AT523780B1 - Separiervorrichtung zum Separieren von flüssigem Wasser aus einem Rezirkulationsgas in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Separiervorrichtung (10) zum Separieren von flüssigem Wasser (W) aus einem Rezirkulationsgas (RG) in einem Rezirkulationsabschnitt (160) eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen Grundkörper (20) mit einem Zyklonabschnitt (30) mit spiralförmigem Querschnitt zum Separieren von flüssigem Wasser (W) aus dem Rezirkulationsgas (RG) und einem Auffangabschnitt (40) zum Auffangen des separierten flüssigen Wassers (W), wobei der Grundkörper (20) zumindest einen Gaseinlass (22) stromaufwärts des Zyklonabschnitts (30) zum Einlass von Rezirkulationsgas (RG) und einen Gasauslass (24) stromabwärts des Zyklonabschnitts (30) zum Auslass von Rezirkulationsgas (RG) aufweist, wobei der Grundkörper (20) wenigstens einen zweiten Gaseinlass (22) stromaufwärts des Zyklonabschnitts (30) für einen Einlass von Rezirkulationsgas (RG), insbesondere von einem zweiten Brennstoffzellenstapel (110), aufweist.

Description

Beschreibung

SEPARIERVORRICHTUNG ZUM SEPARIEREN VON FLÜSSIGEM WASSER AUS EINEM REZIRKULATIONSGAS IN EINEM BRENNSTOFFZELLENSYSTEM

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Separiervorrichtung zum Separieren von flüssigem Wasser aus einem Rezirkulationsgas in einem Rezirkulationsabschnitt eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer solchen Separiervorrichtung sowie ein Verfahren für eine Montage einer solchen Separiervorrichtung.

[0002] Es ist grundsätzlich bekannt, dass in Brennstoffzellensystemen Abgase Wasser aufweisen können. Dabei handelt es sich insbesondere um Kondenswasser, welches in dem entsprechenden Abgas, zum Beispiel dem Anodenabgas oder dem Kathodenabgas, gebildet worden ist. Auch ist es bekannt, solches auch als Produktwasser bezeichnetes Wasser in dem jeweiligen Abgas abzuscheiden und aus dem Brennstoffzellensystem auszubringen oder innerhalb des Brennstoffzellensystems weiter zu verwenden.

[0003] Weitere Separiervorrichtungen sind beispielsweise aus der EP 2011557 A1, der US 2010183939 A1 und der DE 102019101175 A1 bekannt.

[0004] Um bei bekannten Brennstoffzellensystemen eine solche Wasserabscheidung durchzuführen ist üblicherweise im Anodenabführabschnitt und/oder im Kathodenabführabschnitt ein entsprechender Wasserabscheider angeordnet, welcher solches Flüssigwasser, das in der Regel Produktwasser und Kondenswasser umfasst, über ein sogenanntes Drainventil, an die Umgebung abführen oder wieder ins System einspeisen kann.

[0005] Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist jedoch, dass aktuelle Wasserabscheider einfache Bauteile sind und/oder umfassen und das hohe Maß an integrierten Funktionen nicht aufweisen. Dadurch sind bauraumintensive Lösungen nötig, um alle gewünschten Funktionen in das System zu integrieren. Zusätzlich sind aktuelle Lösungen nur für eine einzige Einbaurichtung konzipiert und bieten nicht die Möglichkeit in ihrer Lage verändert eingebaut zu werden. Des Weiteren ist die Strömungsführung der aktuellen Abscheider nicht für die Anforderungen einer passiven Rezirkulation ausgelegt. Aktuelle Abscheider können nur für einen einzigen Brennstoffzellenstapel und nicht für Brennstoffzellensysteme mit mehreren Stapeln verwendet werden.

[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Abtrennung von Produktwasser zu vereinfachen und insbesondere in das System des Brennstoffzellensystems möglichst gut zu integrieren.

[0007] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Separiervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Separiervorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0008] Erfindungsgemäß wird eine Separiervorrichtung zum Separieren von flüssigem Wasser aus einem Rezirkulationsgas in einem Rezirkulationsabschnitt eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Hierfür weist eine solche Separiervorrichtung einen Grundkörper mit einem Zyklonabschnitt mit spiralförmigem Querschnitt zum Separieren von flüssigem Wasser aus dem Rezirkulationsgas auf. Darüber hinaus ist dieser Grundkörper mit einem Auffangabschnitt ausgestattet zum Auffangen des separierten flüssigen Wassers. Darüber hinaus weist der Grundkörper zumindest einen Gaseinlass stromaufwärts des Zyklonabschnitts zum Einlass von Rezirkulationsgas sowie einen Gasauslass stromabwärts des Zyklonabschnitts zum Auslass von Rezirku-

lationsgas auf.

[0009] Der erfindungsgemäße Kerngedanke ist es nun, die Separiervorrichtung in einen Rezirkulationsabschnitt eines Brennstoffzellensystems integrierbar auszugestalten. Dies erlaubt es, Rezirkulationsgas, also Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel, welches dem Zuführgas zum Brennstoffzellenstapel wieder rezirkulierend zugeführt werden soll, zu trocknen und/oder von Flüssigwasser zu befreien. Das Rezirkulationsgas ist dabei insbesondere Anodenabgas, welches zumindest teilweise einem Anodenzuführgas rezirkulierend zugeführt werden soll. Somit wird es möglich, diese Rezirkulationsfunktion mit der Trocknungsfunktion und/oder Entfeuchtungsfunktion für dieses Rezirkulationsgas konstruktiv zu kombinieren und auf diese Weise die Komplexität der Rezirkulation und der Separierung zu reduzieren.

[0010] Als Flüssigwasser wird im Rahmen der Erfindung insbesondere Produktwasser und Kondenswasser verstanden. Sprich, Flüssigwasser umfasst Produktwasser und Kondenswasser.

[0011] Ein weiterer erfindungsgemäßer Kerngedanke beruht auf der Verwendung eines Zyklonabschnitts mit einem spiralförmigen Querschnitt. Unter einem Zyklonsabschnitt mit spiralförmigem Querschnitt ist zu verstehen, dass das Rezirkulationsgas entlang des spiralförmigen Querschnitts in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Dabei kann der Zyklonabschnitt zusätzlich eine kegelförmige Längserstreckung aufweisen, um die Zyklonwirkung noch weiter zu verstärken. Grundsätzlich reicht es jedoch auch aus, wenn der spiralförmige Querschnitt des Zyklonabschnitts eine zylindrische oder im Wesentlichen zylindrische Ausgestaltung aufweist, um entsprechend der Zyklonfunktionalität die flüssigen Wasserbestandteile aus dem gasförmigen Rest des Rezirkulationsgases abzutrennen.

[0012] Erfindungsgemäß ist es nun möglich, dass feuchtes Rezirkulationsgas, insbesondere Anodenabgas, über den Gaseinlass in den Grundkörper eindringt und dem Zyklonabschnitt zugeführt wird. Durch den spiralförmigen Querschnitt im Zyklonabschnitt wird eine entsprechende Führung des Rezirkulationsgases zur Verfügung gestellt, welche das Rezirkulationsgas entlang diesem spiralförmigen Querschnitt in eine Rotationsbewegung versetzt. Durch diese Rotationsbewegung wird durch das Zyklonprinzip eine Abscheidung von flüssigen Wasserpartikeln zur Verfügung gestellt, welche anschließend entlang einer Schwerkraftrichtung nach unten bewegt werden. Nach dieser Abtrennung durch das Zyklonprinzip kann das verbleibende Rezirkulationsgas, welches nun auch als getrocknetes Rezirkulationsgas bezeichnet werden kann, den Zyklonabschnitt wieder über den Gasauslass verlassen. Mit anderen Worten wird über den Gaseinlass feuchtes Rezirkulationsgas in den Grundkörper eingebracht und über den Gasauslass getrocknetes und/oder entfeuchtetes Rezirkulationsgas wieder ausgebracht.

[0013] Um eine Weiterverwendung oder gezielte Abführung des aufgefangenen und separierten flüssigen Wassers zu gewährleisten, ist zusätzlich innerhalb des Grundkörpers ein Auffangabschnitt vorgesehen. Dieser Auffangabschnitt ist vorzugsweise in Einbauposition in Schwerkraftrichtung unterhalb des Zyklonabschnitts angeordnet, sodass durch das Zyklonprinzip abgeschiedenes flüssiges Wasser entlang der Schwerkraftrichtung aus dem Zyklonabschnitt automatisch in den Auffangabschnitt bewegt wird. Dabei kann dieser Auffangabschnitt zusätzlich, wie dies später noch erläutert wird, auch einen Sammelbehälter aufweisen, um eine temporäre Lagerung des separierten flüssigen Wassers und insbesondere auch Wiederverwendung desselben im System zur Verfügung stellen zu können. Eine Wiederverwendung kann beispielsweise zur Befeuchtung eines trockenen Luftmassenstroms der Kathode erfolgen.

[0014] Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, ist nun ein hoher Grad an Integration erzielbar. So ist die Trennfunktionalität zur Trocknung des Rezirkulationsgases durch den Zyklonabschnitt besonders einfach und kompakt ausgestaltet. Darüber hinaus ist diese Trocknungsfunktionalität mit der Rezirkulationsfunktionalität kombiniert, da das Rezirkulationsgas nach dem Trocknungsschritt im Zyklonabschnitt in getrocknetem Zustand als Rezirkulationsgas einem Anodenzuführgas wieder zugeführt werden kann. Den hohen Grad der Integration erkennt man insbesondere daran, dass der Zyklonabschnitt und der Auffangabschnitt für das separierte flüssige Wasser in einem gemeinsamen Grundkörper integriert sind, sodass die Kompaktheit einer solchen Separiervorrichtung noch weiter erhöht worden ist.

[0015] Durch die kompakte und einfache Ausgestaltung der Separiervorrichtung in dem gemeinsamen Grundkörper wird es möglich, diesen Teil eines Rezirkulationsabschnitts, welcher durch die Separiervorrichtung ausgebildet wird, zum Beispiel in eine zentrale Medienversorgung eines Brennstoffzellensystems zu integrieren. Der hohe Grad der Integration wird dann noch deutlicher, wenn das Brennstoffzellensystem zwei oder mehr Brennstoffzellenstapel aufweist, für welche ein und dieselbe zentrale Medienversorgung und/oder ein und dieselbe erfindungsgemäße Separiervorrichtung eingesetzt werden kann.

[0016] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung der Grundkörper ein erstes Grundkörperbauteil, welches den Zyklonabschnitt wenigstens abschnittsweise ausbildet, und ein zweites Grundkörperbauteil aufweist, welches den Auffangabschnitt wenigstens abschnittsweise ausbildet. Insbesondere ist der Zyklonabschnitt vollständig oder im Wesentlichen vollständig im ersten Grundkörperbauteil ausgebildet. Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn im zweiten Grundkörperbauteil der Auffangabschnitt vollständig oder im Wesentlichen vollständig ausgebildet ist. Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn das erste Grundkörperbauteil und das zweite Grundkörperbauteil die beiden ausschließlichen oder im Wesentlichen ausschließlichen Hauptbestandteile des Grundkörpers sind, welche somit nach der Montage zusammen den Grundkörper vollständig oder im Wesentlichen vollständig ausbilden. Die Aufteilung des Grundkörpers in zwei oder mehr Grundkörperbauteile bringt zwar eine erhöhte Komplexität des Grundkörpers mit sich, erleichtert aber die Fertigung sowie die Flexibilität desselben. Vorteilhaft kann also die Funktionalität des Wasserabscheiders an Anforderungen des Brennstoffzellensystems angepasst werden. Zusätzlich ermöglicht die modulare Bauweise eine flexible Anpassung an eine Einbaulage des Wasserabscheiders; ein Brennstoffzellenstapel kann liegend oder stehend in das Brennstoffzellensystem eingebaut werden. Insbesondere können die einzelnen Grundkörperbauteile kostengünstig aus einem Kunststoffmaterial, zum Beispiel im Spritzgussverfahren gefertigt werden. Um dies zu erzielen, sind insbesondere Hinterschnitte und andere komplexe Geometrien der einzelnen Grundkörperbauteile reduziert oder sogar vollständig vermieden. Beim Zusammenführen der Grundkörperbauteile bei der Montage werden diese vorzugsweise über Kontaktflächen miteinander kontaktierend verbunden, sodass die Kontaktflächen und/oder Kontaktlinien zwischen allen Grundkörperbauteilen Dichtlinien ausbilden, welche eine fluiddichte Abdichtung des Innenraums des Grundkörpers gegenüber der Umgebung gewährleisten.

[0017] Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung sich der Zyklonabschnitt entlang einer Zyklonachse erstreckt, welcher entlang einer Montageachse des ersten Grundkörperbauteils und des zweiten Grundkörperbauteils ausgerichtet ist. Eine solche Zyklonachse wird dabei insbesondere durch den spiralförmigen Querschnitt des Zyklonabschnitts definiert. So kann eine solche Zyklonachse zum Beispiel die zentrale Spiralachse eines solchen spiralförmigen Querschnitts darstellen. Auch kann die Zyklonachse als Rotationsachse für einen kegelförmigen und/oder zylindrischen Zyklonabschnitt verstanden werden. Durch die Korrelation dieser Ausführungsform für die Zyklonachse und die Montageachse wird die Montage des Grundkörpers weiter vereinfacht. Die Zyklonachse und die Montageachse sind dabei vorzugsweise parallel oder im Wesentlichen parallel, insbesondere koaxial und/oder im Wesentlichen koaxial zueinander ausgerichtet.

[0018] Dies erlaubt es, das zweite Grundkörperbauteil in das erste Grundkörperbauteil entlang der Montageachse und damit gleichzeitig entlang der Zyklonachse einzuschieben und damit ein einfaches Montieren zu gewährleisten. Die bereits erläuterte Abdichtung zwischen den Grundkörperbauteilen erfolgt vorzugsweise entlang einer oder mehrerer Dichtlinien, welche vorzugsweise in einer gemeinsamen Dichtebene angeordnet sind. Diese gemeinsame Dichtebene ist insbesondere quer oder im Wesentlichen quer zur Zyklonachse und/oder quer zur Montageachse ausgerichtet. Mit anderen Worten steht die Zyklonachse, und damit die Montageachse, insbesondere senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Trennebene, welche damit auch eine Dichtebene darstellt, zwischen den einzelnen Grundkörperbauteilen des Grundkörpers.

[0019] Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung das erste Grundkörperbauteil den Gaseinlass und das zweite Grundkörperbauteil den

Gasauslass aufweist. Darunter ist zu verstehen, dass Gaseinlass und Gasauslass auf unterschiedliche Grundkörperbauteile aufgeteilt sind. Jedoch ist es grundsätzlich auch denkbar, dass Gaseinlass und Gasauslass in ein und demselben Grundkörperbauteil, insbesondere im ersten Grundkörperbauteil, angeordnet sind, um eine erleichterte Herstellung dieses ersten Grundkörperbauteils zur Verfügung zu stellen, da hinsichtlich Fertigungsungenauigkeiten keine Rücksicht auf weitere Grundkörperbauteile gewonnen werden muss. Mit anderen Worten werden die Relativpositionen von Gaseinlass und Gasauslass auf diese Weise einfach und kostengünstig vorteilhafterweise in einem einzigen Grundkörperbauteil zur Verfügung gestellt.

[0020] Vorgesehen ist es darüber hinaus, dass der Grundkörper wenigstens einen zweiten Gaseinlass stromaufwärts des Zyklonabschnitts für einen Einlass von Rezirkulationsgas, insbesondere von einem zweiten Brennstoffzellenstapel, aufweist. Wie bereits erläutert worden ist, kann eine erfindungsgemäße Separiervorrichtung die Vorteile der Integration und der reduzierten Komplexität, insbesondere auch bei hochkomplexen Brennstoffzellensystemen mit mehreren Brennstoffzellenstapeln, zur Verfügung stellen. So ist es nun denkbar, dass Rezirkulationsgas nicht nur von einem Brennstoffzellenstapel, sondern auch von einem zweiten oder weiteren Brennstoffzellenstapeln rezirkulierend dem Anodenzuführgas zurückgeführt werden soll. bei einem solchen komplexen Brennstoffzellensystem ist insbesondere eine zentrale Versorgung mit Anodenzuführgas vorteilhaft, welches nach der zentralen Versorgungsleitung auf die einzelnen Anodenabschnitte der Brennstoffzellenstapel aufgeteilt wird. Für die Rezirkulation erfolgt insbesondere eine Kombination der Rezirkulationsgasströme in den zentralen Anodenzuführstrom, um anschlieBend wieder auf die Anodenabschnitte aufgeteilt zu werden. Die Integration dieser Kombinationsfunktion von Rezirkulationsgasen unterschiedlicher Brennstoffzellenstapel in der gemeinsamen Separiervorrichtung erhöht den Vorteil der reduzierten Komplexität weiter. Bevorzugt sind die unterschiedlichen Gaseinlässe auf unterschiedlichen Höhen und/oder and unterschiedlichen Positionen des Grundkörpers angeordnet. Für jedes Rezirkulationsgas aus jedem Brennstoffzellenstapel ist damit vorzugsweise auch ein zugehöriger, eindeutiger und spezifischer Gaseinlass zur Verfügung gestellt.

[0021] Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung die Gaseinlässe jeweils eine Einlassrichtung aufweisen, welche gleich oder im Wesentlichen gleich ausgerichtet sind. Sind gemäß dem voranstehenden Absatz also zwei oder mehr Gaseinlässe vorgesehen, so führen diese Gaseinlässe das Rezirkulationsgas entlang der Einlassrichtung in den Zyklonabschnitt. Bereits bei einem einzigen Gaseinlass ist es vorteilhaft, wenn diese Einlassrichtung entlang einer Wandung des spiralförmigen Querschnitts des Zyklonabschnitts ausgerichtet ist, um die Rotationsfunktion für die Trennfunktionalität im Zyklonabschnitt weiter zu unterstützen. Sind zwei oder mehr Gaseinlässe vorgesehen, so sind diese Einlassrichtungen vorzugsweise gleich ausgerichtet, insbesondere in oder im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene. Dies unterstützt das tangentiale Einbringen der einzelnen Rezirkulationsströme und auf diese Weise die Trennfunktionalität im Zyklonabschnitt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Gaseinlässe auf unterschiedlichen Höhenpositionen des Zyklonabschnitts vorgesehen sind. Die Einlassrichtung definiert dabei vorzugsweise eine gleiche Richtung mit einem gleichen oder im Wesentlichen gleichen radialen Abstand bezüglich der Zyklonachse des Zyklonabschnitts.

[0022] Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung innerhalb des Grundkörpers, wenigstens ein Sensorelement zur Bestimmung eines Sensorparameters, insbesondere eines der folgenden, angeordnet ist:

- Drucksensor,

- Temperatursensor,

- Strömungssensor,

- Gassensor,

- Feuchtigkeitssensor,

- Flüssigkeitsstandssensor.

[0023] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Ein Drucksensor erlaubt es insbesondere im Gaseinlass, im Zyklonabschnitt und/oder im Gasauslass den entsprechenden Innendruck zu bestimmen und einer weiteren (wesentlichen) Kontrollfunktion für das Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen. In gleicher Weise ist es auch möglich über Temperatursensoren innerhalb des Gaseinlasses, des Zyklonabschnitts und/oder des Gasauslasses und/oder auch im Auffangabschnitt die entsprechenden Einzeltemperaturen zu bestimmen. Gleiches gilt für entsprechend angeordnete Strömungssensoren für Strömungsgeschwindigkeiten und/oder Gassensoren für die Erkennung bestimmter Gasbestandteile in quantitativer und/oder in qualitativer Weise. Auch die Feuchtigkeit, insbesondere im Gaseinlass und/oder im Gasauslass ist mit einem Sensor erkennbar, um die Trocknungsfunktion und auch den Trocknungserfolg innerhalb der Separiervorrichtung überwachen zu können. Mit Hilfe eines integrierten Flüssigkeitsstandssensors ist im Auffangabschnitt, insbesondere in einem darin vorgesehenen Sammelbehälter, der Flüssigkeitsstand überwachbar, um ein definiertes Auslassen von separiertem, flüssigem Wasser gewährleisten zu können. Bei dieser Ausführungsform zeigt sich nochmals der hohe Grad der Integration, da eine Vielzahl von Sensorelementen nicht nur in die Separiervorrichtung, sondern insbesondere in den zugehörigen Grundkörper integriert sind.

[0024] Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung der Grundkörper stromabwärts des Zyklonabschnitts, insbesondere als Teil des Auffangabschnitts, einen Sammelbehälter für ein Sammeln des separierten flüssigen Wassers aufweist. Ein solcher Sammelbehälter erlaubt ein Zwischenspeichern beziehungsweise Puffern des aufgefangenen flüssigen Wassers. Das entsprechende Ablassen des aufgefangenen flüssigen Wassers ist dabei an die Umgebung oder zur Weiternutzung innerhalb des Brennstoffzellensystems möglich. Vorzugsweise ist der Sammelabschnitts beziehungsweise der Sammelbehälter in den Auffangabschnitt und damit insbesondere in das zugehörige separate zweite Gehäusebauteil des Grundkörpers integriert. Der zweite Gehäuseteil kann aufgrund seiner Geometrie flexibel an die Einbaulage angepasst werden, um dadurch unabhängig von eine Brennstoffzellenstapelposition zu sein.

[0025] Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung stromabwärts des Gasauslasses eine Einbringvorrichtung, insbesondere in Form einer Injektorvorrichtung und/oder einer Ejektorvorrichtung, für ein Einbringen des Rezirkulationsgases aus dem Gasauslass in einen Anodenzuführabschnitt des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Eine solche Einbringvorrichtung kann dabei Teil des Grundkörpers oder ein separates Bauteil sein. Eine Injektorvorrichtung erlaubt es ein unter Druck gesetztes getrocknetes Rezirkulationsgas in ein Anodenzuführgas oder einen entsprechenden Mischabschnitt einzubringen. Eine Ejektorvorrichtung erlaubt es durch ausgebildeten Unterdruck im Bereich des Anodenzuführgases das getrocknete Rezirkulationsgas anzusaugen und aus dem Gasauslass dem Anodenzuführgas zuzuführen. Die Vermischung mit frischem Anodengas wird auf diese Weise deutlich verbessert und insbesondere eine passive Rezirkulation zur Verfügung stellbar. Selbstverständlich ist es hier auch möglich ein zusätzliches Sperrventil zu integrieren, um die Rezirkulation vollständig zu stoppen beziehungsweise einzuschalten und/oder quantitative zu kontrollieren.

Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung stromabwärts des Gasauslasses, insbesondere vor einer Einbringvorrichtung, ein Auslassventil angeordnet ist. Ein solches Auslassventil kann auch als Purgeventil bezeichnet werden und wird insbesondere während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems geöffnet. Der Einfluss eines solchen Auslassventils auf den regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems und insbesondere auf die Funktion der Rezirkulation des Rezirkulationsgases, wird auf diese Weise reduziert oder sogar minimiert. Dies erfolgt dadurch, dass während eines Purge-Vorgangs die allgemeine Strömungsrichtung der Rezirkulation nicht gestört wird. Unter einem Auslassventil wird im Rahmen der Erfindung ein sogenanntes Purge-Ventil, also ein Gasauslass, verstanden, zur Reduktion von N2 im Rezirkulationspfad.

[0026] Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung der Auffangabschnitt ein Ablassventil aufweist für ein definiertes Ablassen von sepa-

riertem, flüssigem Wasser. Ein solches Ablassventil kann auch als Drainventil bezeichnet werden und dient dazu definiert Wasser aus der Separiervorrichtung herauszuführen. Dieses Ablassventil kann dabei entsprechenden Auslassabschnitten zur Weiterverwendung des flüssigen Wassers dieses dem Brennstoffzellensystem zuführen. Auch eine Abfuhr des flüssigen Wassers an die Umgebung ist über das Ablassventil im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar. Bevorzugt ist ein solches Ablassventil mit einem entsprechenden Füllstandssensor im Auffangabschnitt und/oder in einem darin integrierten Sammelbehälter kombiniert. Unter einem Ablassventil ist im Rahmen der Erfindung ein Drain-Valve zu verstehen, über welches Flüssigwasser abscheidbar ist.

[0027] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend:

- zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt,

- einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas zu dem Anodenabschnitt,

- einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt,

- einen Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas, - einen Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas,

- einen Rezirkulationsabschnitt zum Rezirkulieren von wenigstens einem Teil des Anodenabgases als Rezirkulationsgas aus dem Anodenabführabschnitt in den Anodenzuführabschnitt.

[0028] Dabei ist im Rezirkulationsabschnitt wenigstens eine erfindungsgemäße Separiervorrichtung angeordnet. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Separiervorrichtung erläutert worden sind.

[0029] Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wenigstens zwei, insbesondere identische oder im Wesentliche identische, Brennstoffzellenstapel vorgesehen sind. Dabei ist die Separiervorrichtung am Ende der beiden Rezirkulationsabschnitte als gemeinsame Separiervorrichtung für beide Rezirkulationsgase der wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel angeordnet. Mit anderen Worten erfüllt die Separiervorrichtung hier zusätzlich die Kombinationsfunktionalität, nämlich um die beiden Rezirkulationsgase aus zwei separaten Brennstoffzellenstapeln zusammenzuführen und zu kombinieren. Die Funktionalität der Trocknung des Rezirkulationsgases wird damit durch die gemeinsame Separiervorrichtung sozusagen zentral zur Verfügung gestellt, wodurch die Komplexität des Brennstoffzellensystems auch bei der Nutzung von mehr als einem Brennstoffzellenstapel weiter verbessert und insbesondere reduziert werden kann.

[0030] Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Separiervorrichtung in eine zentrale Medienversorgungseinheit, insbesondere für mehrere Brennstoffzellenstapel, integriert ist. Eine solche zentrale Medienversorgungseinheit kann insbesondere an einer zentralen Positionierung des Brennstoffzellensystems vorgesehen sein. Die Medienversorgungseinheit erlaubt damit einen zentralen Anschluss, insbesondere an das Anodenzuführgas, zum Beispiel eine entsprechende Wasserstoffversorgung. Dadurch, dass nun die Separiervorrichtung ebenfalls in diese zentrale Medienversorgungseinheit integriert ist, werden die erfindungsgemäßen Vorteile hinsichtlich reduziertem Bauraum und reduzierten Kosten in verbesserter Weise erzielbar. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellenstapel aufweist.

[0031] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für eine Montage einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung, aufweisend die folgenden Schritte:

- Ausbilden des Zyklonabschnitts,

- Ausbilden des Auffangabschnitts,

- Zusammenführen des Zyklonabschnitts und des Auffangabschnitts zu dem Grundkörper unter Ausbildung einer fluidkommunizierenden Verbindung zwischen dem Zyklonabschnitt und dem Auffangabschnitt.

[0032] Durch die Ausbildung einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Separiervorrichtung erläutert worden sind. Das Ausbilden des Zyklonabschnitts und/oder des Auffangabschnitts kann dabei zum Beispiel durch ein Spritzgussverfahren zur Verfügung gestellt werden. Jedoch sind bei komplexen Geometrien auch andere Ausbildungsverfahren, zum Beispiel dreidimensionale Druckverfahren, denkbar. Der Schritt des Zusammenfügens beinhaltet insbesondere ein Ineinanderschieben unterschiedlicher Gehäusebauteile, um einen gemeinsamen Grundkörper auszubilden.

[0033] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

[0034] Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Separiervorrichtung an einem Brennstoffzellensystem,

[0035] Fig. 2 die Ausführungsform der Figur 1 in einem ersten Querschnitt,

[0036] Fig. 3 die Ausführungsform der Figuren 1 und 2 in einem zweiten Querschnitt, [0037] Fig. 4 ein erstes Grundkörperbauteil in einem ersten Querschnitt,

[0038] Fig. 5 das erste Grundkörperbauteil der Figur 4 in perspektivischer Darstellung, [0039] Fig. 6 ein zweites Grundkörperbauteil in perspektivischer Darstellung,

[0040] Fig. 7 das zweite Grundkörperbauteil der Figur 6 in Draufsicht,

[0041] Fig. 8 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und

[0042] Fig. 9 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

[0043] Figur 1 zeigt schematisch wie bei einem Brennstoffzellensystem 100 eine Separiervorrichtung 10 in eine zentrale Medienversorgungseinheit 180 integriert sein kann. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren 8 und 9 und den darin dargestellten Brennstoffzellensystemen 100 zu verstehen. Bei dieser Ausführungsform der Figur 1 ist ein Grundkörper 20 zu erkennen, welcher ein erstes Grundkörperbauteil 20a und ein zweites Grundkörperbauteil 20b aufweist. Uber zwei separate Gaseinlässe 22 kann von zwei separaten Brennstoffzellenstapeln 110 Rezirkulationsgas RG eingeführt werden. Im ersten Gehäusebauteil 20a ist ein in Figur 1 nicht dargestellter Zyklonabschnitt 30 ausgebildet, welcher die Abtrennung von Flüssigwasser in den Auslassabschnitt 40 im zweiten Grundkörperbauteil 20b erlaubt. Auch ist hier nach dem Gasauslass 24 eine Einbringvorrichtung 170 als Ejektor vorgesehen, welcher eine Kombination des Rezirkulationsgases mit frischem Anodenzuführgas erlaubt, um anschließend wieder eine Aufteilung im Anodenzuführabschnitt 120 auf die einzelnen Brennstoffzellenstapel 110 zu erlauben.

[0044] In der Figur 1 ist darüber hinaus noch ein Auslassventil 60 als Purgeventil auf der Oberseite des Grundkörpers 20 zu erkennen. Mit einem Sensorelement 50 ist es hier weiter möglich den Flüssigkeitsstand im Auffangabschnitt 40 des zweiten Grundkörperbauteils 20b zu überwachen und über ein Ablassventil 44, welches auch als Drainventil bezeichnet werden kann, einen Auslass des flüssigen Wassers W zu erlauben.

[0045] Die Figuren 2 und 3 zeigen gut die Funktionalität der Zyklonwirkung für die Separierung von flüssigem Wasser W. Über die beiden Gaseinlässe 22 wird Rezirkulationsgas RG entlang der Einlassrichtungen ER in das erste Grundkörperbauteil 20a eingebracht. Dadurch entsteht eine tangentiale Einlassrichtung ER zu dem spiralförmigen Querschnitt des Zyklonabschnitts 30, welcher insbesondere in der Figur 2 gut zu erkennen ist. Das eingebrachte Rezirkulationsgas RG

wird in eine Rotationsbewegung versetzt und durch diese Rotationsbewegung über die Zyklonfunktionalität flüssiges Wasser W an den Wandungen des spiralförmigen Querschnitts abgeschieden. Entlang der Schwerkraftrichtung wird das auf diese Weise abgeschiedene Wasser W nach unten bewegt und sammelt sich im Auffangabschnitt 40 im zweiten Grundkörperbauteil 20b, wie es die Figur 3 im Querschnitt darstellt. Das flüssige Wasser W kann dort insbesondere als Sammelbehälter 42 zwischengespeichert werden, sodass anschließend nach dieser Pufferung des aufgefangenen flüssigen Wassers W dieses innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 weiterverwendet werden kann. Das auf diese Weise getrocknete Rezirkulationsgas RG strömt im zentralen Rohr des Zyklonabschnitts 30 nach unten und nach dieser Labyrinthfunktion wieder nach oben zum Gasauslass 24. In diesem Bereich ist es möglich mit einem zugeführten Anodenzuführgas über ein eigenes Sperrventil, wie es die Figur 3 zeigt, kombiniert zu werden, um anschlieBend gemeinsam gemischt dem Anodenabschnitt 112 des einen oder mehreren Brennstoffzellenstapels 110 zugeführt zu werden.

[0046] In der Figur 4 ist darüber hinaus im demontierten Zustand das erste Grundkörperbauteil 20a dargestellt. Insbesondere ist hier gut die Zyklonachse ZA, welche gleichzeitig auch die Montageachse MA ausbildet, zu erkennen. Auch sind gut die parallel ausgerichteten Gaseinlässe 22 in der Figur 5 zu erkennen. Im Zusammenspiel mit der Darstellung der Figuren 6 und 7 ist die Montagewirkung zu erläutern. So ist das zweite Grundkörperbauteil 20b ebenfalls mit einer Montageachse MA und hier mit einer identischen Zyklonachse ZA ausgebildet, sodass das zweite Grundkörperbauteil 20b von unten in das erste Grundkörperbauteil 20a eingeführt werden kann. Diese Bewegung erfolgt entlang der Montageachsen MA so lange, bis sich eine entsprechende Dichtlinie der beiden Grundkörperbauteile 20a und 20b berührt und auf diese Weise den Innenraum des Grundkörpers 20 abdichtet.

[0047] Figur 8 zeigt schematisch wie ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 100 ausgebildet sein kann. Anodenzuführgas wird über den Anodenzuführabschnitt 120 hier dem Anodenabschnitt 112 des Brennstoffzellenstapels 110 zugeführt. Ebenfalls wird über den Kathodenzuführabschnitt 140 hier über einen Kompressor Außenluft als Kathodenzuführgas dem Kathodenabschnitt 114 zugeführt. Nach der Reaktion im Brennstoffzellenstapel 110 kann das Anodenabgas über den Anodenabführabschnitt 122 vom Anodenabschnitt 112 abgeführt werden. In ähnlicher Weise erfolgt ein Abführen des Kathodenabgases vom Kathodenabschnitt 114 über den Kathodenabführabschnitt 142. In der Figur 8 ist weiter zu erkennen, dass nun zumindest ein Teil des Anodenabgases über den Rezirkulationsabschnitt 130 über eine erfindungsgemäße Separiervorrichtung 10 und die Einbringvorrichtung 170 wieder dem Anodenzuführabschnitt 120 zugeführt werden kann. Uber das hier dargestellte Ablassventil 44 kann das separierte flüssige Wasser W ausgeschieden und abgeführt oder aber einer weiteren Nutzung im Brennstoffzellensystem 100 zugeführt werden.

[0048] Die Figur 9 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 8, wobei hier das Brennstoffzellensystem 100 zwei Brennstoffzellenstapel 110 aufweist. Um diese mit entsprechendem Anodenzuführgas zu versorgen, teilt sich der Anodenzuführabschnitt 120 auf die beiden Anodenabschnitte 112 der beiden Brennstoffzellenstapel 110 auf. In gleicher Weise ist auch eine Ausbildung in doppelter Aufteilung für die beiden Brennstoffzellenstapel 110 für den Kathodenzuführabschnitt 140 sowie den Anodenabführabschnitt 122 und den Kathodenabführabschnitt 142 vorgesehen. Hier ist nochmals zu erkennen, wie die Rezirkulationsabschnitte 130 der beiden Brennstoffzellenstapel 110 in der gemeinsamen Separiervorrichtung 10 zusammen geführt werden, um anschließend in dem gemeinsamen Teil des Anodenzuführabschnitts 120 das Rezirkulationsgas RG mit frischem Anodenzuführgas zu vermischen.

[0049] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Separiervorrichtung

20 Grundkörper

20a erstes Grundkörperbauteil 20b zweites Grundkörperbauteil 22 Gaseinlass

24 Gasauslass

30 Zyklonabschnitt

40 Auffangabschnitt

42 Sammelbehälter

44 Ablassventil

50 Sensorelement

60 Auslassventil

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 112 Anodenabschnitt

114 Kathodenabschnitt

120 Anodenzuführabschnitt 122 Anodenabführabschnitt 130 Rezirkulationsabschnitt 140 Kathodenzuführabschnitt 142 Kathodenabführabschnitt 170 Einbringvorrichtung

180 zentrale Medienversorgungseinheit

W Wasser

RG Rezirkulationsgas ZA Zyklonachse

MA Montageachse ER Einlassrichtung

Claims (14)

Patentansprüche

1. Separiervorrichtung (10) zum Separieren von flüssigem Wasser (W) aus einem Rezirkulationsgas (RG) in einem Rezirkulationsabschnitt (160) eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen Grundkörper (20) mit einem Zyklonabschnitt (30) mit spiralförmigem Querschnitt zum Separieren von flüssigem Wasser (W) aus dem Rezirkulationsgas (RG) und einem Auffangabschnitt (40) zum Auffangen des separierten flüssigen Wassers (W), wobei der Grundkörper (20) zumindest einen Gaseinlass (22) stromaufwärts des Zyklonabschnitts (30) zum Einlass von Rezirkulationsgas (RG) und einen Gasauslass (24) stromabwärts des Zyklonabschnitts (30) zum Auslass von Rezirkulationsgas (RG) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (20) wenigstens einen zweiten Gaseinlass (22) stromaufwärts des Zyklonabschnitts (30) für einen Einlass von Rezirkulationsgas (RG), insbesondere von einem zweiten Brennstoffzellenstapel (110), aufweist.

2. Separiervorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (20) ein erstes Grundkörperbauteil (20a), welches den Zyklonabschnitt (30) wenigstens abschnittsweise ausbildet, und ein zweites Grundkörperbauteil (20b) aufweist, welches den Auffangabschnitt (40) wenigstens abschnittsweise ausbildet.

3. Separiervorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Zyklonabschnitt (30) entlang einer Zyklonachse (ZA) erstreckt, welche entlang einer Montageachse (MA) des ersten Grundkörperbauteils (20a) und des zweiten Grundkörperbauteils (20b) ausgerichtet ist.

4. Separiervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Grundkörperbauteil (20a) den Gaseinlass (22) und das zweite Grundkörperbauteil (20b) den Gasauslass (24) aufweist.

5. Separiervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlässe (22) jeweils eine Einlassrichtung (ER) aufweisen, welche gleich oder im Wesentlichen gleich ausgerichtet sind.

6. Separiervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Grundkörpers (20) wenigstens ein Sensorelement (50) zur Bestimmung eines Sensorparameters, insbesondere eines der folgenden, angeordnet ist:

- Drucksensor

- Temperatursensor

- Strömungssensor

- Gassensor

- Feuchtigkeitssensor

- Flüssigkeitsstandsensor

7. Separiervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (20) stromabwärts des Zyklonabschnitts (30), insbesondere als Teil des Auffangabschnitts (40), einen Sammelbehälter (42) für ein Sammeln des separierten flüssigen Wassers (W) aufweist.

8. Separiervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Gasauslasses (24) eine Einbringvorrichtung (170), insbesondere in Form einer Injektorvorrichtung und/oder einer Ejektorvorrichtung, für ein Einbringen des Rezirkulationsgases (RG) aus dem Gasauslass (24) in einen Anodenzuführabschnitt (120) des Brennstoffzellensystems (100) angeordnet ist.

9. Separiervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Gasauslasses (24), insbesondere vor einer Einbringvorrichtung (170), ein Auslassventil (60) angeordnet ist.

10. Separiervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auffangabschnitt (40) ein Ablassventil (44) aufweist für ein definiertes Ablassen von separiertem flüssigem Wasser (W).

11. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend

- zumindest einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (112) und einem Kathodenabschnitt (114),

- einen Anodenzuführabschnitt (120) zum Zuführen von Anodenzuführgas zu dem Anodenabschnitt (112),

- einen Kathodenzuführabschnitt (140) zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt (114),

- einen Anodenabführabschnitt (122) zum Abführen von Anodenabgas, - einen Kathodenabführabschnitt (142) zum Abführen von Kathodenabgas,

- einen Rezirkulationsabschnitt (130) zum Rezirkulieren von wenigstens einem Teil des Anodenabgases als Rezirkulationsgas (RG) aus dem Anodenabführabschnitt (122) in den Anodenzuführabschnitt (120),

wobei im Rezirkulationsabschnitt (130) wenigstens eine Separiervorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet ist.

12. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei, insbesondere identische oder im Wesentlichen identische, Brennstoffzellenstapel (110) vorgesehen sind, wobei die Separiervorrichtung (10) am Ende der beiden Rezirkulationsabschnitte (130) als gemeinsame Separiervorrichtung (10) für beide Rezirkulationsgase (RG) der wenigstens zwei Brennstoffzellenstapel (110) angeordnet ist.

13. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Separiervorrichtung (10) in eine zentrale Medienversorgungseinheit (180), insbesondere für mehrere Brennstoffzellenstapel (110), integriert ist.

14. Verfahren für eine Montage einer Separiervorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10, aufweisend die folgenden Schritte:

- Ausbilden des Zyklonabschnitts (30), - Ausbilden des Auffangabschnitts (40),

- Zusammenfügen des Zyklonabschnitts (30) und des Auffangabschnitts (40) zu dem Grundkörper (20) unter Ausbildung einer fludkommunizierenden Verbindung zwischen dem Zyklonabschnitt (30) und dem Auffangabschnitt (40).

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen