AT523668B1

AT523668B1 - Fuel cell system and method for operating a fuel cell system

Info

Publication number: AT523668B1
Application number: ATA50259/2020A
Authority: AT
Inventors: Neubauer Dr Raphael; Schluckner Dr Christoph; Krauss Dipl Ing Thomas; Mathe Dipl Ing Jörg; Reiter Bsc Bernd
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2021-12-15
Also published as: AT523668A1; WO2021195681A1; DE112021002002A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), insbesondere SOFC-System, mit mehreren Komponenten, wobei die Komponenten (2, 3, 4, 5) zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2), einen Reformer (3), einen Nachbrenner (4) und zumindest einen Wärmetauscher (5) umfassen, wobei für den Brennstoffzellenstapel (2), den Reformer (3), den Nachbrenner (4) und den Wärmetauscher (5) jeweils ein eigenes, thermisch isolierendes Gehäuse (6) vorgesehen ist, wobei jede dieser Komponenten (2, 3, 4, 5) innerhalb eines Gehäuses (6) thermisch isoliert angeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei Betriebsfluide durch eine Umhausung (7) zu einzelnen Komponenten (2, 3, 4, 5) des Brennstoffzellensystems (1), welche jeweils in einem eigenen Gehäuse (6) angeordnet sind, geleitet werden.The invention relates to a fuel cell system (1), in particular an SOFC system, with a plurality of components, the components (2, 3, 4, 5) having at least one fuel cell stack (2), a reformer (3), an afterburner (4) and at least a heat exchanger (5), wherein a separate, thermally insulating housing (6) is provided for the fuel cell stack (2), the reformer (3), the afterburner (4) and the heat exchanger (5), each of these components ( 2, 3, 4, 5) is arranged in a thermally insulated manner within a housing (6). The invention also relates to a method for operating a fuel cell system (1) according to one of Claims 3 to 7, in which operating fluids flow through a housing (7) to individual components (2, 3, 4, 5) of the fuel cell system (1), which are each in are arranged in a separate housing (6).

Description

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BRENNSTOFFZELLENSYSTEM UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATING A FUEL CELL SYSTEM

[0001] Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere SOFC-System, mit mehreren Komponenten, wobei die Komponenten zumindest einen Brennstoffzellenstapel, einen Reformer, einen Nachbrenner und zumindest einen Wärmetauscher umfassen. The invention relates to a fuel cell system, in particular an SOFC system, with a plurality of components, the components comprising at least one fuel cell stack, a reformer, an afterburner and at least one heat exchanger.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wobei Betriebsfluide durch eine Umhausung zu einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems, welche jeweils in einem eigenen Gehäuse angeordnet sind, geleitet werden. The invention further relates to a method for operating a fuel cell system, wherein operating fluids are passed through a housing to individual components of the fuel cell system, which are each arranged in its own housing.

[0003] Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, alle warmen und heißen Komponenten bzw. Elemente eines Brennstoffzellensystems innerhalb einer sogenannten Hotbox anzuordnen. Warme und heiße Komponenten sind in der Regel jene Komponenten, in welchen Betriebsfluide verarbeitet werden, wie insbesondere Reformer, Brenner, Wärmetauscher und Brennstoffzellenstapel. Die Hotbox isoliert alle diese Elemente thermisch gegenüber der Umgebung und umfasst üblicherweise einen Trägerrahmen, welcher mit Metallplatten zu einem Gehäuse verbunden wird. Um Hohlräume innerhalb der Hotbox, welche zwangsläufig entstehen, da zwischen den einzelnen Komponenten und auch zur Wandung der Hotbox ein Abstand vorhanden ist, zu füllen, wird oftmals ein thermisch isolierendes Granulat in diesen Hohlräumen angeordnet. Dadurch ist eine passable thermische Isolierung aller warmen Komponenten eines Brennstoffzellensystems geschaffen, wobei alle warmen Komponenten von Komponenten, welche nicht wärmeresistent sind, getrennt sind, um insbesondere auch Wirkungsgradverluste so gering wie möglich zu halten. Dieses frei beweglich angeordnet Granulat hat jedoch den Nachteil, dass es in lungengängige Partikel zerfallen kann. It is known from the prior art to arrange all warm and hot components or elements of a fuel cell system within a so-called hot box. Warm and hot components are generally those components in which operating fluids are processed, such as in particular reformers, burners, heat exchangers and fuel cell stacks. The hotbox thermally insulates all of these elements from the environment and usually includes a support frame which is connected to metal plates to form a housing. In order to fill cavities within the hotbox, which inevitably arise because there is a distance between the individual components and also to the wall of the hotbox, a thermally insulating granulate is often arranged in these cavities. This creates acceptable thermal insulation for all warm components of a fuel cell system, with all warm components being separated from components that are not heat-resistant, in order in particular to keep efficiency losses as low as possible. However, these freely movable granules have the disadvantage that they can disintegrate into particles that can enter the lungs.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einer vom Stand der Technik unterschiedlichen Isolierung bereit zu stellen, durch welche warme Komponenten eines Brennstoffzellensystems effizient thermisch isolierbar sind. The object of the invention is to provide a fuel cell system with an insulation that differs from the prior art, through which warm components of a fuel cell system can be thermally insulated efficiently.

[0005] Ein weiteres Ziel ist es, ein Verfahren zum sicheren Betreiben eines Brennstoffzellensystems bereit zu stellen. Another goal is to provide a method for safely operating a fuel cell system.

[0006] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art für den Brennstoffzellenstapel, den Reformer, den Nachbrenner und den Wärmetauscher jeweils ein eigenes, thermisch isolierendes Gehäuse vorgesehen ist, wobei jede dieser Komponenten innerhalb eines Gehäuses thermisch isoliert angeordnet ist. The object is achieved in that in a fuel cell system of the type mentioned for the fuel cell stack, the reformer, the afterburner and the heat exchanger each have their own thermally insulating housing is provided, each of these components being arranged thermally insulated within a housing is.

[0007] Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass dadurch nicht mehr eine einzige, für alle Komponenten gemeinsame Wärmedämmung vorgesehen ist, sondern mehrere, wobei diese jeweils der jeweiligen Komponente angepasst sind. Die aus dem Stand der Technik bekannte Hotbox ist folglich komplett aufgelöst. Auch das Granulat ist nicht mehr notwendig. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung des Brennstoffzellensystems und deren einzelner Komponenten sind Wärmeübertragungen an die Umgebung vermindert und Wärmeverluste weitestgehend vermieden. Weiter muss bei einer Revision und/oder Reparatur und/oder Austausch einer einzigen Komponente nur dieses spezifische Gehäuse abgenommen werden. Alle übrigen Komponenten können unberührt und unverändert bleiben. An advantage achieved with the invention can be seen in particular in the fact that this no longer provides a single thermal insulation common to all components, but several, which are each adapted to the respective component. The hotbox known from the prior art is consequently completely dissolved. The granulate is also no longer necessary. The design and arrangement of the fuel cell system and its individual components according to the invention reduces heat transfer to the environment and largely avoids heat losses. Furthermore, in the event of an overhaul and/or repair and/or replacement of a single component, only this specific housing has to be removed. All other components can remain untouched and unchanged.

[0008] Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System (SOFC steht für „solid oxide fuel cell“, bzw. Festoxidbrennstoffzelle), zur Verfügung gestellt. Ein derartiges Brennstoffzellensystem kann beispielsweise mit flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff betrieben werden. Als zweites Betriebsfluid ist Luft vorgesehen. Unter Luft ist im Rahmen der Erfindung ein sauerstoffhaltiges, insbesondere gasförmiges, Fluid zu verstehen. Günstigerweise ist Luft Umgebungsluft. Es kann vorgesehen sein, dass Wasserstoff, Ethanol, Methanol, Erdgas oder Ahnliches als Kraftstoff verwendet werden. Im Rahmen der Erfindung werden unter Betriebsfluiden jene Fluide verstanden, welche zum Betrieb des According to one aspect of the present invention, a fuel cell system, in particular an SOFC system (SOFC stands for "solid oxide fuel cell", or solid oxide fuel cell) is provided. Such a fuel cell system can be operated with liquid or gaseous fuel, for example. Air is provided as the second operating fluid. Within the scope of the invention, air is to be understood as meaning an oxygen-containing, in particular gaseous, fluid. Conveniently, air is ambient air. Provision can be made for hydrogen, ethanol, methanol, natural gas or the like to be used as fuel. In the context of the invention, operating fluids are understood to mean those fluids which are used to operate the

Brennstoffzellensystem den einzelnen Komponenten zugeführt werden und im Brennstoffzellenstapel verwendet werden. Spülgas wird in der Regel getrennt von den Betriebsfluiden geführt. Fuel cell system are supplied to the individual components and used in the fuel cell stack. Purge gas is usually routed separately from the operating fluids.

[0009] Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst vorteilhafterweise zumindest einen Wärmetauscher in einem Kathodenpfad und einen weiteren Wärmetauscher in einem Anodenpfad. Der Brennstoffzellenstapel umfasst zumindest einen Kathodenabschnitt, einen Anodenabschnitt und einen Elektrolytabschnitt, wobei auch zwei oder mehr Brennstoffzellenstapel vorgesehen sein können. Der Nachbrenner ist üblicherweise stromabwärts des Brennstoffzellenstapels angeordnet und zum katalytischen Verbrennen von aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Abgas ausgebildet. Darüber hinaus ist es günstig, wenn ein Startbrenner vorgesehen ist, durch welches das Brennstoffzellensystem oder zumindest einzelne Komponenten davon auf Betriebstemperatur bringbar sind. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Nachbrenner und der Startbrenner als ein integrales Bauteil ausgebildet sind. Weitere Komponenten können vorteilhaft zusätzlich im Brennstoffzellensystem angeordnet sein. The fuel cell system according to the invention advantageously comprises at least one heat exchanger in a cathode path and a further heat exchanger in an anode path. The fuel cell stack comprises at least one cathode section, one anode section and one electrolyte section, it also being possible for two or more fuel cell stacks to be provided. The afterburner is usually arranged downstream of the fuel cell stack and is designed for the catalytic combustion of exhaust gas exiting the fuel cell stack. In addition, it is favorable if a starting burner is provided, through which the fuel cell system or at least individual components thereof can be brought up to operating temperature. Provision can also be made for the afterburner and the starting burner to be designed as an integral component. Further components can advantageously also be arranged in the fuel cell system.

[0010] Das Gehäuse umschließt die jeweilige Komponente zur Gänze, wobei dieses die Komponente thermisch abdichtet. Es kann vorgesehen sein, dass thermische Dichtungen der Gehäuse mit dünnen metallischen Folien verkleidet sind, um dieses zu stabilisieren. Zusätzlich oder alternativ können die Gehäuse auch thermische Isolationsmatten und/oder Isolationsbänder umfassen. Günstig ist es in jedem Fall, wenn die Gehäuse und insbesondere deren thermisch isolierende Elemente individuell für jede Komponente angepasst und angeordnet sind. Durch individuell angepasste Gehäuse ist es möglich, das Brennstoffzellensystem an vorgegebenen Bauraum anzupassen. The housing completely encloses the respective component, which thermally seals the component. It can be provided that thermal seals of the housing are covered with thin metallic foils in order to stabilize them. In addition or as an alternative, the housings can also include thermal insulation mats and/or insulation strips. In any case, it is favorable if the housing and in particular its thermally insulating elements are adapted and arranged individually for each component. Individually adapted housings make it possible to adapt the fuel cell system to the given installation space.

[0011] Die separate Anordnung der einzelnen Komponenten in jeweils einem einzigen Gehäuse hat den weiteren Vorteil, dass dadurch sämtliche Ströme, welche dem Brennstoffzellensystem zugeführt werden und aus diesem heraustreten zielgerichtet und effizient zu den einzelnen Komponenten bringbar sind. Unter Strömen werden hier insbesondere alle Arten von Strömen wie Betriebsfluide, Wärme, elektrische Signale, elektrische Ströme und dergleichen verstanden. The separate arrangement of the individual components in a single housing has the further advantage that this means that all streams that are fed to the fuel cell system and emerge from this purposefully and efficiently to the individual components can be brought. Flows are understood here in particular as all types of flows such as operating fluids, heat, electrical signals, electrical currents and the like.

[0012] Erfindungsgemäß ist jede warme Komponente von einem separaten Gehäuse umschlossen. Das heißt, jedes Element einer sogenannten Gasverarbeitungseinrichtung sowie auch der Brennstoffzellenstapel sind innerhalb eines Gehäuses angeordnet und gegenüber allen anderen Komponenten und Elementen thermisch isoliert. Günstig ist es, wenn die Gehäuse jeweils auch möglichst gasdicht ausgebildet sind, das heißt, dass außer den notwendigen Fluidströmen zwischen den einzelnen Komponenten möglichst kein oder zumindest nur wenig Gas und/oder Fluid aus einem Gehäuse entweichen kann. Grundsätzlich kann es günstig sein, wenn alle Gehäuse baugleich ausgebildet sind. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass diese sich unterscheiden, weil beispielsweise unterschiedliche Komponenten unterschiedliche Anforderungen an eine thermische Isolierung und/oder Gasisolierung haben. According to the invention, each warm component is enclosed in a separate housing. This means that each element of a so-called gas processing device as well as the fuel cell stack are arranged within a housing and are thermally insulated from all other components and elements. It is favorable if the housings are each also designed to be as gas-tight as possible, which means that apart from the necessary fluid flows between the individual components, as little or as little gas and/or fluid as possible can escape from a housing. In principle, it can be favorable if all the housings are constructed in the same way. However, it can also be provided that these differ because, for example, different components have different requirements for thermal insulation and/or gas insulation.

[0013] Es ist vorteilhaft, wenn die Komponenten mit dem jeweiligen Gehäuse jeweils beabstandet zueinander angeordnet sind. Dadurch ist sichergestellt, dass diese zur Gänze thermisch voneinander entkoppelt sind. Weiter ist es dadurch möglich, dass beispielsweise bei einer Störung einer einzelnen Komponente nur diese getauscht werden muss; alle anderen Komponenten bleiben davon unabhängig im Brennstoffzellensystem. Die einzigen Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten sind die Fluidleitungen, über welche Betriebsfluide von einer Komponente in eine nächste förderbar sind, beispielsweise vom Reformer in den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels und von dort in den Nachbrenner. It is advantageous if the components are spaced from each other with the respective housing. This ensures that these are completely thermally decoupled from each other. It is also possible that, for example, if a single component malfunctions, only this component needs to be replaced; all other components remain independent of this in the fuel cell system. The only connections between the individual components are the fluid lines, via which operating fluids can be conveyed from one component to the next, for example from the reformer to the anode section of the fuel cell stack and from there to the afterburner.

[0014] Günstig ist es, wenn eine Umhausung vorgesehen ist, wobei alle Komponenten mit dem jeweiligen Gehäuse innerhalb der Umhausung und insbesondere beabstandet davon angeordnet sind. Durch die Umhausung ist ein Sicherungskonzept des Brennstoffzellensystems weiter verbessert. Die Umhausung ist insbesondere gasdicht ausgebildet, sodass ungewollt kein oder zumindest nur sehr wenig Gas oder Fluid (wie Betriebsfluid) aus der Umhausung entweichen kann. Innerhalb der Umhausung sind insbesondere alle Komponenten des Brennstoffzellensystems mit dem jeweiligen Gehäuse angeordnet, wobei insbesondere immer ein Abstand zwischen den Gehäusen zueinander und den Gehäusen zur Umhausung besteht. Diese Abstände bilden innerhalb It is favorable if an enclosure is provided, with all components being arranged with the respective housing within the enclosure and in particular at a distance from it. A security concept for the fuel cell system is further improved by the housing. The housing is designed in particular to be gas-tight, so that no gas or fluid (such as operating fluid) or at least very little gas or fluid (such as operating fluid) can unintentionally escape from the housing. In particular, all the components of the fuel cell system with the respective housing are arranged within the housing, with in particular there always being a distance between the housings and the housings from the housing. These distances form within

der Umhausung einen Spalt mit mehreren miteinander verbundenen Teilstücken aus. In diesem Spalt ist insbesondere kein Granulat oder dergleichen angeordnet, sondern es sind insbesondere Gase wie Inertgas, Luft, Spülgas, Abgas oder dergleichen durchführbar. the enclosure from a gap with several interconnected sections. In particular, no granules or the like are arranged in this gap, but rather gases such as inert gas, air, flushing gas, exhaust gas or the like can be passed through.

[0015] Hierfür ist es weiter günstig, wenn die Umhausung einen Gaseinlass und einen Gasauslass aufweist, wobei insbesondere Spülgas durch die Umhausung führbar ist. Der Gaseinlass und der Gasauslass sind insbesondere verschließbare Öffnungen in der Umhausung, über welche ein konstanter oder periodisch pulsierender Gasstrom in die Umhausung hinein und aus dieser herausführbar ist. Dieser Gasstrom ermöglicht insbesondere, dass eventuell aus den Komponenten und/oder Gehäusen austretende giftige oder brennbare Gase verdünnt und schließlich aus der Umhausung rauszuführbar sind. Der Gasstrom verdünnt vorteilhaft austretende Gase bzw. Betriebsfluide soweit, dass ein explosionsfähiges Gemisch vermieden ist. [0015] For this purpose, it is also favorable if the housing has a gas inlet and a gas outlet, with flushing gas in particular being able to be guided through the housing. The gas inlet and the gas outlet are, in particular, closable openings in the housing, through which a constant or periodically pulsating gas flow can be guided into and out of the housing. In particular, this gas flow allows any toxic or combustible gases escaping from the components and/or housings to be diluted and ultimately led out of the housing. The gas stream advantageously dilutes escaping gases or operating fluids to such an extent that an explosive mixture is avoided.

[0016] Insbesondere ist es günstig, wenn nur ein einziger Gasauslass vorgesehen ist, sodass sich das gesamte Gas, welches innerhalb der Umhausung vor einem Austritt dort gesammelt wird. Grundsätzlich können zwei oder mehr Gaseinlässe vorgesehen, wobei ein einziger Gaseinlass ausreichend zu sein scheint. Unter Spülgas wird im Rahmen der Erfindung insbesondere ein gasförmiges Fluid wie Luft oder Inertgas verstanden. In der Regel wird als Spülgas kein Betriebsfluid verwendet; die Betriebsfluidleitung, welche Luft zur Kathode fördert, ist in der Regel getrennt vom Spülgas angeordnet. Grundsätzlich kann es jedoch auch günstig sein, wenn aus dem Brennstoffzellenstapel austretendes und im Nachbrenner nachverbranntes Abgas als Spülgas verwendet wird. Das Spülgas wird insbesondere pulsierend durch die Umhausung geführt, wobei mit Vorteil ein Inertgas als Spülgas verwendet wird, um ein Zustandekommen eines explosionsfähigen Gemisches durch austretende Betriebsfluide zu vermeiden. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass sich auch Umgebungsluft als Spülgas sehr gut eignet. Günstigerweise kann auch Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel, welches im Nachbrenner nachverbrannt wurde, selbst als Spülgas verwendet werden. In particular, it is favorable if only a single gas outlet is provided, so that all of the gas that is collected inside the housing in front of an exit there. In principle, two or more gas inlets can be provided, with a single gas inlet appearing to be sufficient. In the context of the invention, flushing gas is understood to mean, in particular, a gaseous fluid such as air or inert gas. As a rule, no operating fluid is used as the flushing gas; the operating fluid line, which conveys air to the cathode, is usually arranged separately from the purge gas. In principle, however, it can also be advantageous if exhaust gas that emerges from the fuel cell stack and is post-combusted in the afterburner is used as flushing gas. The flushing gas is guided through the housing in particular in a pulsating manner, with an inert gas advantageously being used as the flushing gas in order to prevent an explosive mixture from occurring as a result of escaping operating fluids. However, it has been found that ambient air is also very suitable as a flushing gas. Exhaust gas from the fuel cell stack, which has been afterburned in the afterburner, can also be used as flushing gas itself.

[0017] Die einzelnen Komponenten mit den jeweiligen Gehäusen sind in der Umhausung insbesondere derart angeordnet, dass ein definierter Strom von Spülgas einstellbar ist, wodurch insbesondere eine Umspülung einzelner Komponenten gezielt regelbar ist. Das heißt, die Komponenten sind nicht zwingend regelmäßig innerhalb der Umhausung angeordnet und zwischen den Gehäusen und der Umhausung angeordnete Abstände und Spalte auch unterschiedliche groß. Die Abstände können auch von einer regelmäßigen geometrischen Form abweichen, sodass ein Spülgasstrom sich innerhalb der Umhausung verändern kann. The individual components with the respective housings are arranged in the housing in particular in such a way that a defined flow of purge gas can be set, whereby in particular a flushing of individual components can be regulated in a targeted manner. This means that the components are not necessarily arranged regularly within the housing and the distances and gaps arranged between the housings and the housing are also of different sizes. The distances can also deviate from a regular geometric shape, so that a flushing gas flow can change within the housing.

[0018] Vorteilhaft ist es, wenn stromabwärts der Umhausung eine Filtereinrichtung angeordnet ist. Diese ist also insbesondere außerhalb der Umhausung angeordnet und mit dieser verbunden, wobei der Gasauslass derart mit der Filtereinrichtung verbunden ist, dass das gesamte Gas, welches sich innerhalb der Umhausung befindet, in die Filtereinrichtung fließt oder geleitet wird. Die Filtereinrichtung ist insbesondere ein Partikelfilter oder umfasst einen solchen. Durch die Filtereinrichtung ist es möglich gegebenenfalls entstehende lungenwirksame Partikel aus dem Gasstrom zu filtern und einen Übertritt derselben in die Umgebung zu vermeiden. It is advantageous if a filter device is arranged downstream of the housing. This is therefore arranged in particular outside of the housing and connected to it, with the gas outlet being connected to the filter device in such a way that all of the gas that is inside the housing flows or is conducted into the filter device. The filter device is in particular a particle filter or includes one. The filter device makes it possible to filter any particles that affect the lungs from the gas flow and to prevent them from escaping into the environment.

[0019] Günstigerweise ist eine Gasanalysevorrichtung vorgesehen. Diese bevorzugt stromabwärts der Filtereinrichtung angeordnet ist. Ist keine Filtereinrichtung vorgesehen, ist die GasanaIysevorrichtung unmittelbar stromabwärts des Gasauslasses der Umhausung angeordnet. In jedem Fall ist es günstig, wenn die Gasanalysevorrichtung außerhalb der Umhausung angeordnet ist und dieser ein gesamter Gasstrom, welcher sich innerhalb der Umhausung befindet, zugeführt wird. Die Gasanalysevorrichtung umfasst mit Vorteil mehrere Gassensoren, durch welche eine Gaszusammensetzung analysierbar ist. A gas analysis device is advantageously provided. This is preferably arranged downstream of the filter device. If no filter device is provided, the gas analysis device is arranged directly downstream of the gas outlet of the housing. In any case, it is advantageous if the gas analysis device is arranged outside the housing and is supplied with an entire gas flow which is located within the housing. The gas analysis device advantageously comprises a number of gas sensors, by means of which a gas composition can be analyzed.

[0020] Günstig kann es sein, wenn der Gasanalysevorrichtung ein weiteres Spülgas zugeführt wird, wobei dieses wieder insbesondere pulsierende Umgebungsluft ist. Dadurch ist die GasanaIysevorrichtung periodisch kalibrierbar, wodurch ein Detektionslimit geringgehalten werden kann. Dadurch sind in weiterer Folge Sensoren mit einem relativem Messprinzip wie auf Metalloxid basierende Sensoren verwendbar. Diese Sensoren sind klein baubar und reagieren bereits auf sehr geringe sowie kurzfristige Anderungen in einer Gaszusammensetzung. It can be advantageous if the gas analysis device is supplied with a further flushing gas, this again being in particular pulsating ambient air. As a result, the gas analysis device can be calibrated periodically, as a result of which a detection limit can be kept low. As a result, sensors with a relative measuring principle such as sensors based on metal oxide can subsequently be used. These sensors can be built small and react to very small and short-term changes in a gas composition.

[0021] Von Vorteil kann es sein, wenn außerhalb der Umhausung ein Wärmetauscher angeordnet ist, welcher insbesondere stromaufwärts des Gaseinlasses angeordnet ist. Das heißt, dass das Spülgas bevor dieses in die Umhausung geführt wird, zuerst durch einen Wärmetauscher geleitet wird. Das Spülgas wird durch eine kalte Seite des Wärmetauschers geführt. Uber eine warme Seite des Wärmetauschers wird Gas, welcher aus der Gasanalysevorrichtung geleitet wird, geführt. Die warme Seite des Wärmetauschers ist folglich stromabwärts der Gasanalysevorrichtung angeordnet, sodass dieses Gas die Wärme auf das Spülgas überträgt bevor es an die Umgebung abgegeben wird. Dadurch sind Wärmeverluste im System weiter herabgesetzt. It can be advantageous if a heat exchanger is arranged outside the housing, which is arranged in particular upstream of the gas inlet. This means that the flushing gas is first passed through a heat exchanger before it is fed into the housing. The purge gas is passed through a cold side of the heat exchanger. Gas, which is conducted from the gas analysis device, is conducted over a warm side of the heat exchanger. The warm side of the heat exchanger is thus located downstream of the gas analysis device, so that this gas transfers the heat to the purge gas before it is released to the environment. This further reduces heat losses in the system.

[0022] Vorteilhaft ist es, wenn die Umhausung eine thermische Isolierung aufweist. Folglich weisen bei dieser Ausführung sowohl die jeweiligen Gehäuse als auch die Umhausung eine thermische Isolierung auf. Die thermische Isolierung der Umhausung ist besonders günstig, wenn die thermische Isolierung durch die Gehäuse der einzelnen Komponenten gering und/oder dünnwandig ausgebildet ist. Vorteilhaft ist es, wenn die thermische Isolierung der Umhausung dünnwandig ausgebildet ist, wobei durch diese Wärmeverluste oder ein Wärmeübertrag vom Brennstoffzellensystem auf die Umgebung weiter vermindert ist. It is advantageous if the housing has thermal insulation. Consequently, in this embodiment, both the respective housing and the housing have thermal insulation. The thermal insulation of the housing is particularly favorable if the thermal insulation provided by the housing of the individual components is small and/or thin-walled. It is advantageous if the thermal insulation of the housing has thin walls, which further reduces heat losses or heat transfer from the fuel cell system to the environment.

[0023] Verwendet wird das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Das Brennstoffzellensystem wird vorteilhaft auch als stationäres System verwendet. The fuel cell system according to the invention is used in particular in a motor vehicle. The fuel cell system is advantageously also used as a stationary system.

[0024] Das weitere Ziel wird erreicht, wenn bei einem Verfahren der eingangs genannten Art Spülgas in die Umhausung geleitet und innerhalb der Umhausung geführt wird, wobei die Komponenten mit den Gehäusen vom Spülgas umströmt werden. The further objective is achieved if, in a method of the type mentioned at the outset, purge gas is passed into the housing and is guided within the housing, with the purge gas flowing around the components with the housings.

[0025] Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch das Durchführen von Spülgas eventuell aus den Komponenten und Gehäusen austretendes Gas verdünnt wird. Dieses Verfahren ermöglicht einen besonders sicheren Betrieb des Brennstoffzellensystems. Günstigerweise weist die Umhausung einen Gaseinlass auf, durch welchen das Spülgas in die Umhausung geführt wird. Das Spülgas verdünnt austretendendes Gas (dies sind insbesondere Betriebsfluide oder Teile davon), welches giftig und/oder brennbar sein kann, und verhindert dadurch, dass sich zwischen den Gehäusen innerhalb der Umhausung ein explosionsfähiges Gemisch bildet. Dadurch, dass zwischen den einzelnen Gehäusen und auch zwischen den Gehäusen und der Umhausung stets ein Spalt ausgebildet ist, wird das Spülgas durch die gesamte Umhausung geleitet, wodurch ein sicherer Betrieb des Brennstoffzellensystems möglich ist. Günstigerweise wird der Spülgasstrom derart geregelt, dass einzelne Komponenten gezielt mit einer vorbestimmten Menge an Spülgas umströmt werden. An advantage achieved in this way can be seen in particular in the fact that the gas that may escape from the components and housings is diluted by the passage of purge gas. This method enables a particularly reliable operation of the fuel cell system. The housing advantageously has a gas inlet through which the flushing gas is guided into the housing. The flushing gas dilutes escaping gas (these are in particular operating fluids or parts thereof), which can be poisonous and/or combustible, and thereby prevents an explosive mixture from forming between the housings within the housing. Due to the fact that a gap is always formed between the individual housings and also between the housings and the housing, the flushing gas is conducted through the entire housing, as a result of which safe operation of the fuel cell system is possible. The flow of flushing gas is advantageously regulated in such a way that a predetermined quantity of flushing gas flows around individual components in a targeted manner.

[0026] Günstig ist es weiter, wenn das Spülgas an einem Auslass der Umhausung gesammelt und stromabwärts der Umhausung einer Gasanalysevorrichtung zugeführt wird. Die Umhausung weist folglich einen Gasauslass auf, durch welchen das Spülgas samt ausgetretenen Betriebsfluiden aus der Umhausung geführt werden kann. Um sicherzustellen, dass kein giftiges und/oder brennbares Gas an die Umgebung abgegeben wird, ist stromabwärts der Umhausung eine Gasanalysevorrichtung vorgesehen, welcher der gesamte aus der Umhausung austretende Gasstrom zugeführt wird. Die Gasanalysevorrichtung umfasst einen oder mehrere Gassensoren, welche den Gasstrom analysieren. Werden keine vorab festgelegten Schwellenwerte für einen oder mehrere Gassensoren überschritten, kann der Gasstrom ohne weiteres der Umgebung zugeführt werden. Wird zumindest ein vorab festgelegter Schwellenwert überschritten, wird das Brennstoffzellensystem oder zumindest eine Komponente davon in einen sogenannten sicheren Zustand überführt, ohne dass eine Gefährdung vom System ausgeht. Um einen sicheren Zustand zu erreichen, kann beispielsweise der Spülgasstrom erhöht werden oder Strömungsvolumen der Betriebsfluide können verringert oder erhöht also angepasst werden. Gegebenenfalls kann auch das Brennstoffzellensystem heruntergefahren werden. It is also favorable if the flushing gas is collected at an outlet of the housing and fed to a gas analysis device downstream of the housing. Consequently, the housing has a gas outlet through which the flushing gas, together with the operating fluids that have escaped, can be guided out of the housing. In order to ensure that no toxic and/or combustible gas is released into the environment, a gas analysis device is provided downstream of the housing, to which the entire gas flow emerging from the housing is fed. The gas analysis device includes one or more gas sensors that analyze the gas flow. If no predefined threshold values are exceeded for one or more gas sensors, the gas flow can be fed into the environment without further ado. If at least one predetermined threshold value is exceeded, the fuel cell system or at least one component thereof is transferred to a so-called safe state without the system posing a hazard. In order to achieve a safe state, the flushing gas flow can be increased, for example, or the flow volume of the operating fluids can be reduced or increased, ie adjusted. If necessary, the fuel cell system can also be shut down.

[0027] Vorteilhaft kann es weiter sein, wenn der Gasanalysevorrichtung insbesondere periodisch ein weiteres Spülgas zugeführt wird. Dieses Spülgas wird insbesondere nicht zuerst durch die Umhausung geführt, sondern ist ein bis zur Gasanalysevorrichtung getrennt vom ersten Spülgas geführtes Spülgas. Das weitere Spülgas wird der Gasanalysevorrichtung insbesondere in perio-[0027] It can also be advantageous if a further purge gas is supplied to the gas analysis device, in particular periodically. In particular, this flushing gas is not conducted first through the housing, but is a flushing gas that is conducted separately from the first flushing gas as far as the gas analysis device. The further flushing gas is fed to the gas analysis device, particularly in periodic

dischen Abständen zugeführt, wobei eine Zuführung des Spülgasstroms dabei entweder kurz unterbrochen oder auch weitergeführt wird. Durch das weitere Spülgas ist es möglich, die Gasanalysevorrichtung sowie einzelne Sensoren davon zu kalibrieren und/oder diese auf eine korrekte Funktion zu überprüfen. Weiter kann das weitere Spülgas dazu verwendet werden, Wärme abzutransportieren. Günstig kann es auch sein, wenn zwischen der Umhausung und der Gasanalysevorrichtung eine Filtereinrichtung vorgesehen ist, um das aus der Umhausung austretende Gas von Partikeln zu filtern. dic distances supplied, with a supply of the purge gas flow being either briefly interrupted or continued. The additional flushing gas makes it possible to calibrate the gas analysis device and individual sensors thereof and/or to check that they are functioning correctly. Furthermore, the further flushing gas can be used to transport away heat. It can also be advantageous if a filter device is provided between the housing and the gas analysis device in order to filter the gas emerging from the housing to remove particles.

[0028] Es kann günstig sein, wenn das aus der Gasanalysevorrichtung austretende Gas einem Wärmetauscher zugeführt wird, um dessen Wärme an das erste Spülgas, welches durch eine kalte Seite des Wärmetausches geleitet wird bevor es in die Umhausung geführt wird, abgibt. It can be advantageous if the gas emerging from the gas analysis device is fed to a heat exchanger in order to give off its heat to the first purge gas, which is passed through a cold side of the heat exchanger before it is passed into the housing.

[0029] Weitere Vorteile, Merkmale und Wirkungen ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen: [0029] Further advantages, features and effects result from the exemplary embodiments presented below. The drawings to which reference is made show:

[0030] Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik; 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the prior art;

[0031] Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; [0031] FIG. 2 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention;

[0032] Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. 3 shows a schematic representation of a further fuel cell system according to the invention.

[0033] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 30 gemäß dem Stand der Technik. Dieses umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2, einen Reformer 3, einen Nachbrenner 4, einen Startbrenner 13 und zwei Wärmetauscher 5 und 14. Alle diese Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 sind in einer gemeinsamen Umhausung 7 angeordnet, wodurch eine sogenannte Hotbox gebildet ist. Alle Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 des Brennstoffzellensystems 30 sind also gemeinsam gegenüber der Umgebung thermisch isoliert. Innerhalb der Umhausung 7 ist thermisch isolierendes Granulat 31 angeordnet, um alle Hohlräume zu füllen. Dem Brennstoffzellensystem werden Betriebsfluide (Kraftstoff und Luft) aus zumindest einer Betriebsfluidquelle 15 zugeführt und am Ausgang des Brennstoffzellensystem wird Abgas 16 an die Umgebung abgegeben und produzierter Strom beispielsweise einer Energiespeichereinheit 17 zugeführt. Weiter ist eine Gasanalysevorrichtung 11 vorgesehen. shows a schematic representation of a fuel cell system 30 according to the prior art. This includes a fuel cell stack 2, a reformer 3, an afterburner 4, a starting burner 13 and two heat exchangers 5 and 14. All of these components 2, 3, 4, 5, 13, 14 are arranged in a common housing 7, creating a so-called hot box is formed. All of the components 2, 3, 4, 5, 13, 14 of the fuel cell system 30 are therefore thermally insulated together from the environment. Thermally insulating granules 31 are arranged inside the housing 7 in order to fill all cavities. Operating fluids (fuel and air) are supplied to the fuel cell system from at least one operating fluid source 15 and exhaust gas 16 is discharged to the environment at the outlet of the fuel cell system and the electricity produced is supplied to an energy storage unit 17, for example. A gas analysis device 11 is also provided.

[0034] In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Hotbox aufgelöst ist. Die Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 weisen alle ein separates Gehäuse 6 auf, welches thermisch isolierend ausgebildet ist. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst mehrere Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14: einen Brennstoffzellenstapel 2, einen Reformer 3, einen Nachbrenner 4, einen ersten Wärmetauscher 5, einen Startbrenner 13 und einen zweiten Wärmtauscher 14, wobei alle diese Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 ein eigenes, der jeweiligen Komponente 2, 3, 4, 5, 13, 14 zugewiesenes Gehäuse 6 aufweist. Die Gehäuse 6 sind jeweils thermisch isolierend ausgebildet, sodass jede Komponente 2, 3, 4, 5, 13, 14 für sich alleine thermisch isoliert angeordnet und ausgebildet ist. Die Gehäuse 6 sind weiter auch weitestgehend gasdicht ausgebildet. Im Brennstoffzellenstapel 2 entstehende elektrische Energie ist in einer Energiespeichereinheit 17 speicherbar. 2 shows a fuel cell system 1 according to the invention. It can be seen that the hotbox is resolved. The components 2, 3, 4, 5, 13, 14 all have a separate housing 6, which is designed to be thermally insulating. The fuel cell system 1 comprises several components 2, 3, 4, 5, 13, 14: a fuel cell stack 2, a reformer 3, an afterburner 4, a first heat exchanger 5, a starting burner 13 and a second heat exchanger 14, all of these components 2, 3, 4, 5, 13, 14 has its own housing 6 assigned to the respective component 2, 3, 4, 5, 13, 14. The housings 6 are each designed to be thermally insulating, so that each component 2, 3, 4, 5, 13, 14 is arranged and designed to be thermally insulated on its own. The housings 6 are also designed to be gas-tight as far as possible. Electrical energy generated in the fuel cell stack 2 can be stored in an energy storage unit 17 .

[0035] Es ist weiter eine Umhausung 7 vorgesehen, welche alle Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 mit Gehäusen 6 in sich einschließt, wobei alle Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 von sich selbst und von der Umhausung 7 beanstandet angeordnet sind. Die Umhausung 7 weist einen Gaseinlass 8 und einen Gasauslass 9 auf, durch welche Spülgas in die Umhausung hinein bzw. herausgeführt werden kann. Spülgas, üblicherweise Luft oder Inertgas, wird von einer Spülgasquelle 21 über den Gaseinlass 8 in die Umhausung 7 geführt, um dort gegebenenfalls von den Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 und durch die Gehäuse 6 ausgetretene giftige und/oder brennbare Gase zu verdünnen. Beim Gasauslass 9 wird der Gasstrom gesammelt und in weiterer Folge an die Umgebung 19 abgegeben. There is further provided an enclosure 7, which includes all components 2, 3, 4, 5, 13, 14 with housings 6 in itself, with all components 2, 3, 4, 5, 13, 14 of itself and are arranged objected to by the housing 7. The housing 7 has a gas inlet 8 and a gas outlet 9 through which flushing gas can be fed into and out of the housing. Purge gas, usually air or inert gas, is conducted from a purge gas source 21 via the gas inlet 8 into the housing 7, in order to purge any toxic and/or flammable substances that have escaped from the components 2, 3, 4, 5, 13, 14 and through the housing 6 to dilute gases. The gas flow is collected at the gas outlet 9 and subsequently discharged to the environment 19 .

[0036] Stromabwärts des Gasauslasses 9 und außerhalb der Umhausung 7 ist beim Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 eine Filtereinrichtung 10 vorgesehen, um Partikel aus dem Gasstrom zu entfernen. Stromabwärts der Filtereinrichtung 10 ist eine Gasanalysevorrichtung 11 angeordnet, welche mehrere Gassensoren umfasst, um beispielsweise einen CO-Gehalt, H2Gehalt, CH4-Gehalt und/oder NH3-Gehalt im Gasstrom zu bestimmen. Der Gasanalysevorrichtung 11 wird von einer weiteren Gasquelle 18 ein weiteres Spülgas zugeführt, wodurch die Sensoren der Gasanalysevorrichtung 11 kalibriert werden. Stromabwärts der Gasanalysevorrichtung 11 wird der Gasstrom an die Umgebung abgegeben. A filter device 10 is provided downstream of the gas outlet 9 and outside of the housing 7 in the exemplary embodiment according to FIG. 2 in order to remove particles from the gas flow. A gas analysis device 11 is arranged downstream of the filter device 10 and comprises a number of gas sensors in order to determine, for example, a CO content, H2 content, CH4 content and/or NH3 content in the gas flow. A further flushing gas is supplied to the gas analysis device 11 from a further gas source 18, as a result of which the sensors of the gas analysis device 11 are calibrated. Downstream of the gas analysis device 11, the gas flow is released into the environment.

[0037] Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1. Dabei entsprechen die Elemente mit denselben Bezugszeichen jenes des Brennstoffzellensystems 1 gemäß Fig. 2 und haben auch die gleiche Funktionsweise, weswegen darauf nicht mehr im Detail eingegangen wird. Beim Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig. 3 weist die Umhausung 7 eine thermische Isolierung 12 auf, um die gesamte thermische Isolierung des Brennstoffzellensystems 1 weiter zu verbessern. An den thermisch isolierenden Gehäusen 6 der Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 ändert sich im Vergleich zur Fig. 2 nichts. FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a fuel cell system 1 according to the invention. The elements with the same reference numbers correspond to those of the fuel cell system 1 according to FIG. 2 and also have the same mode of operation, which is why it is not discussed in detail. In the case of the fuel cell system 1 according to FIG. 3 , the housing 7 has thermal insulation 12 in order to further improve the overall thermal insulation of the fuel cell system 1 . Nothing changes on the thermally insulating housings 6 of the components 2, 3, 4, 5, 13, 14 compared to FIG.

[0038] Es ist weiter ein Wärmetauscher 20 vorgesehen, welcher außerhalb der Umhausung 7 angeordnet ist. Das Spülgas wird durch eine kalte Seite des Wärmetauschers 20 geführt und vom warmen Gasstrom, welcher aus der Gasanalysevorrichtung 11 austritt und über die warme Seite des Wärmetauschers 20 strömt, aufgewärmt. Dadurch wird also die gesamte Wärme des Brennstoffzellensystems 1 genutzt. A heat exchanger 20 is also provided, which is arranged outside the housing 7 . The flushing gas is passed through a cold side of the heat exchanger 20 and warmed up by the warm gas flow which exits the gas analysis device 11 and flows over the warm side of the heat exchanger 20 . As a result, the entire heat of the fuel cell system 1 is used.

[0039] Durch die erfindungsgemäße separate Isolierung der Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 ist es möglich, Ströme wie Betriebsfluide oder elektrische Ströme aller Art zielgerichtet zu einer jeweiligen Komponente und von dieser weg zu leiten. Diese Ströme sind in den Fig. 2 und 3 zur besseren Übersicht nicht dargestellt. The inventive separate insulation of the components 2, 3, 4, 5, 13, 14, it is possible to direct currents such as operating fluids or electrical currents of all kinds in a targeted manner to a respective component and away from it. These currents are not shown in FIGS. 2 and 3 for a better overview.

[0040] Es wird darauf hingewiesen, dass die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 2 und 3 auch miteinander kombiniert werden können. So kann beispielsweise auch das Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig. 3 eine Filtervorrichtung 10 aufweisen und/oder bei einem Brennstoffzellensystem gemäß Fig. 2 ein Wärmetauscher vorgesehen sein. It is pointed out that the exemplary embodiments according to FIGS. 2 and 3 can also be combined with one another. For example, the fuel cell system 1 according to FIG. 3 can also have a filter device 10 and/or a heat exchanger can be provided in a fuel cell system according to FIG. 2 .

[0041] Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 1 wird Spülgas während des gesamten Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 pulsierend derart durch die Umhausung 7 geführt, dass die der Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 vom Spülgas umströmt werden und Gas, welches aus den der Komponenten 2, 3, 4, 5, 13, 14 austritt, durch das Spülgas verdünnt wird. Stromabwärts der Umhausung wird das Gas hinsichtlich einer Anwesenheit verschiedener Gase in der Gasanalysevorrichtung 11 analysiert. In the method according to the invention for operating a fuel cell system 1, purge gas is pulsed through the housing 7 during the entire operation of the fuel cell system 1 in such a way that the purge gas flows around the components 2, 3, 4, 5, 13, 14 and gas, which emerges from the components 2, 3, 4, 5, 13, 14 is diluted by the purge gas. Downstream of the housing, the gas is analyzed for the presence of different gases in the gas analysis device 11 .

Claims

patent claims

1. Fuel cell system (1), in particular SOFC system, with several components, the components (2, 3, 4, 5) at least one fuel cell stack (2), a reformer (3), an afterburner (4) and at least one heat exchanger (5) include, characterized in that a separate, thermally insulating housing (6) is provided for the fuel cell stack (2), the reformer (3), the afterburner (4) and the heat exchanger (5), each of these components (2, 3, 4, 5) is arranged in a thermally insulated manner within a housing (6).

2. Fuel cell system (1) according to claim 1, characterized in that the components (2, 3, 4, 5) with the respective housing (6) are each arranged at a distance from one another.

3. Fuel cell system (1) according to claim 1 or 2, characterized in that a housing (7) is provided, wherein all components (2, 3, 4, 5) with the respective housing (6) within the housing (7) and are arranged in particular spaced therefrom.

4. Fuel cell system (1) according to claim 3, characterized in that the housing (7) has a gas inlet (8) and a gas outlet (9), wherein in particular flushing gas through the housing (7) can be guided.

5. Fuel cell system (1) according to claim 3 or 4, characterized in that downstream of the housing (7) a filter device (10) is arranged.

6. Fuel cell system (1) according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a gas analysis device (11) is provided.

7. Fuel cell system (1) according to any one of claims 3 to 6, characterized in that the housing (7) has a thermal insulation (12).

8. A method for operating a fuel cell system (1) according to any one of claims 3 to 7, wherein operating fluids through a housing (7) to individual components (2, 3, 4, 5) of the fuel cell system (1), each in its own housing (6) are arranged, are passed, characterized in that purge gas is passed into the housing (7) and within the housing (7), the components (2, 3, 4, 5) with the housings (6) from Flushing gas flows around.

9. The method as claimed in claim 8, characterized in that the flushing gas is collected at a gas outlet (9) of the housing (7) and fed to a gas analysis device (11) downstream of the housing (7).

10. The method as claimed in claim 9, characterized in that the gas analysis device (11) is supplied with a further flushing gas, in particular periodically.

3 sheets of drawings