DE102016212153A1 - Anode subsystem with a mechanical anode flush valve and method for flushing an anode subsystem - Google Patents

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Spülen eines Anodensubsystems eines Brennstoffzellensystems. Zum Spülen wird der Druck im Anodensystem stromab von mindestens einer Brennstoffzelle auf einen Spüldruckwert erhöht, der ein durch ein Federmittel belastetes Anodenspülventil 238 zumindest teilweise öffnet. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Anodensubsystem zur Durchführung des hier offenbarten Verfahrens.The technology disclosed herein relates to a method of purging an anode subsystem of a fuel cell system. For purging, the pressure in the anode system downstream of at least one fuel cell is increased to a purging pressure value which at least partially opens an anode purging valve 238 loaded by a spring means. Furthermore, the technology disclosed herein relates to an anode subsystem for carrying out the method disclosed herein.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems mit einem mechanischen Anodenspülventil. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zum Spülen eines solchen Anodensubsystems. The technology disclosed herein relates to an anode subsystem of a fuel cell system having a mechanical anode purge valve. Further, the technology disclosed herein relates to a method of purging such an anode subsystem.

In vorbekannten Brennstoffzellensystemen wird der Spülvorgang des Wasserstoffversorgungssubsystems (= Anodensubsystem) durch ein elektrisch angesteuertes Spülventil durchgeführt. Ein solcher Spülvorgang ist notwendig, da sich über der Betriebsdauer Stickstoff und flüssiges Wasser im Anodensubsystem ansammelt, wodurch ein stabiler Betrieb negativ beeinflusst wird. Ein elektrisch angesteuertes Spülventil ist vergleichsweise teuer. Zudem wird durch die Ansteuerung des Spülventils der elektrische Verbrauch erhöht. In prior art fuel cell systems, the purge operation of the hydrogen supply subsystem (= anode subsystem) is performed by an electrically driven purge valve. Such a flushing operation is necessary because nitrogen and liquid water accumulates over the operating time in the anode subsystem, thereby adversely affecting stable operation. An electrically controlled flushing valve is relatively expensive. In addition, the control of the purge valve increases the electrical consumption.

Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein vergleichsweise günstiges und einfaches Anodenspülventil bereitzustellen, welches bevorzugt vergleichsweise klein und/oder ausfallsicher ist. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar. It is a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate at least one disadvantage of the previously known solutions. In particular, it is an object of the technology disclosed here to provide a comparatively cheap and simple anode scavenging valve which is preferably comparatively small and / or failsafe. Other preferred objects may result from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject independent claims. The dependent claims are preferred embodiments.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Eine Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion^®, Flemion^® und Aciplex^®. The technology disclosed herein relates to a fuel cell system having at least one fuel cell. The fuel cell system is intended, for example, for mobile applications such as motor vehicles, in particular for providing the energy for at least one drive machine for locomotion of the motor vehicle. In its simplest form, a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat. A fuel cell includes an anode and a cathode separated by an ion-selective or ion-permeable separator. The anode is supplied with fuel. Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode is supplied with oxidant. Preferred oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preferably, a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane are, for example: Nafion ^®, Flemion ^® and Aciplex ^®.

Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst. A fuel cell system comprises, in addition to the at least one fuel cell, peripheral system components (BOP components) which are used during operation of the at least one fuel cell. As a rule, several fuel cells are combined to form a fuel cell stack or stack.

Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem. Das Anodensubsystem bilden die brennstoffführenden Bauelemente aus. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter, mindestens einen Druckminderer, mindestens eine zum Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels führende Anodenzuleitung, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens eine vom Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels wegführende Anodenabgasleitung, mindestens einen Wasserabscheider (= AWS), mindestens ein Anodenspülventil (= APV), mindestens ein aktive oder passive Brennstoff-Rezirkulationspumpe (= ARE bzw. ARB) und/oder mindestens eine Rezirkulationsleitung sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas. The fuel cell system includes an anode subsystem. The anode subsystem form the fuel-carrying components. An anode subsystem may include at least one pressure vessel, at least one pressure reducer, at least one anode inlet leading to the anode inlet of the fuel cell stack, an anode compartment in the fuel cell stack, at least one anode exhaust conduit leading away from the anode outlet of the fuel cell stack, at least one water purifier (= AWS), at least one anode purge valve (= APV), at least one active or passive fuel recirculation pump (= ARE or ARB) and / or at least one recirculation line and further elements. The main task of the Anodensubsystems is the introduction and distribution of fuel to the electrochemically active surfaces of the anode compartment and the removal of anode exhaust gas.

Das hier offenbarte Anodensubsystem umfasst ferner mindestens ein durch ein Federmittel belastetes Anodenspülventil (auch Purgeventil genannt), welches stromab vom Anodenraum der mindestens einen Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Insbesondere umfasst das Anodenspülventil ein Federmittel, das eine Gegenkraft zu den mit Brennstoff druckbeaufschlagten Komponenten des Ventils aufbringt. Als Federmittel kann beispielsweise eine Spiralfeder oder jedes andere geeignete Federmittel eingesetzt werden. Steigt der Brennstoffdruck auf einen Spüldruckwert größer oder gleich dem Auslösedruck des Anodenspülventils, so öffnet das Anodenspülventil zumindest teilweise den Durchfluss durch das Anodenspülventil. Das Anodenspülventil kann in einer Anodenabgasleitung bzw. in einer Rezirkulationsleitung angeordnet sein. Sofern eine Rezirkulation vorgesehen ist, ist die Rezirkulationsleitung dabei die Leitung, die am Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels beginnt und in der Anodenzuleitung mündet. The anode subsystem disclosed here furthermore comprises at least one anode purging valve (also called purge valve) loaded by a spring means, which is arranged downstream of the anode chamber of the at least one fuel cell or of the fuel cell stack. In particular, the anode purging valve comprises a spring means which applies a counterforce to the fuel pressurized components of the valve. As a spring means, for example, a coil spring or any other suitable spring means can be used. If the fuel pressure rises to a purge pressure value greater than or equal to the triggering pressure of the anode purge valve, the anode purge valve at least partially opens the flow through the anode purge valve. The anode purge valve may be disposed in an anode exhaust gas line or in a recirculation line. If a recirculation is provided, the recirculation line is the line that starts at the anode outlet of the fuel cell stack and opens into the anode feed line.

Das Anodenspülventil kann ausgebildet sein, erst bei einem Druck zu öffnen, der oberhalb vom maximalen Betriebsdruck liegt, der im Anodenraum der mindestens einen Brennstoffzelle im regulären Betrieb auftreten kann. Somit ist sichergestellt, dass am Anodenspülventil nicht während des normalen Betriebs der mindestens einen Brennstoffzelle Drücke auftreten, die zu einem unbeabsichtigten Spülvorgang führen könnten. The anode purge valve may be configured to open only at a pressure which is above the maximum operating pressure which may occur in the anode compartment of the at least one fuel cell in regular operation. This ensures that the anode purge valve does not experience pressures during normal operation of the at least one fuel cell which could lead to an inadvertent flushing process.

Bevorzugt liegt der Auslösedruck des Anodenspülventils mindestens 5 %, bevorzugt mindestens 10 % über dem maximalen Betriebsdruck, der beim regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems im Anodensubsystem auftreten kann. Preferably, the trigger pressure of the anode purge valve is at least 5%, preferably at least 10% above the maximum operating pressure that can occur during normal operation of the fuel cell system in the anode subsystem.

Bevorzugt ist das Anodenspülventil stromab im Wasserablasspfad von einem Wasserabscheider ausgebildet. Vorteilhaft kann somit mit einem einzigen Ventil Produktwasser und Stickstoff abgeführt werden. Preferably, the anode purge valve is formed downstream in the water drainage path of a water separator. Advantageously, product water and nitrogen can thus be removed with a single valve.

Der mindestens eine Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein. Solche Druckbehälter sind ausgebildet, Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Druck von über ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü zu speichern. The at least one pressure vessel may for example be a cryogenic pressure vessel (= CcH2) or a high-pressure gas vessel (= CGH2). Such pressure vessels are designed to permanently store fuel at a nominal pressure of above about 350 bar (= overpressure relative to the atmospheric pressure), furthermore preferably above about 500 bar and more preferably above about 700 bar.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Tankabsperrventil (= TAV; en.: shut-off valve). Das Tankabsperrventil ist i.d.R. ein regelbares On Tank Valve (= OTV), dessen Eingangsdruck im Wesentlichen dem Behälterinnendruck entspricht. The technology disclosed herein further relates to a tank shut-off valve (= TAV; shut-off valve). The tank shut-off valve is i.d.R. a controllable On Tank Valve (= OTV), whose inlet pressure essentially corresponds to the tank internal pressure.

Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner mindestens einen Druckminderer. Der Druckminderer ist stromab vom mindestens einen Druckbehälter und stromauf von der mindestens einen Brennstoffzelle im Anodensubsystem angeordnet. Der Druckminderer ist ausgebildet, den am Eingang des Druckminderers anliegenden Brennstoff-Eingangsdruck auf einen am Ausgang des Druckminderers anliegenden Brennstoff-Ausgangsdruck bzw. Hinterdruck zu reduzieren. In der einfachsten Form kann es sich dabei um eine Drossel handeln. In der Regel umfasst der Druckminderer ein Druckminderungsventil, das trotz unterschiedlicher Eingangsdrücke dafür sorgt, dass auf der Ausgangsseite ein bestimmter Ausgangsdruck nicht überschritten wird. Im Druckminderer expandiert der Brennstoff. Bevorzugt wird ein erster Druckminderer (= HPR, high pressure regulator) und stromab ein zweiter Druckminderer (= HSV, z.B. Brennstoffinjektor) eingesetzt. The technology disclosed herein further includes at least one pressure reducer. The pressure reducer is arranged downstream of the at least one pressure vessel and upstream of the at least one fuel cell in the anode subsystem. The pressure reducer is designed to reduce the pressure applied to the input of the pressure reducer fuel inlet pressure to a voltage applied to the output of the pressure reducer fuel outlet pressure or back pressure. In the simplest form, this can be a throttle. In general, the pressure reducer includes a pressure reducing valve, which ensures despite different input pressures that on the output side, a certain output pressure is not exceeded. The fuel expands in the pressure reducer. Preferably, a first pressure reducer (= HPR, high pressure regulator) and downstream of a second pressure reducer (= HSV, for example fuel injector) is used.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zum Spülen eines Anodensubsystems, insbesondere eines Anodensubsystems wie es hier offenbart ist. Zum Spülen wird der Druck zumindest in einer Anodenabgasleitung bzw. Rezirkulationsleitung des Anodensubsystems stromab von mindestens einem Anodenraum einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstapels auf einen Spüldruckwert erhöht, so dass das hier offenbarte Anodenspülventil zumindest teilweise öffnet. Vorteilhaft wird der Druck im gesamten Anodensubsystem verändert, beispielsweise indem der mindestens eine Druckminderer, insbesondere der nachstehend diskutierte zweite Druckminderer, verstellt wird. The technology disclosed herein further relates to a method of purging an anode subsystem, particularly an anode subsystem, as disclosed herein. For purging, the pressure is increased at least in an anode exhaust line or recirculation line of the anode subsystem downstream of at least one anode chamber of a fuel cell or a fuel cell stack to a scavenging pressure, so that the anode scavenging valve disclosed here at least partially opens. Advantageously, the pressure in the entire anode subsystem is changed, for example by adjusting the at least one pressure reducer, in particular the second pressure reducer discussed below.

Insbesondere wird der Druck zumindest in der Anodenabgasleitung bzw. Rezirkulationsleitung bzw. am Anodenspülventil auf den Spüldruckwert erhöht, wenn ein Grenzwert für einen minimalen Wasserstoffpartialdruck unterschritten bzw. ein Grenzwert für einen maximalen Stickstoff-Partialdruck überschritten wird und/oder die maximale Menge an Flüssigwasser im Wasserabscheider einen Grenzwert überschreitet. In particular, the pressure at least in the anode exhaust gas line or recirculation line or at the anode purge valve is increased to the purge pressure value if a limit value for a minimum hydrogen partial pressure is exceeded or a limit value for a maximum nitrogen partial pressure is exceeded and / or the maximum amount of liquid water in the water separator exceeds a limit.

Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach der Spüldruckwert auf einen Wert erhöht wird, der oberhalb vom maximalen Betriebsdruck liegt, der im Anodenraum der mindestens einen Brennstoffzelle im regulären Betrieb auftreten kann. Beispielsweise können im Anodenraum Drücke auftreten von ca. 1 bar bis 3 bar, insbesondere von ca. 1,5 bar bis 2,5 bar. The method disclosed herein may include the step of increasing the scavenging pressure value to a value greater than the maximum operating pressure that may occur in the anode space of the at least one fuel cell during normal operation. For example, pressures may occur in the anode space of about 1 bar to 3 bar, in particular from about 1.5 bar to 2.5 bar.

Das hier offenbarte Verfahren kann ferner bevorzugt den Schritt umfassen, wonach der Druck im Kathodenraum der mindestens einen Brennstoffzelle so geregelt wird, dass die Druckdifferenz zwischen dem Kathodenraum und dem Anodenraum während des Anodenspülvorgangs geringer ist als eine maximal zulässige Druckdifferenz. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die maximale Druckdifferenz 0,2 bar bis 2,0 bar, bevorzugt ca. 0,5 bar bis 1,0 bar beträgt. The method disclosed herein may further preferably include the step of controlling the pressure in the cathode compartment of the at least one fuel cell such that the pressure difference between the cathode compartment and the anode compartment during the anode purge is less than a maximum allowable pressure differential. For example, it can be provided that the maximum pressure difference is 0.2 bar to 2.0 bar, preferably about 0.5 bar to 1.0 bar.

Die offenbarte Technologie kann den Schritt umfassen, wobei der Druck zumindest stromab von der mindestens einen Brennstoffzelle nach dem vorhergehenden Öffnen des Anodenspülventils derart abgesenkt wird, dass das Anodenspülventil sich wieder schließt. The disclosed technology may include the step of depressing the pressure at least downstream of the at least one fuel cell after the prior opening of the anode purge valve such that the anode purge valve closes again.

Die Zeitdauer zwischen dem Öffnen und dem Schließen des Anodenspülventil wird als Anodenspüldauer bezeichnet. Bevorzugt beträgt die Anodenspüldauer weniger als 1 Sekunde, bevorzugt zwischen ca. 300 ms und 900 ms, besonders bevorzugt zwischen 500 ms und 800 ms. The time period between the opening and closing of the anode purge valve is referred to as the anode purge duration. Preferably, the Anodenspüldauer less than 1 second, preferably between about 300 ms and 900 ms, more preferably between 500 ms and 800 ms.

Die Frequenz, mit der solche Anodenspülvorgänge durchgeführt werden, hängt stark von der Betriebsstrategie und der Belastung des Brennstoffzellensystems ab. Beispielsweise können ca. 0,5 bis 5, bevorzugt ca. 1 bis 2 Spülvorgänge pro Minute durchgeführt werden. The frequency with which such anode purging operations are performed depends greatly on the operating strategy and the load on the fuel cell system. For example, about 0.5 to 5, preferably about 1 to 2 rinses per minute can be performed.

Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie die Nutzung eines mechanischen Druckentlastungsventils am Spülausgang des Anodensubsystems, über das, entsprechend dem Gasdruck des Anodensubsystems, der Spülvorgang durchführt wird. Während der Druckregler (= Druckminderer) den Gasdruck innerhalb des Anodensubsystems entsprechend der Last einstellt wird für einen Spülvorgang der Drucksollwert kurzzeitig angehoben. Steigt nun der Druck auf den zuvor definierten und im mechanischen Druckentlastungsventil eingestellten Druck, so öffnet das Ventil automatisch und entleert das Flüssigwasser und Stickstoff. In other words, the technology disclosed herein relates to the use of a mechanical pressure relief valve at the purge outlet of the anode subsystem, via which, in accordance with the gas pressure of the anode subsystem, the purge operation is performed. While the pressure regulator (= Pressure reducer) adjusts the gas pressure within the anode subsystem according to the load, the pressure setpoint is briefly raised for a purging operation. If the pressure now rises to the previously defined pressure set in the mechanical pressure relief valve, the valve opens automatically and empties the liquid water and nitrogen.

Die hier vorgeschlagene Systemkonfiguration ist kostengünstiger als ein elektrisches Spülventil. Zudem kann auch die Sicherheitsfunktion zur Vermeidung eines Überbedrückens des Anodensubsystems durch diese Systemanordnung erfüllt werden. Bevorzugt kann ebenso der elektrische Verbrauch reduziert werden. The system configuration proposed here is less expensive than an electrical purge valve. In addition, the safety function to avoid Überbedrückens the anode subsystem can be met by this system arrangement. Preferably, the electrical consumption can also be reduced.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 erläutert. The technology disclosed here will now be described with reference to the schematic 1 explained.

Die 1 zeigt schematisch das hier offenbarte Druckbehältersystem. In dem Druckbehälter 100 ist Brennstoff gespeichert, z.B. Wasserstoff bei 700 bar. Der Druckbehälter 100 stellt Wasserstoff bereit für einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl an Brennstoffzellen 300, welche auf einem niedrigeren Druckniveau betrieben werden, z.B. 0,5 bis 1 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck). An einem Ende des Druckbehälters 100 ist ein Tankabsperrventil 210 vorgesehen. Anstatt lediglich einem Druckbehälter 100 mit einem Tankabsperrventil 210 könnten ebenso mehrere Druckbehälter 100 mit mehreren Tankabsperrventilen 210 vorgesehen sein. In dem hier dargestellten System sind ferner zwei Druckstufen vorgesehen, welche jeweils mit einem Druckminderer 211, 212 arbeiten. Die erste Druckstufe senkt den Druck von 700 bar auf ein Mitteldruckniveau von beispielsweise 11 bis 13 bar (Mitteldruckbereich). Die zweite Druckstufe senkt den Druck vom Mitteldruck auf den Niederdruck der Brennstoffzellen. Als erster Druckminderer 211 wird hier ein mechanischer Proportionaldruckregler eingesetzt. In der zweiten Druckstufe können verschiedene Technologien für den zweiten Druckminderer 212 zum Einsatz kommen. Bevorzugt wird ein Injektor verwendet. Um ein Bersten der Rohrleitungen bei Fehlfunktion der Druckminderer 211, 212 zu verhindern ist auf der Niederdruckseite jeweils ein Druckentlastungsventil 213, 214 vorgesehen. Während der Betankung des Druckbehältersystems strömt durch die Betankungskupplung 221 und den Betankungsleitungsabschnitt 220 Brennstoff in den Druckbehälter 200. Der Wasserstoff strömt durch die Anodenzuleitung 215 in den Anodenraum der Brennstoffzellen 300 ein und verlässt den Anodenraum durch den Anodenauslass. Der Anodenauslass ist über eine Rezirkulationsleitung bzw. Rezirkulationskreis 235 mit der Anodenzuleitung 215 verbunden. In der Rezirkulationsleitung 235 ist der Wasserabscheider 232 angeordnet. Der Wasserabscheider 232 scheidet Produktwasser ab, welches aufgrund der elektrochemischen Reaktion in der mindestens einen Brennstoffzelle anfällt. Stromab im Produktwasserpfad des Wasserabscheiders 232 ist das Anodenspülventil 238 angeordnet. Ferner kann im Rezirkulationskreis 235 ein Brennstoff-Rezirkulationspumpe 236 und/oder ein Rezirkulationsejektor 234 vorgesehen sein (gestrichelt dargestellt), die den Wasserstoff wieder in die Anodenzuleitung fördern. Das hier gezeigte Anodensubsystem umfasst eine Rezirkulation. Dies muss aber nicht so sein. Ebenso kann eine Anodenabgasleitung als Dead-End ausgebildet sein, in dem dann das Anodenspülventil 238 angeordnet ist. The 1 schematically shows the pressure vessel system disclosed here. In the pressure vessel 100 is fuel stored, eg hydrogen at 700 bar. The pressure vessel 100 provides hydrogen for a fuel cell stack with a variety of fuel cells 300 , which are operated at a lower pressure level, for example, 0.5 to 1 barü (= pressure over atmospheric pressure). At one end of the pressure vessel 100 is a tank shut-off valve 210 intended. Instead of just a pressure vessel 100 with a tank shut-off valve 210 could also have several pressure vessels 100 with several tank shut-off valves 210 be provided. In the system shown here two pressure levels are also provided, each with a pressure reducer 211 . 212 work. The first pressure stage lowers the pressure from 700 bar to a medium pressure level, for example 11 to 13 bar (medium pressure range). The second pressure level lowers the pressure from the medium pressure to the low pressure of the fuel cells. As the first pressure reducer 211 Here, a mechanical proportional pressure regulator is used. In the second pressure stage different technologies for the second pressure reducer 212 be used. Preferably, an injector is used. To a bursting of the pipes in case of malfunction of the pressure reducer 211 . 212 To prevent is on the low pressure side each a pressure relief valve 213 . 214 intended. During refueling of the pressure vessel system flows through the refueling coupling 221 and the refueling line section 220 Fuel in the pressure vessel 200 , The hydrogen flows through the anode feed line 215 in the anode compartment of the fuel cell 300 and leaves the anode compartment through the anode outlet. The anode outlet is via a recirculation line or recirculation circuit 235 with the anode lead 215 connected. In the recirculation line 235 is the water separator 232 arranged. The water separator 232 separates product water, which is obtained due to the electrochemical reaction in the at least one fuel cell. Downstream in the product water path of the water separator 232 is the anode purge valve 238 arranged. Furthermore, in the recirculation circuit 235 a fuel recirculation pump 236 and / or a recirculation ejector 234 be provided (dashed lines), which promote the hydrogen back into the anode feed line. The anode subsystem shown here includes a recirculation. But that does not have to be this way. Likewise, an anode exhaust gas line may be formed as a dead end, in which then the anode purge valve 238 is arranged.

Die hier gezeigten Komponenten mit den Bezugszeichen 100, 211, 212, 213, 214, 215, 220, 221, 232, 234, 235, 236 und 238 (sowie teilweise) 300 sind Bestandteil des Anodensubsystems A. Die Strömungsrichtung des Brennstoffs ist hier mit einem Pfeil dargestellt. Das Steuergerät 400 ist u.a. eingerichtet, die hier offenbarten Verfahren durchzuführen. The components shown here with the reference numerals 100 . 211 . 212 . 213 . 214 . 215 . 220 . 221 . 232 . 234 . 235 . 236 and 238 (as well as partially) 300 are part of the Anodensubsystems A. The flow direction of the fuel is shown here with an arrow. The control unit 400 is, inter alia, set up to carry out the methods disclosed herein.

Soll nun einen Anodenspülvorgang durchgeführt werden, beispielsweise weil der Stickstoff-Partialdruck stark angestiegen ist und/oder sich viel Produktwasser angesammelt hat, so das Steuergerät 400, dass der Druck im Anodensubsystem kurzfristig angehoben wird, beispielsweise indem die Einstellungen des zweiten Druckminderers 212 in der Anodenzuleitung 215 verändert werden. Steigt der Druck von normalen Betriebsdruck im Anodensubsystem auf den Spüldruckwert, der gleich oder oberhalb vom Auslösedruckwert des Anodenspülventil liegt, so öffnet sich das Anodenspülventil. Das angesammelt Produktwasser sowie die Stickstoffanreicherung können durch das Anodenspülventil entweichen. Nach einer gewissen Zeit ist genug Produktwasser und/oder Stickstoff entwichen. Zur Vermeidung größerer Wasserstoffverluste wird das Anodenspülventil 232 wieder geschlossen. Dazu wird einfach der Druck im Anodensubsystem wieder auf den normalen Betriebsdruck abgesenkt. Sofern es aufgrund einer Störung zu einem ungewollten Druckanstieg kommt dient das Anodenspülventil 238 gleichzeitig als Sicherheitsventil. If an anode rinsing process is now to be carried out, for example because the nitrogen partial pressure has risen sharply and / or a lot of product water has accumulated, then the control unit 400 in that the pressure in the anode subsystem is raised at short notice, for example by adjusting the settings of the second pressure reducer 212 in the anode feed line 215 to be changed. If the pressure rises from normal operating pressure in the anode subsystem to the purge pressure value which is equal to or above the triggering pressure value of the anode purge valve, then the anode purge valve opens. The accumulated product water and nitrogen enrichment can escape through the anode purging valve. After a while, enough product water and / or nitrogen has escaped. To avoid larger hydrogen losses, the anode purge valve 232 closed again. For this purpose, the pressure in the anode subsystem is simply lowered back to the normal operating pressure. If there is an unwanted increase in pressure due to a fault, the anode purge valve is used 238 at the same time as a safety valve.

Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. das/ein Anodensubsystem, das/ein Brennstoffzellensystem, die/eine Brennstoffzelle, das/ein Federmittel, das/ein Anodenspülventil, der/ein Spüldruckwert, der/ein Betriebsdruck, der/ein Anodenraum, der/ein Spülvorgang, der/ein Wasserabscheider, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. das mindestens eine Anodensubsystem, das mindestens eine Brennstoffzellensystem, die mindestens eine Brennstoffzelle, das mindestens eine Federmittel, das mindestens eine Anodenspülventil, der mindestens ein Spüldruckwert, der mindestens eine Betriebsdruck, der mindestens eine Anodenraum, der mindestens ein Spülvorgang, der mindestens ein Wasserabscheider, etc.). For the sake of legibility, the term "at least one" has been omitted for simplicity. If a feature of the technology disclosed herein is singularly described (eg, the / an anode subsystem, the / a fuel cell system, the / a fuel cell, the / a spring means, the / an anode purge valve, the / purge pressure value, the / Operating pressure, the / an anode compartment, the / a rinse, the / a water separator, etc.) should be at the same time also their plurality disclosed (eg, the at least one anode subsystem, the at least one fuel cell system, the at least one fuel cell, the at least one spring means , the at least one anode purge valve, the at least one purge pressure value, the at least one operating pressure, the at least one anode compartment, the at least one purge operation, the at least one water separator, etc.).

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen. The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.

Claims (7)

Verfahren zum Spülen eines Anodensubsystems eines Brennstoffzellensystems, wobei zum Spülen der Druck im Anodensystem stromab von mindestens einer Brennstoffzelle auf einen Spüldruckwert erhöht wird, der ein durch ein Federmittel belastetes Anodenspülventil (238) zumindest teilweise öffnet. A method for purging an anode subsystem of a fuel cell system, wherein, for purging, the pressure in the anode system downstream of at least one fuel cell is increased to a purging pressure value which is an anode purging valve loaded by a spring means ( 238 ) opens at least partially. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Druck auf den Spüldruckwert erhöht wird, wenn im Anodensubsystem ein Grenzwert für einen minimalen Wasserstoffpartialdruck unterschritten und/oder ein Grenzwert für einen maximalen Stickstoff-Partialdruck überschritten und/oder ein Grenzwert für eine maximale Menge an Flüssigwasser überschritten wird.  The method of claim 1, wherein the pressure on the scavenging pressure value is increased if the anode subsystem falls below a minimum hydrogen partial pressure limit and / or exceeds a maximum nitrogen partial pressure limit and / or exceeds a maximum liquid water limit. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Spüldruckwert auf einen Wert erhöht wird, der oberhalb vom maximalen Betriebsdruck liegt, der in einem Anodenraum der mindestens einen Brennstoffzelle im Betrieb auftreten kann.  The method of claim 1 or 2, wherein the scavenging pressure is increased to a value that is above the maximum operating pressure that may occur in an anode space of the at least one fuel cell in operation. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Druck nach einem Spülvorgang derart abgesenkt wird, dass das Anodenspülventil (238) schließt. Method according to one of the preceding claims, wherein the pressure after a rinsing operation is lowered such that the anode rinse valve ( 238 ) closes. Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems, umfassend: – mindestens eine Brennstoffzelle (300); und – mindestens ein durch ein Federmittel belastetes Anodenspülventil (238), welches stromab von der mindestens einen Brennstoffzelle (300) angeordnet ist. Anode subsystem of a fuel cell system, comprising: - at least one fuel cell ( 300 ); and - at least one anode flushing valve loaded by a spring means ( 238 ), which downstream of the at least one fuel cell ( 300 ) is arranged. Anodensubsystem nach Anspruch 5, wobei das Anodenspülventil (238) ausgebildet ist, erst bei einem Druck zu öffnen, der oberhalb von einem maximalen Betriebsdruck liegt, der in einem Anodenraum der mindestens einen Brennstoffzelle im Betrieb auftreten kann. An anode subsystem according to claim 5, wherein the anode purge valve ( 238 ) is configured to open only at a pressure which is above a maximum operating pressure which may occur in an anode space of the at least one fuel cell during operation. Anodensubsystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Anodenspülventil (238) stromab in einem Wasserablasspfad von einem Wasserabscheider (232) ausgebildet ist. Anode subsystem according to claim 5 or 6, wherein the anode flushing valve ( 238 ) downstream in a water drainage path from a water separator ( 232 ) is trained.

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