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 FL ₂ 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