WO2026068497A1 - Brennstoffzellensystem, trennvorrichtung und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Abstract

Offenbart ist eine Trennvorrichtung für ein Anodenrezirkulat einer Brennstoffzelle. Die Trennvorrichtung ist in einem Rezirkulationspfad einer Anode der Brennstoffzelle anordenbar und eingerichtet, ein inertes Gas und einen gasförmigen Brennstoff in dem Anodenrezirkulat voneinander zu trennen. Die Trennvorrichtung ist ferner eingerichtet, das inerte Gas in Richtung einer Spüleinrichtung und den Brennstoff in Richtung eines Einlasses eines Anodenraums der Anode auszugeben. Auch ist ein Brennstoffzellensystem, das die Trennvorrichtung umfasst, offenbart. Zudem ist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems offenbart. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle und einen Rezirkulationspfad auf. Der Rezirkulationspfad verbindet einen Auslass eines Anodenraums einer Anode der Brennstoffzelle mit einem Einlass des Anodenraums. Das Verfahren umfasst ein Auslassen eines Abgases aus dem Anodenraum über den Auslass in den Rezirkulationspfad als Anodenrezirkulat, ein Trennen des Anodenrezirkulats mindestens in eine mit einem inerten Gas angereicherte Gasphase und eine mit einem Brennstoff angereicherte Gasphase, ein Auslassen der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase aus dem Rezirkulationspfad, sowie ein Einlassen der mit dem Brennstoff angereicherten Gasphase in den Anodenraum über den Einlass.

Description

Woodward L' Orange GmbH F&R Ref.: 46715-0167WO1

24. September 2025

BRENNSTOFFZELLENSYSTEM, TRENNVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM

BETREIBEN EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, eine Trennvorrichtung für ein Anodenrezirkulat einer Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zum Betreiben eines

Brennstoffzellensystems.

Ein grundlegendes Entwicklungsziel bei Brennstoffzellen im Allgemeinen und insbesondere bei Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) oder auch Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells), im Folgenden PEM-Brennstoffzellen genannt, ist es, eine möglichst hohe Systemeffizienz (Wirkungsgrad) des Brennstoffzellensystems zu erreichen.

Ein guter Hebel hierfür ist eine möglichst effiziente Nutzung des Brennstoffs auf der Anodenseite der Brennstoffzelle.

Vorliegend kommen als Brennstoffe alle gängigen Brennstoffe für Brennstoffzellen infrage, insbesondere Wasserstoff und Methanol. Aber auch Wasserstoff-haltiges Gas, wie Reformatgas, welches beispielsweise aus der Reformierung von Methanol, Ethanol, Erdgas oder LPG (Liquified Petroleum Gas) gebildet wird, kann zum Betrieb von Brennstoffzellen genutzt werden.

Um in allen Zellbereichen der Brennstoffzelle eine gute Versorgung der Katalysatorschichten zu erreichen (und somit die Systemeffizienz zu erhöhen), kann die Anode überstöchiometrisch betrieben werden. Dabei wird der Anode, im Normalbetrieb der Brennstoffzelle, mehr Brennstoff zugeführt als (theoretisch) für ein Aufrechterhalten des Normalbetriebs erforderlich wäre. Durch den überstöchiometrischen Betrieb wird sichergestellt, dass auch die in Strömungsrichtung des Brennstoffs stromabwärts gelegenen Bereiche der Anode, wie beispielsweise die Bereiche in der Nähe des Anodenauslasses, noch ausreichend mit Brennstoff versorgt sind. Eine Freisetzung des 46715-0167DE1 25. September 2024 so entstehenden Anodenabgases verursacht allerdings höhere Verluste, da damit ungenutzter Brennstoff an die Umgebung abgegeben wird. Dadurch wird die Systemeffizienz verringert. Zudem ist ein Freisetzen ungenutzten Brennstoffs auch aus Gründen des Umweltschutzes unerwünscht. Kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe sowie (reiner) Wasserstoff können zur Erwärmung der Atmosphäre beitragen und die Ozonschicht der Atmosphäre schädigen. Beispielsweise hat die britische Regierung im April 2022 eine Studie veröffentlicht, der zufolge in die Atmosphäre entwichener Wasserstoff die Erderwärmung elf Mal schneller vorantreibt als eine gleiche Menge CO2.

Um das Entweichen des ungenutzten Brennstoffs zu minimieren, kann eine Rezirkulation des Anodenabgases vorgenommen werden. Diese kann passiv (durch eine Strahlpumpe) oder aktiv (durch ein Gebläse) erfolgen. Bei der Rezirkulation wird das Anodenabgas über den Anodenauslass des Anodenraums einer Brennstoffzelle mittels eines Strömungspfades, des Rezirkulationspfads, zu dem Anodeneinlass des Anodenraums zurückgeführt. Dadurch kann der zuvor ungenutzte Brennstoff erneut in den Anodenraum gelangen und steht damit für eine Reaktion abermals zur Verfügung.

Mittels des durch den überstöchiometrischen Betrieb der Brennstoffzelle samt Anodenabgasrezirkulation erzeugten hohen Volumenstroms des Brennstoffs in der Brennstoffzelle ist es zwar grundsätzlich möglich, dass eine hohe Stöchiometrie an den Katalysatorschichten und damit eine Gleichverteilung des Brennstoffs erreicht wird, ohne hohe Brennstoffverluste zu verzeichnen. Die Rezirkulation führt jedoch zu einer Anreicherung der Reaktionsprodukte, wie beispielsweise Stickstoff und Wasser, und somit zu einer Brennstoffverarmung im Anodenkreislauf. Diese unerwünschte Anreicherung findet, auch ohne einen überstöchiometrischen Betrieb bei Systemen mit Rezirkulation auf der Anodenseite statt, da die Reaktionsprodukte über das Membransystem der Brennstoffzelle von der Kathodenseite zu der Anodenseite diffundieren.

Dies kann unerwünschte Effekte auf die Funktion des Brennstoffzellen-Stacks (Brennstoffzellenstapels) haben, wie beispielsweise einen Spannungsabfall im Betrieb. Um diese Effekte zu minimieren oder auszugleichen und auch die Langlebigkeit des 46715-0167DE1 25. September 2024

Brennstoffzellensystems zu erhalten, kann eine Anodenkreislaufspülung verwendet werden. Die im Rezirkulat angereicherten Reaktionsprodukte können somit aus dem System abgeführt werden, indem das in dem Rezirkulat enthaltene Gemisch aus Brennstoff und Reaktionsprodukten (vorzugsweise intermittierend, aber auch kontinuierlich) über eine Spüleinrichtung, wie etwa ein Spülventil, aus dem Rezirkulationspfad ausgelassen und durch reinen Brennstoff ersetzt wird.

Dies stellt einerseits einen relevanten Wirkungsgradverlust dar, weil bei diesem Spülvorgang ungenutzter Brennstoff an die Umgebung freigesetzt wird. Der aus dem System ausgestoßene Brennstoff steht nicht mehr für die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle zur Verfügung. Andererseits ist diese Freisetzung von Brennstoff in die Umgebung auch aufgrund des unerwünschten Einflusses auf den Treibhauseffekt unerwünscht.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anreicherung der Anodenseite mit Reaktionsprodukten zu verhindern oder zu minimieren und dabei schädliche Emissionen an die Umgebung zu vermeiden oder zu reduzieren. Allgemeiner ausgedrückt ist die erfindungsgemäße Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das effizient und umweltfreundlich betreibbar ist.

Die Aufgabe wird durch die Trennvorrichtung, das Brennstoffzellensystem und das Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Generell kann der Anreicherung des Anodenrezirkulats bzw. der Anodenseite mit Reaktionsprodukten einerseits dadurch entgegengewirkt werden, dass flüssige Anteile der Reaktionsprodukte im Anodenrezirkulat mittels eines Flüssigkeitsabscheiders abgeschieden werden. Beispielsweise kann auf diese Weise flüssiges Wasser aus dem Anodenrezirkulat entfernt werden.

Andererseits kann die Anreicherung mit Reaktionsprodukten reduziert oder gar vollständig verhindert werden, indem auch gasförmige Anteile von Reaktionsprodukten (inertes Gas) von 46715-0167DE1 25. September 2024 dem gasförmigen Brennstoff getrennt und aus dem Rezirkulationspfad gespült werden. Im Falle einer mit Wasserstoff und Luftsauer Stoff betriebenen Brennstoffzelle, wie einer PEM- Brennstoffzelle, ist es also wünschenswert, ein gasförmiges Wasserstoff-Stickstoff-Gasgemisch in die Bestandteile Wasserstoff und Stickstoff zu trennen. Somit könnte der Wasserstoff in den Anodenraum rezirkuliert und der Stickstoff aus dem System gespült werden.

Dadurch ließen sich die Systemeffizienz steigern und unerwünschte Emissionen verringern oder gar vermeiden. Zum einen wären Spülvorgänge nämlich seltener und im besten Fall gar nicht erforderlich. Zum anderen enthielten die aus dem System gespülten Stoffzusammensetzungen weniger Brennstoff.

Ein technischer Ansatz, um neben flüssigen auch gasförmige Reaktionsprodukte in dem der Anode wieder zugeführten Rezirkulat möglichst gering zu halten, ist die elektrochemische Brennstoff-Abtrennung. Diese Technologie befindet sich jedoch in einem frühen Entwicklungsstadium. Die Systemkomplexität und der Aufwand (und damit auch die Kosten) sind mit dem aktuellen Stand noch relativ hoch.

Bevorzugt ist daher eine mechanische (physikalische) Brennstoff-Abtrennung aus dem Rezirkulat. Dabei kann es sich um auf beliebigen physikalischen Prinzipien (beispielsweise der Massenträgheit, der elektrischen Ladung oder des Magnetismus) basierenden Verfahren handeln.

Eine Brennstoff-Abtrennung unter Verwendung der Zentrifugalkraft ist besonders bevorzugt. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass der Brennstoff und die Reaktionsprodukte, die von diesem Abgetrennt werden sollen, in einem Zentrifugalfeld aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte unterschiedlich stark abgelenkt werden und daher räumlich voneinander getrennt werden können.

Unabhängig davon, wie gasförmige Reaktionsprodukte (inerte Gase) in dem Rezirkulat von dem gasförmigen Brennstoff (in einer Trennvorrichtung) getrennt werden, ist es - nach erfolgter Trennung - wünschenswert, (mittels eines Trennelements) die getrennten Gase auch getrennt zu lassen bzw. ein erneutes Vermischen der Gase zu vermeiden, die Reaktionsprodukte aus dem 46715-0167DE1 25. September 2024

Rezirkulationspfad zu spülen und den Brennstoff seiner bestimmungsgemäßen Nutzung im Anodenraum zuzuführen.

Um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen, umfasst die vorliegende Erfindung eine Trennvorrichtung für ein Anodenrezirkulat einer Brennstoffzelle. Die Trennvorrichtung ist in einem Rezirkulationspfad einer Anode der Brennstoffzelle anordenbar. Die Trennvorrichtung ist eingerichtet, ein inertes Gas und einen gasförmigen Brennstoff in dem Anodenrezirkulat voneinander zu trennen. Die Trennvorrichtung ist ferner eingerichtet, das inerte Gas in Richtung einer Spüleinrichtung (des Rezirkulationspfads oder des Brennstoffzellensystems) und den Brennstoff in Richtung eines Einlasses eines Anodenraums der Anode auszugeben.

Vorzugsweise ist die Trennvorrichtung eine mechanische bzw. physikalische Trennvorrichtung.

Zusätzlich oder alternativ ist die Trennvorrichtung eingerichtet, das inerte Gas und den Brennstoff mittels Zentrifugalkraft voneinander zu trennen.

Vorzugsweise ist die Trennvorrichtung eingerichtet, das inerte Gas relativ zu einer Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats radial außen und den Brennstoff radial innen aus dem Anodenrezirkulat abzuzweigen. Es ist auch denkbar, dass der Brennstoff radial außen und das inerte Gas radial innen abgezweigt werden.

Die Begriffe „radial außen“ und „radial innen“ können sich auch auf einen (lokalen) Strömungsoder Leitungsquerschnitt einer Leitung des Rezirkulationspfads beziehen.

Vorliegend ist die Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats von dem Auslass des Anodenraums zu dem Einlass des Anodenraums definiert.

Vorzugsweise umfasst die Trennvorrichtung ein Trennelement. Noch bevorzugter ist das Trennelement am stromabwärtigen Ende der Trennvorrichtung bezüglich der Strömungsrichtung anordenbar bzw. angeordnet. 46715-0167DE1 25. September 2024

Vorzugsweise umfasst das Trennelement einen bezüglich der Strömungsrichtung zentralen Durchlass für den Brennstoff. Der Durchlass muss nicht exakt mittig in dem Strömungsquerschnitt des Trennelements angeordnet sein, solange er radial weiter innen angeordnet ist als ein Durchlass für das inerte Gas. Ferner umfasst das Trennelement mindestens einen radial außen angeordneten Durchlass für das inerte Gas. Der Durchlass für das inerte Gas muss nicht ganz außen in radialer Richtung des Trennelements bzw. bezogen auf den Strömungsquerschnitt des Trennelements sein, solange wie er radial weiter außen angeordnet ist als der Durchlass für den Brennstoff. Bevorzugt ist jedoch, dass der zentrale Durchlass symmetrisch um eine Längsmittelachse des Trennelements im zur Längsmittelachse senkrechten Strömungsquerschnitt des Trennelements angeordnet ist und der mindestens einen Durchlass für das inerte Gas möglichst weit außen in radialer Richtung des Strömungsquerschnitts angeordnet ist, um die fluidische Trennung der beiden Gaskomponenten bzw. Gasphasen zu verbessern. Soll der Brennstoff radial außen und das inerte Gas radial innen abgegriffen werden, ist die Anordnung der Durchlässe entsprechend umgekehrt.

Das Trennelement kann mehrere zentrale Durchlässe aufweisen.

Vorzugsweise ist der (zentrale oder außen angeordnete) Durchlass für den Brennstoff (genauer gesagt, dessen Querschnittsverlauf) ein in der Strömungsrichtung konvergent-divergenter Durchlass. Anders gesagt konvergiert der Durchlass zunächst (Infusor) und divergiert anschließend (Diffusor) bezogen auf die Strömungsrichtung des Brennstoffs.

Der Durchlass kann einen konvergierenden Abschnitt haben, auf den unmittelbar ein Halsabschnitt (Abschnitt mit engstem Querschnitt im konvergent-divergenten Bereich) folgt, der axial sehr kurz ist, das heißt, wiederum unmittelbar in den divergierenden Abschnitt übergeht. Insbesondere in Verbindung mit einem in Strömungsrichtung linear abnehmenden Strömungsquerschnitt im Infusor und einem linear zunehmenden Strömungsquerschnitt im Diffusor ergibt sich daraus eine einfache, aber wirksame Bauweise des konvergent-divergenten Bereichs. Andere Strömungsquerschnittsverläufe als lineare sind denkbar. Beispielsweise ist ein gekrümmter, nach innen gewölbter (konvexer) Verlauf der Innenwand des Trennelements im Infusor und/oder ein gekrümmter, nach außen gewölbter (konkaver) Verlauf der Innenwand im 46715-0167DE1 25. September 2024

Diffusor denkbar, um die strömungsmechanischen Eigenschaften des Trennelements zu verbessern.

Der Infusor begünstigt die Trennung der Gasphasen. Außerdem vereinheitlicht der Infusor in der Kernströmung Strömungsvektoren des Brennstoffs in der axialen Richtung, in dem Fall, in dem der Brennstoff innen strömt. In der Randströmung des Infusors kann es zu Strömungsablösungen und Rückströmungen kommen, welche die in diesem Bereich möglicherweise befindliche Gasphasenmischung aus Brennstoff und inertem Gas zurückhalten und von der Kemströmung trennen können.

Der Diffusor kann den Brennstoffdruck vor dem Anodeneinlass erhöhen bzw. einen Druckrückgewinn mittels Diffusion ermöglichen und so den über das Trennelement auftretenden Totaldruckverlust verringern.

Vorzugsweise erstreckt sich der zentrale Durchlass (für den Brennstoff) im Wesentlichen in einer axialen Richtung des Trennelements. Der zentrale Durchlass muss nicht (vollständig) parallel und/oder symmetrisch zu einer Längsachse des Trennelements verlaufen. Er kann ganz oder teilweise schräg zur Längsachse verlaufen.

Vorzugsweise kann der mindestens eine radial äußere Durchlass (für das inerte Gas) einen Einlassabschnitt, der sich im Wesentlichen in der axialen Richtung (entlang der Längsachse des Trennelements) erstreckt, und einen Auslassabschnitt aufweisen, der relativ zu dem Einlassabschnitt radial nach außen abgewinkelt ist. Der Einlassabschnitt muss nicht (vollständig) parallel zu einer Längsachse des Trennelements verlaufen. Er kann ganz oder teilweise schräg zur Längsachse verlaufen. Der Einlassabschnitt und der Auslassabschnitt können im Wesentlichen einen Winkel von 90 Grad einschließen.

Zusätzlich oder alternativ kann eine Eintrittsöffnung des Einlassabschnitts einen Querschnitt (relativ zur Strömungsrichtung) aufweisen, der im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Trennelements ist. 46715-0167DE1 25. September 2024

Zusätzlich oder alternativ kann der Auslassabschnitt eine Austrittsöffnung aufweisen, die im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Trennelements ist.

Zusätzlich oder alternativ kann der Auslassabschnitt bzw. seine Austrittsöffnung in einen umlaufenden (im Wesentlichen ringförmigen) Abschnitt oder Ringdurchlass münden. Im Wesentlichen ringförmig bedeutet, dass er beispielsweise auch elliptisch sein kann. Der Abschnitt ist insbesondere dann von Vorteil, wenn mehr als ein radial äußerer Durchlass (für das inerte Gas) bzw. mehrere solche Durchlässe vorgesehen sind, um diese miteinander zu verbinden und das Gas zu einem Auslass aus dem Trennelement zu leiten. Vorzugsweise ist der Auslass aus dem Trennelement radial ausgerichtet (sodass das Gas im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Trennelements ausgestoßen wird).

Vorzugsweise erstreckt sich der Einlassabschnitt des radial äußeren Durchlasses in der axialen Richtung. Der Auslassabschnitt des radial äußeren Durchlasses erstreckt sich vorzugsweise in einer radialen Richtung des Trennelements oder im Wesentlichen tangential zum Trennelement. Damit wird eine Umlenkung der außen strömenden Gasphase sichergestellt, um die beiden Gasphasen zu trennen und zu verschiedenen Teilen des Brennstoffzellensystems zu leiten (wie beispielsweise zur Spüleinrichtung oder zum Anodenraum).

Vorzugsweise sind der Einlassabschnitt und der Auslassabschnitt, die eine Umlenkung sicherstellen, stufenlos miteinander verbunden. Damit werden Strömungs- bzw. Druckverluste in dem Trennelement reduziert.

Vorzugsweise kann sich der zentrale Durchlass (für den Brennstoff) im Wesentlichen in einer axialen Richtung des Trennelements erstrecken. Der mindestens eine radial äußere Durchlass (für das inerte Gas) kann sich von seinem Einlass bis zu seinem Auslass schräg und/oder gekrümmt zu der axialen Richtung des Trennelements erstrecken. Damit kann auch verhältnismäßig einfach eine Richtungsumkehr einer der zu trennenden Gasphasen erreicht werden. 46715-0167DE1 25. September 2024

Vorzugsweise kann das Trennelement eine Vielzahl (d.h., zwei oder mehr) von den vorstehend beschriebenen Durchlässen für das inerte Gas bzw. radial äußeren Durchlässen umfassen.

Wie vorstehend beschrieben wurde, kann die Vielzahl von radial äußeren Durchlässen bevorzugt an ihren Auslassenden der Einlassabschnitte mittels eines im Wesentlichen ringförmigen Durchlasses (Ringdurchlasses) miteinander verbunden sein und der ringförmige Durchlass mit dem Auslass des Trennelements verbunden sein. Der Auslass des Trennelements kann sich dabei noch bevorzugter in radialer oder tangentialer Richtung des Trennelements erstrecken. Damit wird eine bessere Trennung der Gasphasen erreicht, weil die außen strömende Gasphase einfacher nach radial außen abgeleitet bzw. abgezweigt und damit von der im zentralen Durchlass strömenden Gasphase getrennt werden kann.

Vorzugsweise umfasst die Trennvorrichtung ein Rezirkulationsgebläse. Das Rezirkulationsgebläse kann vorzugsweise ein Radialgebläse oder eine Gaszentrifuge sein. Das Rezirkulationsgebläse ist eingerichtet, das Anodenrezirkulat relativ zu der Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats (oder einer Antriebswelle) axial anzusaugen und radial auszustoßen. Dabei kann ein Strömungsfeld an einem Auslass des Rezirkulationsgebläses erzeugt werden, in dem relativ zu der Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats bzw. zu dem Strömungsquerschnitt radial außen eine (beispielsweise mit dem inerten Gas angereicherte) Gasphase und radial innen eine andere (beispielsweise mit dem Brennstoff angereicherte) Gasphase strömen kann.

Noch bevorzugter kann die Trennvorrichtung ein Trennelement aufweisen, das in der Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats stromabwärts des Rezirkulationsgebläses anordenbar bzw. angeordnet ist. Bevorzugt ist, dass das Trennelement unmittelbar stromabwärts des Rezirkulationsgebläses angeordnet ist. Jedoch ist es auch denkbar, dass andere Bauteile der Trennvorrichtung oder des Brennstoffzellensystems zwischen dem Rezirkulationsgebläse und dem Trennelement angeordnet sind. Solche Bauteile können beispielsweise Messeinrichtungen oder Adapter sein.

Noch bevorzugter hat das Trennelement relativ zu der Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats bzw. zu dem Strömungsquerschnitt radial außen mindestens einen Durchlass, wie er vorstehend 46715-0167DE1 25. September 2024 beschrieben wurde, für die eine (beispielsweise mit dem inerten Gas) angereicherte Gasphase. Zudem hat das Trennelement radial innen mindestens einen Durchlass, wie er vorstehend beschrieben wurde, für die andere (beispielsweise mit dem Brennstoff) angereicherte Gasphase. Der für die mit dem Brennstoff angereicherte Gasphase vorgesehene mindestens eine Durchlass ist mit dem Einlass des Anodenraums verbunden. Der für die mit dem inerten Gas angereicherte Gasphase vorgesehene mindestens ein Durchlass ist mit der Spüleinrichtung verbunden.

Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem bzw. die Trennvorrichtung eine Spüleinrichtung, wie etwa ein Spülventil, zum Auslassen der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase aus dem Rezirkulationspfad. Die Spüleinrichtung kann vorzugsweise in das Trennelement integriert sein, was Kosten- und Packaging-Vorteile hat oder eine modulare Bauweise ermöglicht. Zusätzlich oder alternativ kann die Spüleinrichtung so eingerichtet sein, dass sie einen Durchsatz der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase abhängig von Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle anpasst. Dies kann dazu beitragen, die Leistung der Brennstoffzelle zu verbessern und gleichzeitig den Verbrauch des noch im inerten Gas befindlichen Brennstoffes zu minimieren. Es kann außerdem eine flexiblere Betriebsstrategie des Spülens der Brennstoffzelle erreicht werden.

Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Brennstoffzellensystem, das die Trennvorrichtung umfasst. Das Brennstoffzellensystem kann eine Brennstoffzelle umfassen, die eine Anode und eine Kathode aufweist. Ferner kann das Brennstoffzellensystem einen Rezirkulationspfad umfassen. Der Rezirkulationspfad verbindet einen Auslass eines Anodenraums der Anode mit einem Einlass des Anodenraums. Die Trennvorrichtung ist in dem Rezirkulationspfad angeordnet. Sie kann Teil des Rezirkulationspfads sein oder mit diesem Zusammenwirken. Die Trennvorrichtung entspricht der vorstehend beschriebenen Trennvorrichtung.

Im Allgemeinen ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Art der Brennstoffzellen beschränkt, ist aber bevorzugt auf PEM-Brennstoffzellen gerichtet.

Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich ist das Inertgas Stickstoff. 46715-0167DE1

25. September 2024

Die Brennstoffzelle ist vorzugsweise eine überstöchiometrisch betreibbare Brennstoffzelle. Der Betrieb des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems bzw. der von diesem umfassten Brennstoffzelle ist nicht auf einen überstöchiometrischen Betrieb beschränkt, solange wie die Brennstoffzelle dazu geeignet ist, ungenutzten Brennstoff aus dem Anodenraum auszustoßen, oder solange wie die Brennstoffzelle im Betrieb ungenutzten bzw. unverbrauchten Brennstoff ausstößt.

Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle und einen Rezirkulationspfad auf. Die Brennstoffzelle weist eine Anode, die einen Anodenraum umfasst, sowie eine Kathode auf. Der Anodenraum hat einen Einlass und einen Auslass. Der Rezirkulationspfad verbindet den Auslass mit einem Einlass. Das Brennstoffzellensystem kann irgendein vorstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem sein.

Das Verfahren umfasst ein Auslassen eines Abgases (das gasförmige und flüssige Komponenten, also Fluide im Allgemeinen umfasst) aus dem Anodenraum über den Auslass in den Rezirkulationspfad als Anodenrezirkulat. Das Verfahren umfasst ferner ein Trennen des Anodenr ezirkulats mindestens in eine mit einem inerten Gas angereicherte Gasphase und eine mit einem Brennstoff angereicherte Gasphase. Das bedeutet, dass erfindungsgemäß ein zeitgleiches oder zeitversetztes Trennen anderer Komponenten, die in dem Rezirkulat enthalten sind, von dem Brennstoff möglich ist. Beispielsweise kann (in Strömungsrichtung des Rezirkulats) vor dem Trennen der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase von der mit einem Brennstoff angereicherten Gasphase eine in dem Rezirkulat enthaltene Flüssigkeit, wie etwa Wasser, aus dem Rezirkulat abgeschieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst außerdem ein Auslassen der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase aus dem Rezirkulationspfad bzw. dem Brennstoffzellensystem. Ebenfalls umfasst das Verfahren ein Einlassen der mit dem Brennstoff angereicherten Gasphase in den Anodenraum über den Einlass. Anders gesagt umfasst das Verfahren ein Rückführen ungenutzten Brennstoffs in den Anodenraum. 46715-0167DE1 25. September 2024

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst beispielsweise die bestimmungsgemäße Verwendung der vorstehend beschriebenen Trennvorrichtung oder des vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystems.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Trennen vorzugsweise mechanisch bzw. physikalisch.

Zusätzlich oder alternativ erfolgt das Trennen vorzugsweise mittels Zentrifugalkraft. Noch bevorzugter strömt die mit dem inerten Gas angereicherte Gasphase bezogen auf eine Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats bzw. auf den Strömungsquerschnitt des Stroms bedingt durch die Zentrifugalkraft radial außen und die mit dem Brennstoff angereicherte Gasphase radial innen. Wie vorstehend beschrieben wurde, können die angereicherten Gasphasen auch anders strömen, d.h., die mit dem Brennstoff angereicherte Gasphase radial außen und die mit dem inerten Gas angereicherte Gasphase radial innen.

Zusätzlich oder alternativ erfolgt das Auslassen derart, dass ein Drall der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase nach dem Trennen und vor dem Auslassen im Wesentlichen erhalten bleibt.

Zusätzlich oder alternativ umfasst das Trennen ein Umlenken beispielsweise der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase in die radiale Richtung bezogen auf die Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats bzw. den Strömungsquerschnitt. Dabei wird vorzugsweise die mit dem inerten Gas angereicherte Gasphase stufenlos in die radiale Richtung umgelenkt. Zusätzlich oder alternativ kann das Umlenken in eine Umfangsrichtung bezogen auf die Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats bzw. den Strömungsquerschnitt erfolgen.

Zusätzlich oder alternativ strömt die mit dem Brennstoff angereicherte Gasphase nach dem Trennen als, bezogen auf die Strömungsrichtung, konvergent-divergente Strömung in Richtung des Einlasses des Anodenraums. Dies hat die vorstehend beschriebenen Vorteile einer besseren Trennung und einer Reduzierung des Totaldruckverlusts. 46715-0167DE1

25. September 2024

Zusätzlich oder alternativ erfolgt das Auslassen intermittierend und damit vorteilhafter Weise bedarfsgerecht. Dadurch kann ein Verlust von trotz erfolgter Trennung im inerten Gas immer noch vorhandenem Brennstoff reduziert werden. Das wiederum ist vorteilhaft hinsichtlich des Systemwirkungsgrades und der Auswirkungen auf die Umwelt.

Vorzugsweise wird ein Durchsatz der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase abhängig von Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle angepasst, was die vorstehend beschriebenen Vorteile hat, nämlich die Leistung der Brennstoffzelle zu verbessern und gleichzeitig den Verbrauch des noch im inerten Gas befindlichen Brennstoffes zu minimieren.

Zusätzlich oder alternativ wird die Brennstoffzelle überstöchiometrisch betreiben. Dies hat den bereits beschriebenen Vorteil, dass alle Katalysator schichten gut mit dem Brennstoff versorgt werden können und die Brennstoffzelle effizient betrieben werden kann.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die diese jedoch nicht beschränken sollen, im Einzelnen beschrieben. Alle vorstehend allgemein beschriebenen und nachfolgend als Teil der Ausführungsformen beschriebenen Merkmale können beliebig miteinander kombiniert werden, solange wie dies technisch oder wirtschaftlich sinnvoll erscheint.

FIG. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems.

FIG. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

FIG. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Strömungsfelds in einem Radialgebläse das Teil der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ist.

FIG. 4 ist eine andere perspektivische Ansicht des Strömungsfelds in dem Radialgebläse.

FIG. 5 ist eine perspektivische Ansicht der mit dem Brennstoff angereicherten Gasphase in dem Strömungsfeld der FIG. 4. 46715-0167DE1

25. September 2024

FIG. 6 ist eine perspektivische Ansicht der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase in dem Strömungsfeld der FIG. 4.

FIG. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht des Strömungsfelds der FIG. 3 in dem Radialgebläse in Kombination mit einem in einer schematischen Schnittansicht entlang der Längsachse dargestellten Trennelement als Teil der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung.

FIG. 8 entspricht FIG. 7 und zeigt eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Trennelements.

FIG. 9 entspricht zum Teil FIG. 7, zeigt eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Trennelements sowie zwei Schnittansichten des Trennelements senkrecht zur Längsachse des Trennelements.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Trennvorrichtung für ein Anodenr ezirkul at einer Brennstoffzelle. Die Trennvorrichtung ist in einem Rezirkulationspfad einer Anode der Brennstoffzelle anordenbar und eingerichtet, ein inertes Gas und einen gasförmigen Brennstoff in dem Anodenrezirkulat voneinander zu trennen. Die Trennvorrichtung ist ferner eingerichtet, das inerte Gas in Richtung einer Spüleinrichtung und den Brennstoff in Richtung eines Einlasses eines Anodenraums der Anode auszugeben.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auch auf ein Brennstoffzellensystem, das die Trennvorrichtung umfasst.

Zudem bezieht sich die vorliegende Erfindung im Allgemeinen auf ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle und einen Rezirkulationspfad auf. Der Rezirkulationspfad verbindet einen Auslass eines Anodenraums einer Anode der Brennstoffzelle mit einem Einlass des Anodenraums. Das Verfahren umfasst ein Auslassen eines Abgases aus dem Anodenraum über den Auslass in den Rezirkulationspfad als Anodenrezirkulat, ein Trennen des Anodenrezirkulats mindestens in eine mit einem inerten Gas angereicherte Gasphase und eine mit einem Brennstoff angereicherte Gasphase, ein Auslassen der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase aus dem Rezirkulationspfad, sowie ein Einlassen der mit dem Brennstoff angereicherten Gasphase in den Anodenraum über den Einlass. 46715-0167DE1

25. September 2024

Nachfolgend werden gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Wie vorstehend beschrieben wurde, ist die Brennstoffzelle nicht auf eine spezifische Art beschränkt. Ebenso wurde beschrieben, dass der Brennstoff nicht auf einen spezifischen Brennstoff beschränkt ist. In den nachfolgenden Ausführungsformen wird beispielhaft ein PEM- Brennstoffzellensystem mit Wasserstoff (H2) als Brennstoff beschreiben. Als Oxidationsmittel dient Luftsauerstoff (O2). Die Reaktionsprodukte sind dementsprechend hauptsächlich Wasser (H2O) und Stickstoff (N2).

In FIG. 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3 und einen Rezirkulationspfad 2 für die Brennstoffzelle 3. Die Brennstoffzelle 3 hat einen Anodenraum 4 auf der Anodenseite (links von der Brennstoffzelle 3 in der Darstellung der FIG. 1) sowie einen Kathodenraum 5 auf der Kathodenseite (rechts von der Brennstoffzelle 3 in der Darstellung der FIG. 1).

Die Kathodenseite der Brennstoffzelle 3 umfasst einen durch eine Turbine antreibbaren Verdichter, eine Kühleinrichtung, einen Befeuchter sowie einen Flüssigkeitsabscheider (Wasserabscheider). Die Kathodenseite der Brennstoffzelle 3 dient der Zuführung und bevorzugt der Rezirkulation des Oxidationsmittels (Sauerstoffs) zur bzw. aus der und zur Brennstoffzelle 3. Die hier gezeigte Kathodenseite der Brennstoffzelle 3 stellt eine herkömmliche Kathodenseite einer bekannten Brennstoffzelle dar.

Die Anodenseite der Brennstoffzelle 3 umfasst einen Rezirkulationspfad 2, der einen Brennstoff von einem Auslass 12 der Anode zu einem Einlass 13 der Anode rezirkuliert. In dem Rezirkulationspfad 2 ist stromabwärts des Auslasses 12 bezogen auf eine mit Pfeilen angedeutete Strömungsrichtung des Rezirkulats, das anfänglich den Brennstoff (Wasserstoff) und die Reaktionsprodukte (Wasser und Stickstoff) enthält, eine Abscheidungseinrichtung 6, wie etwa ein Wasserabscheider, angeordnet, die Flüssigkeit (Wasser) aus dem Rezirkulat abscheidet. 46715-0167DE1 25. September 2024

Stromabwärts des Wasserabscheiders 6 ist eine Abzweigung 10 des Rezirkulationspfads 2 angeordnet. Die Abzweigung 10 ist eingerichtet, den Strom des nunmehr gasförmigen Rezirkulats in Richtung einer Fördereinrichtung 7 und einer Spüleinrichtung 8 zu lenken. Die Abzweigung 10 kann den Strom entweder zur Fördereinrichtung 7 oder zur Spüleinrichtung 8 oder zeitgleich zu beiden lenken.

Die Spüleinrichtung 8 ist stromabwärts der Abzweigung 10 in dem Rezirkulationspfad 2 angeordnet. Die Spüleinrichtung 8 kann ein Spülventil sein. Das Spülventil 8 ist eingerichtet, dauerhaft oder mit Unterbrechungen Rezirkulat aus dem Rezirkulationspfad 2 oder dem Brennstoffzellensystem 1 zu spülen. Eine intermittierende Arbeitsweise des Spülventils 8 ist bevorzugt, wie vorstehend beschrieben wurde. In dem in FIG. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 enthält das Rezirkulat inertes Gas (Stickstoff) und gasförmigen Brennstoff (Wasserstoff). Ein Spülen reduziert dementsprechend den Systemwirkungsgrad durch den Wasserstoffverlust und geht durch das Ausstößen des Wasserstoffs in die Umgebung mit Nachteilen für die Umwelt einher, wie vorstehend beschrieben wurde. Das Spülen ist in dem dargestellten Brennstoffzellensystem 1 dennoch erforderlich bzw. wird hingenommen, da sich andernfalls das Rezirkulat immer mehr mit Stickstoff anreichert, der während des Betriebs der Brennstoffzelle 3 von dem Kathodenraum 5 aus der Luft in den Anodenraum 4 durch das dazwischen angeordnete Membransystem der Brennstoffzelle 3 diffundiert. Dementsprechend reichert sich aufgrund der Rezirkulation das dem Anodenraum 4 zugeführte Gas immer mehr mit Stickstoff an, was den Betrieb der Brennstoffzelle beeinträchtigt, wie vorstehend beschrieben wurde.

Ebenfalls stromabwärts der Abzweigung 10 ist die Fördereinrichtung 7, wie etwa ein Rezirkulationsgebläse, in dem Rezirkulationspfad 2 angeordnet. Das Rezirkulationsgebläse 7 saugt das gasförmige Rezirkulat an und stößt es in Richtung des Anodenraums 4 aus.

Je zwei der drei oder alle drei Bauteile umfassend das Rezirkulationsgebläse 7, das Spülventil 8 und den Wasserabscheider 6 können als eine integrierte Baueinheit in dem Rezirkulationspfad 2 ausgeführt sein. 46715-0167DE1 25. September 2024

Stromabwärts des Rezirkulationsgebläses 7 ist eine weitere Abzweigung 11 in dem Rezirkulationspfad 2 angeordnet. Die Abzweigung 11 lenkt das von dem stromaufwärts angeordneten Rezirkulationsgebläse 7 ausgestoßene Rezirkulat in Richtung des Einlasses 13 des Anodenraums 4. Ebenfalls stromaufwärts der Abzweigung 11 (in Strömungsrichtung des Wasserstoffs) ist ein Ventil 9, wie beispielweise ein Dosierventil, in einem Brennstoffhauptstrang des Anodenraums 4 gezeigt, das als Zuführventil dient und den aus einem Brennstoffspeicher (nicht gezeigter Behälter, wie etwa ein Druckbehälter) zugeführten Wasserstoff dosiert und/oder absperrt bzw. zum Anodenraum 4 durchlässt. Die Abzweigung 11 ist eingerichtet, den Strom des Rezirkulats und/oder des Wasserstoffs aus dem Zuführpfad in Richtung des Anodenraums 4 zu lenken. Die Abzweigung 11 kann eingerichtet sein, die Gaszufuhr zum Anodenraum zu unterbrechen. Die Abzweigung 11 kann beispielsweise eine Strahlpumpe sein. Die Abzweigung 11 verbindet den Brennstoffhauptstrang mit dem Rezirkulationspfad 2 stromaufwärts des Einlasses 13 der Anode der Hauptbrennstoffzelle 3

FIG. 2 zeigt ein im Wesentlichen baugleiches Brennstoffzellensystem 1 wie FIG. 1, jedoch mit dem Unterschied, dass in dem Brennstoffzellensystem 1 der FIG. 2 anstatt des Wasserabscheiders 6, der Abzweigung 10 und des Rezirkulationsgebläses 7 (und ggf. des Spülventils 8) die erfindungsgemäße Trennvorrichtung 20 enthalten ist.

Die erfindungsgemäße Trennvorrichtung 20 nutzt Zentrifugalkraft, um unterschiedlich zusammengesetzte Gasphasen voneinander zu trennen. Die Trennvorrichtung 20 verwendet keine elektrochemischen Verfahren, sondern ist eine mechanische (physikalische) T rennvorri chtung .

Die erfindungsgemäße Trennvorrichtung 20 umfasst im vorliegenden Beispiel mindestens ein Rezirkulationsgebläse 30, das ein Radialgebläse oder eine Gaszentrifuge ist, sowie das erfindungsgemäße Trennelement 50.

Das Rezirkulationsgebläse 30 umfasst im vorliegenden Beispiel eine Abscheidungseinrichtung, konkret einen Wasserabscheider, die mit einem Radialgebläse 60 (s. Figuren 3 bis 9) in einer Baueinheit integriert ist. Der Wasserabscheider ist stromaufwärts des Radialgebläses 60 oder der 46715-0167DE1 25. September 2024

Gaszentrifuge angeordnet, sodass der Strom des Rezirkulats, der von dem Radialgebläse 60 oder der Gaszentrifuge angesaugt wird, im Wesentlichen ein reiner Gasstrom ist.

Der Wasserabscheider muss nicht in dem Rezirkulationsgebläse 30 integriert sein und kann, ähnlich dem Brennstoffzellensystem 1, das in FIG. Igezeigt ist, weiter stromaufwärts im Rezirkulationspfad 2 angeordnet sein.

Wie in FIG. 2 gezeigt ist, ist stromabwärts des Rezirkulationsgebläses 30 das Trennelement 50 im Rezirkulationspfad 2 angeordnet. Das Trennelement 50 kann mit dem Rezirkulationsgebläse 30 in einer Baueinheit integriert sein. Das Trennelement 50 und das Rezirkulationsgebläse 30 müssen jedoch nicht integriert sein und können eigenständige Baueinheiten des Rezirkulationspfads 2 sein, wie in FIG. 2 gezeigt ist.

Stromabwärts des Trennelements 50 im Rezirkulationspfad 2 sind im vorliegenden Beispiel einerseits der Spülpfad einschließlich der Spüleinrichtung 8, die ein Spülventil ist, sowie die Abzweigung 11 angeordnet. Das Spülventil ist optional. Die Spüleinrichtung kann auch im Wesentlichen aus einem Spülpfad bestehen.

Der Spülpfad einschließlich des Spülventils 8 können mit dem Trennelement 50 in einer Baueinheit integriert sein, das wiederum mit dem Rezirkulationsgebläse 30 in einer Baueinheit integriert sein kann oder eine eigenständige Baueinheit sein kann. Anders gesagt, es ist auch möglich, dass das Rezirkulationsgebläse 30, das Trennelement 50 sowie das Spülventil 8 gemeinsam in einer Baueinheit integriert sind.

Das Spülventil 8, die Abzweigung 11 sowie der Rest des Rezirkulationspfads 2 können dem Spülventil 8, der Abzweigung 11 sowie den übrigen Elementen des Rezirkulationspfads 2 aus FIG. 1 entsprechen.

Im normalen Betrieb des in FIG. 2 gezeigten Rezirkulationspfads 2 wird das Abgas aus dem Anodenraum 4 durch den Auslass 12 in den Rezirkulationspfad 2 ausgelassen und strömt in Richtung des Rezirkulationsgebläses 30. In dem Rezirkulationsgebläse 30 wird zunächst das 46715-0167DE1 25. September 2024 flüssige Wasser durch den integrierten Wasserabscheider aus dem Rezirkulat abgeschieden und aus dem Rezirkulationspfad 2 bzw. aus dem Brennstoffzellensystem 1 abgeführt. Das nunmehr im Wesentlichen vollständig gasförmige Rezirkulat strömt weiter in Richtung des Radialgebläses 60 oder der Gaszentrifuge. Die Arbeitsweise des Radialgebläses 60 wird mithilfe der Figuren 3 und 4 genauer erläutert werden. In dem Radialgebläse 60 oder der Gaszentrifuge werden mittels Zentrifugalkraft der Wasserstoff und der Stickstoff bzw. eine mit Wasserstoff angereicherte Gasphase und eine mit Stickstoff angereicherte Gasphase voneinander getrennt. Die voneinander getrennten Gase strömen weiter stromabwärts in Richtung des Trennelements 50. Im Trennelement 50 werden die beiden Gase bzw. Gasphasen endgültig voneinander getrennt bzw. in verschiedene Strömungsdurchlässe des Trennelements 50 geleitet. Dadurch wird ein erneutes Vermischen des Wasserstoffs und des Stickstoffs verhindert. Der Stickstoff strömt dann weiter in Richtung des Spülventils 8 und kann als im Wesentlichen reiner Stickstoff aus dem Brennstoffzellensystem 1 gespült werden. Der extrahierte Wasserstoff strömt weiter in Richtung der Abzweigung 11. Dort wird er im normalen Betrieb mit einem über das Dosierventil 9 aus einem Wasserstoffdruckspeicher zugeführten reinen Wasserstoff vermischt bzw. aufgefüllt und strömt dann weiter stromabwärts in Richtung des Einlasses 13 des Anodenraums 4, wo er dann im bevorzugt überstöchiometrischen Betrieb für die Reaktion in der Brennstoffzelle 3 wieder zur Verfügung steht.

FIG. 3 und FIG. 4 zeigen ein erfindungsgemäßes Radialgebläse 60 als Beispiel eines Rezirkulationsgebläses 30. Das Radialgebläse 60 umfasst einen Einlass 61, der beispielhaft als Einlassstutzen ausgebildet ist, Laufräder 62, die drehbar auf einer Antriebswelle (nicht gezeigt) angeordnet sind, einen Spiralströmungsdurchlass 63, sowie einen Auslass 64, der beispielhaft als Auslassstutzen ausgebildet ist.

Das Radialgebläse 60 saugt im Betrieb das im Wesentlichen gasförmige Rezirkulat 70, das im Wesentlichen aus einer mit Wasserstoff angereicherten Gasphase 71 (in den Figuren mit helleren Stromfäden dargestellt) und einer mit Stickstoff angereicherten Gasphase 72 (in den Figuren mit dunkleren Stromfäden dargestellt) besteht, axial an und stößt die beiden Gasphasen 71, 72 radial aus. Bezüglich des Radialgebläses 60 beziehen sich die Begriffe axial und radial auf die Antriebswelle (die sich in Richtung der Z-Achse erstreckt bzw. zu dieser parallel ist). 46715-0167DE1

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Beim Einlass in den Einlassstutzen 61 sind die beiden Gasphasen 71, 72 durchmischt, wie in den Figuren 3 und 4 zu sehen ist. Nachdem das Rezirkulat 70 angesaugt wurde, strömt es über die Laufräder 62 in den Spiralströmungsdurchlass 63 und wird dabei verdichtet, wobei eine Zentrifugalkraft auf das Rezirkulat 70 wirkt. Das Rezirkulat 70 wird durch die Wirkung der Zentrifugalkraft in die, bezogen auf die Strömungsquerschnitte der Strömungsleitungen des Radialgebläses 60, radial außen strömende, verhältnismäßig dichte, mit Stickstoff angereicherte Gasphase 72 sowie die radial innen bzw. zentral strömende, verhältnismäßig weniger dichte, mit Wasserstoff angereicherte Gasphase 71 getrennt. Die beiden durch die Wirkung des Zentrifugalfeldes getrennten Gasphasen 71, 72 strömen in Richtung einer Auslassöffnung 65 des Auslassstutzens 64.

Anders gesagt, in dem Radialgebläse 60 oder einer Gaszentrifuge wird ein Zentrifugalfeld erzeugt, so dass am Austritt des Radialgebläses 60 oder der Gaszentrifuge ein Strom des Rezirkulats erzeugt wird, indem eine Gasphase mit einer dichteren Zusammensetzung außen und eine andere Gasphase mit einer weniger dichten Zusammensetzung innen strömen. Innen und außen bezieht sich hierbei auf eine radiale Richtung eines Strömungsquerschnitts senkrecht zur Strömungsrichtung des Rezirkulats. Mit anderen Worten beziehen sich die Begriffe innen und außen auf eine radiale Richtung einer Leitung des Rezirkulationspfads 2. Das Dichteverhältnis von Stickstoff und Wasserstoff ist ungefähr 14. Durch den großen Dichteunterschied wird die Trennung mittels des Zentrifugalfelds begünstigt. Die Übergänge zwischen den beiden Gasphasen sind nicht trennscharf. Das heißt, dass ein kontinuierlicher Übergang von der dichteren zur weniger dichten Gasphase vorhanden ist. Dennoch sind, wie insbesondere in FIG. 3 im Bereich der Auslassöffnung 65 des Auslassstutzens 64 zu sehen ist, die mit Wasserstoff angereicherte Gasphase 71 und die mit Stickstoff angereicherte Gasphase 72 voneinander im Wesentlichen getrennt, wobei die mit Stickstoff angereicherte Gasphase 72 die mit Wasserstoff angereicherte Gasphase 71 umhüllt.

Der Gewinn im Systemwirkungsgrad und die Emissionsreduktion werden umso grösser sein, je besser mit dem im Radialgebläse 60 oder der Gaszentrifuge auftretenden Drall der in der Anode 46715-0167DE1 25. September 2024 unerwünschte Stickstoff vom gewünschten Wasserstoff separiert werden und mittels des Trennelements 50 getrennt abgeführt werden kann.

Zur Verdeutlichung des Strömungsverhaltens der einzelnen Gasphasen 71, 72 in dem Radialgebläse 60 wird auf FIG. 5 und FIG. 6 verwiesen. In FIG. 5 ist ausschließlich der Strom des Wasserstoffs durch das Radialgebläse 60 gezeigt. Auch in dieser Figur ist zu erkennen, dass sich der Wasserstoff im Bereich des Einlassstutzens 61 noch gleichmäßig über den gesamten Strömungsquerschnitt verteilt, sich jedoch im Bereich der Auslassöffnung 65 des Auslassstutzens 64 zentral im Strömungsquerschnitt konzentriert. Ähnlich zeigt FIG. 6 ausschließlich den Strom des Stickstoffs durch das Radialgebläse 60. Auch in dieser Figur ist zu erkennen, dass sich der Stickstoff im Bereich des Einlassstutzens 61 noch gleichmäßig über den gesamten Strömungsquerschnitt verteilt, sich jedoch im Bereich der Auslassöffnung 65 des Auslassstutzens 64 außen im Strömungsquerschnitt konzentriert. Die FIG. 5 und FIG. 6 verdeutlichen die Trennung der beiden Gasphasen 71, 72 in dem Radialgebläse 60 voneinander.

Die Figuren 3 bis 6 sind mit einem Maßstab versehen, um einen Eindruck der Dimensionen des Radialgebläses 60 sowie des darin befindlichen Strömungsfeldes zu vermitteln.

In den Figuren 3 bis 6 entspricht die axiale Richtung des Radialgebläses 60 der gezeigten Z- Achse. Die X-Achse und die Y-Achse zeigen in radiale Richtungen des Radialgebläses 60, wobei die X-Achse in diejenige Richtung zeigt, in die das Rezirkulat aus dem Radialgebläse 60 ausgestoßen wird.

Um die voneinander getrennten Gasphasen 71, 72 dauerhaft zu trennen (bevor die Wirkung des Zentrifugalfeldes stromabwärts wieder nachlässt und sich die beiden Gasphasen 71, 72 miteinander vermischen können), ist es vorteilhaft, das erfindungsgemäße Trennelement 50 im Bereich der Auslassöffnung 65 des Radialgebläses 60 vorzusehen, wie es in den Figuren 7 bis 9 gezeigt ist.

Die Figuren 7 bis 9 zeigen schematisch die Anordnung des Trennelements 50 bezüglich des Radialgebläses 60 sowie in einer schematischen Schnittdarstellung das Trennelement 50. In den 46715-0167DE1 25. September 2024

Figuren ist das Trennelement 50 unmittelbar an den Auslassstutzen 64 des Radialgebläses 60 montiert. Es ist jedoch auch denkbar, dass ein anderes Bauteil zwischen dem Auslass des Radialgebläses 60 und dem Trennelement 50 angeordnet ist. Dabei kann es sich beispielsweise um messtechnische Einrichtungen oder Adapter handeln. Das in den Figuren 7 bis 9 gezeigte Radialgebläse 60 entspricht dem Radialgebläse 60 der Figuren 3 bis 6.

Das erfindungsgemäße Trennelement 50 ist variabel, austauschbar bzw. modular an dem Radialgebläse 60 montierbar, was die Flexibilität der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung 20 verbessert.

FIG. 7 zeigt eine einfache Ausführung des Trennelements 50. Bei dieser Ausführung umfasst das Trennelement 50 im Wesentlichen einen rohrförmigen zentralen Abschnitt sowie einen ringförmigen radial äußeren Abschnitt. Der zentrale Durchlass 51 hat einen kreisförmigen Strömungsquerschnitt mit geradlinigen Innenwänden, der symmetrisch um die Längsachse 53 des Trennelements 50 angeordnet ist. Der radial außen angeordnete Durchlass 52 (im Folgenden äußerer Durchlass 52 genannt) kann ein einzelner äußerer Durchlass 52, eine Vielzahl von äußeren Durchlässen 52 oder ein sich im Wesentlichen über den gesamten Umfang des Trennelements 50 erstreckender Durchlass 52 sein. In dem in FIG. 7 gezeigten Beispiel ist eine Vielzahl von äußeren Durchlässen 52 gezeigt. Jeder äußere Durchlass 52 verläuft im Bereich seines Einlasses bzw. Einlassabschnitts 54 parallel zur Längsachse 53. An einem Auslass des Einlassabschnitts 54 geht der äußere Durchlass 52 in einen Ringdurchlass 56 über, der sich über den gesamten Umfang des Trennelements 50 erstreckt und die einzelnen äußeren Durchlässe 52 miteinander verbindet. Der Ringdurchlass 56 ist mit einem radial nach außen gerichteten Auslassabschnitt 55 des Trennelements 50 bzw. des äußeren Durchlasses 52 verbunden. Durch diesen Aufbau kann das Trennelement den zentral strömenden Wasserstoff axial abgreifen und axial wieder ausstoßen sowie den außen strömenden Stickstoff axial abgreifen und radial wieder ausstoßen, sodass die beiden Gasphasen voneinander getrennt bleiben und weitergeleitet werden können. 46715-0167DE1 25. September 2024

In der in FIG. 7 gezeigten Ausführung sind alle Strömungsübergänge stufenförmig ausgebildet, wodurch das Trennelement 50 einfach zu fertigen ist. Um Strömungsverluste zu reduzieren, können alle oder einzelne Übergänge stufenlos ausgeführt werden.

Es ist möglich, dass das Trennelement 50 mehrere zentrale Durchlässe 51 aufweist.

Das in FIG. 8 gezeigte Trennelement 50 entspricht dem Trennelement 50 der FIG. 7 bis auf den Umstand, dass der zentrale Durchlass 51 nicht geradlinig sondern mit bezüglich der Strömungsrichtung bzw. der Längsachse 53 schräg verlaufenden Innenwänden ausgeführt ist.

Der zentrale Durchlass 51 ist ein in Strömungsrichtung konvergent-divergenter Durchlass. Bis zu dem engsten Strömungsquerschnitt (Halsabschnitt) des zentralen Durchlasses 51 ist der zentrale Durchlass ein konvergenter Durchlass (Infusor), nach dem Halsabschnitt ein divergenter Durchlass (Diffusor). In dem gezeigten Beispiel ist daher der zentrale Abschnitt des Trennelements 50 bis zum Halsabschnitt rohrförmig ausgebildet und danach kegelstumpfförmig.

FIG. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trennelements 50. Hinsichtlich des zentralen Abschnitts gleicht das in FIG. 9 gezeigte Trennelement 50 dem Trennelement 50 in FIG. 8. Anders gesagt hat das Trennelement 50 ebenfalls einen konvergentdivergenten zentralen Durchlass.

Der ringförmige radial äußere Abschnitt einschließlich des äußeren Durchlasses 52 des Trennelements 50 unterscheidet sich von den ringförmigen radial äußeren Abschnitten bzw. den äußeren Durchlässen 52, die in den Figuren 7 und 8 gezeigt sind, indem der Einlassabschnitt 54 nicht axial, sondern schräg (teilweise radial und axial) verläuft. Auch in FIG. 9 ist eine Vielzahl von äußeren Durchlässen 52 (sieben) gezeigt. Am Ende der Einlassabschnitte 54 der äußeren Durchlässe 52 schließt sich ein Ringdurchlass 56 an, der die äußeren Durchlässe 52 miteinander sowie mit dem Auslassabschnitt des Trennelements 50 verbindet. Der Auslassabschnitt ist im Wesentlichen radial ausgerichtet (die Längsachse des Auslasses ist im Wesentlichen tangential zum Strömungsquerschnitt des Trennelements 50 und verläuft nicht durch die Längsachse des Trennelements 50, wie in den Schnittdarstellungen A-A und B-B zu erkennen ist). 46715-0167DE1

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Wie in der Schnittdarstellung A-A gezeigt ist, die durch den Einlassabschnitt 54 auf Höhe des konvergenten Teils des zentralen Durchlasses 51 verläuft, ist der Einlassabschnitt 54 im Wesentlichen radial ausgerichtet, sodass der Drall der Strömung des Stickstoffs erhalten bleibt bzw. der Strömungswiderstand des mit dem Drall behafteten Stroms des Stickstoffs beim Eintritt in den äußeren Durchlass 52 reduziert wird.

In der Schnittdarstellung B-B, die auf Höhe des Halsabschnitts des zentralen Durchlasses 51 verläuft, ist die Verbindung des Ringdurchlasses 56 mit den Einlassabschnitten 54 des äußeren Durchlasses 52 sowie dem gemeinsamen Auslassabschnitt 55 des Trennelements 50 bzw. der äußeren Durchlässe 52 erkennbar.

Die in FIG. 9 gezeigte Ausführung des Trennelements 50 ist einfach zu fertigen und bietet dennoch dahingehend die gewünschten Strömungseigenschaften, dass der Stickstoff unter Reduzierung des Drucks und des Strömungswiderstandes beschleunigt werden kann, um aus dem System gespült werden zu können, und der Wasserstoff unter Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit druckbeaufschlagt werden kann, um den Totaldruckverlust über das Trennelement 50 zu reduzieren.

Claims

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ANSPRÜCHE

1. Trennvorrichtung (20) für ein Anodenrezirkulat (70) einer Brennstoffzelle (3), wobei die Trennvorrichtung in einem Rezirkulationspfad (2) einer Anode der Brennstoffzelle anordenbar und eingerichtet ist, ein inertes Gas (72) und einen gasförmigen Brennstoff (71) in dem Anodenrezirkulat voneinander zu trennen sowie das inerte Gas in Richtung einer Spüleinrichtung (8) und den Brennstoff in Richtung eines Einlasses (13) eines Anodenraums (4) der Anode auszugeben.

2. Trennvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Trennvorrichtung eine mechanische Trennvorrichtung ist; und/oder die Trennvorrichtung eingerichtet ist, das inerte Gas und den Brennstoff mittels Zentrifugalkraft voneinander zu trennen sowie das inerte Gas relativ zu einer Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats radial außen und den Brennstoff radial innen aus dem Anodenrezirkulat abzuzweigen.

3. Trennvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einem Trennelement (50), das am stromabwärtigen Ende der Trennvorrichtung bezüglich der Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats anordenbar ist und bezüglich der Strömungsrichtung mindestens einen zentralen Durchlass (51) für den Brennstoff und mindestens einen radial außen angeordneten Durchlass (52) für das inerte Gas umfasst, wobei, vorzugsweise, der zentrale Durchlass für den Brennstoff ein in der Strömungsrichtung konvergent-divergenter Durchlass ist.

4. Trennvorrichtung nach Anspruch 3, wobei sich der zentrale Durchlass für den Brennstoff im Wesentlichen in einer axialen Richtung des Trennelements erstreckt und der mindestens eine Durchlass für das inerte Gas einen Einlassabschnitt (54), der sich im Wesentlichen in der axialen Richtung erstreckt, und einen Auslassabschnitt (55) aufweist, der relativ zu dem Einlassabschnitt radial nach außen abgewinkelt ist, wobei sich vorzugsweise der Einlassabschnitt in der axialen Richtung erstreckt 46715-0167DE1 25. September 2024 und sich der Auslassabschnitt in einer radialen Richtung des Trennelements erstreckt, und, noch bevorzugter, der Einlassabschnitt und der Auslassabschnitt stufenlos miteinander verbunden sind.

5. Trennvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei sich der zentrale Durchlass für den Brennstoff im Wesentlichen in einer axialen Richtung des Trennelements erstreckt und sich der mindestens eine Durchlass für das inerte Gas von seinem Einlass bis zu seinem Auslass schräg zu der axialen Richtung des Trennelements erstreckt.

6. Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Trennelement eine Vielzahl von Durchlässen für das inerte Gas umfasst, und die Vielzahl von Durchlässen bevorzugt an Auslassenden ihrer Einlassabschnitte mittels eines im Wesentlichen ringförmigen Durchlasses (56) miteinander verbunden sind und der ringförmige Durchlass mit dem Auslass des Trennelements verbunden ist, und sich der Auslass des Trennelements, noch bevorzugter, in radialer Richtung des Trennelements erstreckt.

7. Trennvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einem Rezirkulationsgebläse (60), das vorzugsweise ein Radialgebläse oder eine Gaszentrifuge ist, das eingerichtet ist, das Anodenrezirkulat relativ zu der Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats axial anzusaugen und radial derart auszustoßen, dass ein Strömungsfeld an einem Auslass (64, 65) des Rezirkulationsgebläses erzeugt werden kann, in dem relativ zu der Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats radial außen eine mit dem inerten Gas angereicherte Gasphase und radial innen eine mit dem Brennstoff angereicherte Gasphase strömen kann; und vorzugsweise einem Trennelement, das in der Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats stromabwärts des Rezirkulationsgebläses, bevorzugt unmittelbar stromabwärts, anordenbar ist sowie relativ zu der Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats radial außen mindestens einen Durchlass (52) für die mit dem inerten Gas angereicherte Gasphase, der mit der Spüleinrichtung verbunden ist, und radial innen mindestens einen Durchlass (51) für die mit dem Brennstoff angereicherte Gasphase aufweist, der mit dem Einlass des Anodenraums verbunden ist. 46715-0167DE1 25. September 2024

8. Trennvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einem Spülventil (8) zum Auslassen der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase aus dem Rezirkulationspfad, wobei das Spülventil vorzugsweise in das Trennelement integriert ist und/oder so eingerichtet ist, dass es einen Durchsatz der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase abhängig von Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle anpassen kann.

9. Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (3), die eine Anode und eine Kathode umfasst, einem Rezirkulationspfad (2), der einen Auslass (12) eines Anodenraums (4) der Anode mit einem Einlass (13) des Anodenraums verbindet, und einer Trennvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die in dem Rezirkulationspfad angeordnet ist, wobei die Brennstoffzelle vorzugsweise eine Polymer-Elektrolyt-Membran- Brennstoffzelle und/oder eine überstöchiometrisch betreibbare Brennstoffzelle ist.

10. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), das eine Brennstoffzelle (3) und einen Rezirkulationspfad (2) aufweist, der einen Auslass (12) eines Anodenraums (4) einer Anode der Brennstoffzelle mit einem Einlass (13) des Anodenraums verbindet, das Verfahren umfassend ein Auslassen eines Abgases aus dem Anodenraum über den Auslass in den Rezirkulationspfad als Anodenrezirkulat (70), ein Trennen des Anodenrezirkulats mindestens in eine mit einem inerten Gas angereicherte Gasphase (72) und eine mit einem Brennstoff angereicherte Gasphase (71), ein Auslassen der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase aus dem Rezirkulationspfad, und ein Einlassen der mit dem Brennstoff angereicherten Gasphase in den Anodenraum über den Einlass.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Trennen mechanisch erfolgt; und/oder das Trennen mittels Zentrifugalkraft erfolgt, wobei vorzugsweise 46715-0167DE1

25. September 2024 die mit dem inerten Gas angereicherte Gasphase bezogen auf eine Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats bedingt durch die Zentrifugalkraft radial außen strömt und die mit dem Brennstoff angereicherte Gasphase radial innen strömt, und/oder das Auslassen derart erfolgt, dass ein Drall der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase nach dem Trennen und vor dem Auslassen im Wesentlichen erhalten bleibt; und/oder das Trennen ein Umlenken der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase in die radiale Richtung bezogen auf die Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats aufweist, wobei vorzugsweise die mit dem inerten Gas angereicherte Gasphase stufenlos in die radiale Richtung umgelenkt wird und/oder in eine Umfangsrichtung bezogen auf die Strömungsrichtung des Anodenrezirkulats umgelenkt wird; und/oder die mit dem Brennstoff angereicherte Gasphase nach dem Trennen als konvergentdivergente Strömung in Richtung des Einlasses des Anodenraums strömt; und/oder das Auslassen intermittierend erfolgt und dabei vorzugsweise ein Durchsatz der mit dem inerten Gas angereicherten Gasphase abhängig von Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle angepasst wird; und/oder die Brennstoffzelle überstöchiometrisch betreiben wird.