DE102009014590A1

DE102009014590A1 - Fuel cell system with at least one fuel cell

Info

Publication number: DE102009014590A1
Application number: DE102009014590A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baur; Matthias Dipl.-Ing. Jesse; Cosimo Dipl.-Ing. Mazzotta; Klaus Dipl.-Ing. Scherrbacher (Fh); Thorsten Dipl.-Ing. Tüxen
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2010-09-30
Also published as: WO2010108605A2; WO2010108605A3

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (1) weist wenigstens eine Brennstoffzelle (2) auf, welche einen Anodenraum (3) und einen Kathodenraum (4) hat. Dabei ist eine Rezirkulationsleitung (7) vorgesehen, durch welche Abgas aus dem Anodenraum (3) in einen Bereich vor den Anodenraum (3) zurückführbar ist. Im Bereich der Rezirkulationsleitung (7) und/oder des Anodenraums (3) ist wenigstens ein Mittel zum Austragen von Medien vorgesehen. Erfindungsgemäß ist das wenigstens eine Mittel als Ventileinrichtung (13) ausgebildet, welche einen schaltbaren Strömungsweg (19) und einen Überströmweg (21) aufweist.A fuel cell system (1) has at least one fuel cell (2) which has an anode space (3) and a cathode space (4). In this case, a recirculation line (7) is provided, through which exhaust gas from the anode compartment (3) can be returned to an area in front of the anode compartment (3). In the region of the recirculation line (7) and / or the anode chamber (3) at least one means for discharging media is provided. According to the invention, the at least one means is designed as a valve device (13) which has a switchable flow path (19) and an overflow path (21).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung eine Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems, sowie eine Verwendung desselben.The The invention relates to a fuel cell system with at least one Fuel cell according to the closer in the preamble of claim 1 Furthermore, the invention relates to a method for Operating such a fuel cell system, as well as a use thereof.

Ein derartiger Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit einer Rezirkulationsleitung zum Zurückführen des Anodenabgases in den Anodeneingang ist beispielsweise aus der DE 101 15 336 A1 bekannt. Bei derartigen Systemen mit einer sogenannten Anodenloop reichert sich im Laufe der Zeit Stickstoff und Wasser in dem rezirkulierten Anodenabgas an. Daher ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und in der oben genannten Schrift auch so beschrieben, dass im Bereich der Rezirkulationsleitung Ventileinrichtungen angeordnet werden, welche von Zeit zu Zeit geöffnet werden, um den Stickstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und dem Bereich des Anodenraums entsprechend abzublasen. Gemäß der DE 101 15 336 A1 kann die „Entsorgung” dieses Abgases aus dem Bereich des Anodenloop in verschiedene Bereiche erfolgen, welche typischerweise jeweils über eine katalytische Oberfläche verfügen oder in Verbindung mit einer weiteren Komponente stehen, welche eine solche katalytische Oberfläche aufweist. Dieser Aufbau ist deshalb üblich, weil zusammen mit dem Stickstoff immer auch eine geringe Menge an Wasserstoff in dem abgelassenen Gas sein wird, welche auf diese Art unschädlich gemacht werden kann. Um das im Bereich des Anodenabgases anfallende Produktwasser der Brennstoffzelle abführen zu können, ist in der DE 101 15 336 A1 ferner ein Wasserabscheider im Bereich der Rezirkulationsleitung beschrieben.Such a structure of a fuel cell system with a recirculation line for returning the anode exhaust gas in the anode input is for example from DE 101 15 336 A1 known. In such systems with a so-called anode loop, nitrogen and water accumulate in the recirculated anode exhaust gas over time. Therefore, it is known from the general state of the art and described in the above-mentioned document that in the region of the recirculation line valve devices are arranged, which are opened from time to time to the nitrogen from the area of the recirculation line and the area of the anode space to blow off accordingly. According to the DE 101 15 336 A1 For example, the "disposal" of this exhaust gas from the region of the anode loop can be effected in different regions, which typically each have a catalytic surface or are in connection with another component which has such a catalytic surface. This structure is common because, together with the nitrogen, there will always be a small amount of hydrogen in the vented gas, which can be rendered harmless in this way. In order to be able to dissipate the product water of the fuel cell arising in the region of the anode exhaust gas, is in the DE 101 15 336 A1 Furthermore, a water separator described in the recirculation line.

Der oben genannte Aufbau erfordert dabei wenigstens eine Ventileinrichtung für das Abblasen des Stickstoffs (Purge) und wenigstens eine weitere Ventileinrichtung für das Ablassen des in dem Wasserabscheider angesammelten Wassers (Drain). Neben dem Kostenaufwand, diese Komponenten im System vorzusehen, verursachen die Komponenten weiteren Aufwand hinsichtlich ihrer Ansteuerung und einer dafür gegebenenfalls notwendigen Sensorik. Außerdem müssen entsprechende Leitungselemente von den Ventileinrichtungen in die jeweiligen Bereiche, in die die Medien ausgetragen werden, vorhanden sein. Dies erfordert entsprechende Bauteile und entsprechenden Bauraum. Um auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts einen sicheren Start und eine sichere Funktionalität des Systems gewährleisten zu können, müssen diese Leitungselemente außerdem entsprechend isoliert und/oder beheizbar ausgebildet werden. Auch dies verursache großen Aufwand hinsichtlich Kosten, Komplexität und Gewicht in dem oben dargestellten Brennstoffzellensystem.Of the The above construction requires at least one valve device for blowing off the nitrogen (purge) and at least another valve device for draining the in the water of the accumulated water (drain). In addition to the cost, To provide these components in the system cause the components more Effort in terms of their control and one for it possibly necessary sensor technology. In addition, must corresponding line elements of the valve devices in the respective areas to which the media are hosted be. This requires corresponding components and corresponding installation space. To ensure a safe even at temperatures below freezing Start and ensure a secure functionality of the system To be able to do these piping elements as well be formed isolated and / or heated accordingly. Also This causes great expense in terms of cost, complexity and weight in the fuel cell system shown above.

Aus der internationalen Anmeldung WO 2008/052578 A1 ist ebenfalls ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenloop bekannt, welcher hierin als Brennstoffkreis bezeichnet wird. Die Besonderheit bei diesem Aufbau besteht nun darin, dass die Funktionalität des Wasserabscheiders mit einem Ablassventil zum Ablassen des Wassers und die Funktionalität des Abblasventils zum Abblasen des stickstoffhaltigen Gases kombiniert werden. Der Aufbau sieht dabei vor, dass ein Wasserabscheider mit einer entsprechenden Ventileinrichtung versehen ist. Immer, wenn sich eine entsprechend große Menge an Wasser angesammelt hat, wird diese über die Ventileinrichtung aus dem Wasserabscheider abgelassen. Nachdem das Wasser abgelassen ist, tritt außerdem Gas aus dem Anodenloop über die Ventileinrichtung des Wasserabscheiders aus, ehe diese wieder geschlossen wird. Die Funktionalität, welche bei der oben genannten Schrift auf zwei eigene Bauteile verteilt war, wird dadurch in einem einzigen Bauteil integriert.From the international application WO 2008/052578 A1 Also known is a fuel cell system having an anode loop, referred to herein as a fuel loop. The special feature of this design is that the functionality of the water separator with a drain valve for discharging the water and the functionality of the blow-off valve for blowing off the nitrogen-containing gas are combined. The structure provides that a water separator is provided with a corresponding valve device. Whenever a correspondingly large amount of water has accumulated, it is drained from the water separator via the valve device. In addition, after the water is drained, gas exits the anode loop via the valve means of the water separator before it is closed again. The functionality, which was distributed in the above-mentioned writing on two separate components, is thereby integrated into a single component.

Dieser Aufbau stellt bereits eine deutliche Verbesserung gegenüber dem oben genannten Aufbau dar. Allerdings ist auch hier weiterhin ein entsprechender Sensor zur Erfassung des Wasserstands in dem Abscheider notwendig. Die Erfahrung in der Praxis hat gezeigt, dass dieser Sensor extrem leicht mit Ablagerungen aus dem Brennstoffzellensystem verschmutzt wird, und dass dies sehr häufig zu einer Fehlfunktion des Sensors und damit zu einem zu häufigen oder auch zu seltenen Ablassen des anfallenden Wassers führt. Auch dies ist hinsichtlich der Betriebssicherheit eines solchen Systems entsprechend problematisch. Außerdem stellt die Verwendung eines derartigen Sensors immer auch einen gewissen Aufwand dar, da insbesondere ein Füllstandssensor im Wasserabscheider typischerweise in Form von zwei einzelnen Sensoren ausgebildet sein muss, was wiederum mit den entsprechenden Kosten verbunden ist.This Construction already contrasts with a significant improvement However, this is still here a corresponding sensor for detecting the water level in the Separator necessary. Experience in practice has shown that This sensor is extremely lightweight with deposits from the fuel cell system gets dirty, and that this very often becomes a malfunction of the sensor and thus too frequent or too rare draining of the accumulating water leads. This too is in terms of reliability of such a system accordingly problematic. In addition, the use of such Sensors always a certain amount of effort, especially since a Level sensor in the water separator typically in Form of two individual sensors must be formed, which in turn associated with the corresponding costs.

Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist ferner die DE 103 11 785 A1 bekannt. Darin ist eine Verbindung des Kathodenbereichs mit dem Anodenbereich einer Brennstoffzelle beschrieben, insbesondere einer Brennstoffzelle, welche mit einem wasserstoffhaltigen Gas aus einer Gaserzeugungseinrichtung betrieben wird. Derartiger Wasserstoff weist üblicherweise eine gewisse Verunreinigung mit Kohlenmonoxid auf, welche dem Katalysator im Bereich des Anodenraums schadet. Daher wird über die Verbindung bei Bedarf Luft in den Wasserstoff eingebracht, welcher dieses Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert und damit die Menge des für den Katalysator schädlichen Kohlenmonoxids minimiert. Die Ansteuerung erfolgt dabei über einen entsprechenden Druckunterschied zwischen dem Bereich der Anode und dem Bereich der Kathode, sodass bei geringerem Druck im Bereich der Anode Luft über die Öffnung in den Bereich der Anode strömt (Airbleed). Andersherum kann dieser Aufbau auch dazu genutzt werden, Gas aus dem Bereich der Anode in den Bereich der Kathode strömen zu lassen, nämlich immer dann, wenn die Druckverhältnisse umgekehrt sind (Purge). Auch dies wird in dem Aufbau gemäß der DE 103 11 785 A1 genutzt, um beispielsweise das entstehende Kohlendioxid, oder im Falle eines Anodenloop den sich anreichernden Stickstoff zusammen mit dem Kohlendioxid in den Bereich der Kathode abzublasen.From the further general state of the art is also the DE 103 11 785 A1 known. Therein a connection of the cathode region to the anode region of a fuel cell is described, in particular a fuel cell, which is operated with a hydrogenous gas from a gas generating device. Such hydrogen usually has some contamination with carbon monoxide, which damages the catalyst in the region of the anode space. Therefore, if necessary, air is introduced into the hydrogen via the compound, which oxidizes this carbon monoxide to carbon dioxide and thus minimizes the amount of carbon monoxide harmful to the catalyst. The control takes place via a corresponding pressure difference between the Be rich in the anode and the region of the cathode, so that at lower pressure in the region of the anode air flows through the opening in the region of the anode (Airbleed). On the other hand, this structure can also be used to allow gas to flow from the region of the anode into the region of the cathode, namely whenever the pressure conditions are reversed (purge). This is also in the structure according to the DE 103 11 785 A1 used, for example, to blow off the resulting carbon dioxide, or in the case of an anode loop, the accumulating nitrogen together with the carbon dioxide in the region of the cathode.

Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenloop zu schaffen, bei welchem mit minimalem Aufwand an Bauteilen und geringen Kosten Medien aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums sicher und zuverlässig ausgetragen werden können.It Now is the object of the present invention, a fuel cell system to create with an anode loop at which with minimal effort on components and low cost media from the field of recirculation line and / or the anode compartment safely and reliably discharged can be.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben eines solchen erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von Anspruch 13 angegeben. Eine bevorzugte Verwendung für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und/oder das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 18 genannt. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.According to the invention This object by the mentioned in the characterizing part of claim 1 Characteristics solved. A method of operating such Fuel cell system according to the invention is indicated by the features in the characterizing part of claim 13. A preferred use for the inventive Fuel cell system and / or the inventive method is mentioned in claim 18. The respective dependent claims describe advantageous embodiments and further developments of Invention.

Dadurch, dass das wenigstens eine Mittel gemäß der Erfindung als Ventileinrichtung ausgebildet ist, welche neben ihrem üblicherweise vorhandenen schaltbaren Strömungsweg auch einen Überströmweg aufweist, entsteht eine Ventileinrichtung mit einem Bypass. Diese Ventileinrichtung mit Bypass wird erfindungsgemäß nun dazu genutzt, sowohl den Purge als auch den Drain in einer einzigen erfindungsgemäßen Ventileinrichtung zu integrieren. Damit entsteht ein sehr einfacher und kompakter Aufbau. Im üblicherweise vorliegenden Betrieb wird der Austrag der Medien im Allgemeinen über den Überströmweg stattfinden, welcher mit einem entsprechend engen Querschnitt versehen ist. Außerdem kann beispielsweise eine Blende oder dergleichen in den Überströmweg integriert werden, um einen entsprechenden Querschnitt fest vorzugeben, welcher zu den Volumenströmen in dem vorliegenden Brennstoffzellensystem passt. Damit kann eine und dieselbe Ventileinrichtung für verschieden große Brennstoffzellensysteme eingesetzte werden, indem einfach die Blende ausgetauscht wird. Dabei ist darauf zu achten, dass der Durchflussfaktor (kv-Wert) für den Überströmweg bzw. Bypass passend zum jeweiligen Brennstoffzellensystem so ausgelegt ist, dass keine allzu hohen Wasserstoffkonzentrationen in dem abgelassenen Gas auftreten.Thereby, that is at least one agent according to the invention is designed as a valve device, which in addition to their usual Existing switchable flow path also has an overflow path has, creates a valve device with a bypass. These Valve device with bypass according to the invention now used both the purge and the drain in a single invention Integrate valve device. This creates a very simple and compact construction. In the usually present operation The discharge of the media is generally via the overflow path take place, which provided with a correspondingly narrow cross-section is. In addition, for example, a diaphragm or the like be integrated into the overflow to one Specify corresponding cross section fixed, which to the volume flows in the present fuel cell system. This can be a and the same valve device for different sizes Fuel cell systems are used by simply the aperture is exchanged. It is important to ensure that the flow factor (kv value) for the overflow or bypass is designed to match the particular fuel cell system that not too high levels of hydrogen in the drained Gas occur.

Das Öffnen des schaltbaren Strömungswegs des Ventils wird typischerweise immer nur dann erfolgen, wenn dies notwendig ist, also beispielsweise wenn im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums eine zu geringe Wasserstoffkonzentration vorliegt, um die erforderliche Stromerzeugung in der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems realisieren zu können. Durch ein Öffnen des schaltbaren Strömungswegs wird dann Drainwasser sehr schnell ausgetrieben und die Purgefunktion sehr schnell gestartet.The opening The switchable flow path of the valve typically becomes always only if necessary, for example if in the region of the recirculation line and / or the anode compartment a too low hydrogen concentration is present to the required Power generation in the fuel cell of the fuel cell system to be able to realize. By opening the switchable Flow path is then expelled drain water very quickly and started the purge function very fast.

Grundsätzlich können mehrere derartige Ventileinrichtungen im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums vorgesehen sein. Besonders effizient, einfach und kostengünstig lässt sich der Aufbau jedoch dann realisieren, wenn im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung genau eine Ventileinrichtung vorgesehen wird. Über diese eine Ventileinrichtung als kombiniertes Drain-/Purge-Ventil kann dann mit minimalem Aufwand hinsichtlich des Bauraums, der Sensorik und der Ansteuerung ein sehr einfacher, kompakter und effizienter Aufbau realisiert werden. Aufgrund des Überströmwegs in der Ventileinrichtung kommt es zu einem kontinuierlichen Abströmen, zuerst des Wassers und dann einer entsprechenden Gasmenge. Damit kann auf aufwendige Sensorik, wie beispielsweise Levelsensorik, für den Wasserstand verzichtet werden. Dies spart einerseits Kosten und erlaubt es andererseits sich von eventuellen Fehlfunktionen der sehr leicht verschmutzenden Füllstandssensoren frei zu machen.in principle can be more such valve devices in the area be provided the recirculation line and / or the anode compartment. Especially Efficient, easy and inexpensive can be However, the structure then realize when in the recirculation line and / or the anode compartment according to a particular favorable embodiment of the invention exactly one valve device is provided. About this one valve device as a combined Drain / purge valve can then be designed with minimal effort the installation space, the sensors and the control a very simple, compact and efficient construction can be realized. Due to the overflow path in the valve device there is a continuous outflow, first of water and then a corresponding amount of gas. This can be on complex sensors, such as level sensors, for the water level can be waived. This saves on the one hand costs and On the other hand, it allows the eventual malfunctions of the very slightly polluting level sensors open too do.

Der Überströmweg kann dabei in der einfachsten Ausführungsform der Erfindung einen festen, aber entsprechend des Brennstoffzellensystems vorgegebenen durchströmbaren Querschnitt aufweisen. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es ferner vorgesehen, dass dieser durchströmbare Querschnitt als Blende ausgebildet ist, wobei die Blende als flexible Blende realisiert ist, deren Öffnungsquerschnitt sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz auf den beiden Seiten der Blende selbsttätig ändert. Eine solche flexible Blende ist nach wie vor ein passives Bauelement, welches keine aktive Ansteuerung oder dergleichen erfordert. Es ist damit weiterhin sehr einfach, kostengünstig und ohne die Problematik von Fehlfunktionen zu realisieren.The overflow path can in the simplest embodiment of the invention a fixed but predetermined according to the fuel cell system have flow-through cross-section. In a special advantageous development of the invention, it is further provided that this flow-through cross-section is designed as a diaphragm, wherein the diaphragm is realized as a flexible diaphragm whose opening cross-section depending on the pressure difference on the two Sides of the aperture changes automatically. Such flexible bezel is still a passive component which no active control or the like required. It is with it still very simple, inexpensive and without the problem to realize malfunctions.

Der Aufbau kann beispielsweise in Form einer Membran aufgebaut sein, welche sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen der einen Seite und der anderen Seite entsprechend auslenkt. Wenn im Bereich der Membran nun eine oder mehrere Öffnungen vorgesehen sind, so wird deren Querschnitt bei ausgelenkter Membran entsprechend größer ausfallen, als bei nicht ausgelenkter Membran. Im Extremfall kann somit ein Verschließen des Überströmwegs bei abgestelltem System erreicht werden, sodass über den Überströmweg beispielsweise keine Gase zwischen den über die Ventileinrichtung verbundenen Bereichen ausgetauscht werden. Erst wenn das System in Betrieb genommen wird und eine entsprechende Druckdifferenz zwischen der einen Seite und der anderen Seite auftritt, wird sich die Membran entsprechend in Richtung des geringeren Drucks verformen und über die flexible Blende entsteht der durchströmbare Öffnungsquerschnitt, welcher ein Durchströmen des Überströmwegs, beispielsweise durch Drainwasser und Purgegas erlaubt.The structure may for example be constructed in the form of a membrane, which deflects depending on the pressure difference between the one side and the other side accordingly. If one or more openings are now provided in the region of the membrane, then its cross-section will be with deflected membrane correspondingly larger than with nicht deflected membrane. In extreme cases, it is thus possible to close the overflow path when the system is turned off so that, for example, no gases are exchanged between the areas connected via the valve device via the overflow path. Only when the system is put into operation and a corresponding pressure difference between the one side and the other side occurs, the membrane will deform accordingly in the direction of lower pressure and the flexible aperture creates the flow-through opening cross section, which flows through the overflow, for example allowed by drain water and purge gas.

Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung weist der Bereich der Rezirkulationsleitung dabei einen Wasserabscheider auf, wobei die Ventileinrichtung im Auslassbereich des Wasserabscheiders angeordnet ist. Bei diesem Aufbau kann die Zusammenlegung von Drain und Purge in einem einzigen Bauteil besonders effizient realisiert werden. In dem Wasserabscheider sammelt sich abgeschiedenes Wasser an, sodass davon ausgegangen werden kann, dass die größte Menge an in dem Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums vorliegenden Wassers sich im Bereich dieses Abscheiders sammelt. Im Ausströmbereich des Abscheiders, typischerweise in Richtung der Schwerkraft unten, ist dann die Ventileinrichtung angeordnet, welche durch ihren Überströmweg ein kontinuierliches Abfließen des Wassers erlaubt. Wenn kein Wasser mehr in dem Abscheider vorhanden ist, so kommt es außerdem zu einem Abblasen der sich im Bereich der Rezirkulationsleitung angereicherten Gase, insbesondere Stickstoff sowie gegebenenfalls eine gewisse Restmenge an Wasserstoff, kommen. Von der beschriebenen Funktionalität kann auch der Aufbau mit dem Wasserabscheider ohne die hinsichtlich Verschmutzung kritischen und kostenintensiven Levelsensoren auskommen, da ein kontinuierliches Abfließen des sich ansammelnden Wassers über den Überströmweg gewährleistet ist. Bei entsprechender Auswahl des Durchmessers des Überströmwegs kann so ein sehr einfacher und effizienter Aufbau erreicht werden, bei dem nur minimale Mengen an Wasserstoff aus der Rezirkulationsleitung abfließen.According to one particularly favorable and advantageous embodiment and Development of the invention, the area of the recirculation line while a water trap, wherein the valve means in Outlet of the water separator is arranged. In this Construction can combine the drain and purge in a single component be implemented particularly efficiently. Collects in the water separator segregated water so that it can be assumed that the largest amount of in the area of the recirculation line and / or the anode chamber present water in the area of this Separator collects. In the discharge area of the separator, typically in the direction of gravity down, then is the valve means arranged, which through their Überströmweg a continuous drainage of the water allowed. If not water more in the separator is present, so it comes in addition to a blow off in the area of the recirculation line enriched gases, in particular nitrogen and optionally one certain residual amount of hydrogen, come. From the described Functionality can also be the structure with the water separator without the pollution-critical and cost-intensive level sensors get along, as a continuous drain of the accumulating Water over the Überströmweg ensured is. With appropriate selection of the diameter of the overflow can so a very simple and efficient construction can be achieved at the minimal amount of hydrogen from the recirculation line flow away.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es dabei vorgesehen, den Aufbau gemäß der Erfindung so zu nutzen, dass über die Ventileinrichtung Medien in zwei verschiedenen Aggregatzuständen ausgetragen werden. Aufgrund der Eigenschaft der Flüssigkeiten und der Gase wird bei geeigneter Anordnung der Ventileinrichtung, bevorzugt in einem Wasserabscheider, die Drainfunktion immer zuerst ausgeführt, bis kein Wasser mehr in den entsprechenden Leitungen zur Ventileinrichtung vorhanden ist. Erst nachdem das Wasser über die Ventileinrichtung abgeströmt ist, wird es zu einem Abblasen von Gasen aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums kommen. Durch eine entsprechende Auslegung des Überströmwegs und hier insbesondere des durchströmbaren Querschnitts kann dabei erreicht werden, dass keine großen Mengen an Wasserstoff den Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums verlassen. Dadurch wird es zu einem kontinuierlichen Abströmen des sich ansammelnden Wassers kommen, während nur vergleichsweise geringe Mengen an angereichertem Stickstoff über den Überströmweg abgeblasen werden. Da zusammen mit dem Abblasen der inerten Gase immer auch eine gewisse Menge an Wasserstoff verloren geht, ist dies besonders günstig, da der Verlust an Wasserstoff selbstverständlich möglichst gering gehalten werden soll.At the method according to the invention, it is provided to use the structure according to the invention so that over the valve device media in two different aggregate states be discharged. Due to the property of the liquids and the gases are in a suitable arrangement of the valve device, preferably in a water separator, the drain function always first run until no more water in the corresponding Lines for valve device is present. Only after the Water has flowed out through the valve device, it is a blow off gases from the area of the recirculation line and / or the anode compartment come. By an appropriate design the overflow and here in particular the permeable Cross section can be achieved that no large Amounts of hydrogen the area of the recirculation line and / or leave the anode compartment. This makes it a continuous one Outflow of the accumulating water come while only comparatively small amounts of enriched nitrogen over be blown off the Überströmweg. There together with the blowing off of the inert gases always a certain amount lost in hydrogen, this is particularly favorable Of course, the loss of hydrogen is as low as possible should be kept.

Typischerweise wird daher der schaltbare Strömungsweg der Ventileinrichtung im Normalbetrieb nicht oder nur in Ausnahmezuständen, wie beispielsweise der Betrieb des Brennstoffzellensystems bei hoher elektrischer Leistung, entsprechend geöffnet. Daher ist es gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass der schaltbare Strömungsweg der Ventileinrichtung immer nur dann geöffnet wird, wenn die Wasserstoffkonzentration im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums unter einen vorgegebenen Wert fällt. Das Abfallen der Wasserstoffkonzentration deutet auf das Vorhandensein eines großen Volumens an inertem Gas, insbesondere Stickstoff, hin. Ist dies der Fall, dann kann über ein Öffnen des schaltbaren Strömungswegs ein sehr schnelles Abblasen dieses Gases erreicht werden. Nur in solchen Fällen erfolgt daher das Öffnen des schaltbaren Strömungswegs, sodass Verluste an Wasserstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums weitgehend minimiert werden können.typically, Therefore, the switchable flow path of the valve device in normal operation not or only in emergency conditions, such as For example, the operation of the fuel cell system at high electrical power, opened accordingly. thats why it according to a particularly favorable and advantageous development of the method provided that the switchable flow path of the valve device always only then opened when the hydrogen concentration in the Area of the recirculation line and / or the anode compartment below falls below a given value. The drop in hydrogen concentration indicates the presence of a large volume of inert Gas, especially nitrogen out. If this is the case, then over opening the switchable flow path is a very fast Blowing off this gas can be achieved. Only in such cases Therefore, the opening of the switchable flow path, so that losses of hydrogen from the area of the recirculation line and / or the anode compartment can be largely minimized.

Wie oben dargelegt, zeichnet sich der Aufbau des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie der Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere durch Einfachheit, Zuverlässigkeit und Kompaktheit aus. Daher ist sowohl das Brennstoffzellensystem als auch das Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems besonders geeignet, um in Transportmitteln auf dem Land, im Wasser und in der Luft eingesetzt zu werden. Da derartige Transportmittel, insbesondere Personenkraftwagen, immer unter hohem Kostendruck und eher geringem verfügbarem Bauraum realisiert werden, spielen diese Vorteile hier eine besonders große Rolle. Das Brennstoffzellensystem kann dabei typischerweise die Antriebsenergie für ein derartiges Transportmittel zur Verfügung stellen, es ist jedoch auch denkbar, über das Brennstoffzellensystem lediglich elektrische Energie für Hilfsantriebe zu erzeugen, während die Vortriebsenergie anderweitig, beispielsweise durch Verbrennungskraftmaschinen, Strömungsmaschinen oder dergleichen gewonnen wird.As stated above, the structure of the fuel cell system according to the invention and the operation of the method according to the invention are characterized in particular by simplicity, reliability and compactness. Therefore, both the fuel cell system and the method of operating such a system are particularly suitable for use in land, water and air transport. Since such means of transport, in particular passenger cars, are always realized under high cost pressure and rather small available installation space, these advantages play a particularly important role here. The fuel cell system can typically provide the drive energy for such a means of transport, but it is also conceivable, via the fuel cell system, only electrical To generate energy for auxiliary drives, while the propulsion energy is obtained elsewhere, for example by internal combustion engines, turbomachinery or the like.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert wird.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the remaining dependent claims and are based on the embodiment clearly, which in the following with reference to the figures is explained.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; 1 a schematic representation of a fuel cell system in a possible embodiment according to the invention;

2 einen Aufbau einer Ventileinrichtung in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung; 2 a construction of a valve device in a first embodiment according to the invention;

3 einen Aufbau einer Ventileinrichtung in einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung; 3 a construction of a valve device in a second embodiment according to the invention;

4 einen Aufbau einer Ventileinrichtung in einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung; und 4 a construction of a valve device in a third embodiment according to the invention; and

5 einen Aufbau eines Umströmungswegs mit einer flexiblen Blende. 5 a structure of a flow path with a flexible diaphragm.

In der Darstellung gemäß 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem für die hier vorliegende Erfindung relevanten Ausschnitt stark schematisiert angedeutet. Wichtigster Bestandteil des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als Stapel von einzelnen Brennstoffzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 2 weist einen Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4 auf, welche in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils durch eine protonenleitende Membran voneinander getrennt sein sollen. Bei der Brennstoffzelle 2 handelt es sich also um einen sogenannten PEM-Brennstoffzellenstack.In the illustration according to 1 is a fuel cell system 1 in a relevant to the present invention section highly schematized indicated. Most important component of the fuel cell system 1 is a fuel cell 2 which is typically designed as a stack of individual fuel cells, as a so-called fuel cell stack. The fuel cell 2 has an anode compartment 3 and a cathode compartment 4 on, which should be separated from each other in the embodiments shown here by a proton-conducting membrane. At the fuel cell 2 So it is a so-called PEM fuel cell stack.

Der Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung 5 über ein Dosierventil 6 sowie ein Leitungselement mit Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 versorgt. Im Bereich des Anodenraums 3 nicht umgesetzter Wasserstoff gelangt über eine Rezirkulationsleitung 7 zurück in den Bereich, in dem der frische Wasserstoff über das Dosierventil 6 zu dem Anodenraum 3 strömt. Die Rezirkulationsleitung 7 führt damit in an sich bekannter Weise unverbrauchtes Gas aus dem Bereich des Anodenraums 3 zurück in den Anodenraum, wobei sich das Gas mit frischem Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 vermischt. Um den Druckverlust im Anodenraum 3 auszugleichen, ist im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 eine Rezirkulationsfördereinrichtung 8 angeordnet, welche für die Rückführung des unverbrauchten Gases aus dem Anodenraum 3 sorgt. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 8 kann dabei als Wasserstoffrezirkulationsgebläse ausgebildet sein, so wie dies in 1 angedeutet ist. Ergänzend oder alternativ hierzu wäre auch eine Gasstrahlpumpe denkbar, welche durch den Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 angetrieben wird, und das Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 entsprechend ansaugt, mit dem frischen Wasserstoff vermischt und dem Anodenraum 3 zuführt.The anode compartment 3 the fuel cell 2 becomes from a hydrogen storage device 5 via a metering valve 6 and a line member with hydrogen from the hydrogen storage device 5 provided. In the area of the anode compartment 3 unreacted hydrogen passes through a recirculation line 7 back to the area where the fresh hydrogen is via the metering valve 6 to the anode compartment 3 flows. The recirculation line 7 thus leads in a conventional manner unused gas from the area of the anode compartment 3 back into the anode compartment, where the gas with fresh hydrogen from the hydrogen storage device 5 mixed. To the pressure loss in the anode compartment 3 is in the area of the recirculation line 7 a recirculation conveyor 8th arranged, which for the return of the unused gas from the anode compartment 3 provides. The recirculation conveyor 8th can be designed as a hydrogen circulation fan, as in 1 is indicated. Additionally or alternatively, a gas jet pump would be conceivable, which by the hydrogen from the hydrogen storage device 5 is driven, and the gas from the area of the recirculation line 7 sucks accordingly, mixed with the fresh hydrogen and the anode compartment 3 supplies.

Der Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird im hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit Luft versorgt. Der in der Luft enthaltende Sauerstoff dient als Oxidationsmittel für die chemische Reaktion im Inneren der Brennstoffzelle 2 und bildet zusammen mit dem Wasserstoff in an sich bekannter Weise Wasser, wobei elektrische Leistung frei wird, welche an der Brennstoffzelle 2 entsprechend abgegriffen werden kann. Die Luft für den Kathodenraum 4 wird dabei über eine Luftfördereinrichtung 9 entsprechend verdichtet und dem Kathodenraum 4 zugeführt. Zur Aufbereitung der Luft können dabei weitere Komponenten, wie beispielsweise Luftfilter oder dergleichen vorhanden sein, auf deren Darstellung hier zur Vereinfachung verzichtet wurde. Die Luftfördereinrichtung 9 kann dabei als Kompressor, beispielsweise als Schraubenkompressor, ausgebildet sein. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll die Luftfördereinrichtung 9 jedoch als Strömungsverdichter ausgebildet sein, welcher über eine Welle mit einer elektrischen Maschine 10 sowie einer Turbine 11 kombiniert ist. Dieser aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannte Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader (ETC = Electric Turbo Charger) bezeichnet. Über die Turbine 11 kann in dem Abgas aus dem Kathodenraum 4 vorhandene Energie in Form von Druck und Wärme entsprechend zurückgewonnen werden. Die Luftfördereinrichtung 9 kann dann über die Turbine 11 betrieben werden oder der Betrieb kann zumindest über die Turbine 11 unterstützt werden. Die weitere verbleibende Energie, oder falls die Turbine 11 keine Energie liefert die gesamte Energie zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 9, kann außerdem über die elektrische Maschine 10 zur Verfügung gestellt werden. Wenn die Turbine 11 einen Energieüberschuss liefert, sodass mehr Energie an der Turbine 11 anfällt als zum Betrieb des Luftverdichters 9 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 10 als auch als Generator betrieben werden, um diese anfallende mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, welche dann in z. B. einer Batterie des Brennstoffzellensystems 1 entsprechend eingespeichert wird oder anderen elektrisch betriebenen Nebenaggregaten zur Verfügung gestellt werden kann.The cathode compartment 4 the fuel cell 2 is supplied in the illustrated embodiment with air. The oxygen in the air serves as an oxidant for the chemical reaction inside the fuel cell 2 and forms together with the hydrogen in a conventional manner water, wherein electric power is released, which at the fuel cell 2 can be tapped accordingly. The air for the cathode compartment 4 is doing about an air conveyor 9 compressed accordingly and the cathode compartment 4 fed. For the preparation of the air while other components such as air filters or the like may be present, their representation has been omitted here for simplicity. The air conveyor 9 can be designed as a compressor, for example as a screw compressor. In the embodiment shown here, the air conveyor 9 However, be designed as a flow compressor, which via a shaft with an electric machine 10 and a turbine 11 combined. This construction, which is also known from the prior art, is also referred to as an electric turbocharger (ETC = Electric Turbo Charger). About the turbine 11 may be in the exhaust gas from the cathode compartment 4 existing energy in the form of pressure and heat to be recovered accordingly. The air conveyor 9 can then over the turbine 11 be operated or the operation can at least over the turbine 11 get supported. The remaining energy, or if the turbine 11 no energy supplies all the energy to drive the air conveyor 9 , in addition, via the electric machine 10 to provide. If the turbine 11 provides an energy surplus, so more energy at the turbine 11 accumulates as the operation of the air compressor 9 is needed, then the electric machine 10 be operated as a generator to convert this resulting mechanical energy into electrical energy, which then in z. B. a battery of the fuel cell system 1 is stored accordingly or other electrically operated ancillaries can be provided.

Im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 ist außerdem ein Wasserabscheider 12 vorgesehen, welcher während des Betriebs flüssiges Wasser, welches sich im Bereich des Anodenraums 3 ansammelt und über die Rezirkulationsleitung 7 entsprechend ausgetragen wird, sammelt. Dieses flüssige Wasser kann somit Gaskanäle und dergleichen im Bereich des Anodenraums 3 nicht verstopfen, sodass dessen sicherer und zuverlässiger Betrieb garantiert werden kann. Im Bereich des Wasserabscheiders 12 ist zum Ablassen dieses Wassers eine Ventileinrichtung 13 im Auslassbereich des Wasserabscheiders 12, typischerweise also in Richtung der Schwerkraft unten, vorgesehen. Diese Ventileinrichtung 13, welche den Kern des hier beschriebenen Systemaufbaus darstellt, hat dabei eine besondere Ausgestaltung, auf welche später noch umfassend eingegangen werden wird.In the area of the recirculation line 7 is also a water separator 12 provided, which during operation liquid water, which is in the region of the anode compartment 3 accumulates and over the recirculation line 7 is discharged accordingly, collects. This liquid water can thus gas channels and the like in the region of the anode compartment 3 do not clog so that its safe and reliable operation can be guaranteed. In the area of the water separator 12 is to drain this water a valve device 13 in the outlet area of the water separator 12 , so typically in the direction of gravity below, provided. This valve device 13 , which represents the core of the system structure described here, has a special design, which will be discussed later in more detail.

Im Bereich der Zuleitung der Luft von der Luftfördereinrichtung 9 in den Kathodenraum 4 ist außerdem ein weiteres Bauteil 14 angeordnet, welches sowohl von dem Zuluftstrom zum Kathodenraum 4 als auch dem Abluftstrom vom Kathodenraum 4 durchströmt wird. Dieses Bauteil 14 soll dabei ein kombinierter Ladeluftkühler und Befeuchter sein. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, die beiden Bauteile jeweils einzeln nacheinander auszubilden. Die Aufgabe des Bauteils 14 besteht nun darin, die nach der Luftfördereinrichtung 9 vergleichsweise heiße und trockene Luft mit der eher kalten und feuchten Abluft aus dem Kathodenraum 4 entsprechend abzukühlen und zu befeuchten. Hierfür durchströmen die beiden Gasströme das Bauteil 14 in getrennten Bereichen, welche über für Wärme und Wasserdampf zumindest partiell durchlässige Trennwände voneinander getrennt sind. Damit kann die Wärme der verdichteten Zuluft auf die Abluft übertragen werden. Gleichzeitig wird in der Abluft befindliche Feuchtigkeit, welche sich dort aufgrund des primär im Bereich des Kathodenraums 4 entstehenden Produktwassers befindet, auf die trockene Zuluft übertragen, sodass diese entsprechend befeuchtet in den Kathodenraum 4 einströmt und damit die empfindlichen Membranen nicht schädigt. Der Vorteil des Aufbaus mit der Turbine 11 ist es dabei, dass in dem Bauteil 14 vom Zuluftstrom auf den Abluftstrom übertragene Energie im Bereich der Turbine 11 wieder genutzt und zumindest teilweise wieder für die Luftfördereinrichtung 9 zur Verfügung gestellt werden kann.In the area of the supply of air from the air conveyor 9 in the cathode compartment 4 is also another component 14 arranged, which from both the supply air flow to the cathode compartment 4 as well as the exhaust air flow from the cathode compartment 4 is flowed through. This component 14 it should be a combined intercooler and humidifier. In principle, it would also be conceivable to design the two components individually one after the other. The task of the component 14 It now consists of the after the air conveyor 9 comparatively hot and dry air with the rather cold and moist exhaust air from the cathode compartment 4 Cool accordingly and moisten. For this purpose, the two gas streams flow through the component 14 in separate areas, which are separated by heat and water vapor at least partially permeable partitions from each other. Thus, the heat of the compressed supply air can be transferred to the exhaust air. At the same time moisture in the exhaust air, which is there due to the primary in the region of the cathode compartment 4 resulting product water is transferred to the dry supply air, so that they are moistened in the cathode compartment 4 inflows and thus does not damage the sensitive membranes. The advantage of the construction with the turbine 11 is it there that in the component 14 energy transferred from the supply air flow to the exhaust air flow in the area of the turbine 11 used again and at least partially again for the air conveyor 9 can be made available.

Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß 1 zeigt außerdem eine Steuerungselektronik 15, welche hier exemplarisch angedeutet ist und mit entsprechenden Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 in Verbindung steht. Außerdem sind beispielhaft drei Sensoren 16, 17, 18 dargestellt, welche entsprechende Werte an die Steuerungselektronik 15 liefern, welche dann zur Ansteuerung beispielsweise der Luftfördereinrichtung 9, der Rezirkulationsfördereinrichtung 8, des Dosierventils 6, der Turbine 11 oder dergleichen verwendet werden können. Dabei sollen die Sensoren 16 und 17 entsprechende Drucksensoren darstellen, während der Sensor 18 einen Wasserstoffkonzentrationssensor symbolisiert. Die Steuerungselektronik 15 ist dabei in an sich bekannter Weise auch mit der Brennstoffzelle 2 selbst verbunden und kann die Funktionalität des gesamten Brennstoffzellensystems 1 überwachen und steuern bzw. regeln. Beim Einsatz in einem Fahrzeug wird die Steuerungselektronik 15 außerdem mit einer Fahrzeugsteuergerät in Verbindung stehen, um die entsprechenden Anforderungen des Fahrzeugs an das Brennstoffzellensystem 1 entsprechend umzusetzen, beispielsweise indem das Brennstoffzellensystem 1 die vom Fahrzeug gestellte Leistungsvorgabe entsprechend umsetzt. Damit kann die gewünschte Vortriebsenergie durch das Brennstoffzellensystem 1 erzeugt werden, wenn dieses zumindest einen Teil der Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug liefert. Beim ebenso denkbaren Einsatz des Brennstoffzellensystems 1 als Hilfsenergiesystem könnte eine entsprechende Anforderung vom elektrischen Nebenaggregat des Fahrzeugs, z. B. einer Klimaanlage oder einer entsprechenden Elektronikkomponente erfolgen.The fuel cell system 1 according to 1 also shows a control electronics 15 , which is indicated here by way of example and with corresponding components of the fuel cell system 1 communicates. In addition, three sensors are exemplary 16 . 17 . 18 shown, which corresponding values to the control electronics 15 supply, which then to control, for example, the air conveyor 9 , the recirculation conveyor 8th , the metering valve 6 , the turbine 11 or the like can be used. The sensors should 16 and 17 represent appropriate pressure sensors, while the sensor 18 symbolizes a hydrogen concentration sensor. The control electronics 15 is in a conventional manner with the fuel cell 2 self-connected and can the functionality of the entire fuel cell system 1 monitor and control or regulate. When used in a vehicle, the control electronics 15 also associated with a vehicle control device to the corresponding requirements of the vehicle to the fuel cell system 1 implement accordingly, for example by the fuel cell system 1 implements the power requirement set by the vehicle accordingly. Thus, the desired propulsion energy through the fuel cell system 1 be generated when this provides at least a portion of the drive power for the motor vehicle. In equally conceivable use of the fuel cell system 1 as auxiliary power system could a corresponding requirement of the electrical accessory of the vehicle, eg. B. an air conditioner or a corresponding electronic component.

Dieser bis hierher beschriebene Aufbau entspricht dabei dem entsprechenden Teil eines Brennstoffzellensystems 1, wie es auch aus dem Stand der Technik bekannt ist. Aufgrund der Tatsache, dass dem Kathodenraum 4 Luft zugeführt wird, und dass der Wasserstoff über die Rezirkulationsleitung 7, in einem sogenannten Anodenloop, um den Anodenraum 3 geführt wird, kommt es mit der Zeit zu einer Anreicherung von Stickstoff im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 und des Anodenraums 3, da Stickstoff durch die Membran hindurch aus der Luft im Kathodenraum 4 in den Bereich des Anodenraums 3 diffundiert. Außerdem wird ein Teil des entstehenden Produktwassers im Bereich des Anodenraums 3 entstehen, wenn auch der größte Teil des Produktwassers im Kathodenraum 4 anfällt. Aufgrund der Kreislaufführung des Gases um den Anodenraum 3 kommt es nun also zu einer Anreicherung von Stickstoff und Wasser im Bereich des Anodenloops. Um dennoch eine ausreichende Menge an Wasserstoff bzw. eine ausreichend hohe Wasserstoffkonzentration im Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 sicherstellen zu können, muss dieser Stickstoff in herkömmlichen Systemen von Zeit zu Zeit abgeblasen werden (Purge). Auch das anfallende Wasser muss von Zeit zu Zeit abgelassen werden (Drain). Der Drain und der Purge erfolgen in dem Aufbau gemäß 1 mittels der Ventileinrichtung 13, die im hier dargestellten Ausführungsbeispiel am Wasserabscheider 12 angebracht ist.This structure described so far corresponds to the corresponding part of a fuel cell system 1 , as is known from the prior art. Due to the fact that the cathode compartment 4 Air is supplied, and that the hydrogen via the recirculation line 7 , in a so-called anode loop, around the anode compartment 3 led, it comes with time to an enrichment of nitrogen in the recirculation line 7 and the anode compartment 3 since nitrogen passes through the membrane from the air in the cathode compartment 4 in the area of the anode compartment 3 diffused. In addition, part of the resulting product water is in the area of the anode space 3 arise, although most of the product water in the cathode compartment 4 accrues. Due to the recycling of the gas around the anode compartment 3 So now it comes to an accumulation of nitrogen and water in the region of the anode loop. Nevertheless, a sufficient amount of hydrogen or a sufficiently high concentration of hydrogen in the anode compartment 3 the fuel cell 2 To be able to ensure this nitrogen must be blown off in conventional systems from time to time (purge). Also, the accumulating water must be drained from time to time (drain). The drain and the purge take place in the structure according to 1 by means of the valve device 13 , which in the embodiment shown here at the water 12 is appropriate.

In der Darstellung der 2 ist der detaillierte Aufbau der Ventileinrichtung 13 in einer schematisch dargestellten Ausführungsform zu erkennen. Die Ventileinrichtung 13 verfügt dabei über zwei Strömungswege, nämlich einen schaltbaren Strömungsweg 19 mit einem Ventilelement 20 sowie einen Überströmweg 21, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Blende 22 einen fest vorgegebenen durchströmbaren Querschnitt haben soll. Der schaltbare Strömungsweg 19 und der Überströmweg 21 sind dabei parallel in der Ventileinrichtung 13 geführt, sodass auch bei geschlossenem Ventil 20 eine Strömung durch den Überströmweg 21, welcher auch als Bypass bezeichnet werden könnte, auftreten kann. Über die Ventileinrichtung 13 ist der Wasserabscheider 12 nun mit dem Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 verbunden. Im regulären Betrieb, bei geschlossenem schaltbarem Strömungsweg 19 wird daher anfallendes und sich in dem Wasserabscheider 12 ansammelndes Wasser über den Überströmweg 21 aus dem Wasserabscheider abströmen und in den Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 gelangen. Insbesondere im Bereich der Zusammenführung nach der Luftfördereinrichtung 9, wird die Zuluft entsprechend heiß und trocken vorliegen, sodass durch die eingebrachte Feuchtigkeit bzw. das eingebrachte Wasser aus dem Bereich des Wasserabscheiders 12 eine Kühlung und Befeuchtung der Zuluft erfolgt, was für die Konditionierung der Zuluft, welche dann typischerweise noch einen Ladeluftkühler und/oder einen Befeuchter durchströmt, durchaus von Vorteil ist. Nachdem der Wasserabscheider durch den Überströmweg 21 entsprechend leer ist, also das in ihm befindliche Wasser weitgehend abgelassen wurde, wird außerdem ein Teil des Gases aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 über den Überströmweg 21 der Ventileinrichtung 13 mit abgeblasen, welches ebenfalls in den Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 gelangt. Dieses Gas wird primär aus inerten Gasen, insbesondere aus Stickstoff, bestehen. Im Allgemeinen wird jedoch ein kleiner Teil an Wasserstoff mit enthalten sein. Dieser wird im Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 entsprechend mit der Zuluft gemischt. An den im Kathodenraum 4 vorhandenen Katalysatoren kann das Gemisch aus Sauerstoff und Restwasserstoff in dem Purgegas dann zu Wasser reagieren, ohne dass über die Abluftleitung aus dem Kathodenraum 4 Emissionen von Wasserstoff an die Umgebung zu befürchten wären.In the presentation of the 2 is the detailed structure of the valve device 13 to recognize in a schematically illustrated embodiment. The valve device 13 It has two flow paths, namely a switchable flow path 19 with a valve element 20 as well as an overflow path 21 , which in the embodiment shown here via an aperture 22 should have a fixed predetermined flow-through cross-section. The switchable flow path 19 and the overflow path 21 are parallel in the valve device 13 guided, so even with the valve closed 20 a flow through the overflow path 21 , which could also be called a bypass, may occur. About the valve device 13 is the water separator 12 now with the range of supply air to the cathode compartment 4 connected. In regular operation, with closed switchable flow path 19 is therefore accumulating and in the water separator 12 accumulating water over the Überströmweg 21 flow out of the water and in the range of supply air to the cathode compartment 4 reach. In particular, in the field of merging after the air conveyor 9 , the supply air will be correspondingly hot and dry, so that by the introduced moisture or the introduced water from the area of the water separator 12 cooling and humidification of the supply air takes place, which is quite advantageous for the conditioning of the supply air, which then typically still flows through a charge air cooler and / or a humidifier. After the water separator through the overflow 21 is correspondingly empty, so the water in it was largely drained, is also a part of the gas from the field of recirculation 7 over the overflow path 21 the valve device 13 blown with, which also in the range of supply air to the cathode compartment 4 arrives. This gas will primarily consist of inert gases, especially nitrogen. In general, however, a small amount of hydrogen will be included. This is in the supply air to the cathode compartment 4 accordingly mixed with the supply air. At the in the cathode compartment 4 existing catalysts, the mixture of oxygen and residual hydrogen in the purge gas then react to water, without that via the exhaust duct from the cathode compartment 4 Emissions of hydrogen to the environment would be feared.

Über die Blende 22 im Überströmweg 21 der Ventileinrichtung 13 wird typischerweise immer zuerst dass sich ansammelnde Wasser abströmen. Erst dann erfolgt ein Abblasen von Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7. Dies ist bei den allgemeinen Betriebsbedingungen, insbesondere im Teillastbereich des Brennstoffzellensystem 1 so gewollt und typischerweise auch sowohl hinsichtlich des Drains als auch hinsichtlich des Purgs ausreichend. In besonderen Situationen, wenn sich entsprechend viel inertes Gas in der Rezirkulationsleitung 7 angesammelt hat, kann über die Steuereinrichtung 15 das Ventil 20 des schaltbaren Strömungswegs entsprechend geöffnet werden. Dann kommt es zusätzlich zu einem Abblasen eines größeren Volumens, auch hier zuerst des Wassers und dann des Gases. Da über die Steuereinrichtung 15 entsprechende Werte des Systems wie Drücke, Temperaturen und dergleichen bekannt sind, kann ein Öffnen des Ventils 20 im schaltbaren Strömungsweg 19 so gesteuert werden, dass dieses zu einem Zeitpunkt erfolgt, in dem die geeigneten Bedingungen im Kathodenraum 4 vorliegen, sodass einerseits die eingebrachte Feuchtigkeit und andererseits der mit eingebrachte Restwasserstoff in dem Purgegas in dem Kathodenraum 4 entsprechend umgesetzt werden kann, ohne den Betrieb der Brennstoffzelle 2 massiv zu beeinträchtigen. Als Auslöser für einen derartigen Purge über das Ventil 20 im schaltbaren Strömungsweg 9 kann beispielsweise die Wasserstoffkonzentration im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 herangezogen werden. Eine solche kann, wie hier beispielhaft dargestellt, über einen Wasserstoffkonzentrationssensor 18 entsprechend gemessen und in der Steuerungselektronik 15 verarbeitet werden. Wenn die Wasserstoffkonzentration aufgrund einer großen Menge an angereichertem Stickstoff in der Rezirkulationsleitung 7 sinkt, kann über ein Öffnen des Ventils 20 im schaltbaren Strömungsweg 19 der Ventileinrichtung 13 ein Abblasen dieses Stickstoffs parallel zum ansonsten immer offenen Strömungsweg durch den Überströmweg 21 mit seiner Blende 22 realisiert werden.About the aperture 22 in the overflow way 21 the valve device 13 is typically always first that accumulating water flow. Only then does a blowing off of gas from the area of the recirculation line 7 , This is at the general operating conditions, especially in the partial load range of the fuel cell system 1 so intentional and typically also sufficient in terms of both the drain and the purg. In special situations, when there is a corresponding amount of inert gas in the recirculation line 7 has accumulated over the control device 15 the valve 20 the switchable flow path are opened accordingly. Then, in addition to a blow off a larger volume, also here first of the water and then the gas. Because of the control device 15 corresponding values of the system, such as pressures, temperatures and the like are known, can open the valve 20 in the switchable flow path 19 be controlled so that this takes place at a time in which the appropriate conditions in the cathode compartment 4 be present, so on the one hand, the introduced moisture and on the other hand, the introduced with residual hydrogen in the purge gas in the cathode compartment 4 can be implemented accordingly without the operation of the fuel cell 2 massively impair. As a trigger for such purge on the valve 20 in the switchable flow path 9 For example, the hydrogen concentration in the recirculation line 7 be used. Such can, as exemplified here, via a hydrogen concentration sensor 18 measured accordingly and in the control electronics 15 are processed. When the hydrogen concentration due to a large amount of enriched nitrogen in the recirculation line 7 can sink, over opening the valve 20 in the switchable flow path 19 the valve device 13 blowing off this nitrogen in parallel with the otherwise always open flow path through the overflow path 21 with its aperture 22 will be realized.

Alternativ oder ergänzend zur Messung der Wasserstoffkonzentration kann ein Öffnen des Ventils 20 auch dann erfolgen, wenn entsprechend viel Wasser im Bereich des Wasserabscheiders 12 und der Rezirkulationsleitung 7 vorliegt. Da auf die typischerweise sehr empfindlichen Levelsensoren im Bereich des Wasserabscheiders 12 verzichtet werden soll, kann dann eine entsprechende Verschlechterung der Brennstoffzellenperformance oder einfach eine zeitgesteuerte Öffnung des Ventils 20 für den Drain vorgesehen werden.Alternatively or in addition to the measurement of the hydrogen concentration, an opening of the valve 20 also take place if a corresponding amount of water in the area of the water separator 12 and the recirculation line 7 is present. Because of the typically very sensitive level sensors in the area of the water separator 12 can be waived, then a corresponding deterioration of the fuel cell performance or simply a timed opening of the valve 20 be provided for the drain.

Die Blende 22 wird hinsichtlich ihres durchströmbaren Durchmessers entsprechend den jeweiligen Systembedingungen des vorliegenden Brennstoffzellensystems 1 gewählt. Insbesondere muss der Durchflussfaktor so gewählt werden, dass immer eine bestmögliche Abfuhr des Wassers gewährleistet ist und dass in Abstimmung mit dem Volumenstrom in der Rezirkulationsleitung 7 außerdem dafür gesorgt ist, dass nur eine geringe Menge an Wasserstoff über den Überströmweg 21 aus dem Bereich des Anodenraums 3 und der Rezirkulationsleitung 7 ausgetragen wird. In einem kleinen Brennstoffzellensystem 1 wird daher eine kleinere Blende eingesetzt sein als in einem großen Brennstoffzellensystem 1 mit größeren Volumenströmen durch die Brennstoffzelle 2.The aperture 22 With respect to its flow-through diameter according to the respective system conditions of the present fuel cell system 1 selected. In particular, the flow factor must be chosen so that always the best possible drainage of the water is guaranteed and that in coordination with the volume flow in the recirculation line 7 It is also ensured that only a small amount of hydrogen through the Überströmweg 21 from the area of the anode compartment 3 and the recirculation line 7 is discharged. In a small fuel cell system 1 Therefore, a smaller aperture will be used than in a large fuel cell system 1 with larger volume flows through the fuel cell 2 ,

Insgesamt entsteht damit ein sehr einfacher und effizienter Aufbau eines Brennstoffzellensystems 1, welcher eine entsprechend sichere Funktionalität erlaubt und insbesondere nicht in Abhängigkeit von sehr stark gegen Verschmutzung anfälligen Levelsensoren gesteuert wird. Der Aufbau der Ventileinrichtung 13 kann dabei entsprechend der Darstellung in 2 realisiert werden. Dabei ist sowohl ein Aufbau mit einem Ventil 20 und einer darum gelegten Bypassleitung als Überströmweg 21 denkbar. Parallel dazu kann der Überströmweg 21 auch in das Ventil 20 integriert sein, beispielsweise als Bypasskanal im Ventilgehäuse. Außerdem wäre es denkbar, den Überströmweg 21 unmittelbar in das Ventil 20 mit zu integrieren, sodass eine integrierte und äußerst kompakte Ventileinrichtung 13 entsteht. Die 3 und 4 zeigen mögliche Ausführungsformen einer derartigen Ventileinrichtung 13. Die Darstellung der 3 und 4 zeigt dabei ein Ventilgehäuse 23, in dem beispielhaft ein Ventilsitz 24 und ein mit diesem Ventilsitz 24 korrespondierender Ventilstößel 25 dargestellt sind. Wie durch den Doppelpfeil in einem Schaft 26 des Ventilstößels 25 angedeutet, kann der Ventilstößel 25 entsprechend bewegt werden, sodass zwischen dem Ventilstößel 25 und dem Ventilsitz 24 ein durchströmbarer Querschnitt freigegeben wird. Der Ventilstößel 25 kann beispielsweise über magnetische Kräfte entsprechend bewegt werden, sodass ein Magnetventil vorliegt. In der Darstellung der 3 ist nun zu erkennen, dass im Ventilstößel 25 eine Nut 27 vorgesehen ist. Durch diese Nut 27 als Ausnehmung entsteht der Überströmweg 21 auch bei geschlossenem Ventil 20, also immer dann, wenn der Ventilstößel 25 – wie in den 3 und 4 dargestellt – am Ventilsitz 24 anliegt. Die Nut 27 kann dabei jeweils einmal oder auch mehrfach in dem Ventilstößel 25 vorgesehen sein. Ihr Querschnitt definiert dabei den Durchflussfaktor und ersetzt die in 2 dargestellte Blende 22. Die Darstellung in 4 ist im Wesentlichen analog der Darstellung in 3 zu verstehen. Anstelle der Nut 27 ist hier eine Bohrung 28 in dem Ventilstößel 25 angebracht. Die Bohrung 28 erlaubt es einer geringen Menge an Medium kontinuierlich durch die Ventileinrichtung 13 zu strömen, auch dann, wenn das Ventil 20 geschlossen ist und der Ventilstößel 25 am Ventilsitz 24 dichtend anliegt. Dabei können analog dem oben dargestellten Beispiel auch mehrere Bohrungen 28 vorgesehen werden.Overall, this creates a very simple and efficient construction of a fuel cell system 1 , which allows a correspondingly secure functionality and in particular is not controlled in response to very sensitive to contamination level sensors. The structure of the valve device 13 can according to the illustration in 2 will be realized. It is both a structure with a valve 20 and a bypass line placed around it as Überströmweg 21 conceivable. Parallel to this, the Überströmweg 21 also in the valve 20 be integrated, for example as a bypass channel in the valve housing. In addition, it would be conceivable, the Überströmweg 21 directly into the valve 20 with integrated, so an integrated and extremely compact valve device 13 arises. The 3 and 4 show possible embodiments of such a valve device 13 , The presentation of the 3 and 4 shows a valve housing 23 , in which exemplifies a valve seat 24 and one with this valve seat 24 corresponding valve tappet 25 are shown. As by the double arrow in a shaft 26 of the valve lifter 25 indicated, the valve tappet 25 be moved accordingly, so that between the valve tappet 25 and the valve seat 24 a flow-through cross section is released. The valve lifter 25 can be moved accordingly, for example, via magnetic forces, so that a solenoid valve is present. In the presentation of the 3 can now be seen that in the valve lifter 25 a groove 27 is provided. Through this groove 27 as a recess creates the overflow 21 even with the valve closed 20 So whenever the valve lifter 25 - as in the 3 and 4 shown - on the valve seat 24 is applied. The groove 27 can in each case once or several times in the valve lifter 25 be provided. Its cross section defines the flow factor and replaces the in 2 illustrated aperture 22 , The representation in 4 is essentially analogous to the representation in 3 to understand. Instead of the groove 27 Here is a hole 28 in the valve lifter 25 appropriate. The hole 28 allows a small amount of medium continuously through the valve device 13 to flow, even if the valve 20 is closed and the valve tappet 25 at the valve seat 24 sealingly rests. In this case, analogous to the example shown above, several holes 28 be provided.

Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 in der hier dargestellten Ausführungsform ist nun hinsichtlich der Auslegung des Überströmwegs 21 vergleichsweise kritisch, da dieser, wie bereits mehrfach erwähnt, so gestaltet sein muss, dass nicht mehr Wasserstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 verloren geht als unbedingt notwendig. Nun ist es jedoch so, dass über verschiedene Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 1 hinweg unterschiedliche Mengen an Wasser und Stickstoff im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 anfallen werden. Es wäre daher wünschenswert, verschiedene Durchmesser des Überströmwegs für verschiedene Betriebszustände vorzusehen. Grundsätzlich wäre dies möglich, indem mehrere Überströmwege parallel vorgesehen sind, wobei über entsprechende Ventileinrichtungen einzelne Überströmwege entsprechend zugeschaltet bzw. abgeschaltet würden. Dadurch würde jedoch der Vorteil der geringen Anzahl an Bauteilen und des einfachen Systems weitgehend aufgebraucht. Daher kann es gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung des Systems vorgesehen sein, dass die Blende 22 als flexible Blende ausgestaltet ist. In der Darstellung der 5 ist die Blende 22 als eine solche flexible Blende beispielhaft dargestellt. Die flexible Blende kann als Öffnung 29 in einer Membran 30 ausgebildet sein. Die Membran 30 selbst ist dabei weder für Wasser noch für Gas durchlässig, sodass der Querschnitt des Überströmwegs 21 durch die Größe der Öffnung 29 bestimmt wird. Tritt nun im Bereich des Wasserabscheiders 12 ein entsprechender Druck auf, welcher höher ist als der Druck im Bereich nach der Ventileinrichtung 13, insbesondere also der Druck im Bereich der Kathodenzuluft, so wird sich die Membran 30 entsprechend verformen und beispielhaft die in 5 gestrichelt eingezeichnete Position 30' annehmen. Wie zu erkennen ist, wird die dann mit 29' bezeichnete Öffnung größer, sodass die Blende 22 in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Blende 22 ihren durchströmbaren Öffnungsquerschnitt 29, 29' entsprechend verändert. Dies erfolgt passiv und ohne dass eine Ansteuerung der Blende 22 beispielsweise mittels Magneten oder dergleichen notwendig wäre. Der Vorgang kann allerdings gezielt beeinflusst werden, indem über die Steuerungselektronik 15 die Drücke im Bereich der Kathode 4 und der Anode 3 entsprechend beeinflusst werden, sodass es zu einer Auslenkung der Membran 30, 30' im Bereich der flexiblen Blende 22 kommt. Damit kann der Durchfluss durch den Überströmweg 21 entsprechend fein justiert werden. Da die Drücke zwischen Kathode 4 und Anode 3 ohnehin ständig überwacht und über die Luftfördereinrichtung 9, die Turbine 11, welche üblicherweise ein variable Turbinengeometrie aufweist, und damit den Gegendruck im Katzhodenraum regeln kann, sowie die Zufuhr von Wasserstoff über die Dosiereinrichtung 6 entsprechend angepasst werden können, stellt diese Regelung zur Feinanpassung der abgeführten Menge an Wasser und Gas über die Ventileinrichtung 13 nur einen minimalen zusätzlichen Aufwand dar, mit dem jedoch die Funktionalität des Systems gegenüber der einfachen Variante mit fester Blende 22 nochmals erhöht werden kann.The structure of the fuel cell system 1 in the embodiment shown here is now in terms of the design of the overflow 21 relatively critical, since this, as already mentioned several times, must be designed so that no more hydrogen from the field of recirculation 7 is lost as absolutely necessary. However, it is true that over different operating conditions of the fuel cell system 1 different amounts of water and nitrogen in the recirculation line 7 will be incurred. It would therefore be desirable to provide different diameters of the overflow path for different operating conditions. In principle, this would be possible by providing a plurality of overflow paths in parallel, with individual overflow paths being switched on or off correspondingly via corresponding valve devices. However, this would largely consume the advantage of the small number of components and the simple system. Therefore, it may be provided according to a particularly advantageous embodiment of the system that the aperture 22 designed as a flexible aperture. In the presentation of the 5 is the aperture 22 as such a flexible diaphragm exemplified. The flexible bezel can be used as an opening 29 in a membrane 30 be educated. The membrane 30 itself is neither water nor gas permeable, so that the cross section of Überströmwegs 21 by the size of the opening 29 is determined. Now step in the area of the water separator 12 a corresponding pressure which is higher than the pressure in the area downstream of the valve device 13 , So in particular the pressure in the region of the cathode feed, so the membrane 30 deform accordingly and exemplify the in 5 dashed line position 30 ' accept. As you can see, it will be with you 29 ' designated opening larger, so the aperture 22 depending on the pressure difference between the two sides of the panel 22 their flow-through opening cross-section 29 . 29 ' changed accordingly. This is done passively and without any activation of the aperture 22 For example, by means of magnets or the like would be necessary. However, the process can be specifically influenced by the control electronics 15 the pressures in the region of the cathode 4 and the anode 3 be influenced accordingly, so that there is a deflection of the membrane 30 . 30 ' in the area of the flexible panel 22 comes. This allows the flow through the overflow 21 be adjusted accordingly fine. Because the pressures between cathode 4 and anode 3 anyway constantly monitored and the air conveyor 9 , the turbine 11 , which usually has a variable turbine geometry, and thus can control the back pressure in Katzhodenraum, as well as the supply of hydrogen via the metering device 6 can be adjusted accordingly, this scheme provides for fine adjustment of the discharged amount of water and gas through the valve device 13 only a minimal additional effort, but with the functionality of the system over the simple variant with fixed aperture 22 can be increased again.

Insbesondere wenn der Druck im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 und damit auch im Bereich des Anodenraums 3 entsprechend erhöht ist, ist eine größere Öffnung der flexiblen Blende 22 wünschenswert. Im umgekehrten Fall jedoch eher nicht. Um mit dem in 5 dargestellten Aufbau zu erreichen, dass die Blende 22 sich nur dann weiter öffnet, wenn im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 ein entsprechend höherer Druck vorliegt, kann im Bereich der Blende 22 ein Stabilisierungsmittel 31 beispielsweise in Form eines Gitters oder Lochblechs eingebracht werden. Dieses Stabilisierungsmittel 31 kann dabei so ausgebildet sein, dass die Membran 30 bei ausgeglichener Druckdifferenz im Bereich des Stabilisierungsmittels 31 anliegt. Kommt es nun zu einem Überdruck auf der Seite der Kathodenzuluft bzw. des Kathodenraumes 4, so wird die Membran von dem Stabilisierungsmittel 31 in ihrer Position gehalten und kann sich nicht in Richtung der Rezirkulationsleitung 7 und des Wasserabscheiders 12 hin aufwölben. Damit bleibt die Öffnung 29 in ihrem definierten Öffnungsquerschnitt, obwohl eine Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten vorliegt. Bei einer Druckdifferenz mit anderem Vorzeichen stört das Stabilisierungsmittel 31 in seiner Anordnung gemäß 5 die oben beschriebene Funktion nicht.Especially if the pressure in the region of the recirculation line 7 and thus also in the area of the anode space 3 is increased accordingly, is a larger opening of the flexible panel 22 desirable. In the opposite case, but rather not. To be with the in 5 To achieve the structure shown that the aperture 22 only opens further if in the area of the recirculation line 7 a correspondingly higher pressure may be present in the area of the diaphragm 22 a stabilizer 31 be introduced for example in the form of a grid or perforated plate. This stabilizer 31 can be designed so that the membrane 30 at balanced pressure difference in the stabilizer 31 is applied. Is it now to an overpressure on the side of the Kathodenzuluft or the cathode compartment 4 Thus, the membrane of the stabilizing agent 31 held in position and can not move in the direction of the recirculation line 7 and the water separator 12 bulge out. This leaves the opening 29 in their defined opening cross section, although there is a pressure difference between the two sides. At a pressure difference with a different sign interferes with the stabilizing agent 31 in its arrangement according to 5 the function described above is not.

In einer Weiterbildung dieser Idee kann es außerdem vorgesehen sein, dass in diesem Ruhezustand die Öffnung 29 der flexiblen Blende 22 so gewählt ist, dass diese sich erst öffnet, wenn eine gewisse Auslenkung der Membran 30 realisiert ist. Damit könnte dann erreicht werden, dass die Ventileinrichtung 13 im abgestellten Zustand des Brennstoffzellensystem 1, wenn beide Seiten drucklos sind, entsprechend verschlossen ist, sodass es nicht zu einer Mischung der Gase im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 und damit im Bereich des Anodenraums 3 sowie den Gasen im Bereich des Kathodenraums 4 kommt.In a development of this idea, it may also be provided that in this state of rest, the opening 29 the flexible panel 22 is chosen so that it opens only when a certain deflection of the membrane 30 is realized. This could then be achieved that the valve device 13 in the parked state of the fuel cell system 1 , if both sides are depressurized, it is closed accordingly, so that it does not mix the gases in the area of the recirculation line 7 and thus in the area of the anode space 3 and the gases in the region of the cathode space 4 comes.

Die konkreten Ausgestaltungen der 3, 4 und 5 sind dabei lediglich Beispiele für mögliche Ausführungsformen zur Realisierung. Es ist selbstverständlich, dass dem Fachmann alternative Ausgestaltungen geläufig sind, oder durch diesen leicht hergeleitet werden können, welche mit einem anderen konstruktiven Aufbau denselben Zweck erfüllen. Es ist selbstverständlich, dass auch diese alternativen Ausführungsformen unter die Erfindung fallen.The concrete designs of the 3 . 4 and 5 are merely examples of possible embodiments for implementation. It is obvious that the person skilled in alternative embodiments are familiar, or can be easily derived by this, which meet the same purpose with a different structural design. It goes without saying that these alternative embodiments are also covered by the invention.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 10115336 A1 [0002, 0002, 0002]
WO 2008/052578 A1 [0004]
- DE 10311785 A1 [0006, 0006]

Claims

Fuel cell system having at least one fuel cell, which has an anode space and a cathode space, wherein a recirculation line is provided, through which exhaust gas from the anode space in an area in front of the anode space is traceable, and wherein in the region of the recirculation line and / or the anode space at least one means for Delivery of media is provided, characterized in that the at least one means as a valve device ( 13 ), which has a switchable flow path ( 19 ) and an overflow path ( 21 ) having.

Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the region of the recirculation line ( 7 ) and / or the anode compartment ( 3 ) exactly one valve device ( 13 ) having.

Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that the overflow ( 21 ) as a separate conduit element around the switchable flow path ( 19 ) of the valve device ( 13 ) is trained.

Fuel cell system according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the overflow ( 21 ) as a channel element in the valve device ( 13 ) integrated around the switchable flow path ( 19 ) of the valve device ( 13 ) is trained.

Fuel cell system according to claim 4, characterized in that the overflow path ( 21 ) as a targeted opening ( 27 . 28 ) in the switchable flow path ( 19 ) of the valve device ( 13 ) is trained.

Fuel cell system according to claim 5, characterized in that the targeted opening as a recess ( 27 ) or bore ( 28 ) in the region of a valve tappet ( 25 ) and / or a valve seat ( 24 ) is trained.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the overflow ( 21 ) an aperture ( 22 ), through which its flow-through cross-section is defined.

Fuel cell system according to claim 6, characterized in that the diaphragm ( 22 ) is designed as a fixed aperture.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the diaphragm ( 22 ) is designed as a flexible diaphragm whose opening cross-section ( 29 ) depending on the pressure difference on the two sides of the diaphragm ( 22 ) changes automatically.

Fuel cell system according to claim 9, characterized in that the diaphragm ( 22 ) its flow-through cross section ( 29 ) with increasing pressure in the region of the recirculation line ( 7 ) and / or the anode compartment ( 3 ).

Fuel cell system according to one of claims 1 to 10, characterized in that the region of the recirculation line ( 7 ) a water separator ( 12 ), wherein the valve device ( 13 ) in the outlet region of the water separator ( 12 ) is arranged.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 11, characterized in that by the valve device ( 13 ) the area of the recirculation line ( 7 ) and / or the anode compartment ( 3 ) with the area of the cathode ( 4 ), in particular the region of the supply air to the cathode ( 4 ), connected is.

Method for operating a fuel cell system according to one of Claims 1 to 12, characterized in that, via the valve device ( 13 ) Media in two different states of aggregation be discharged.

A method according to claim 13, characterized in that the discharge of the media from the region of the region of the recirculation line ( 7 ) and / or the anode compartment ( 3 ) in the region of the cathode ( 4 ), in particular in the region of the supply air to the cathode ( 4 ), he follows.

Method according to claim 13 or 14, characterized in that the switchable flow path ( 19 ) of the valve device ( 13 ) is only opened when the hydrogen concentration in the region of the recirculation line ( 7 ) and / or the anode compartment ( 3 ) falls below a predetermined value.

A method according to claim 13, 14 or 15, characterized in that the switchable flow path ( 19 ) of the valve device ( 13 ) is only opened when the amount of water in the area of the recirculation line ( 7 ) and / or the anode compartment ( 3 ) increases above a predetermined value.

A method according to claim 14, 15 or 16, characterized in that the through the overflow ( 21 ) flowing through an active change in the pressures in the region of the recirculation line ( 7 ) and / or the anode compartment ( 3 ) and in the area of the cathode ( 4 ), in particular the region of the supply air to the cathode ( 4 ), being affected.

Use of a fuel cell system according to one of claims 1 to 12 or a Ver Driving according to one of claims 13 to 17, in a means of transport on land, in the water or in the air.

Use according to claim 18, characterized in that via the fuel cell system ( 1 ) electrical energy is generated for the drive.