DE102021116944A1

DE102021116944A1 - Störungsarmer rotierender Abscheider mit hoher Kompatibilität für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen

Info

Publication number: DE102021116944A1
Application number: DE102021116944.5A
Authority: DE
Inventors: Johannes Lissy; Dietmar Gernand; Eike Stitterich
Original assignee: Hengst SE and Co KG
Current assignee: Hengst SE and Co KG
Priority date: 2021-07-01
Filing date: 2021-07-01
Publication date: 2023-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen rotierenden Abscheider zur kontinuierlichen Aufbereitung von Fluidströmen, insbesondere in Brennstoffzellensystemen, umfassend: - ein Gehäuse mit einer im Inneren des Gehäuses angeordneten Arbeitskammer, und - zumindest ein Abscheideelement, welches mittels einer Halteanordnung rotierbar in der Arbeitskammer angeordnet ist, wobei das Gehäuse zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden Kunststoff mit einem spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand von 106Ω m oder weniger besteht, und wobei die Halteanordnung zumindest teilweise aus einem metallischen Material mit einer Zugfestigkeit von 800 MPa oder mehr besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen rotierenden Abscheider zur kontinuierlichen Aufbereitung von Fluidströmen, insbesondere in Brennstoffzellensystemen, entsprechende Brennstoffzellensysteme mit einem solchen rotierenden Abscheider und die Verwendung entsprechender rotierender Abscheider zur kontinuierlichen Aufbereitung von mehrphasigen Fluidströmen beim Betrieb von Brennstoffzellen.
Der Gegenstand der Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Der Einsatz von Brennstoffzellen im Bereich der Fahrzeugtechnik gilt seit einigen Jahren als vielversprechende Möglichkeit, die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen wie Erdöl zu reduzieren. Die Brennstoffzelle stellt dabei eine der wichtigsten Alternativen zum Einsatz von Batterien, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, dar. Gegenüber der Batterietechnologie weist die Brennstoffzellentechnologie dabei spezifische Vorteile auf, insbesondere hinsichtlich der praktischen Handhabung des Brennstoffes, des Speicherpotentials und der Nachfüllzeiten sowie der potentiellen Möglichkeit, die bestehende Leitungs- und Speicherinfrastruktur zu verwenden.
In Brennstoffzellen erfolgt die Umsetzung von Sauerstoff mit einem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, Methan oder Methanol, zu Wasser und ggf. anderen Reaktionsprodukten unter kontrollierten Reaktionsbedingungen, wobei die Reaktionsschritte der Redoxreaktion räumlich getrennt ablaufen. Die Brennstoffzelle besteht hierzu aus einer Anode und einer Kathode, die durch einen Elektrolyten, beispielsweise eine Elektrolytmembran, voneinander getrennt sind.
Die Reaktanten werden der Brennstoffzelle im Betrieb kontinuierlich zugeführt, wobei der Brennstoff zumeist überstöchiometrisch eingesetzt wird. Dadurch ist für den reibungslosen Betrieb einer Brennstoffzelle ein ausgefeiltes System für die Fluidleitung notwendig. Um einen möglichst effizienten Betrieb der Brennstoffzelle zu gewährleisten und eine hohe Ausnutzung der eingesetzten Materialien zu gewährleisten, ist es dabei insbesondere notwendig, die aus der Brennstoffzelle austretenden Fluidströme, insbesondere den überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff, zumindest teilweise in die Brennstoffzelle zu rezirkulieren. Dies ist jedoch in der Praxis mit erheblichen Problemen verbunden, insbesondere, weil die aus der Brennstoffzelle austretenden Fluidströme regelmäßig das Reaktionsprodukt der chemischen Umsetzung, zumeist Wasser, umfassen, welches zumindest teilweise in kondensierter Form vorliegt. Beim Rezirkulieren der austretenden Betriebsgase gilt es zumeist zu vermeiden, dass auch das in der Brennstoffzelle erzeugte und größtenteils kondensierte Wasser in die Brennstoffzelle zurückgeführt wird, wo es andernfalls beispielsweise zu einer ungewollten Flutung des Brennstoffzellen-Stacks kommen könnte.
Aus diesem Grund wird in dem zum Rezirkulieren verwendeten Fluidleitungssystem, bzw. zumindest in dem mit der Anode eingesetzten Fluidleitungssystem, häufig ein Wasserabscheider eingesetzt.
Im Stand der Technik kommen hierfür passive Wasserabscheider zum Einsatz. Diese Systeme können nach Einschätzung der Erfinder jedoch mit erheblichen Nachteilen verbunden sein. Beispielsweise können sie zu ungewollten Staudrücken bzw. Druckabfällen im Fluidleitungssystem führen. Insbesondere wenn die Brennstoffzelle mit niedriger Last betrieben wird und der aus dem Brennstoffzellen-Stack austretende Fluidstrom somit vergleichsweise schwach ist, weisen solche Systeme zudem schlechte Abscheidegrade bezogen auf das auskondensierte Wasser auf. Grundsätzlich wird die Abscheideleistung der aus dem Stand der Technik bekannten passiven Systeme regelmäßig als unzureichend empfunden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nun erkannt, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme durch den Einsatz eines rotierenden Abscheiders gelöst werden können, welcher mit einer ausgezeichneten Abscheideleistung kondensierte Nebenprodukte aus dem Fluidstrom entfernt und zudem, quasi nach Art einer Turbine, durch seine Rotation auch aktiv eine ausreichende Strömung im Fluidleitungssystem sicherstellt.
Der grundsätzlich vorteilhafte Einsatz von rotierenden Abscheidern zur kontinuierlichen Aufbereitung von mehrphasigen Fluidströmen kann nach Erkenntnis der Erfinder aber auch mit Nachteilen verbunden sein, die für bestimmte Anwendungen, insbesondere beim Einsatz in dem Fluidleitungssystem in einer Brennstoffzelle, als unvorteilhaft angesehen werden können.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung sind zu der Erkenntnis gelangt, dass die aus dem Stand der Technik verfügbaren rotierenden Abscheider für den langfristigen zuverlässigen Einsatz in Brennstoffzellensystemen in vielen Fällen nicht geeignet sind. Bei Brennstoffzellensystemen, insbesondere solchen, die in Fahrzeugen eingesetzt werden sollen, handelt es sich regelmäßig um hochgradig sensible Systeme. Entsprechende Brennstoffzellensysteme können sehr anfällig für Störungen, wie beispielsweise ungewollte elektrische Entladungen, plötzliche Druckschwankungen im Leitungssystem oder den Eintrag von Fremdpartikeln in den Brennstoffzellenstapel sein.
Im Gegensatz zu den passiven Abscheidesystemen aus dem Stand der Technik kann insbesondere auch ein Ausfall des aktiv arbeitenden rotierenden Abscheiders und der damit verbundene schlagartige Abfall der Abscheideleistung zu einem erheblichen Eintrag von Wasser in den Brennstoffzellenstapel führen, wodurch die Brennstoffzelle potentiell irreparabel beschädigt werden kann.
Nach Einschätzung der Erfinder sind die aus dem Stand der Technik bekannten rotierenden Abscheider zwar leistungsstark, beim Einsatz in Brennstoffzellensystemen jedoch auch mit einer erhöhten Gefahr verbunden, entsprechende Störungen im Brennstoffzellensystem zu verursachen. Dies kann beispielsweise durch den Eintrag von durch Verschleiß erzeugten Partikeln sowie der eingesetzten Schmiermittel erfolgen. Zudem sind die aktiven rotierenden Abscheider besonders anfällig für statische Aufladungen, die den reibungslosen Betrieb des Brennstoffzellensystems gefährden können. Zudem kann es in Einzelfällen beim Einsatz von rotierenden Abscheidern sogar zu einem Funkenschlag kommen, welcher in einen mit Sauerstoff und Wasserstoff arbeitenden System, wie der Brennstoffzelle, vermieden werden sollte.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die vorstehend beschriebene Problematik zu beheben und für die an sich überaus vorteilhafte und innovative Ausgestaltung des Einsatzes eines rotierenden Abscheiders in einem Brennstoffzellensystem einen optimierten rotierenden Abscheider zur kontinuierlichen Aufbereitung von Fluidströmen anzugeben, der für die spezifischen Anforderungen des Einsatzes in einem Brennstoffzellensystem besonders geeignet ist.
Es war somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen rotierenden Abscheider mit einer hohen Kompatibilität für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen anzugeben, der einen besonders störungs- und/oder wartungsarmen Betrieb eines entsprechenden Brennstoffzellensystems mit einem aktiven rotierenden Abscheider ermöglicht.
Insbesondere war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Anfälligkeit des rotierenden Abscheiders für ungewollte elektrostatische Aufladung zu reduzieren, die Gefahr von Funkenschlag zu minimieren sowie die Kontamination der nachgeschalteten Brennstoffzelle mit Partikeln, beispielsweise Abrieb, Rost und/oder Schmierstoffen, zu vermindern.
Es war eine ergänzende Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den rotierenden Abscheider zum kontinuierlichen Aufbereiten von Fluidströmen so auszugestalten, dass dieser zuverlässig mit besonders hohen Drehzahlen und besonders hohen Abscheideleistungen betrieben werden kann, insbesondere über solche Zeiträume, die der Lebenserwartung eines in einem Fahrzeug eingesetzten Brennstoffzellensystem entsprechen.
Es war eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verwendung für entsprechende rotierende Abscheider zur kontinuierlichen Aufbereitung von mehrphasigen Fluidströmen beim Betrieb von Brennstoffzellen anzugeben.
Darüber hinaus war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches vorteilhafterweise über einen rotierenden Abscheider verfügt, dabei jedoch besonders betriebssicher sowie störungs- und/oder wartungsarm betreibbar sein sollte.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben im Rahmen eines Entwicklungsprojektes erkannt, dass die vorstehend beschriebenen Aufgaben durch einen rotierenden Abscheider gelöst werden können, wie er in den Ansprüchen definiert ist.
Die vorstehend genannten Aufgaben werden entsprechend durch rotierende Abscheider, Verwendungen und Brennstoffzellensysteme gelöst, wie sie in den Ansprüchen definiert sind, gelöst. Bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungen.
Solche Merkmale erfindungsgemäßer Gegenstände, die nachfolgend als bevorzugt bezeichnet sind, werden in besonders bevorzugten Ausführungsformen mit anderen als bevorzugt bezeichneten Merkmalen kombiniert. Ganz besonders bevorzugt sind somit Kombinationen von zwei oder mehr der nachfolgend als besonders bevorzugt bezeichneten Ausführungsformen. Ebenfalls bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen ein in irgendeinem Ausmaß als bevorzugt bezeichnetes Merkmal mit ein oder mehreren weiteren Merkmalen kombiniert wird, die in irgendeinem Ausmaß als bevorzugt bezeichnet werden. Merkmale bevorzugter Verwendungen und Brennstoffzellensysteme ergeben sich aus den Merkmalen bevorzugter Verfahren.
Die Erfindung betrifft einen rotierenden Abscheider zur kontinuierlichen Aufbereitung von Fluidströmen, insbesondere in Brennstoffzellensystemen, umfassend:

- ein Gehäuse mit einer im Inneren des Gehäuses angeordneten Arbeitskammer, und
- zumindest ein Abscheideelement, welches mittels einer Halteanordnung rotierbar in der Arbeitskammer angeordnet ist,

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Der erfindungsgemäße rotierende Abscheider ist zur kontinuierlichen Aufbereitung von Fluidströmen geeignet und wie vorstehend erläutert insbesondere für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen optimiert. Auch wenn die spezifischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen rotierenden Abscheiders diesen für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen prädestinieren, ist der erfindungsgemäße rotierende Abscheider nach Einschätzung der Erfinder grundsätzlich auch für andere Anwendungen vorteilhaft geeignet, in denen ein besonders leistungsstarker Abscheider benötigt wird, der jedoch möglichst störungsunanfällig und wartungsarm sein soll.
Kontinuierlich betreibbare rotierende Abscheider sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt.
Der erfindungsgemäße rotierende Abscheider umfasst ein Gehäuse mit einer im inneren des Gehäuses angeordneten Arbeitskammer. Dies bedeutet, dass der Innenraum des rotierenden Abscheiders, in dem die tatsächliche Abtrennung von flüssigen Bestandteilen aus der Gasphase erfolgt, zumindest teilweise, bevorzugt bis auf die Ein- und Auslässe vollständig, von einer Umwandungsstruktur des Gehäuses umgeben ist.
Darüber hinaus umfasst der erfindungsgemäße rotierende Abscheider zumindest ein Abscheideelement. Dieses Abscheideelement bzw. dessen Rotation in der Arbeitskammer ist für die hohe Abscheidewirkung des rotierenden Abscheiders verantwortlich.
Um die die Abscheidung unterstützende oder bedingende Rotation des Abscheideelements in der Arbeitskammer zu ermöglichen, ist das Abscheideelement durch eine Halteanordnung rotierbar in der Arbeitskammer angeordnet.
Erfindungswesentlich ist, dass das Gehäuse zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden Kunststoff mit einem maximalen spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand besteht. Zudem ist erfindungswesentlich, dass die Halteanordnung zumindest teilweise aus einem metallischen Material mit einer besonders hohen Zugfestigkeit besteht.
Nach Einschätzung der Erfinder ist es die spezifische Kombination dieser Merkmale, die in einem besonders vorteilhaften rotierenden Abscheider resultiert. Insbesondere lassen sich mit einem solchen erfindungsgemäßen rotierenden Abscheider ungewollte elektrostatische Aufladung vorteilhafterweise minimieren. Neben der überraschend hohen Robustheit des erhaltenen rotierenden Abscheiders wird der Eintrag von Fremdpartikeln, die beispielsweise durch Abrieb entstehen können, in die Brennstoffzelle reduziert. Als ganz besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen rotierenden Abscheiders kann es jedoch angesehen werden, dass durch das synergistische Zusammenwirken der spezifischen Merkmale das Risiko eines Funkenschlags in vorteilhafter Weise minimiert wird.
Der spezifische elektrische Durchgangswiderstand von Materialien ist eine dem Fachmann gut geläufige Größe, die er für die meisten Materialien einschlägigen Tabellenwerken entnehmen kann. Die Messung des spezifischen elektrischen Durchgangswiderstands bei anderen Komponenten erfolgt in Übereinstimmung mit der üblichen Praxis entweder gemäß der DIN EN ISO 3915 aus 1999, die insbesondere für besonders leitfähige Materialien zum Einsatz kommt, bzw. gemäß der IEC 60093 aus 1993, die bei hohen spezifischen elektrischen Durchgangswiderständen eingesetzt wird. Die Frage, welche der beiden Normen einzusetzen ist, richtet sich nach den Vorgaben der beiden Vorschriften sowie den Eigenschaften des jeweiligen untersuchten Materials.
Analog zu dem spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand ist auch die Zugfestigkeit von metallischen Materialien ein Wert, den der Fachmann beispielsweise den einschlägigen Tabellenwerken entnehmen kann, oder der zumeist von Zulieferern der entsprechenden Materialien bereitgestellt wird. Darüber hinaus kann die Zugfestigkeit mit einer geeigneten Zugprüfmaschine vom Fachmann selbst bestimmt werden, insbesondere gemäß der DIN EN ISO 689-1 aus 2020.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden sämtliche Materialeigenschaften, insbesondere der spezifische elektrische Durchgangswiderstand bei einer Temperatur von 20°C bestimmt.
Nach Einschätzung der Erfinder ist es besonders vorteilhaft, wenn der elektrisch leitende Kunststoff eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit und demnach einen besonders niedrigen spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand aufweist. Bevorzugt ist insoweit ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der elektrisch leitende Kunststoff einen spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand von 10⁵ Ω m oder weniger, bevorzugt 10⁴ Ω m oder weniger, besonders bevorzugt 10² Ω m oder weniger, aufweist.
Auch wenn es prinzipiell möglich ist, das Gehäuse aus verschiedenen Materialien zusammenzusetzen und Verbundmaterialien einzusetzen, ist es nach Einschätzung der Erfinder besonders vorteilhaft, das Gehäuse möglichst weitgehend aus dem elektrisch leitenden Kunststoff zu fertigen. Bevorzugt ist folglich ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei das Gehäuse zu mehr als 80 %, bevorzugt zu mehr als 90 %, besonders bevorzugt zu mehr als 95 %, ganz besonders bevorzugt zu mehr als 99 %, aus dem elektrisch leitenden Kunststoff besteht, bezogen auf die Masse des Gehäuses.
Bei einigen elektrisch leitenden Kunststoffen kann es nachteilhafterweise dazu kommen, dass das weitgehend aus diesen elektrisch leitenden Kunststoffen gefertigte Gehäuse keine ausreichende Festigkeit aufweist. Zur Umgehung dieses Problems schlagen die Erfinder vor, auch an die Zugfestigkeit des eingesetzten elektrisch leitenden Kunststoffs eine Mindestanforderung zu stellen. Hierbei hat sich für Duroplaste besonders eine Zugfähigkeit von 80 MPa oder mehr als besonders sinnvoll erwiesen, wobei die Erfinder vorschlagen, dass beim Einsatz vom Thermoplasten eine Festigkeit von mindestens 110 MPa eingestellt werden sollte. Bevorzugt ist daher ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der elektrisch leitende Kunststoff eine Zugfestigkeit von 80 MPa oder mehr, bevorzugt von 100 M Pa oder mehr, besonders bevorzugt von 140 M Pa oder mehr, aufweist.
In Übereinstimmung mit den vorstehenden Ausführungen sind nach Einschätzung der Erfinder insbesondere Thermoplaste und Duroplaste als elektrisch leitende Kunststoffe besonders geeignet. Bevorzugt ist also ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der elektrisch leitende Kunststoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Thermoplasten und Duroplasten, bevorzugt Thermoplasten.
Solche elektrisch leitenden Kunststoffe lassen sich beispielsweise dadurch erhalten, dass an sich wenig leitenden Kunststoffen, die jedoch über besonders vorteilhafte Verarbeitungseigenschaften verfügen, elektrisch leitfähige Additive zugesetzt werden. Diese spezifische Form von elektrisch leitenden Kunststoffen ist nach Einschätzung der Erfinder aufgrund ihrer hervorragenden Verarbeitungseigenschaften für erfindungsgemäße rotierende Abscheider besonders bevorzugt. Bevorzugt ist entsprechend ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der elektrisch leitende Kunststoff ein oder mehrere elektrisch leitfähige Additive umfasst.
Den Erfindern der vorliegenden Erfindung ist es insoweit gelungen, besonders geeignete Kunststoffe zu identifizieren, mit denen sich ausgezeichnete elektrisch leitenden Kunststoffe erhalten lassen, die in erfindungsgemäßen rotierenden Abscheidern zu vorteilhaften Gehäusen verarbeitet werden können. Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der elektrisch leitende Kunststoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus verstärkten Phenolharzmassen, Polyamiden, insbesondere Polyphthalamiden, und Polyphenylensulfid.
Beim Betrieb von Brennstoffzellensystemen, insbesondere beim längeren Einsatz mit hohen Leistungen können sehr leicht besonders hohe Temperaturen in den verarbeiteten Fluiden auftreten. Entsprechend schlagen die Erfinder der vorliegenden Erfindung vor, dass der elektrisch leitende Kunststoff für bestimmte Anwendungen nicht nur hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit und bevorzugt hinsichtlich seiner Zugfestigkeit optimiert werden sollte, sondern dass die Auswahl des elektrisch leitenden Kunststoffs zudem in Abhängigkeit von der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs erfolgen sollte. Bevorzugt ist nämlich ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der elektrisch leitende Kunststoff eine Glasübergangstemperatur von 110 °C oder mehr, bevorzugt von 120 °C oder mehr, besonders bevorzugt 130 °C oder mehr, aufweist.
In Brennstoffzellensystemen arbeiten erfindungsgemäße rotierende Abscheider vor allem mit Fluidströmen, die Wasser und/oder Wasserstoff umfassen. Mit Blick auf eine effiziente Verfahrensführung im Brennstoffzellensystem und zur Vermeidung des Austritts dieser Komponenten aus dem Fluidleitungssystem ist nach Einschätzung der Erfinder besonders vorteilhaft, die Materialien des Gehäuses so zu wählen, dass diese einen möglichst niedrigen Diffusionskoeffizienten für diese Komponenten aufweisen. Ohne an diese Theorie gebunden sein zu wollen gehen die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch davon aus, dass sich durch eine möglichst niedrige Diffusion der Arbeitsfluide in das Material des Gehäuses eine besonders langfristige Haltbarkeit ergibt. Bevorzugt ist vor diesem Hintergrund ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der Diffusionskoeffizient von Wasser bei 20 °C im elektrisch leitenden Kunststoff 10^-10 m²/s oder weniger, bevorzugt 10^-12 m²/s oder weniger, besonders bevorzugt 10^-14 m²/s oder weniger, beträgt und/oder wobei der Diffusionskoeffizient von Wasserstoff bei 20 °C im elektrisch leitenden Kunststoff 10^-5 m²/s oder weniger, bevorzugt 10^-6 m²/s oder weniger, besonders bevorzugt 5×10^-6 m²/s oder weniger, beträgt.
Im Lichte der vorstehenden Ausführungen und angesichts der Vorgabe, dass die entsprechenden rotierenden Abscheider in Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen regelmäßig in breiten Temperaturbereichen eingesetzt werden müssen, schlagen die Erfinder der vorliegenden Erfindung vor, dass der elektrisch leitende Kunststoff so gewählt werden sollte, dass sich der Diffusionskoeffizient von Wasser und/oder Wasserstoff im erwarteten Einsatzbereich mit der Temperatur nur geringfügig ändert. Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei sich der Diffusionskoeffizient von Wasser und/oder Wasserstoff im elektrisch leitenden Kunststoff zwischen -40 °C und 120 °C um weniger als 80 %, bevorzugt um weniger als 90 %, besonders bevorzugt um weniger als 99 % unterscheidet.
Bei Experimenten mit aus dem Stand der Technik bekannten rotierenden Abscheidern wurde festgestellt, dass es über kleine Mengen an rezirkuliertem Wasser zu einem ungewollten Eintrag von Fremdionen in die Brennstoffzelle kommen kann. Ohne an diese Theorie gebunden sein zu wollen, nehmen die Erfinder der vorliegenden Erfindung an, dass die eingetragenen Ionen aus den Gehäusen und/oder der Halteanordnung stammen und sich in den kleinen Wassertropfen, die mit dem Fluidstrom mitgeführt werden, gelöst haben. Nach Einschätzung der Erfinder sollte dies weitgehend vermieden werden, was insbesondere durch eine geeignete Wahl des Kunststoffes des Gehäuses bewerkstelligt werden kann. Insbesondere beim Einsatz von elektrisch leitenden Kunststoffen, die über den Zusatz von Additiven hergestellt wurden, ist es besonders vorteilhaft, den erhaltenen Werkstoff so auszuführen, dass er beim Kontakt mit Wasser im Wesentlichen keine Ionen an das Wasser abgibt, beispielsweise durch die Applikation einer entsprechenden Beschichtung. Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der elektrisch leitende Kunststoff bei Kontakt mit Wasser im Wesentlichen keine Ionen an das Wasser abgibt.
Für die meisten Ausgestaltungen der rotierenden Abscheider ist es zielführend, wenn das Gehäuse und damit die Arbeitskammer über zumindest eine Öffnung mit dem aufzubereitenden Fluid versorgt werden kann. Zudem sollte die Arbeitskammer über zwei separate Auslassöffnungen verfügen, über die zum einen das aufbereitete Gas und zum anderen die abgetrennte flüssige Phase voneinander unabhängig aus dem rotierenden Abscheider ausgeführt werden können. Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei die Arbeitskammer zumindest eine Einlassöffnung und zumindest zwei Auslassöffnungen aufweist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass in den aus dem Stand der Technik bekannten rotierenden Abscheidern regelmäßig vergleichsweise raue Bauteile eingesetzt werden, da der Oberflächenbeschaffenheit der Innenwände der Arbeitskammer bei vielen Anwendungen keine gesteigerte Bedeutung beigemessen wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nunmehr jedoch erkannt, dass es besonders vorteilhaft ist, die Innenwände der Arbeitskammer besonders glatt auszuführen. Dies hat zunächst mit Blick auf den in der Gasphase verbleibenden Wassergehalt als vorteilhaft erwiesen, welcher nach Einschätzung der Erfinder durch eine verringerte Kondensation in der Arbeitskammer vorteilhaft beeinflusst wird. Zudem haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch erkannt, dass besonders glatte Innenwände der Arbeitskammer das Ausmaß des ungewollten Abriebs verhindern, die ungewollte Aufnahme von Ionen aus dem Kunststoff in das mitgeführte Wasser reduzieren und die Oxidationsbeständigkeit der Oberfläche verbessern. Bevorzugt ist folglich ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei die Innenwände der Arbeitskammer an der Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz von 10 µm oder weniger, bevorzugt 8 µm oder weniger, besonders bevorzugt 6 µm oder weniger, aufweisen. Die gemittelte Rautiefe Rz wird hierbei gemäß der DIN EN ISO 4287 aus 2010 mit einem 3D Profilometer bestimmt, bspw. einem Filmetrics Profilm3D oder einem Keyence Laser Profilsensor.
Auch wenn die vorstehende Lehre vorteilhafterweise auf eine große Vielzahl von rotierenden Abscheidern einsetzbar ist, beispielsweise für Strömungsmaschinen, rotierende Filter oder rotierende Kanalabscheider, ist es doch explizit bevorzugt, wenn der erfindungsgemäße rotierende Abscheider ein Tellerseparator ist. Solche Tellerseparatoren sind, bedingt durch ihren prinzipiellen Aufbau, regelmäßig besonders geeignet für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen und sind vorteilhafterweise bereits grundsätzlich besonders störungs- und/oder wartungsarm. Darüber hinaus sind Tellerseparatoren auch deshalb bevorzugt, weil diese regelmäßig besonders energieeffizient betrieben werden können. Bevorzugt ist somit ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei der rotierende Abscheider ein Tellerseparator ist.
Ausgehend von dem Einsatz eines Tellerseparators für den erfindungsgemäßen rotierenden Abscheider haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung bauliche Ausgestaltungen des rotierenden Abscheiders und insbesondere des in diesem eingesetzten Abscheideelements identifiziert, die neben einer besonders vorteilhaften Abscheideleistung auch zu einer besonders hohen Lebensdauer geführt haben. Hierzu schlagen die Erfinder der vorliegenden Erfindung einen optimierten Abstand zwischen den Tellern des Abscheideelements vor. Bevorzugt ist nämlich ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei das Abscheideelement eine Anordnung von mehreren Tellern umfasst, wobei der Abstand zwischen den Tellern kleiner als 0,6 mm, bevorzugt kleiner als 0,3 mm, besonders bevorzugt kleiner als 0,2 mm, ist.
Über die vorstehenden Ausführungen hinaus hat es sich nach Einschätzung der Erfinder als besonders vorteilhaft erwiesen, die Teller des Tellerseparators aus einem wasserabweisenden Material herzustellen. Dies hat sich mit Blick auf den ungewollten Eintrag von Ionen und/oder anderen Fremdpartikeln in die nachgeschaltete Brennstoffzelle als besonders vorteilhaft erwiesen. Bevorzugt ist demnach ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei das Abscheideelement, insbesondere die Teller eines Tellerseparators, zumindest teilweise aus einem wasserabweisenden Material besteht oder mit einem wasserabweisenden Material beschichtet ist, wobei Wasser auf dem wasserabweisenden Material einen Kontaktwinkel im Bereich von 70° oder mehr, bevorzugt 80° oder mehr, besonders bevorzugt 90° oder mehr, ganz besonders bevorzugt 100° oder mehr, aufweist.
Auch wenn bereits mit Zugfestigkeiten von 800 MPa oder mehr für das metallische Material leistungsfähige erfindungsgemäße rotierende Abscheider erhalten werden können, schlagen die Erfinder der vorliegenden Erfindung vor, dass die Zugfestigkeit des metallischen Materials vorteilhafterweise noch höher gewählt werden sollte. Nach Einschätzung der Erfinder ist mit höheren Zugfestigkeiten, wie sie beispielsweise mit legierten Stählen zu erreichen sind, eine grundlegende Verbesserung des erfindungsgemäßen rotierenden Abscheiders möglich, wobei hier in der Praxis wohl eine Abwägung zu den nötigen Materialkosten erfolgen wird. Bevorzugt ist insbesondere ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei das metallische Material eine Zugfestigkeit von 1000 MPa oder mehr, bevorzugt von 1100 MPa oder mehr, besonders bevorzugt von 1200 MPa oder mehr, aufweist.
Analog zu den vorstehenden Ausführungen zu der glatten Oberfläche der Innenwände der Arbeitskammer hat es sich als vorteilhaft erwiesen, auch die Halteanordnung bzw. die Bestandteile der Halteanordnung, mit einer besonderen glatten Oberfläche auszuführen, wobei die gleiche Messvorschrift zur Bestimmung herangezogen werden kann. Bevorzugt ist insoweit ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei die Halteanordnung an der Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz von 10 µm oder weniger, bevorzugt 8 µm oder weniger, besonders bevorzugt 6 µm oder weniger, aufweist.
Ebenfalls analog zu den vorstehenden Ausführungen zum Gehäuse ist es nach Einschätzung der Erfinder auch besonders vorteilhaft, wenn die Halteanordnung bzw. die einzelnen Komponenten der Halteanordnung im Wesentlichen vollständig aus dem entsprechenden Werkstoff bestehen. Bevorzugt ist entsprechend ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei die Halteanordnung zu mehr als 80 %, bevorzugt zu mehr als 90 %, besonders bevorzugt zu mehr als 95 %, ganz besonders bevorzugt zu mehr als 99 %, aus dem metallischen Material besteht, bezogen auf die Masse der Halteanordnung.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung schlagen vor, dass die Halteanordnung im erfindungsgemäßen rotierenden Abscheider zielführenderweise eine Welle und/oder eine Vorspannfeder und/oder ein Lager, bevorzugt sämtliche dieser Komponenten, umfasst, wobei diese Komponenten der Halteanordnung jeweils wie vorstehend als bevorzugt beschrieben weitgehend aus dem metallischen Material bestehen sollen.
Bevorzugt ist insoweit ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei die Halteanordnung zumindest eine Welle umfasst, wobei die Welle bevorzugt zumindest teilweise, besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig, aus dem metallischen Material besteht.
Bevorzugt ist ebenfalls ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei die Halteanordnung zumindest eine Vorspannfeder umfasst, wobei die Vorspannfeder bevorzugt zumindest teilweise, besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig, aus dem metallischen Material besteht.
Bevorzugt ist zudem ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei die Halteanordnung zumindest ein Lager umfasst, wobei das Lager bevorzugt zumindest teilweise aus dem metallischen Material besteht.
Auch wenn mit dem vorstehend offenbarten erfindungsgemäßen rotierenden Abscheider ausgezeichnete Ergebnisse beim Einsatz als Abscheider im Fluidleitungssystem eines Brennstoffzellensystems erzielt werden können, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannt, dass der Eintrag von Schmierstoffen, die der Schmierung des Lagers der Halteanordnung dienen, in die Brennstoffzelle weiterhin ein Problem darstellen kann. Aus diesem Grund schlagen die Erfinder der vorliegenden Erfindung vor, ein schmierstofffreies Lager bzw. ein gedichtetes Lager einzusetzen. Vorteilhafterweise können durch diese Ausgestaltung auch die Verunreinigungen im aufbereiteten Fluidstrom reduziert werden, die bei herkömmlichen Lagern auf den Einsatz von Schmierstoffen zurückzuführen sind. Bevorzugt ist somit ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei das Lager ein schmierstofffreies Lager oder ein gedichtetes Lager ist, bevorzugt ein doppelt gedichtetes Kugellager, bevorzugt mit zumindest einem Dichtungselement zumindest teilweise aus einem Material bestehend, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fluorsilikon (FKM) und Perflourkarbonverbindungen (PFCx), insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE).
Über die bauliche Ausgestaltung der Lager hinaus schlagen die Erfinder der vorliegenden Erfindung zudem bestimmte Schmierstoffe vor, die nach Einschätzung der Erfinder eine besonders hohe Verträglichkeit mit Brennstoffzellensystemen aufweisen und die, zumindest wenn sie nur in geringen Mengen in die Brennstoffzelle gelangen, dort vergleichsweise wenig Schaden anrichten. Bevorzugt ist deshalb ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider, wobei das Lager ein gedichtetes Lager ist, wobei das gedichtete Lager einen Schmierstoff umfasst, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Molybdändisulfid, PTFE-Schmierstoffen und Graphit.
Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung eines erfindungsgemäßen rotierenden Abscheiders zur kontinuierlichen Aufbereitung von mehrphasigen Fluidströmen beim Betrieb von Brennstoffzellen, insbesondere Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Brennstoffzellensystem, insbesondere Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelle, ein Fluidleitungssystem zur Fluidversorgung, insbesondere zur Fluidversorgung der Anode, wobei in zumindest einer Fluidleitung ein erfindungsgemäßer rotierender Abscheider zur kontinuierlichen Aufbereitung von mehrphasigen Fluidströmen vorgesehen ist.
Nachfolgend werden die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur näher erläutert und beschrieben. In der Figur zeigt dabei:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen rotierenden Abscheiders in einer besonders bevorzugten Ausführungsform.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen rotierenden Abscheiders 10 in einer besonders bevorzugten Ausführungsform.
Der rotierende Abscheider 10 dient dabei der kontinuierlichen Aufbereitung von Fluidströmen und ist in der in 1 gezeigten Ausgestaltung für den Einbau in das Fluidleitungssystem eines Brennstoffzellensystems mit einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle vorgesehen. Der Strom der Gasphase wird in 1 mit ausgefüllten Pfeilen angedeutet, wohingegen der Abfluss der abgetrennten flüssigen Phase mit einem offenen Pfeil angedeutet wird.
Der rotierende Abscheider 10 umfasst ein Gehäuse 12. Im Inneren des Gehäuses 12 befindet sich eine Arbeitskammer 14. In dieser ist ein Abscheideelement 16 angeordnet. Das Abscheideelement 16 ist dabei mittels einer Halteanordnung 18 rotierbar in der Arbeitskammer 14 aufgehangen, wobei die Rotation durch einen Antrieb 28 bedingt wird, welcher vorliegend als Elektromotor ausgeführt ist.
In der dargestellten Ausführungsform besteht das Gehäuse vollständig aus einem elektrisch leitenden Kunststoff mit einem spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand von 100 Ω m. Der eingesetzte elektrisch leitende Kunststoff weist eine Zugfestigkeit von 120 MPa auf und ist ein thermoplastischer Kunststoff. Der elektrisch leitende Kunststoff umfasst das Polyamid PA12 und ist mit einem Anteil von 25 % Glasfaser verstärkt.
Die Glasübergangstemperatur des elektrisch leitenden Kunststoffs liegt bei 138 °C. Der elektrisch leitende Kunststoff ist so gewählt, dass er bei Kontakt mit Wasser im Wesentlichen keine Ionen an das Wasser abgibt.
In der 1 dargestellten Ausführungsform umfasst die Arbeitskammer 14 insgesamt drei Öffnungen, nämlich eine Einlassöffnung und zwei Auslassöffnungen. In der beispielhaften bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen rotierenden Abscheiders 10 gemäß 1 weisen die Innenwände der Arbeitskammer 14 an ihrer Oberfläche eine gemittelte Rautiefe von etwa 5 µm auf.
Wie in 1 deutlich zu erkennen ist, handelt es sich bei dem dargestellten erfindungsgemäßen rotierenden Abscheider 10 um einen Tellerseparator. Entsprechend umfasst das Abscheideelement 16 eine Anordnung von mehreren Tellern 20, die in der vorliegend lediglich schematisch gezeigten Ausführungsform einen Abstand von 0,25 mm voneinander haben.
Der erfindungsgemäße rotierende Abscheider gemäß 1 umfasst mehrere Teller 20, die jeweils vollständig aus PTFE ausgebildet sind. Der erfindungsgemäße rotierende Abscheider 10 umfasst zudem eine Halteanordnung 18, die in der vorliegend gezeigten Ausführungsform neben einer von innen hohlen Welle 24 und einer Vorspannfeder 26 zwei Lager 22a, 22b umfasst.
Sämtliche dieser Bauteile bestehen in der gezeigten beispielhaften Ausführungsform aus einem hochfesten, hochlegierten Stahl (X46Cr13) mit einer Zugfestigkeit von 1000 MPa. Die Oberfläche der einzelnen Komponenten der Halteanordnung 18 wird in der dargestellten Ausführungsform besonders glatt ausgeführt und weist jeweils ein Rautiefe von 4 µm auf. Bei den eingesetzten Lagern 22a, 22b handelt es sich um doppelt gedichtete Kugellager, in denen Molybdändisulfid als Schmierstoff eingesetzt wird.
Bezugszeichenliste

10: Rotierender Abscheider
12: Gehäuse
14: Arbeitskammer
16: Abscheideelement
18: Halteanordnung
20: Teller
22a, 22b: Lager
24: Welle
26: Vorspannfeder
28: Antrieb

Claims

Rotierender Abscheider (10) zur kontinuierlichen Aufbereitung von Fluidströmen, insbesondere in Brennstoffzellensystemen, umfassend: - ein Gehäuse (12) mit einer im Inneren des Gehäuses (12) angeordneten Arbeitskammer (14), und - zumindest ein Abscheideelement (16), welches mittels einer Halteanordnung (18) rotierbar in der Arbeitskammer (14) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (12) zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden Kunststoff mit einem spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand von 10⁶ Ω m oder weniger besteht, und wobei die Halteanordnung (18) zumindest teilweise aus einem metallischen Material mit einer Zugfestigkeit von 800 MPa oder mehr besteht.
Rotierender Abscheider (10) nach Anspruch 1, wobei der elektrisch leitende Kunststoff einen spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand von 10⁵ Ω m oder weniger, bevorzugt 10⁴ Ω m oder weniger, besonders bevorzugt 10² Ω m oder weniger, aufweist.
Rotierender Abscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der elektrisch leitende Kunststoff eine Zugfestigkeit von 80 MPa oder mehr, bevorzugt von 100 MPa oder mehr, besonders bevorzugt von 140 MPa oder mehr, aufweist.
Rotierender Abscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Innenwände der Arbeitskammer (14) an der Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz von 10 µm oder weniger, bevorzugt 8 µm oder weniger, besonders bevorzugt 6 µm oder weniger, aufweisen, und/oder wobei die Halteanordnung (18) an der Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz von 10 µm oder weniger, bevorzugt 8 µm oder weniger, besonders bevorzugt 6 µm oder weniger, aufweist.
Rotierender Abscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der rotierende Abscheider ein Tellerseparator ist.
Rotierender Abscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Abscheideelement (16), insbesondere die Teller (20) eines Tellerseparators, zumindest teilweise aus einem wasserabweisenden Material besteht oder mit einem wasserabweisenden Material beschichtet ist, wobei Wasser auf dem wasserabweisenden Material einen Kontaktwinkel im Bereich von 70° oder mehr, bevorzugt 80° oder mehr, besonders bevorzugt 90° oder mehr, ganz besonders bevorzugt 100° oder mehr, aufweist.
Rotierender Abscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Halteanordnung (18) zumindest ein Lager (22a, 22b) umfasst, wobei das Lager (22a, 22b) bevorzugt zumindest teilweise aus dem metallischen Material besteht.
Rotierender Abscheider (10) nach Anspruch 7, wobei das Lager (22a, 22b) ein schmierstofffreies Lager oder ein gedichtetes Lager ist, bevorzugt ein doppelt gedichtetes Kugellager, bevorzugt mit zumindest einem Dichtungselement zumindest teilweise aus einem Material bestehend, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Fluorsilikon (FKM) und Perfluorkarbonverbindungen (PFCx), insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), wobei das Lager (22a, 22b) besonders bevorzugt ein gedichtetes Lager ist, wobei das gedichtete Lager einen Schmierstoff umfasst, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Molybdändisulfid, PTFE-Schmierstoffen und Graphit.
Verwendung eines rotierenden Abscheiders (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur kontinuierlichen Aufbereitung von mehrphasigen Fluidströmen beim Betrieb von Brennstoffzellen, insbesondere Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen.
Brennstoffzellensystem, insbesondere Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelle, ein Fluidleitungssystem zur Fluidversorgung, insbesondere zur Fluidversorgung der Anode, wobei in zumindest einer Fluidleitung ein rotierender Abscheider (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur kontinuierlichen Aufbereitung von mehrphasigen Fluidströmen vorgesehen ist.