder chemischen Filter oder Adsorbentien werden vorzugsweise in einem Bypass betrieben.
Es ist ferner ein erfindungsgemäßes Aufbereitungssystem mit einer Zuführeinrichtung bevorzugt, wobei die Zuführeinrichtung dazu eingerichtet ist, die Rückführströmung nach der Wasserabscheidung durch den aktiven Zentrifugalabscheider einem Wasserstoff-Hauptzustrom für die Brennstoffzelle zuzuführen. Über die Zuführeinrichtung wird der aus der Brennstoffzelle ausgeleitete, überschüssige Wasserstoff also dem aus einem Wasserstoffvorrat kommenden Wasserstoff-Hauptzustrom zugeführt und mit diesem vermischt. Nach dem Zuführen der Rückführströmung in den Wasserstoff-Hauptzustrom wird die Wasserstoffströmung dann wieder in die Brennstoffzelle eingeleitet.
Es ist ferner ein erfindungsgemäßes Aufbereitungssystem vorteilhaft, bei welchem die Zuführeinrichtung als Strahlpumpe ausgebildet ist. Die Strahlpumpe kann auch als Strahler, Treibmittelpumpe oder Jetpumpe bezeichnet werden. Die Strahlpumpe kann als Ejektor oder Injektor betrieben werden. Der aktive Zentrifugalabscheider unterstützt die für die Rückführung der Rückführströmung erforderlichen Strömungsbedingungen an der Strahlpumpe. Dies gilt insbesondere im unteren Lastbereich der Brennstoffzelle, in welchem die Volumenströme relativ gering und die Strömungsverhältnisse an der Strahlpumpe für die Rückführung ungünstig sind. Die Strahlpumpe kann eine einstellbare Strahlpumpe sein oder als variable Strahlpumpe ausgebildet sein.
Es ist ferner ein erfindungsgemäßes Aufbereitungssystem vorteilhaft, welches ein Dosierventil umfasst. Überdas Dosierventil ist die Zuführeinrichtung vorzugsweise gepulst mit Wasserstoff beschickbar. Bei der gepulsten Beschickung wird der Wasserstoff der Zuführeinrichtung stoßweise zugeleitet. Das Dosierventil ist vorzugsweise zwischen der Strahlpumpe und einem Wasserstoffvorrat angeordnet. Durch eine gepulste Beschickung der Strahlpumpe mit Wasserstoff ist es möglich, die Saugleistung der Strahlpumpe zu erhöhen. Dies führt dazu, dass auch bei sehr geringen Rückführströmen eine Rückführung mit der Strahlpumpe funktioniert. Das Gehäuse des aktiven Zentrifugalabscheiders kann mit einem Kompensationsvolumen zur Druckpulsationsdämpfung ausgestattet sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Aufbereitungssystem eine Zusatzabscheideeinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, flüssiges Wasser aus einer Sauerstoff umfassenden Sauerstoff- Versorgungsströmung, insbesondere auf einer Kathodenseite der Brennstoffzelle, abzuscheiden. Die Zusatzabscheideeinrichtung und die Abscheideeinrichtung können kinematisch miteinander gekoppelt sein. Die Zusatzabscheideeinrichtung kann passiv oder aktiv und der Abscheideeinrichtung vor- oder nachgeschaltet sein. Die Zusatzabscheideeinrichtung kann Bestandteil des aktiven
Zentrifugalabscheiders sein. Die Zuluft auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle muss für den Betrieb der Brennstoffzelle befeuchtet werden. Die Befeuchtung kann mittels eines Wassersprühnebels erfolgen, wobei sich hierbei Wassertropfen in der Zuluft bilden und zu einer Wasserüberdosierung der Brennstoffzelle führen können. Die Brennstoffzelle läuft Gefahr, geflutet zu werden. Mit der
Zusatzabscheideeinrichtung kann eine T ropfenabscheidung im Luftzustrom umgesetzt werden. Es kann auf einen Membranbefeuchter, welcher einen vergleichsweise großen Bauraum in Anspruch nimmt, verzichtet werden und ein einfacheres sprühnebelbasiertes Befeuchtungsprinzip mit geringem Bauraumbedarf angewandt werden. Somit wird mit dem Aufbereitungssystem eine zuverlässige Wasserabscheidung im gesamten Volumenstrombereich der Brennstoffzelle sichergestellt. Die Zusatzabscheideeinrichtung ist vorzugsweise ein Tellerabscheider und/oder umfasst ein Tellerpaket mit einer Mehrzahl von Abscheidetellern. Beispielsweise wird die Zusatzabscheideeinrichtung über eine Antriebswelle der Abscheideeinrichtung angetrieben. Beispielsweise wird die Abscheideeinrichtung über eine Antriebswelle der Zusatzabscheideeinrichtung angetrieben. Die Antriebswelle der Zusatzabscheideeinrichtung bzw.
Abscheideeinrichtung kann von dem Abscheiderantrieb angetrieben werden. Die Tellerpakete der Abscheideeinrichtung und der Zusatzabscheideeinrichtung sind vorzugsweise gasdicht voneinander getrennt, sodass ein Fluidaustausch vermieden wird. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens flüssiges Wasser aus der Rückführströmung mittels eines aktiven Zentrifugalabscheiders des Aufbereitungssystems abgeschieden wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mittels eines Aufbereitungssystems nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt. Hinsichtlich der Vorteile und Modifikationen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit zunächst auf die Vorteile und Modifikationen des erfindungsgemäßen Aufbereitungssystems verwiesen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der aktive Zentrifugalabscheider mittels eines, insbesondere steuerbaren und/oder elektromotorischen Abscheiderantriebs des Aufbereitungssystems rotatorisch angetrieben. Alternativ oder zusätzlich erfolgt ein Steuern oder Regeln des Betriebs, insbesondere der Drehzahl, des Abscheiderantriebs mittels einer Steuerungseinrichtung des Aufbereitungssystems. Im Rahmen des Verfahrens kann ferner die Förderung der Rückführströmung in einem Leitungssystem des Aufbereitungssystems durch den aktiven Zentrifugalabscheider unterstützt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Rückführströmung in einem Leitungssystem des Aufbereitungssystems durch eine eine Förderfunktion umsetzende
Abscheideeinrichtung des aktiven Zentrifugalabscheiders unterstützt. In diesem Fall kommt dem aktiven Zentrifugalabscheider also sowohl eine Abscheidefunktion als auch eine Förderfunktion zu. Alternativ wird die Rückführung in dem Leitungssystem des Aufbereitungssystems durch eine separat zu einer Abscheideeinrichtung des aktiven Zentrifugalabscheiders ausgebildete
Fördereinrichtung des aktiven Zentrifugalabscheiders unterstützt. In diesem Fall kommt im Zentrifugalabscheider ebenfalls eine Förderfunktion umgesetzt. Diese wird aber nicht durch die Abscheideeinrichtung, sondern durch eine separate Fördereinrichtung des Zentrifugalabscheiders umgesetzt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Rückführströmung an der Fördereinrichtung mittels einer Bypass-Leitung des aktiven Zentrifugalabscheiders vorbeigeleitet. Ferner kann das Abscheiden von gasförmigem Stickstoff aus der Rückführströmung mittels des aktiven Zentrifugalabscheiders erfolgen. Es ist auch möglich, dass die Rückführströmung nach der Wasserstoffabscheidung durch den aktiven Zentrifugalabscheider zu einem Wasserstoff- Hauptstrom für die Brennstoffzelle zugeführt wird. Das Verfahren kann ferner das gepulste Beschicken der Zuführeinrichtung mit Wasserstoff über ein Dosierventil des Aufbereitungssystems und/oder das Abscheiden von flüssigem Wasser aus einer Sauerstoff umfassenden Sauerstoff-Versorgungsströmung, insbesondere auf einer Kathodenseite der Brennstoffzelle, mittels einer Zusatzabscheideeinrichtung des Aufbereitungssystems umfassen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Aufbereitungssystems in einer schematischen Darstellung;
Fig. 2 einen Zentrifugalabscheider eines erfindungsgemäßen Aufbereitungssystems in einer schematischen Schnittdarstellung;
Fig. 3 einen Zentrifugalabscheider eines erfindungsgemäßen Aufbereitungssystems in einer schematischen Schnittdarstellung;
Fig. 4 Abscheideteller eines Tellerpakets eines Zentrifugalabscheiders in einer perspektivischen Darstellung; Fig. 5 einen eine Bypass-Leitung aufweisenden Zentrifugalabscheider eines erfindungsgemäßen Aufbereitungssystems in einer schematischen Darstellung mit geschlossenem Bypass-Ventil;
Fig. 6 den in der Fig. 5 abgebildeten Zentrifugalabscheider in einer schematischen Darstellung mit geöffnetem Bypass-Ventil; Fig. 7 ein Steuerungsschema für den Betrieb eines erfindungsgemäßen Aufbereitungssystems; und
Fig. 8 einen weiteren Zentrifugalabscheider eines erfindungsgemäßen Aufbereitungssystems in einer schematischen Darstellung. Die Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100, in welchem eine Brennstoffzelle 102 betrieben wird. Die Brennstoffzelle 102 ist mit einem Aufbereitungssystem 10 zum Aufbereiten von Fluidströmen verbunden. Auf der Anodenseite der Brennstoffzelle 102 wird eine aus der Brennstoffzelle 102 austretende und Wasserstoff umfassende Rückführströmung mittels des Aufbereitungssystems 10 aufbereitet. Die Rückführströmung wird über einen Wasserstoff-Rückführpfad 12 zurück in die Brennstoffzelle 102 geführt.
Das Aufbereitungssystem 10 umfasst ein Leitungssystem 14, wobei ein aktiver Zentrifugalabscheider 16 in das Leitungssystem 14 integriert ist. Der aktive Zentrifugalabscheider 16 dient zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus der Rückführströmung, welche aus der Brennstoffzelle 102 austritt. Der aktive
Zentrifugalabscheider 16 ist als Tellerseparator ausgebildet und umfasst einen steuerbaren und elektromotorischen Abscheiderantrieb 74. Der Zentrifugalabscheider 16 ist mit einem Ablassventil 18 verbunden, über welches das von dem Zentrifugalabscheider 16 aus der Rückführströmung abgeschiedene Wasser aus dem Wasserstoff-Rückführpfad 12 entfernt werden kann. Die
Brennstoffzelle 102 ist über den Leitungsabschnitt 22a mit dem
Zentrifugalabscheider 16 verbunden. Nachdem die Rückführströmung den Zentrifugalabscheider 16 passiert hat, wird die Rückführströmung über den Leitungsabschnitt 22b einer Fördereinrichtung 20 zugeführt. Die Fördereinrichtung 20 kann beispielsweise ein Gebläse sein. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die Fördereinrichtung 20 separat von dem Zentrifugalabscheider 16 ausgebildet. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Fördereinrichtung 20 auch in den Zentrifugalabscheider 16 integriert sein.
Die Fördereinrichtung 20 ist über einen Leitungsabschnitt 22c des Leitungssystems 14 mit einer Zuführeinrichtung 24 verbunden, welche dazu eingerichtet ist, die Rückführströmung nach der Wasserabscheidung durch den aktiven Zentrifugalabscheider 16 einem Wasserstoff-Hauptzustrom für die Brennstoffzelle 102 zuzuführen. Die Zuführeinrichtung 24 ist als Strahlpumpe ausgebildet. Der aktive Zentrifugalabscheider 16 und die Fördereinrichtung 20 unterstützen die für die Rückführung erforderlichen Strömungsbedingungen an der Zuführeinrichtung 24.
Zwischen der Zuführeinrichtung 24 und der Brennstoffzelle 102 kann ferner ein weiterer Zentrifugalabscheider 26 angeordnet sein. Wenn die Zuführeinrichtung 24 als Strahlpumpe ausgebildet ist, kommt es in Strömungsrichtung hinter der Zuführeinrichtung 24 aufgrund der Gasexpansion zu einer Abkühlung, wodurch es erneut zu Kondensatbildung kommen kann. Mittels des Zentrifugalabscheiders 26 kann das Kondensat aus der Rückführströmung abgeschieden werden. Über das mit dem Zentrifugalabscheider 26 verbundene Ablassventil 28 kann dann das abgeschiedene Kondensat aus dem Wasserstoff-Rückführpfad 12 entfernt werden. Die Zuführeinrichtung 24 ist über den Leitungsabschnitt 22d des Leitungssystems 14 mit dem Zentrifugalabscheider 26 verbunden. Der Zentrifugalabscheider 26 ist über den Leitungsabschnitt 22e des Leitungssystems 14 mit der Brennstoffzelle 102 verbunden.
Der durch die Zuführeinrichtung 24 strömende Wasserstoff-Hauptzustrom hat seinen Ursprung in einem Wasserstoffvorrat 34, wobei der Wasserstoffvorrat 34 ein Wasserstofftank sein kann. Der Wasserstoffvorrat 34 ist über das Dosierventil 32 und die Zuführleitung 30 mit der Zuführeinrichtung 24 verbunden. Über das Dosierventil 32 kann die Zuführeinrichtung 24 gepulst mit Wasserstoff aus dem Wasserstoffvorrat 34 beschickt werden. Durch eine gepulste Beschickung der als Strahlpumpe ausgebildeten Zuführeinrichtung 24 mit Wasserstoff ist es möglich, die Saugleistung der Zuführeinrichtung 24 zu erhöhen. Dies führt dazu, dass auch bei niedrigen Lasten die Rückführung des aus der Brennstoffzelle 102 ausgeleiteten Wasserstoffs funktioniert, auch wenn die Fördereinrichtung nicht oder lediglich mit geringer Leistung betrieben wird.
Auf der Kathodenseite 36 wird das Aufbereitungssystem 10 zur Aufbereitung einer Sauerstoff umfassenden Sauerstoff-Versorgungsströmung eingesetzt. Die Sauerstoff-Versorgungsströmung kann beispielsweise eine Luftströmung sein. Die Sauerstoff-Versorgungsströmung wird zunächst durch einen Filter 38 geleitet, in welchem Feststoffpartikel aus der Sauerstoff-Versorgungsströmung herausgefiltert werden. Nach dem Passieren des Kompressors 40 wird die Sauerstoff-Versorgungsströmung einer Temperiereinrichtung 42 zugeführt, in welcher die Sauerstoff-Versorgungsströmung auf eine geeignete Temperatur erwärmt oder abgekühlt werden kann. Nach erfolgter Temperierung wird die Sauerstoff-Versorgungsströmung in einem Befeuchter 44 befeuchtet. Die Befeuchtung der Zuluft kann beispielsweise mittels eines von dem Befeuchter 44 erzeugten Wassersprühnebels erfolgen. In diesem Fall können sich Wassertropfen bilden, welche von der Einleitung der Sauerstoff-Versorgungsströmung in die Brennstoffzelle 102 zu entfernen sind. Hierzu wird eine Zusatzabscheideeinrichtung 46 des Aufbereitungssystems 10 eingesetzt. Die Zusatzabscheideeinrichtung 46 kann eine passive oder eine aktive Abscheideeinrichtung sein. Beispielsweise ist die Zusatzabscheideeinrichtung ein elektromotorisch angetriebener T ellerseparator.
Nachdem die Wasserstoff-Versorgungsströmung durch die Brennstoffzelle 102 durchgeführt wurde, wird diese erneut dem Befeuchter 44 zugeführt. Vor dem Einleiten in einen Expander 50 wird erneut flüssiges Wasser mittels einer Zusatzabscheideeinrichtung 48 aus der Abluftströmung abgeschieden. Die Brennstoffzelle 102 ist ferner mit einem Kühlmittelkreislauf 52 verbunden, über welchen die Brennstoffzelle 102 während des Betriebs gekühlt wird. Der Kühlmittelkreislauf 52 umfasst einen lonentauscher 54, über welchen die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels auf einem niedrigen Niveau gehalten wird.
Die Fig. 2 zeigt einen als Tellerseparator ausgebildeten Zentrifugalabscheider 16, bei welchem über einen Einlass 56 eine Wasserstoff und Stickstoff umfassende Rückführströmung eingeleitet wird, welche mit flüssigem Wasser beladen ist. Die Rückführströmung wird von innen nach außen durch das Tellerpaket 62 der Abscheideeinrichtung 60 des Zentrifugalabscheiders 16 durchgeleitet. Das durch das rotierende Tellerpaket 62 abgeschiedene flüssige Wasser wird durch den Auslass 58b aus dem Zentrifugalabscheider 16 ausgeleitet. Der Zentrifugalabscheider 16 ist ferner dazu eingerichtet, gasförmigen Stickstoff aus der Rückführströmung abzuscheiden. Die Stickstoffabscheidung erfolgt beispielsweise in einem Stickstoff-Abscheidemodus mit besonders hohen Drehzahlen. Der abgeschiedene Stickstoff wird über den Auslass 58c aus dem Zentrifugalabscheider 16 ausgeleitet. Die von flüssigem Wasser und Stickstoff befreite Rückführströmung wird über den Auslass 58a aus dem
Zentrifugalabscheider 16 ausgeleitet.
Der rotatorische Antrieb des Tellerpakets 62 erfolgt über den Abscheiderantrieb 74. Bei dem Abscheiderantrieb 74 handelt es sich um einen Elektromotor, welcher über eine Antriebswelle 66 mit dem Tellerpaket 62 verbunden ist. Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist an der Antriebswelle 66 zusätzlich zu dem Tellerpaket 62 der Abscheideeinrichtung 60 eine Fördereinrichtung 64 befestigt. Die Fördereinrichtung kann beispielsweise ein Lüfterrad sein, mittels welchem die Rückführströmung vor dem Einleiten in das Tellerpaket 62 beschleunigt wird. Zwischen dem Tellerpaket 62 und der Fördereinrichtung 64 kann in anderen Ausführungsformen auch ein
Drehzahlwandler angeordnet sein, sodass das Tellerpaket 62 und die Fördereinrichtung 64 mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden können.
Die Fig. 4 zeigt zwei übereinander angeordnete Abscheideteller 68a, 68b eines Tellerpakets 62. An den Abscheidetellern 68a, 68b sind jeweils mehrere das Fördern der Rückführströmung unterstützende Förderelemente 70 angeordnet. Die Förderelemente 70 sind auf der Oberseite und gleichmäßig über einen Umfang der Abscheideteller 68a, 68b verteilt angeordnet. Die Förderelemente 70 sind als gekrümmte Förderstege ausgebildet und wirken als Förderschaufeln. Dem Tellerpaket 62 kommt während der Rotationsbewegung um die Rotationsachse 72 neben einer Abscheidefunktion auch eine Förderfunktion zu.
Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Zentrifugalabscheider 16, welcher eine Abscheideeinrichtung 60 und eine beabstandet von der Abscheideeinrichtung 60 angeordnete Fördereinrichtung 64 aufweist. Durch die Fördereinrichtung 64 unterstützt der aktive Zentrifugalabscheider 16 die Rückführströmung, wobei die Fördereinrichtung 64 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in
Strömungsrichtung der Rückführströmung vor der Abscheideeinrichtung 60 angeordnet ist. In alternativen Ausführungsformen kann die Fördereinrichtung 64 auch in Strömungsrichtung der Rückführströmung hinter der Abscheideeinrichtung 60 angeordnet sein.
Die Abscheideeinrichtung 60 umfasst ein Tellerpaket 62, wobei das Tellerpaket 62 über einen Abscheiderantrieb 74 rotatorisch angetrieben wird. Der
Abscheiderantrieb 74 ist ein steuerbarer Elektromotor.
Die Fördereinrichtung 64 und die Abscheideeinrichtung 60 sind kinematisch miteinander gekoppelt. Die Fördereinrichtung 64 wird über eine Antriebswelle 66 der Abscheideeinrichtung 60 angetrieben, wobei die Antriebswelle 66 mit dem Abscheiderantrieb 74 verbunden ist. Die Fördereinrichtung 64 kann beispielsweise ein Pumpenrad oder ein Förderrad sein.
Der Zentrifugalabscheider 16 umfasst ferner eine Bypass-Leitung 78, welche dazu eingerichtet ist, die Rückführströmung an der Fördereinrichtung 64 vorbeizuleiten. Die Bypass-Leitung 78 kann durch ein Bypass-Ventil 76 gesperrt und freigegeben werden. In der Fig. 5 ist die Bypass-Leitung 78 gesperrt, sodass die
Rückführströmung durch die Fördereinrichtung 64 geleitet wird.
In der Fig. 6 ist die Bypass-Leitung 78 freigegeben, sodass die Rückführströmung teilweise oder vollständig direkt zu dem Tellerpaket 62 des Zentrifugalabscheiders 16 geleitet wird. Dies kann insbesondere bei großen Volumenströmen vorteilhaft sein.
Die Fig. 7 zeigt ein Steuerungsschema für den Betrieb eines
Aufbereitungssystems 10, wobei das Steuerungsschema mittels einer Steuerungseinrichtung des Aufbereitungssystems 10 umsetzbar ist. Das dargestellte Diagramm zeigt den Volumenstrom VS über die Förderleistung FL innerhalb des Rückführpfads 12. Bis zu einer Förderleistung FLi kann ein ausreichender Volumenstrom durch den Betrieb einer Fördereinrichtung innerhalb des Rückführpfads 12 sichergestellt werden. Oberhalb der Förderleistung FLi und bis zu einer Förderleistung FL2 kann dann eine als Strahlpumpe ausgebildete Zuführeinrichtung 24 in dem Rückführpfad gepulst mit Wasserstoff beschickt werden. Die gepulste Beschickung kann beispielsweise mit einem Dosierventil 32 zwischen der als Strahlpumpe ausgebildeten Zuführeinrichtung 24 und dem Wasserstoffvorrat 34 realisiert werden.
Die Fig. 8 zeigt einen Zentrifugalabscheider 16 eines Aufbereitungssystems 10, welcher zwei Abscheidekammern aufweist. In einer ersten Abscheidekammer ist eine ein Tellerpaket 62 umfassende Abscheideeinrichtung 60 angeordnet, welche aus einer über den Einlass 56 einströmenden Rückführströmung flüssiges Wasser abscheidet. Das abgeschiedene Wasser wird über den Auslass 58b ausgeleitet. Die von flüssigem Wasser befreite und Wasserstoff umfassende Rückführströmung wird über den Auslass 58a aus dem Zentrifugalabscheider 16 abgeleitet.
In die zweite Abscheidekammer wird über den Einlass 82 eine befeuchtete Sauerstoff-Versorgungsströmung eingeleitet. Durch das rotierende Tellerpaket 80 wird innerhalb der zweiten Abscheidekammer flüssiges Wasser aus der Sauerstoff-Versorgungsströmung abgeschieden, wobei das abgeschiedene Wasser dann über den Auslass 84a aus dem Zentrifugalabscheider 16 ausgeleitet wird. Die von Wasser befreite Sauerstoff-Versorgungsströmung wird über den Auslass 84b aus dem Zentrifugalabscheider 16 ausgeleitet.
Bezuqszeichen
10 Aufbereitungssystem
12 Wasserstoff-Rückführpfad
14 Leitungssystem
16 Zentrifugalabscheider
18 Ablassventil
20 Fördereinrichtung
22a-22e Leitungsabschnitte
24 Zuführeinrichtung
26 Zentrifugalabscheider
28 Ablassventil
30 Zuführleitung
32 Dosierventil
34 Wasserstoffvorrat
36 Kathodenseite
38 Filter
40 Kompressor
42 T empereiereinrichtung
44 Befeuchter
46 Zusatzabscheideeinrichtung
48 Zusatzabscheideeinrichtung
50 Expander
52 Kühlmittelkreislauf
54 lonentauscher
56 Einlass
58a-58c Auslässe
60 Abscheideeinrichtung
62 Tellerpaket
64 Fördereinrichtung
66 Antriebswelle
68a, 68b Abscheideteller 70 Förderelemente 72 Rotationsachse
74 Abscheiderantrieb
76 Bypass-Ventil
78 Bypass-Leitung
80 Tellerpaket
82 Einlass
84a, 84b Auslässe 100 Brennstoffzellensystem
102 Brennstoffzelle
FL Förderleistung
FLi, FL2 Förderleistungen VS Volumenstrom

Claims

Ansprüche
1. Aufbereitungssystem (10) zum Aufbereiten einer aus einer Brennstoffzelle (102) austretenden und Wasserstoff umfassenden Rückführströmung, gekennzeichnet durch einen aktiven Zentrifugalabscheider (16, 26), welcher dazu eingerichtet ist, flüssiges Wasser aus der Rückführströmung abzuscheiden.
2. Aufbereitungssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Zentrifugalabscheider (16, 26) als
Tellerseparator ausgebildet ist.
3. Aufbereitungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen, insbesondere steuerbaren und/oder elektromotorischen, Abscheiderantrieb (74), welcher dazu eingerichtet ist, den aktiven Zentrifugalabscheider (16, 26) rotatorisch anzutreiben.
4. Aufbereitungssystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Leitungssystem (14), über welches die Rückführströmung dem aktiven Zentrifugalabscheider (16, 26) zuführbar und/oder über welches die Rückführströmung von dem aktiven Zentrifugalabscheider (16, 26) abführbar ist, wobei der aktive Zentrifugalabscheider (16, 26) dazu eingerichtet ist, die Förderung der Rückführströmung in dem Leitungssystem (14) zu unterstützen.
5. Aufbereitungssystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Zentrifugalabscheider (16, 26) eine rotierend antreibbare Abscheideeinrichtung (60) zur Abscheidung von Wasser aus der Rückführströmung aufweist, wobei die
Abscheideeinrichtung (60) vorzugsweise dazu eingerichtet ist, neben der Abscheidefunktion zusätzlich eine Förderfunktion zum Fördern der Rückführströmung in einem Leitungssystem (14) des Aufbereitungssystems (10) umzusetzen.
6. Aufbereitungssystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheideeinrichtung (60) einen oder mehrere Abscheideteller (68a, 68b) aufweist, wobei ein Abscheideteller (68a, 68b) oder mehrere oder sämtliche Abscheideteller (68a, 68b) jeweils ein oder mehrere das Fördern der Rückführströmung unterstützende Förderelemente (70) aufweisen.
7. Aufbereitungssystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Zentrifugalabscheider (16, 26) eine Fördereinrichtung (64) zum Unterstützen der Rückführströmung umfasst, wobei die Fördereinrichtung (64) in Strömungsrichtung der Rückführströmung vorzugsweise vor oder hinter der Abscheideeinrichtung
(60) angeordnet ist.
8. Aufbereitungssystem (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (64) und die Abscheideeinrichtung (60) kinematisch miteinander gekoppelt sind.
9. Aufbereitungssystem (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (64) ein Pumpenrad, ein Förderrad, einen Schraubenkompressor und/oder einen Seitenkanalverdichter umfasst.
10. Aufbereitungssystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine Bypass-Leitung (78), welche dazu eingerichtet ist, die Rückführströmung an der Fördereinrichtung (64) vorbeizuleiten.
11. Aufbereitungssystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Zentrifugalabscheider (16, 26) dazu eingerichtet ist, gasförmigen Stickstoff aus der Rückführströmung abzuscheiden. 12. Aufbereitungssystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen oder mehrere physikalische oder chemische Filter oder Adsorbentien, welche dazu eingerichtet sind, Stickstoff aus der Rückführströmung abzuscheiden. 13. Aufbereitungssystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zuführeinrichtung (24), welche dazu eingerichtet ist, die Rückführströmung nach der Wasserabscheidung durch den aktiven Zentrifugalabscheider (16) einem Wasserstoff-Hauptzustrom für die Brennstoffzelle (102) zuzuführen.
14. Aufbereitungssystem (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (24) als Strahlpumpe ausgebildet ist. 15. Aufbereitungssystem (10) nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch ein Dosierventil (32), über welches die Zuführeinrichtung (24) gepulst mit Wasserstoff beschickbar ist.
16. Aufbereitungssystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zusatzabscheideeinrichtung (46, 48), welche dazu eingerichtet ist, flüssiges Wasser aus einer Sauerstoff umfassenden Sauerstoff-Versorgungsströmung, insbesondere auf einer Kathodenseite (36) der Brennstoffzelle (102), abzuscheiden, wobei die Zusatzabscheideeinrichtung (46, 48) und die Abscheideeinrichtung (60) vorzugsweise kinematisch miteinander gekoppelt sind.
17. Verfahren zum Aufbereiten einer aus einer Brennstoffzelle (102) austretenden und Wasserstoff umfassenden Rückführströmung mittels eines Aufbereitungssystems (10), insbesondere mittels eines Aufbereitungssystems (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt:
Abscheiden von flüssigem Wasser aus der Rückführströmung mittels eines aktiven Zentrifugalabscheiders (16, 26) des
Aufbereitungssystems (10).
18. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen, mehrere oder sämtliche der folgenden Schritte: rotatorisches Antreiben des aktiven Zentrifugalabscheiders (16, 26) mittels eines, insbesondere steuerbaren und/oder elektromotorischen, Abscheiderantriebs (74) des Aufbereitungssystems (10); - Steuern oder Regeln des Betriebs, insbesondere der Drehzahl, des
Abscheiderantriebs (74) mittels einer Steuerungseinrichtung des Aufbereitungssystems (10);
Unterstützen der Förderung der Rückführströmung in einem Leitungssystem (14) des Aufbereitungssystems (10) durch den aktiven Zentrifugalabscheider (16, 26).
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführströmung in einem Leitungssystem (14) des Aufbereitungssystems (10) durch eine eine Förderfunktion umsetzende Abscheideeinrichtung (60) des aktiven
Zentrifugalabscheiders (16, 26) oder durch eine separat zu einer Abscheideeinrichtung (60) des aktiven Zentrifugalabscheiders (16, 26) ausgebildete Fördereinrichtung (64) des aktiven Zentrifugalabscheiders (16, 26) unterstützt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, gekennzeichnet durch einen, mehrere oder sämtliche der folgenden Schritte: Vorbeileiten der Rückführströmung an der Fördereinrichtung (64) mittels einer Bypass-Leitung (78) des aktiven Zentrifugalabscheiders (16, 26);
Abscheiden von gasförmigem Stickstoff aus der Rückführströmung mittels des aktiven Zentrifugalabscheiders (16, 26);
Zuführen der Rückführströmung nach der Wasserabscheidung durch den aktiven Zentrifugalabscheider (16, 26) zu einem Wasserstoff- Hauptzustrom für die Brennstoffzelle (102); gepulstes Beschicken der Zuführeinrichtung (24) mit Wasserstoff über ein Dosierventil (32) des Aufbereitungssystems (10);
Abscheiden von flüssigem Wasser aus einer Sauerstoff umfassenden Sauerstoff-Versorgungsströmung, insbesondere auf einer Kathodenseite (36) der Brennstoffzelle (102), mittels einer Zusatzabscheideeinrichtung (46, 48) des Aufbereitungssystems (10).
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