DE102022209566A1

DE102022209566A1 - Fuel cell system and method for operating a fuel cell system

Info

Publication number: DE102022209566A1
Application number: DE102022209566.9A
Authority: DE
Inventors: Mark Hellmann; Jonas Breitinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-13
Filing date: 2022-09-13
Publication date: 2024-03-14

Abstract

Brennstoffzellensystem (1) mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel (100), der eine Kathode (110) und eine Anode (115) aufweist, wobei im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) der Kathode (110) über einen Zuluftpfad (111) Luft zugeführt wird und aus dem Brennstoffzellenstapel (100) austretende Abluft über einen Abluftpfad (112) abgeführt wird, und wobei die Anode (120) über einen Anodensystem mit Wasserstoff versorgt wird, wobei das Anodensystem eine Anodenleitung (120) und einen Rezirkulationskreis (150) aufweist, und wobei der Rezirkulationskreis (150) über ein erstes Purgeventil (161) mit einer Purgeleitung (160) verbunden ist, wobei die Purgeleitung (160) mit dem Abluftpfad (112) verbunden ist. In der Purgeleitung (160) ist ein zweites Purgeventil (162) angeordnet.Fuel cell system (1) with at least one fuel cell stack (100) which has a cathode (110) and an anode (115), wherein during normal operation of the fuel cell system (1) air is supplied to and from the cathode (110) via a supply air path (111). Exhaust air emerging from the fuel cell stack (100) is removed via an exhaust air path (112), and wherein the anode (120) is supplied with hydrogen via an anode system, the anode system having an anode line (120) and a recirculation circuit (150), and wherein the Recirculation circuit (150) is connected to a purge line (160) via a first purge valve (161), the purge line (160) being connected to the exhaust air path (112). A second purge valve (162) is arranged in the purge line (160).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a fuel cell system and a method for operating a fuel cell system with the features of the preamble of the independent claims.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Als Reaktionsgase können insbesondere Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) verwendet werden. Diese werden mit Hilfe einer Brennstoffzelle in elektrische Energie, Wasser (H₂O) und Wärme gewandelt. Den Kern einer Brennstoffzelle bildet eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die eine Membran umfasst, die zur Ausbildung von Elektroden beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle werden der einen Elektrode, der Anode, Wasserstoff und der anderen Elektrode, der Kathode, Sauerstoff zugeführt.Fuel cells are electrochemical energy converters. In particular, hydrogen (H ₂ ) and oxygen (O ₂ ) can be used as reaction gases. These are converted into electrical energy, water (H ₂ O) and heat using a fuel cell. The core of a fuel cell is a membrane-electrode arrangement (MEA), which includes a membrane that is coated on both sides with a catalytic material to form electrodes. When the fuel cell is in operation, hydrogen is supplied to one electrode, the anode, and oxygen to the other electrode, the cathode.

Zur Steigerung der elektrischen Leistung werden in der Praxis eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack verbunden. Darüber hinaus können mehrere Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellensysteme zusammengeschaltet werden.In order to increase the electrical power, in practice a large number of fuel cells are connected to form a fuel cell stack. In addition, several fuel cell stacks or fuel cell systems can be connected together.

Der der Brennstoffzelle zugeführte Wasserstoff muss sehr rein sein, um eine Schädigung der Brennstoffzelle oder von Komponenten oder Oberflächen im Brennstoffzellensystem zu vermeiden.The hydrogen supplied to the fuel cell must be very pure to avoid damage to the fuel cell or to components or surfaces in the fuel cell system.

Durch Diffusionsprozesse über die Brennstoffzelle gelangt Stickstoff auf die Seite der Anode in den Rezirkulationskreis. Eine weitere Quelle von Stickstoff stellt der frische Brennstoff dar, der nicht zu 100% aus reinem H2 besteht. Stickstoff stellt für die Brennstoffzelle ein Inertgas dar, reduziert die Zellspannung und somit die Stackspannung, was wiederum Wirkungsgradeinbußen bedeutet. Deswegen wird während eines Fahrzyklus wiederholt Anodengas aus dem Rezirkulationskreis ausgeleitet, um den Stickstoffgehalt und die Wasseransammlung zu reduzieren. Diese Ausleitung geschieht mit dem so genannten Purgeventil. Dazu wird das Purgeventil kurzzeitig geöffnet und ein Teil des Gasgemischs aus dem Rezirkulationskreis in den Abgaspfad der Kathode abgeführt.Through diffusion processes via the fuel cell, nitrogen enters the recirculation circuit on the anode side. Another source of nitrogen is fresh fuel, which does not consist of 100% pure H2. Nitrogen represents an inert gas for the fuel cell, reduces the cell voltage and thus the stack voltage, which in turn means a loss of efficiency. Therefore, anode gas is repeatedly removed from the recirculation circuit during a driving cycle to reduce nitrogen content and water accumulation. This elimination occurs with the so-called purge valve. To do this, the purge valve is opened briefly and part of the gas mixture is discharged from the recirculation circuit into the exhaust gas path of the cathode.

Durch den periodischen Purge-Vorgang erhöht sich kurzzeitig die Gasgeschwindigkeit in der Anode, wodurch Wassertropfen ausgetragen werden. Dies verhindert eine Flutung der Brennstoffzelle. Optimal ist ein kurzes Purge-Intervall in der niedrigen Teillast, um die Strömung im Rezirkulationskreis nicht negativ zu beeinflussen. Dadurch stellen sich eine eher hohe Wasserstoffkonzentrationen im Rezirkulationskreis ein, die wiederum einen hohen Wasserstoffverlust ins Kathodenabgas zur Folge haben.The periodic purging process briefly increases the gas velocity in the anode, causing water droplets to be discharged. This prevents the fuel cell from flooding. A short purge interval at low partial load is optimal in order not to negatively influence the flow in the recirculation circuit. This results in rather high hydrogen concentrations in the recirculation circuit, which in turn results in a high loss of hydrogen into the cathode exhaust gas.

Damit über die Abgasleitung nicht zu viel Wasserstoff in die Umgebung gelangt oder es zu einem zündfähigen Gemisch kommt, muss häufig der Luftmassenstrom in Teillast erhöht werden, um das Purgegas ausreichend zu verdünnen, so dass das Erreichen der unteren Zündgrenze sicher vermieden werden kann.To ensure that too much hydrogen does not escape into the environment via the exhaust pipe or an ignitable mixture occurs, the air mass flow often has to be increased at partial load in order to sufficiently dilute the purge gas so that reaching the lower ignition limit can be safely avoided.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorgeschlagen wird ein Brennstoffzellensystems mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel, der eine Kathode und eine Anode aufweist. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems wird der Kathode über einen Zuluftpfad Luft zugeführt und aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Abluft wird über einen Abluftpfad abgeführt. Die Anode wird über einen Tank mit Wasserstoff versorgt und weist einen Rezirkulationskreis auf, welcher über ein erstes Purgeventil mit einer Purgeleitung verbunden ist, wobei die Purgeleitung mit dem Abluftpfad verbunden ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass in der Purgeleitung ein zweites Purgeventil angeordnet ist.What is proposed is a fuel cell system with at least one fuel cell stack that has a cathode and an anode. During normal operation of the fuel cell system, air is supplied to the cathode via a supply air path and exhaust air emerging from the fuel cell stack is removed via an exhaust air path. The anode is supplied with hydrogen via a tank and has a recirculation circuit which is connected to a purge line via a first purge valve, the purge line being connected to the exhaust air path. According to the invention, it is proposed that a second purge valve is arranged in the purge line.

Durch das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem wird ein zweistufiger Purgevorgang ermöglicht, welcher den Tropfenaustrag von Wasser aus dem Rezirkulationskreis durch eine kurzzeitige Erhöhung der Gasgeschwindigkeit über das erste Purgeventil ermöglicht, während durch das zweite Purgeventil vermieden wird, dass es in der Abgasleitung zu einer zu hoher Wasserstoffkonzentrationen kommt.The proposed fuel cell system enables a two-stage purge process, which enables the droplet discharge of water from the recirculation circuit by briefly increasing the gas velocity via the first purge valve, while the second purge valve prevents excessive hydrogen concentrations from occurring in the exhaust line.

Durch das Sicherstellen des Wasseraustrags kann eine Flutung der Anode und/oder Wasserstoffverarmung im Rezirkulationskreis vermieden werden. Die Lebensdauer der Brennstoffzelle wird auf diese Weise erhöht.By ensuring water discharge, flooding of the anode and/or hydrogen depletion in the recirculation circuit can be avoided. The service life of the fuel cell is increased in this way.

Durch das zweite Purgeventil wird die Beimischung von Anodengas in den Abgaspfad zeitlich gestreckt. Es kommt zu geringeren maximalen Wasserstoffkonzentrationen im Abgas, so dass die Bildung eines zündfähigen Gemisches vermieden werden kann. Der Betrieb des Brennstoffzellensystems wird durch die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren sicherer.The second purge valve extends the admixture of anode gas into the exhaust gas path over time. The maximum hydrogen concentrations in the exhaust gas are lower, so that the formation of an ignitable mixture can be avoided. The operation of the fuel cell system becomes safer due to the proposed device and the proposed method.

Durch die geringere Wasserstoffkonzentration im Abgas muss auch in Teillast der Luftmassenstrom nicht erhöht werden, um das wasserstoffhaltige Anodengas zu verdünnen. Dadurch kann ein erhöhter Leistungsbedarf des Luftsystems auf Kosten des Systemwirkungsgrads/ Wasserstoffverbrauchs vermieden werden.Due to the lower hydrogen concentration in the exhaust gas, the air mass flow does not have to be increased even at partial load in order to dilute the hydrogen-containing anode gas. This can avoid an increased power requirement of the air system at the expense of system efficiency/hydrogen consumption.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angegeben.Advantageous refinements and developments of the fuel cell system according to the invention are specified in the dependent claims.

Es ist von Vorteil, wenn in der Purgeleitung zwischen dem ersten Purgeventil und dem zweiten Purgeventil ein Speicherbehälter angeordnet, da durch den Speicherbehälter das Volumen zwischen dem ersten und zweiten Purgeventil erhöht werden kann, so dass die zeitliche Streckung zum Ablassen des Anodengases in die Abgasleitung über das zweite Purgeventil weiter erhöht werden kann.It is advantageous if a storage container is arranged in the purge line between the first purge valve and the second purge valve, since the storage container can increase the volume between the first and second purge valves, so that the time extension for draining the anode gas into the exhaust line is extended the second purge valve can be further increased.

Die Ausbildung des zweite Purgeventil als Drosselventil, insbesondere als passive Drossel, ist vorteilhaft, da auf diese Weise Kosten reduziert werden können und der Applikationsaufwand gesenkt wird.The design of the second purge valve as a throttle valve, in particular as a passive throttle, is advantageous because in this way costs can be reduced and the application effort is reduced.

Es ist von Vorteil, wenn das zweite Purgeventil als Proportionalventil oder als Schaltventil ausgebildet ist, da auf diese Weise eine höhere Flexibilität gegeben ist und das Anodengas auch getaktet in die Abgasleitung abgegeben werden kann. Es ist sogar eine totale Unterbindung der Abgabe und eine Speicherung im Speicherbehälter möglich, falls für kurze Zeit kein Wasserstoff in die Umgebung gelangen darf.It is advantageous if the second purge valve is designed as a proportional valve or as a switching valve, since this provides greater flexibility and the anode gas can also be released into the exhaust line in a clocked manner. It is even possible to completely stop the release and store it in the storage container if hydrogen is not allowed to enter the environment for a short period of time.

Die Querschnittsfläche des zweiten Purgeventils ist auf vorteilhafte Weise kleiner ausgeführt ist als die Querschnittsfläche des ersten Purgeventils, so dass sich beim Öffnen des zweiten Purgeventils ein niedrigerer Maximalmassenstrom ergibt als beim Öffnen des ersten Purgeventils. Bei einem getakteten Betrieb wird somit sichergestellt, dass die Wasserstoffkonzentration im Abgas reduziert wird.The cross-sectional area of the second purge valve is advantageously made smaller than the cross-sectional area of the first purge valve, so that when the second purge valve is opened, a lower maximum mass flow results than when the first purge valve is opened. Clocked operation ensures that the hydrogen concentration in the exhaust gas is reduced.

Es ist aufgrund des geringeren Regelungsaufwandes vorteilhaft, wenn das zweite Purgeventil durchgängig geöffnet ist, während das erste Purgeventil nur während des Purge-Intervalls geöffnet wird.Due to the lower control effort, it is advantageous if the second purge valve is open continuously, while the first purge valve is only opened during the purge interval.

Es ist von Vorteil, wenn der Öffnungsgrad des zweiten Purgeventils abhängig vom Betriebspunkt, insbesondere vom Wasserstoffverbrauch, und/oder der Öffnungsdauer des ersten Purgeventils und/oder dem Druckunterschied zwischen dem Speicherbehälter und dem Abluftpfad gewählt wird, weil auf diese Weise die Menge an Wasserstoff, die in den Abgaspfad gelangt optimal eingestellt werden kann. Es kann vermieden werden, dass sich zu viel Wasserstoff zwischen dem ersten und zweiten Purgeventil ansammelt und gleichzeitig wird darauf geachtet, dass die Wasserstoffkonzentration im Abgas der Abgasleitung nicht zu hohe Werte erreicht, um eine Schädigung der Umgebung oder ein zündfähiges Gemisch zu vermeiden.It is advantageous if the degree of opening of the second purge valve is selected depending on the operating point, in particular on the hydrogen consumption, and/or the opening duration of the first purge valve and/or the pressure difference between the storage container and the exhaust air path, because in this way the amount of hydrogen which enters the exhaust gas path can be optimally adjusted. It can be avoided that too much hydrogen accumulates between the first and second purge valve and at the same time care is taken to ensure that the hydrogen concentration in the exhaust gas of the exhaust pipe does not reach too high values in order to avoid damage to the environment or an ignitable mixture.

Insbesondere für einen getakteten Betrieb des zweiten Purgeventil ist es vorteilhaft, wenn das zweite Purgeventil für eine Zeitdauer geöffnet wird, welche größer als das Purge-Intervall ist, da auf diese Weise die Abgabe von Wasserstoffhaltigen Anodengas in die Abgasleitung zeitlich gestreckt werden kann.In particular, for a clocked operation of the second purge valve, it is advantageous if the second purge valve is opened for a period of time which is longer than the purge interval, since in this way the release of hydrogen-containing anode gas into the exhaust line can be extended in time.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
2 ein Diagramm mit dem Öffnungsverhalten eines ersten und zweiten Purgeventil gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens,
3 ein Diagramm mit dem Öffnungsverhalten eines ersten und zweiten Purgeventil gemäß einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens und
4 ein Diagramm, welches die Veränderung der Wasserstoff-Konzentration im Abgaspfad beschreibt.

Preferred exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:

1 a schematic representation of a fuel cell system according to a first exemplary embodiment,
2 a diagram with the opening behavior of a first and second purge valve according to a first embodiment of the method,
3 a diagram with the opening behavior of a first and second purge valve according to a second embodiment of the method and
4 a diagram that describes the change in the hydrogen concentration in the exhaust gas path.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

In der 1 ist eine schematische Topologie eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 1 weist einen Brennstoffzellenstack 100 mit einer Anode 115 und einer Kathode 110 auf. Der Brennstoffzellenstack 100 ist mit einen Luftpfad 111 und mit einem Abgaspfad 112 verbunden.In the 1 a schematic topology of a fuel cell system 1 according to the invention is shown according to a first exemplary embodiment. The fuel cell system 1 has a fuel cell stack 100 with an anode 115 and a cathode 110. The fuel cell stack 100 is connected to an air path 111 and an exhaust gas path 112.

Der Luftpfad 111 dient als Zuluftleitung, um der Kathode 110 des Brennstoffzellenstacks 100 Luft aus der Umgebung zuzuführen. Der Abgaspfad 112, dient dazu verbrauchte Luft, Wasser und Abgase aus der Brennstoffzelle 100 an die Umgebung abzugeben.The air path 111 serves as a supply air line to supply air from the environment to the cathode 110 of the fuel cell stack 100. The exhaust gas path 112 serves to release used air, water and exhaust gases from the fuel cell 100 to the environment.

In dem Luftpfad 111 sind Komponenten angeordnet, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 100 benötigt werden. Im Luftpfad 111 kann ein Luftverdichter und/oder Kompressor angeordnet sein, welcher die Luft entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 100 verdichtet bzw. ansaugt. Stromabwärts vom Luftverdichter und/oder Kompressor kann sich ein Wärmetauscher befinden, welcher die Luft im Luftpfad 111 vor der Einströmung in den Brennstoffzellenstack 110 abkühlt, und diesen somit vor thermisch bedingten Schäden schützt.Components that are required for the operation of the fuel cell stack 100 are arranged in the air path 111. An air compressor and/or compressor can be arranged in the air path 111, which compresses or sucks in the air in accordance with the respective operating conditions of the fuel cell stack 100. A heat exchanger can be located downstream of the air compressor and/or compressor, which cools the air in the air path 111 before it flows into the fuel cell stack 110, and thus protects it from thermal damage.

Innerhalb des Luftpfades 111 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Filter und/oder ein Befeuchter und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 111 wird dem Brennstoffzellenstack 100 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.Further components such as a filter and/or a humidifier and/or valves can be provided within the air path 111. Oxygen-containing air is provided to the fuel cell stack 100 via the air path 111.

Da die Anordnung der Komponenten im Luftsystem nicht erfindungswesentlich ist, sind diese in den Figuren nicht explizit dargestellt.Since the arrangement of the components in the air system is not essential to the invention, they are not explicitly shown in the figures.

Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 100 ein Anodensystem, welches mit der Anode 115 des Brennstoffzellenstacks 100 verbunden ist, auf.Furthermore, the fuel cell system 100 has an anode system which is connected to the anode 115 of the fuel cell stack 100.

Das Anodensystem umfasst eine Anodenleitung 120 und einen Rezirkulationskreis 150. Über die Anodenleitung 120 gelangt Brennstoff aus einem Tank 121 zur Anode 115 des Brennstoffzellenstacks 100. Die Anodenleitung 120 ist dazu mit dem Tank 121 verbunden.The anode system includes an anode line 120 and a recirculation circuit 150. Fuel reaches the anode 115 of the fuel cell stack 100 from a tank 121 via the anode line 120. The anode line 120 is connected to the tank 121 for this purpose.

Um den Brennstoffzellenstack 100 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen, besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Anodenleitung 120. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen des Brennstoffzellenstacks 100 von der Seite der Kathode 110 auf die Seite der Anode 115 diffundieren, werden im Rezirkulationskreis 150 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Anodenleitung 120 vermischt.In order to always supply the fuel cell stack 100 with sufficient fuel, there is a need for a superstoichiometric dosage of fuel via the anode line 120. The excess fuel, as well as certain amounts of water and nitrogen, pass through the cell membranes of the fuel cell stack 100 from the side of the cathode 110 Diffuse the side of the anode 115, are returned in the recirculation circuit 150 and mixed with the metered fuel from the anode line 120.

Zum Antrieb der Strömung kann im Rezirkulationskreis 150 entweder eine Rezirkulationspumpe 152 verbaut sein oder eine Kombination aus einer Strahlpumpe 151 und einer Rezirkulationspumpe 152 verbaut sein. 1 zeigt einen Rezirkulationskreis 150, der die Kombination aus Strahlpumpe 151 und Rezirkulationspumpe 152 aufweist.To drive the flow, either a recirculation pump 152 can be installed in the recirculation circuit 150 or a combination of a jet pump 151 and a recirculation pump 152 can be installed. 1 shows a recirculation circuit 150, which has the combination of jet pump 151 and recirculation pump 152.

Die Rezirkulationspumpe 152 ist zwischen einem Anodenausgang der Anode 115 des Brennstoffzellenstacks 100 und der Strahlpumpe 151 angeordnet.The recirculation pump 152 is arranged between an anode output of the anode 115 of the fuel cell stack 100 and the jet pump 151.

Da sich im Laufe der Zeit, Wasser und Stickstoff innerhalb des Rezirkulationskreis 150 ansammelt, ist der Rezirkulationskreis 150 über ein erstes Purgeventil 161 mit einer Purgeleitung 160 verbunden. Die Purgeleitung 160 ist mit dem Abgaspfad 112 verbunden. Das erste Purgeventil 161 kann je nach Bedarf geöffnet werden, um eine Ansammlung von Wassertropfen oder Stickstoff zuverlässig aus dem Rezirkulationskreis 150 zu entfernen.Since water and nitrogen accumulate within the recirculation circuit 150 over time, the recirculation circuit 150 is connected to a purge line 160 via a first purge valve 161. The purge line 160 is connected to the exhaust gas path 112. The first purge valve 161 can be opened as necessary to reliably remove an accumulation of water droplets or nitrogen from the recirculation circuit 150.

In der Purgeleitung 160 ist ein zweites Purgeventil 162 angeordnet, so dass die Beimischung des Anodengases in den Abgaspfad 112 zeitlich gestreckt werden kann. Das zweite Purgeventil ist zwischen dem ersten Purgeventil 161 und dem Abgaspfad 112 angeordnet.A second purge valve 162 is arranged in the purge line 160, so that the admixture of the anode gas into the exhaust gas path 112 can be extended over time. The second purge valve is arranged between the first purge valve 161 and the exhaust gas path 112.

Die Purgeleitung 160 ist zwischen den ersten Purgeventil 161 und dem zweiten Purgeventil 162 so gestaltet, dass ein Puffervolumen bereitsteht, in dem Anodengas bevorratet werden kann. Alternativ kann in der Purgeleitung 160 zwischen dem ersten Purgeventil 161 und dem zweiten Purgeventil 162 ein Speicherbehälter 175 angeordnet ist. Anodengas, welches nicht direkt über das zweite Purgeventil 162 in die Abgasleitung 112 transportiert wird, kann in dem Speicherbehälter 175 aufbewahrt werden.The purge line 160 is designed between the first purge valve 161 and the second purge valve 162 so that a buffer volume is available in which anode gas can be stored. Alternatively, a storage container 175 can be arranged in the purge line 160 between the first purge valve 161 and the second purge valve 162. Anode gas that is not transported directly into the exhaust line 112 via the second purge valve 162 can be stored in the storage container 175.

Durch das zweite Spülventil 112 kann die Beimischung des Anodengases in den Abluftpfad 112 zeitlich gestreckt werden, so dass die maximale Wasserstoffkonzentration im Abgas reduziert wird.Through the second purge valve 112, the admixture of the anode gas into the exhaust air path 112 can be extended in time, so that the maximum hydrogen concentration in the exhaust gas is reduced.

Das zweite Purgeventil 162 kann als Proportionalventil mit variablen Öffnungsquerschnitt ausgestaltet sein. Der genaue Öffnungsgrad kann in diesem Fall abhängig vom Betriebspunkt, insbesondere vom Wasserstoffverbrauch, und/oder der Öffnungsdauer des ersten Purgeventils 161 und/oder dem Druckunterschied zwischen dem Speicherbehälter 175 und dem Abluftpfad 112 gewählt wird.The second purge valve 162 can be designed as a proportional valve with a variable opening cross section. In this case, the exact degree of opening can be selected depending on the operating point, in particular on the hydrogen consumption, and/or the opening duration of the first purge valve 161 and/or the pressure difference between the storage container 175 and the exhaust air path 112.

Wird als zweites Purgeventil 162 ein Proportionalventil eingesetzt, so kann dieses bei entsprechend gewählten Öffnungsquerschnitt entweder getaktet geöffnet werden oder permanent geöffnet sein.If a proportional valve is used as the second purge valve 162, this can either be opened in a clocked manner or be permanently open with an appropriately selected opening cross section.

Die Querschnittsfläche des zweiten Purgeventils 162 sollte kleiner ausgeführt sein als die Querschnittsfläche des ersten Purgeventils 161, so dass sich beim Öffnen des zweiten Purgeventils 162 ein niedrigerer Maximalmassenstrom ergibt als beim Öffnen des ersten Purgeventils 161.The cross-sectional area of the second purge valve 162 should be made smaller than the cross-sectional area of the first purge valve 161, so that when the second purge valve 162 is opened, a lower maximum mass flow results than when the first purge valve 161 is opened.

In einer alternativen Ausführungsform kann das zweite Purgeventil 162 als Drosselventil ausgebildet sein, so dass eine konstante Strömung aus der Purgeleitung 160 in den Abgaspfad 112 erfolgt. Auch hier sollte der Querschnittsfläche des zweiten Purgeventils 162, also des Drosselventils, kleiner ausgeführt sein als die Querschnittsfläche des ersten Purgeventils 161, so dass sich ein niedrigerer Massenstrom in den Abgaspfad 112 ergibt als beim Öffnen des ersten Purgeventils 161.In an alternative embodiment, the second purge valve 162 can be designed as a throttle valve, so that there is a constant flow from the purge line 160 into the exhaust gas path 112. Here too, the cross-sectional area of the second purge valve 162, i.e. the throttle valve, should be made smaller than the cross-sectional area of the first purge valve 161, so that a lower mass flow into the exhaust gas path 112 results than when opening the first purge valve 161.

In 2 ist ein Diagramm dargestellt, welches das entsprechende Öffnungsverhalten des ersten Purgeventils 161 und des zweiten Purgeventils 162 bei einer konstanten Strömung in den Abgaspfad 112, wie z.B. bei einem Drosselventil, zeigt. Die durchgezogene Linie A zeigt das Öffnungsverhalten des ersten Purgeventils 161, die gestrichelte Linie B zeigt das Öffnungsverhalten des zweiten Purgeventils 162.In 2 a diagram is shown which shows the corresponding opening behavior of the first purge valve 161 and the second purge valve 162 with a constant flow into the exhaust gas path 112, such as in the case of a throttle valve. The solid line A shows the opening behavior of the first purge valve 161, the dashed line B shows the opening behavior of the second purge valve 162.

Folglich ist das erste Purgeventil 161 nur während des Purgevorganges für die Zeitdauer des Purge-Intervalls geöffnet, während das zweite Purgeventil 162 durchgängig geöffnet ist.Consequently, the first purge valve 161 is only open during the purge process for the duration of the purge interval, while the second purge valve 162 is open continuously.

Ist das zweite Purgeventil 162 als Drosselventil ausgebildet, so dass eine konstante Strömung in den Abgaspfad 112 ermöglicht wird, befindet sich die Linie B permanent auf demselben Niveau. Das erste Purgeventil 161 wird nur während der Purgevorgänge geöffnet, so dass in regelmäßigen Abständen zwischen der offenen Position (bei 1) und der geschlossenen Position (bei 0) gewechselt wird.If the second purge valve 162 is designed as a throttle valve, so that a constant flow into the exhaust gas path 112 is made possible, the line B is permanently at the same level. The first purge valve 161 is only opened during the purge processes, so that it changes between the open position (at 1) and the closed position (at 0) at regular intervals.

In einer alternativen Ausführungsform kann das zweite Purgeventil 162 auch als Schaltventil, insbesondere als Schaltventil mit konstanten Öffnungsquerschnitt, ausgebildet ist.In an alternative embodiment, the second purge valve 162 can also be designed as a switching valve, in particular as a switching valve with a constant opening cross section.

In 3 ist ein Diagramm dargestellt, welches das entsprechende Öffnungsverhalten des ersten Purgeventils 161 und des zweiten Purgeventils 162 bei einer gepulsten Öffnung und damit Ableitung von Anodengas in den Abgaspfad 112 zeigt, wie z.B. bei einem Schaltventil oder bei einem Proportionalventil, zeigt. Die durchgezogene Linie A zeigt das Öffnungsverhalten des ersten Purgeventils 161, die gestrichelte Linie B zeigt das Öffnungsverhalten des zweiten Purgeventils 162.In 3 a diagram is shown which shows the corresponding opening behavior of the first purge valve 161 and the second purge valve 162 in the case of a pulsed opening and thus the discharge of anode gas into the exhaust gas path 112, such as in the case of a switching valve or a proportional valve. The solid line A shows the opening behavior of the first purge valve 161, the dashed line B shows the opening behavior of the second purge valve 162.

Die Querschnittsfläche des zweiten Purgeventils 162 ist kleiner ausgeführt, als die Querschnittsfläche des ersten Purgeventils 161, so dass sich beim Öffnen des zweiten Purgeventils 162 ein niedrigerer Maximalmassenstrom ergibt als beim Öffnen des ersten Purgeventils 161. Da sich ein niedrigerer Massenstrom über das zweite Purgeventil 162 ergibt, ist dieses länger geöffnet als das erste Purgeventil 161. Die Öffnungsdauer des zweiten Purgeventils 162 kann beispielsweise bis zu dreimal so lange sein, wie die Öffnungsdauer des ersten Purgeventils 161.The cross-sectional area of the second purge valve 162 is made smaller than the cross-sectional area of the first purge valve 161, so that when the second purge valve 162 is opened, a lower maximum mass flow results than when the first purge valve 161 is opened. This results in a lower mass flow via the second purge valve 162 , this is open longer than the first purge valve 161. The opening duration of the second purge valve 162 can, for example, be up to three times as long as the opening duration of the first purge valve 161.

In 4 ist ein Diagramm dargestellt, welches die Veränderung der Konzentration von Wasserstoff im Abgaspfad 112 durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren darstellt. Das Verhalten eines Brennstoffzellensystem 1 ohne zweites Purgeventil 162 wird durch den mit A bezeichneten Graphen beschrieben.In 4 a diagram is shown which represents the change in the concentration of hydrogen in the exhaust gas path 112 by the device according to the invention and the method according to the invention. The behavior of a fuel cell system 1 without a second purge valve 162 is described by the graph labeled A.

Ist nur ein erstes Purgeventil 161 vorhanden, steigt mit jedem Purge-Vorgang und der damit verbundenen Öffnung des ersten Purgeventils 161 die Wasserstoff-Konzentration im Abgaspfad 112.If only a first purge valve 161 is present, the hydrogen concentration in the exhaust gas path 112 increases with each purge process and the associated opening of the first purge valve 161.

Ist auch ein zweite Purgeventil 162 in der Purgeleitung 160 vorhanden, werden die Peaks abgeschwächt und die Konzentration des Wasserstoffs weist einen flacheren Verlauf, wie im Graphen B dargestellt, auf.If a second purge valve 162 is also present in the purge line 160, the peaks are weakened and the concentration of hydrogen has a flatter course, as shown in graph B.

Durch das zweite Purgeventil 162 und den damit verbundenen flacheren Verlauf, wird die durch die Linie C angedeutete kritische Grenze für ein zündfähiges Gemisch nicht überschritten.Due to the second purge valve 162 and the flatter course associated with it, the critical limit for an ignitable mixture indicated by line C is not exceeded.

Claims

Fuel cell system (1) with at least one fuel cell stack (100) which has a cathode (110) and an anode (115), wherein during normal operation of the fuel cell system (1) air is supplied to and from the cathode (110) via a supply air path (111). Exhaust air emerging from the fuel cell stack (100) is removed via an exhaust air path (112), and wherein the anode (120) is supplied with hydrogen via an anode system, the anode system having an anode line (120) and a recirculation circuit (150), and wherein the Recirculation circuit (150) is connected to a purge line (160) via a first purge valve (161), the purge line (160) being connected to the exhaust air path (112); characterized in that a second purge valve (162) is arranged in the purge line (160).

Fuel cell system (1). Claim 1 , characterized in that a storage container (175) is arranged in the purge line (160) between the first purge valve (161) and the second purge valve (162).

Fuel cell system (1). Claim 1 or 2 , characterized in that the second purge valve (162) is designed as a throttle valve, in particular as a passive throttle.

Fuel cell system (1). Claim 1 or 2 , characterized in that the second purge valve (162) is designed as a proportional valve or as a switching valve.

Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cross-sectional area of the second purge valve (162) is made smaller than the cross-sectional area of the first purge valve (161), so that a lower maximum mass flow results when the second purge valve (162) is opened than when opening the first purge valve (161).

Method for operating a fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the admixture of the anode gas into the exhaust air path is temporal is stretched so that the maximum hydrogen concentration in the exhaust gas is reduced.

Procedure according to Claim 6 , characterized in that the first purge valve (161) is opened during the purge interval, while the second purge valve (162) is continuously open.

Procedure according to Claim 6 , characterized in that the degree of opening of the second purge valve (162) is selected depending on the operating point, in particular on the hydrogen consumption, and / or the opening duration of the first purge valve (161) and / or the pressure difference between the storage container (175) and the exhaust air path (112). becomes.

Procedure according to Claim 6 , characterized in that the first purge valve (161) is opened during a purge interval and the second purge valve (162) is opened for a period of time which is greater than the purge interval.