DE102019127969A1 - Fuel cell module with double seal - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul (2) mit einem Innenraum (3), der einen Anodengasbereich und einen von dem Anodengasbereich durch einen Elektrolyt (5) getrennten Kathodengasbereich umfasst, die jeweils ein Wirkmedium enthalten, wobei der Innenraum (3) durch eine Doppeldichtung (10) gegenüber der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls (2) abgedichtet ist, die ein inneres Dichtungselement (11) und ein äußeres Dichtungselement (12) aufweist, zwischen denen ein Dichtungskanal (13) angeordnet ist, in dem ein Dichtmedium aufgenommen ist, wobei ein Druck des Dichtmediums in dem Dichtungskanal (13) größer ist als ein Druck eines ersten Wirkmediums in dem Anodengasbereich und als ein Druck eines zweiten Wirkmediums in dem Kathodengasbereich und als ein Druck eines Umgebungsmediums in der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls (2).The invention relates to a fuel cell module (2) with an interior (3) which comprises an anode gas area and a cathode gas area separated from the anode gas area by an electrolyte (5), each of which contains an active medium, the interior (3) being provided with a double seal (10 ) is sealed against the environment of the fuel cell module (2), which has an inner sealing element (11) and an outer sealing element (12), between which a sealing channel (13) is arranged, in which a sealing medium is received, with a pressure of the sealing medium in the sealing channel (13) is greater than a pressure of a first active medium in the anode gas area and than a pressure of a second active medium in the cathode gas area and as a pressure of an ambient medium in the vicinity of the fuel cell module (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul mit einem Innenraum, der einen Anodengasbereich und einen von dem Anodengasbereich durch einen Elektrolyt getrennten Kathodengasbereich umfasst, die jeweils ein Wirkmedium enthalten, wobei der Innenraum durch eine Doppeldichtung gegenüber der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls abgedichtet ist, die ein inneres Dichtungselement und ein äußeres Dichtungselement aufweist, zwischen denen ein Dichtungskanal angeordnet ist, in dem ein Dichtmedium aufgenommen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Brennstoffzellenmoduls. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ein eine Brennstoffzelleneinrichtung mit mehreren derartigen Brennstoffzellenmodulen.The invention relates to a fuel cell module with an interior space which comprises an anode gas area and a cathode gas area separated from the anode gas area by an electrolyte, each of which contains an active medium, the interior space being sealed off from the surroundings of the fuel cell module by a double seal, which has an inner sealing element and a having the outer sealing element, between which a sealing channel is arranged, in which a sealing medium is received. The invention also relates to a method for operating such a fuel cell module. Another object of the invention is a fuel cell device with a plurality of such fuel cell modules.

Ein derartiges Brennstoffzellenmodul mit einer Doppeldichtung ist aus der EP 3 493 306 A1 bekannt. Der Dichtungskanal dieser Doppeldichtung ist mit dem Kathodengasbereich des Brennstoffzellenmoduls verbunden, so dass der Dichtungskanal mit dem Kathodengas gefüllt ist. Wenn es zu einem Leck an dem inneren Dichtelement kommt, infolgedessen das Anodengas in den Dichtungskanal austritt, wird das Anodengas mit dem Kathodengas vermischt und reagiert dort ggf. mit dem Kathodengas. Insofern wird das Anodengas deaktiviert. Durch das bekannte Brennstoffzellenmodul kann das Risiko eines Austritts von Wirkmedien des Brennstoffzellenmoduls zwar reduziert werden. Das Austreten von Wirkmedien aus dem Brennstoffzellenmodul kann aber nicht vollständig ausgeschlossen werden, sodass bei einer Leckage Brand- bzw. Explosionsgefahr besteht.Such a fuel cell module with a double seal is from EP 3 493 306 A1 known. The sealing channel of this double seal is connected to the cathode gas area of the fuel cell module, so that the sealing channel is filled with the cathode gas. If there is a leak on the inner sealing element, as a result of which the anode gas escapes into the sealing channel, the anode gas is mixed with the cathode gas and reacts there, if necessary, with the cathode gas. In this respect, the anode gas is deactivated. The known fuel cell module can reduce the risk of active media from the fuel cell module escaping. However, the escape of active media from the fuel cell module cannot be completely ruled out, so that there is a risk of fire or explosion in the event of a leak.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein Brennstoffzellenmodul mit einer weiter reduzierten Brand- bzw. Explosionsgefahr anzugeben.Against this background, the task arises of specifying a fuel cell module with a further reduced risk of fire or explosion.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Brennstoffzellenmodul gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Dieses Brennstoffzellenmodul weist einen Innenraum auf, der einen Anodengasbereich und einen von dem Anodengasbereich durch einen Elektrolyt getrennten Kathodengasbereich umfasst, die jeweils ein Wirkmedium enthalten, wobei der Innenraum durch eine Doppeldichtung gegenüber der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls abgedichtet ist, die ein inneres Dichtungselement und ein äußeres Dichtungselement aufweist, zwischen denen ein Dichtungskanal angeordnet ist, in dem ein Dichtmedium aufgenommen ist, wobei ein Druck des Dichtmediums in dem Dichtungskanal größer ist

  • - als ein Druck eines ersten Wirkmediums in dem Anodengasbereich und
    • - als ein Druck eines zweiten Wirkmediums in dem Kathodengasbereich und
    • - als ein Druck eines Umgebungsmediums in der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls.
A fuel cell module according to patent claim 1 is proposed to achieve the object. This fuel cell module has an interior space which comprises an anode gas area and a cathode gas area separated from the anode gas area by an electrolyte, each of which contains an active medium, the interior space being sealed from the surroundings of the fuel cell module by a double seal, which has an inner sealing element and an outer sealing element has, between which a sealing channel is arranged, in which a sealing medium is received, wherein a pressure of the sealing medium in the sealing channel is greater
  • - As a pressure of a first active medium in the anode gas area and
    • - As a pressure of a second active medium in the cathode gas area and
    • - As a pressure of an ambient medium in the vicinity of the fuel cell module.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmodul bildet die Doppeldichtung einen Dichtungskanal aus, der ein Dichtmedium enthält, dessen Druck größer ist als der Druck der Wirkmedien in dem Innenraum des Brennstoffzellenmoduls und als der Umgebungsdruck. Im Falle einer Leckage an dem ersten oder zweiten Dichtelement kommt es aufgrund dieses Druckgefälles zwischen dem Dichtungskanal und dem Innenraum sowie der Umgebung immer zu einem Austreten des Dichtmediums in den Innenraum bzw. die Umgebung. Hierdurch wird das Risiko weiter vermindert, dass eines der Wirkmedien des Brennstoffzellenmoduls aus dem Innenraum in die Umgebung gelangt. Die von einer Leckage der Wirkmedien ausgehende Brand- bzw. Explosionsgefahr wird somit weiter verringert.In the fuel cell module according to the invention, the double seal forms a sealing channel which contains a sealing medium whose pressure is greater than the pressure of the active media in the interior of the fuel cell module and than the ambient pressure. In the event of a leak at the first or second sealing element, this pressure gradient between the sealing channel and the interior space and the surroundings always results in the sealing medium escaping into the interior space or the surroundings. This further reduces the risk that one of the active media of the fuel cell module will get out of the interior into the environment. The risk of fire or explosion emanating from a leak in the active media is thus further reduced.

Das in dem Dichtungskanal enthaltene Dichtmedium kann ein flüssiges oder ein gasförmiges Dichtmedium oder eine Mischung eines flüssigen mit einem gasförmigen Dichtmedium sein. Das innere und/oder das äußere Dichtelement der Doppeldichtung ist bevorzugt aus einem Elastomer ausgebildet. Bevorzugt ist der Dichtungskanal nicht mit dem Innenraum fluidverbunden. Insofern ist der Dichtungskanal bevorzugt gegenüber dem Innenraum der Brennstoffzelle abgedichtet, insbesondere durch das innere Dichtungselement.The sealing medium contained in the sealing channel can be a liquid or a gaseous sealing medium or a mixture of a liquid and a gaseous sealing medium. The inner and / or the outer sealing element of the double seal is preferably formed from an elastomer. The sealing channel is preferably not fluidly connected to the interior. In this respect, the sealing channel is preferably sealed off from the interior of the fuel cell, in particular by the inner sealing element.

Die Doppeldichtung, insbesondere das innere und das äußere Dichtelement, sind bevorzugt zwischen zwei Wandungen des Brennstoffzellenmoduls angeordnet. Die Wandungen können als plattenförmige Elemente ausgebildet sein.The double seal, in particular the inner and the outer sealing element, are preferably arranged between two walls of the fuel cell module. The walls can be designed as plate-shaped elements.

Der Elektrolyt ist bevorzugt durch eine Membrane, insbesondere eine Polymerelektrolytmembrane, ausgebildet. Das Brennstoffzellenmodul umfasst bevorzugt mindestens eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle. Der Betrieb des Brennstoffzellenmoduls erfolgt insbesondere mit Luft oder Sauerstoff auf der Kathodenseite und mit Wasserstoff, Methan, Methanol, Butan oder Erdgas als Brennstoff auf der Anodenseite.The electrolyte is preferably formed by a membrane, in particular a polymer electrolyte membrane. The fuel cell module preferably comprises at least one polymer electrolyte fuel cell. The fuel cell module is operated in particular with air or oxygen on the cathode side and with hydrogen, methane, methanol, butane or natural gas as fuel on the anode side.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Druck des Dichtmediums in dem Dichtungskanal um mindestens 25 % größer ist als der Druck des ersten Wirkmediums in dem in dem Anodengasbereich und/oder als der Druck des zweiten Wirkmediums in dem Kathodengasbereich und/oder als der Druck des Umgebungsmediums in der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls. Durch den um mindestens 25 % höheren Druck in dem Dichtungskanal kann sichergestellt, werden, dass es bei einer Leckage des inneren oder äußeren Dichtelements nicht zu einem Eintritt von Wirkmedien in den Dichtungskanal kommt, sondern dass vielmehr das Dichtmedium aus dem Dichtungskanal austritt. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn der der Druck des Dichtmediums in dem Dichtungskanal um mindestens 30 % oder 50 5 größer ist als der Druck des ersten Wirkmediums in dem in dem Anodengasbereich und/oder als der Druck des zweiten Wirkmediums in dem Kathodengasbereich und/oder als der Druck des Umgebungsmediums in der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls.According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the pressure of the sealing medium in the sealing channel is at least 25% greater than the pressure of the first active medium in the anode gas area and / or than the pressure of the second active medium in the cathode gas area and / or as the pressure of the Ambient medium in the vicinity of the fuel cell module. The at least 25% higher pressure in the sealing channel ensures that if the inner or outer sealing element leaks, active media will not enter the sealing channel, but rather the sealing medium will exit the sealing channel. It has proven to be particularly advantageous if the pressure of the sealing medium in the sealing channel is at least 30% or 50 5 greater than the pressure of the first active medium in the anode gas area and / or than the pressure of the second active medium in the cathode gas area and / or as the pressure of the ambient medium in the vicinity of the fuel cell module.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Dichtungskanal mit mindestens einem Dichtmedium-Anschluss zum Einleiten des Dichtmediums in den Dichtungskanal verbunden ist. Über den Dichtmedium-Anschluss kann ein Dichtmedium separat von den Wirkmedien des Brennstoffzellenmoduls in den Dichtungskanal eingeleitet werden. Insofern wird es durch den Dichtmedium-Anschluss möglich, ein sich von den Wirkmedien unterscheidendes Dichtmedium zu verwenden. Bevorzugt ist der Dichtungskanal mit mindestens zwei Dichtmedium-Anschlüssen verbunden, wobei ein erster Dichtmedium-Anschluss als Einlass für das Dichtmedium und ein zweiter Dichtmedium-Anschluss als Auslass für das Dichtmedium eingerichtet ist. Über die beiden Dichtmedium-Anschlüsse kann ein Durchfluss des Dichtmediums durch den Dichtungskanal eingestellt werden, insbesondere ein permanenter oder temporärer oder periodischer Durchfluss. Alternativ oder zusätzlich ist es mittels der beiden Dichtmedium-Anschlüsse möglich, die Dichtungskanäle mehrerer Brennstoffzellenmodule miteinander zu verbinden.According to an advantageous embodiment, it is provided that the sealing channel is connected to at least one sealing medium connection for introducing the sealing medium into the sealing channel. A sealing medium can be introduced into the sealing channel separately from the active media of the fuel cell module via the sealing medium connection. In this respect, the sealing medium connection makes it possible to use a sealing medium that differs from the active media. The sealing channel is preferably connected to at least two sealing medium connections, a first sealing medium connection being set up as an inlet for the sealing medium and a second sealing medium connection being set up as an outlet for the sealing medium. A flow of the sealing medium through the sealing channel can be set via the two sealing medium connections, in particular a permanent or temporary or periodic flow. Alternatively or additionally, it is possible to connect the sealing channels of several fuel cell modules to one another by means of the two sealing medium connections.

Als vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung erwiesen, bei welcher das Dichtmedium Wasser und/oder Glycol und/oder ein Öl und/oder ein Edelgas und/oder ein Formiergas enthält. Unter einem Formiergas wird im Sinne der Erfindung ein Gasgemisch umfassend Stickstoff und Wasserstoff und optional Argon verstanden. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Dichtmedium Wasser oder ein Wasser-Glycol-Gemisch oder ein Öl oder Edelgas oder ein Formiergas ist.An embodiment has proven to be advantageous in which the sealing medium contains water and / or glycol and / or an oil and / or a noble gas and / or a forming gas. In the context of the invention, a forming gas is understood to mean a gas mixture comprising nitrogen and hydrogen and optionally argon. It is particularly preferred if the sealing medium is water or a water-glycol mixture or an oil or noble gas or a forming gas.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Brennstoffzelleneinrichtung mit mehreren vorstehend beschriebenen Brennstoffzellenmodulen. Bei der Brennstoffzelleneinrichtung können dieselben Vorteile verwirklicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellenmodul beschrieben worden sind.Another object of the invention is a fuel cell device with several fuel cell modules described above. In the case of the fuel cell device, the same advantages can be achieved that have already been described in connection with the fuel cell module.

Die Brennstoffzelleneinrichtung kann aus mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellenmodulen ausgebildet sein. Eine derartige Brennstoffzelleneinrichtung kann auch als Brennstoffzellenstapel (engl. fuel cell stack) bezeichnet werden.The fuel cell device can be formed from a plurality of stacked fuel cell modules. Such a fuel cell device can also be referred to as a fuel cell stack.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein erster Dichtungskanal eines ersten Brennstoffzellenmoduls der Brennstoffzellenmodule und ein zweiter Dichtungskanal eines zweiten Brennstoffzellenmoduls der Brennstoffzellenmodule, insbesondere über einen Verbindungskanal, miteinander verbunden sind. Hierdurch wird es möglich, die Dichtungskanäle mehrerer Brennstoffzellenmodule aus einer gemeinsamen Quelle zu speisen und/oder den Druck in den Dichtungskanäle über eine gemeinsame Druckerzeugungseinrichtung, beispielsweise eine Pumpe, einzustellen. Bevorzugt sind der erste und zweite Dichtungskanal seriell verschaltet. Alternativ kann der erste und zweite Dichtungskanal parallel verschaltet sein.According to an advantageous embodiment, it is provided that a first sealing channel of a first fuel cell module of the fuel cell modules and a second sealing channel of a second fuel cell module of the fuel cell modules are connected to one another, in particular via a connecting channel. This makes it possible to feed the sealing channels of several fuel cell modules from a common source and / or to adjust the pressure in the sealing channels via a common pressure generating device, for example a pump. The first and second sealing channels are preferably connected in series. Alternatively, the first and second sealing channels can be connected in parallel.

Als vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung herausgestellt, bei welcher die Brennstoffzelleneinrichtung einen Gassensor aufweist, insbesondere einen Gassensor zur Detektion eines Formiergasmarkers. Der Gassensor kann an einer Außenkontur der Brennstoffzelleneinrichtung - also in der Umgebung der Brennstoffzellenmodule, angeordnet sein. Alternativ ist es möglich einen Gassensor im Innenraum eines oder mehrerer Brennstoffzellenmodule anzuordnen. Bevorzugt ist der Gassensor dazu eingerichtet, einen Austritt eines gasförmigen Dichtmediums aus dem Dichtungskanal zu detektieren. Die Brennstoffzelleneinrichtung kann zusätzlich eine Steuereinheit aufweisen, die dann, wenn durch den Gassensor ein Austritt des Dichtmediums detektiert wird, ein oder mehrere Brennstoffzellenmodule abschaltet, insbesondere die Zufuhr eines oder mehrerer Wirkmedien zu einem oder mehreren Brennstoffzellenmodulen abschaltet.An embodiment has proven to be advantageous in which the fuel cell device has a gas sensor, in particular a gas sensor for detecting a forming gas marker. The gas sensor can be arranged on an outer contour of the fuel cell device - that is, in the vicinity of the fuel cell modules. Alternatively, it is possible to arrange a gas sensor in the interior of one or more fuel cell modules. The gas sensor is preferably set up to detect an escape of a gaseous sealing medium from the sealing channel. The fuel cell device can additionally have a control unit which, when an escape of the sealing medium is detected by the gas sensor, switches off one or more fuel cell modules, in particular switches off the supply of one or more active media to one or more fuel cell modules.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Brennstoffzelleneinrichtung eine Temperiervorrichtung zur Temperierung des Dichtmediums umfasst. Über die Temperiervorrichtung kann die Temperatur des Dichtmediums eingestellt werden. Insbesondere kann das Dichtmedium gekühlt oder gewärmt werden. Hierdurch wird es möglich, dass das Dichtmedium eine Doppelfunktion zum Abdichten des Innenraums und gleichzeitigen Temperieren, insbesondere Kühlen oder Wärmen, des Brennstoffzellenmoduls erfüllt.An advantageous embodiment provides that the fuel cell device comprises a temperature control device for temperature control of the sealing medium. The temperature of the sealing medium can be set via the temperature control device. In particular, the sealing medium can be cooled or heated. This makes it possible for the sealing medium to fulfill a double function for sealing the interior space and, at the same time, temperature control, in particular cooling or heating, of the fuel cell module.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenmoduls mit einem Innenraum vorgeschlagen, der einen Anodengasbereich und einen von dem Anodengasbereich durch einen Elektrolyt getrennten Kathodengasbereich umfasst, die jeweils ein Wirkmedium enthalten, wobei der Innenraum durch eine Doppeldichtung gegenüber der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls abgedichtet ist, die ein inneres Dichtungselement und ein äußeres Dichtungselement aufweist, zwischen denen ein Dichtungskanal angeordnet ist, in dem ein Dichtmedium aufgenommen ist, wobei ein Druck des Dichtmediums in dem Dichtungskanal derart eingestellt wird, dass dieser größer ist

  • - als ein Druck eines ersten Wirkmediums in dem Anodengasbereich und
  • - als ein Druck eines zweiten Wirkmediums in dem Kathodengasbereich und
  • - als ein Druck eines Umgebungsmediums in der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls.
To achieve the object mentioned at the beginning, a method for operating a fuel cell module with an interior space is also proposed which comprises an anode gas area and a cathode gas area separated from the anode gas area by an electrolyte, each of which has a Contain active medium, wherein the interior is sealed by a double seal against the environment of the fuel cell module, which has an inner sealing element and an outer sealing element, between which a sealing channel is arranged in which a sealing medium is received, wherein a pressure of the sealing medium in the sealing channel such it is set so that it is larger
  • - As a pressure of a first active medium in the anode gas area and
  • - As a pressure of a second active medium in the cathode gas area and
  • - As a pressure of an ambient medium in the vicinity of the fuel cell module.

Bei dem Verfahren können dieselben Vorteile verwirklicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellenmodul beschrieben worden sind.With the method, the same advantages can be achieved that have already been described in connection with the fuel cell module.

Bevorzugt wird, insbesondere mittels eines Gassensors, überwacht, ob das Dichtmedium aus dem Dichtungskanal austritt.It is preferred, in particular by means of a gas sensor, to monitor whether the sealing medium emerges from the sealing channel.

Vorteilhaft ist ein Verfahren, bei welchem dann, wenn ein Austritt des Dichtmediums aus dem Dichtungskanal detektiert wird, ein Dichtmittel in den Dichtungskanal eingeleitet wird, wobei das Dichtmittel dazu ausgebildet ist, ein Leck in dem Dichtungskanal zu verschließen. Bevorzugt ist das Dichtmittel ein flüssige Dichtmittel, welches nach dem Einleiten in den Dichtungskanal aushärtet und/oder schäumt. Besonders bevorzugt wird das Dichtmittel in einem Dichtmittelbehälter der Brennstoffzelleneinrichtung vorgehalten und über ein steuerbares Ventil in den Dichtungskanal eingeleitet wird, wenn ein Austritt des Dichtmediums aus dem Dichtungskanal detektiert wird.A method is advantageous in which, when an exit of the sealing medium from the sealing channel is detected, a sealing agent is introduced into the sealing channel, the sealing agent being designed to close a leak in the sealing channel. The sealant is preferably a liquid sealant which hardens and / or foams after being introduced into the sealing channel. The sealant is particularly preferably kept in a sealant container of the fuel cell device and is introduced into the sealing channel via a controllable valve when an exit of the sealing medium from the sealing channel is detected.

Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens können die im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellenmodul beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale allein oder kumulativ auch bei dem Verfahren Anwendung finden.In addition to the previously described advantageous refinements of the method, the advantageous refinements and features described in connection with the fuel cell module can also be used alone or cumulatively in the method.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

  • 1 eine Brennstoffzelleneinrichtung mit mehreren Brennstoffzellenmodulen gemäß einem Ausführungsbei der Erfindung in einer teilweisen Explosionsdarstellung; und
  • 2 ein Brennstoffzellenmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung.
Further details and advantages of the invention are to be explained below with reference to the exemplary embodiment shown in the drawings. Herein shows:
  • 1 a fuel cell device with a plurality of fuel cell modules according to an embodiment of the invention in a partially exploded view; and
  • 2 a fuel cell module according to an embodiment of the invention in a schematic sectional view.

In der 1 ist eine als Brennstoffzellenstapel ausgebildete Brennstoffzelleneinrichtung 1 dargestellt, die eine Vielzahl an gestapelten Brennstoffzellenmodulen 2 aufweist. Die Brennstoffzellenmodule 2 umfassen jeweils einen Innenraum 3, der zwischen zwei Platten 4 gebildet ist. In dem Innenraum 3 befindet sich ein Elektrolyt 5, insbesondere eine Elektrolyt-Membran, die den Innenraum 3 in einen Anodengasbereich 6 und einen Kathodengasbereich 7 teilt. Über den Anodengasbereich 6 wird dem Elektrolyt 5 ein als Brennstoff ausgebildetes erstes Wirkmedium zugeführt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird als Brennstoff Wasserstoff (H2) verwendet. Alternativ kann Methan oder Methanol oder Butan oder Erdgas als Brennstoff Verwendung finden. Über den Kathodengasbereich 7 wird ein sauerstoffhaltiges, zweites Wirkmedium, beispielsweise Sauerstoff (O2) oder Luft, zugeführt.In the 1 is a fuel cell device designed as a fuel cell stack 1 shown showing a multitude of stacked fuel cell modules 2 having. The fuel cell modules 2 each include an interior space 3 that is between two panels 4th is formed. In the interior 3 there is an electrolyte 5 , in particular an electrolyte membrane that covers the interior 3 into an anode gas area 6th and a cathode gas area 7th Splits. Over the anode gas area 6th becomes the electrolyte 5 a first active medium designed as fuel is supplied. According to the exemplary embodiment, hydrogen (H 2 ) is used as the fuel. Alternatively, methane or methanol or butane or natural gas can be used as fuel. About the cathode gas area 7th an oxygen-containing, second active medium, for example oxygen (O 2 ) or air, is supplied.

Weitere Bestandteile des Brennstoffzellenmoduls 2 sind eine Anode und eine Kathode, die auf den beiden Seiten des Elektrolyts 5 angeordnet sind. Der Elektrolyt 5 ist bevorzugt derart ausgebildet, dass er im Wesentlichen Ionen einer Polarität, bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel positiv geladene Ionen, leitet. An der Anode wird der Wasserstoff H2 oxidiert. Dabei entstehen positiv geladene Wasserstoff-Ionen H+ . Diese positiv geladenen Ionen H+ bewegen sich durch den Elektrolyt 5 in Richtung der Kathode. Ferner entsteht ein als elektrischer Strom I messbarer Elektronenfluss von der Kathode zu der Anode über eine externe Verbindung. An der Kathode reagieren die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen + unter Bildung von Wasser H2O mit dem Sauerstoff O2 des sauerstoffhaltigen Gases. Das Wasser H2O wird, ggf. zusammen mit in dem Innenraum 3 enthaltenen Restluft abgeleitet.Further components of the fuel cell module 2 are an anode and a cathode that are on the two sides of the electrolyte 5 are arranged. The electrolyte 5 is preferably designed such that it essentially conducts ions of one polarity, in the present exemplary embodiment positively charged ions. The hydrogen H 2 is oxidized at the anode. This creates positively charged hydrogen ions H + . These positively charged ions H + move through the electrolyte 5 towards the cathode. Furthermore, there is an electric current I. measurable electron flow from the cathode to the anode via an external connection. At the cathode, the positively charged hydrogen ions + react with the oxygen O 2 of the oxygen-containing gas to form water H 2 O. The water H 2 O is, if necessary together with, in the interior 3 contained residual air.

Um das unerwünschte Austreten der Wirkmedien aus dem Innenraum 3 zu verhindern, sind bei dem Brennstoffzellenmodul 2 besondere Maßnahmen getroffen. So ist der Innenraum 3 durch eine Doppeldichtung 10 gegenüber der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls 2 abgedichtet. Diese Doppeldichtung 10 soll nachfolgend anhand der schematischen Darstellung in 2 näher erläutert werden. In dieser Darstellung ist der Elektrolyt 5, hier die Elektrolyt-Membran zur besseren Übersicht nicht gezeigt.About the unwanted leakage of the active media from the interior 3 are to be prevented with the fuel cell module 2 special measures are taken. So is the interior 3 through a double seal 10 compared to the environment of the fuel cell module 2 sealed. This double seal 10 should be based on the schematic representation in 2 are explained in more detail. In this illustration is the electrolyte 5 , here the electrolyte membrane is not shown for a better overview.

Die Doppeldichtung 10 umfasst ein inneres Dichtungselement 11 und ein äußeres Dichtungselement 12. Gemäß dem Ausführungsbeispiel weisen sowohl das innere als auch das äußere Dichtungselement einen kreisförmigen Querschnitt auf. Davon abweichend können aber auch Dichtungselemente mit anderen Querschnitten zur Anwendung kommen, beispielswiese mit dreieckigem, viereckigem, oder ovalem Querschnitt. Zwischen dem inneren Dichtungselement 11 und dem äußeren Dichtungselement 12 ist ein Dichtungskanal 13 angeordnet, in dem ein Dichtmedium aufgenommen ist. Der Druck dieses Dichtmediums in dem Dichtungskanal 13 ist dabei derart eingestellt, dass er größer ist als der Druck des ersten Wirkmediums in dem Anodengasbereich 6 und der Druck des zweiten Wirkmediums in dem Kathodengasbereich 7 und der Druck der Luft in der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls 2.The double seal 10 includes an inner sealing element 11 and an outer sealing element 12th . According to the embodiment, both the inner and the outer sealing element have a circular cross section. In a departure from this, however, sealing elements with other cross-sections can also be used, for example with a triangular, square, or oval cross-section. Between the inner sealing element 11 and the outer sealing element 12th is a sealing channel 13th arranged, in which a sealing medium is received. The pressure of this sealing medium in the sealing channel 13th is set in such a way that it is greater than the pressure of the first active medium in the anode gas area 6th and the pressure of the second active medium in the cathode gas region 7th and the pressure of the air in the vicinity of the fuel cell module 2 .

Bei dem Ausführungsbeispiel ist der Druck des Dichtmediums in dem Dichtungskanal 13 um mindestens 25% größer, bevorzugt um mindestens 30% größer, besonders bevorzugt um mindestens 50% größer, als der Druck des ersten Wirkmediums in dem in dem Anodengasbereich 6 und/oder als der Druck des zweiten Wirkmediums in dem Kathodengasbereich 7 und/oder als der Druck des Umgebungsmediums in der Umgebung der Brennstoffzelle.In the exemplary embodiment, the pressure of the sealing medium is in the sealing channel 13th at least 25% greater, preferably at least 30% greater, particularly preferably at least 50% greater, than the pressure of the first active medium in the anode gas region 6th and / or as the pressure of the second active medium in the cathode gas region 7th and / or as the pressure of the ambient medium in the vicinity of the fuel cell.

Der Dichtungskanal 13 weist ferner einen in den Abbildungen nicht sichtbaren Dichtmedium-Anschluss zum Einleiten des Dichtmediums in den Dichtungskanal auf. Als Dichtmedium kann bei der Brennstoffzelleneinrichtung 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Dichtmedium zur Verwendung kommen, welche Wasser und/oder Glycol und/oder ein Öl und/oder ein Edelgas und/oder ein Formiergas aufweist. Wird Wasser oder ein Wasser-Glycol-Gemisch oder ein Öl oder Edelgas oder ein Formiergas verwendet.The sealing channel 13th furthermore has a sealing medium connection (not visible in the figures) for introducing the sealing medium into the sealing channel. As a sealing medium in the fuel cell device 1 According to the exemplary embodiment, a sealing medium can be used which has water and / or glycol and / or an oil and / or a noble gas and / or a forming gas. If water or a water-glycol mixture or an oil or noble gas or a forming gas is used.

Ferner sind die Dichtungskanäle 13 der einzelnen Brennstoffzellenmodule 2 miteinander verbunden, so dass das Dichtmedium durch mehrere Brennstoffzellemodule 2 zirkulieren kann und/oder der Druck in den Brennstoffzellenmodulen 2 der Brennstoffzelleinrichtung im gemeinsam, also identisch, eingestellt werden kann. Hierzu kann ein Verbindungskanal zur Anwendung kommen, der die jeweiligen Dichtungskanäle 13 miteinander verbindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Dichtungskanäle 13 seriell miteinander verbunden. Abweichend davon ist es möglich, die Dichtungskanäle 13 der mehreren Brennstoffzellemodule 2 parallel miteinander zu verbinden.Furthermore, the sealing channels 13th of the individual fuel cell modules 2 connected to each other so that the sealing medium through several fuel cell modules 2 can circulate and / or the pressure in the fuel cell modules 2 the fuel cell device can be set in common, i.e. identically. For this purpose, a connecting channel can be used that forms the respective sealing channels 13th connects with each other. In the present exemplary embodiment, the sealing channels are 13th connected in series. Notwithstanding this, it is possible to use the sealing channels 13th of the multiple fuel cell modules 2 to connect in parallel with each other.

Gemäß einer Abwandlung des in den Darstellungen gezeigten Ausführungsbeispiels weist die Brennstoffzelleneinrichtung 1 einen Gassensor auf, über welchen das aus dem Dichtungskanal 13 austretende Dichtmedium detektiert werden kann.According to a modification of the exemplary embodiment shown in the illustrations, the fuel cell device has 1 a gas sensor, via which the out of the sealing channel 13th leaking sealing medium can be detected.

Optional kann die Brennstoffzelleneinrichtung 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel oder die Brennstoffzelleneinrichtung gemäß der Abwandlung eine Temperiervorrichtung zur Temperierung des Dichtmediums aufweise. Über diese Temperiervorrichtung kann das Dichtmedium beispielsweise gekühlt werden, wodurch indirekt auch das jeweilige Brennstoffzellenmodul 2 gekühlt werden kann.Optionally, the fuel cell device 1 according to the exemplary embodiment or the fuel cell device according to the modification has a temperature control device for temperature control of the sealing medium. The sealing medium can, for example, be cooled via this temperature control device, which also indirectly results in the respective fuel cell module 2 can be cooled.

Bei der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelleneinrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel kann ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenmoduls 2 Anwendung finden, bei welchem der Druck des Dichtmediums in dem Dichtungskanal 13 derart eingestellt wird, dass dieser größer ist als der Druck des ersten Wirkmediums in dem Anodengasbereich 6 und der Druck des zweiten Wirkmediums in dem Kathodengasbereich 7 und der Druck des Umgebungsmediums in der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls 2. Bei diesem Verfahren kann - beispielsweise mittels des Gassensors - ein Austritt des Dichtmediums aus dem Dichtungskanal 13 detektiert werden. In dem Fall eines solchen detektierten Austritts wird bevorzugt ein Dichtmittel in den Dichtungskanal 13 eingeleitet, wobei das Dichtmittel dazu ausgebildet ist, ein Leck in dem Dichtungskanal 13 zu verschließen. Bei dem Dichtmittel kann es sich beispielsweise um ein schäumendes und/oder aushärtendes Dichtmittel handeln, welches ein Leck in dem ersten oder zweiten Dichtungselement 11, 12 verschließt. Zum Vorhalten des Dichtmittels kann die Brennstoffzelleneinrichtung 1 ein Dichtmittelreservoir umfassen.In the case of the fuel cell device according to the exemplary embodiment described above, a method for operating a fuel cell module 2 Find application at which the pressure of the sealing medium in the sealing channel 13th is set such that it is greater than the pressure of the first active medium in the anode gas region 6th and the pressure of the second active medium in the cathode gas region 7th and the pressure of the ambient medium in the vicinity of the fuel cell module 2 . With this method - for example by means of the gas sensor - the sealing medium can escape from the sealing channel 13th can be detected. In the case of such a detected leak, a sealant is preferably used in the sealing channel 13th initiated, wherein the sealant is designed to leak a leak in the sealing channel 13th to close. The sealant can be, for example, a foaming and / or hardening sealant that causes a leak in the first or second sealing element 11 , 12th locks. The fuel cell device can provide the sealant 1 comprise a sealant reservoir.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzelleneinrichtungFuel cell device
22
BrennstoffzellenmodulFuel cell module
33
Innenrauminner space
44th
Platteplate
55
Elektrolytelectrolyte
66th
AnodengasbereichAnode gas area
77th
KathodengasbereichCathode gas area
1010
DoppeldichtungDouble seal
1111
inneres Dichtungselementinner sealing element
1212th
äußeres Dichtungselementouter sealing element
1313th
DichtungskanalSealing channel
H+H +
WasserstoffionenHydrogen ions
II.
elektrischer Stromelectrical current

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 3493306 A1 [0002]EP 3493306 A1 [0002]

Claims (10)

Brennstoffzellenmodul (2) mit einem Innenraum (3), der einen Anodengasbereich und einen von dem Anodengasbereich durch einen Elektrolyt (5) getrennten Kathodengasbereich umfasst, die jeweils ein Wirkmedium enthalten, wobei der Innenraum (3) durch eine Doppeldichtung (10) gegenüber der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls (2) abgedichtet ist, die ein inneres Dichtungselement (11) und ein äußeres Dichtungselement (12) aufweist, zwischen denen ein Dichtungskanal (13) angeordnet ist, in dem ein Dichtmedium aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck des Dichtmediums in dem Dichtungskanal (13) größer ist - als ein Druck eines ersten Wirkmediums in dem Anodengasbereich und - als ein Druck eines zweiten Wirkmediums in dem Kathodengasbereich und - als ein Druck eines Umgebungsmediums in der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls (2).Fuel cell module (2) with an interior (3) which comprises an anode gas area and a cathode gas area separated from the anode gas area by an electrolyte (5), each of which contains an active medium, the interior (3) being protected from the environment by a double seal (10) of the fuel cell module (2) is sealed, which has an inner sealing element (11) and an outer sealing element (12), between which a sealing channel (13) is arranged, in which a sealing medium is received, characterized in that a pressure of the sealing medium in the sealing channel (13) is greater - than a pressure of a first active medium in the anode gas area and - than a pressure of a second active medium in the cathode gas area and - than a pressure of an ambient medium in the vicinity of the fuel cell module (2). Brennstoffzellenmodul (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Dichtmediums in dem Dichtungskanal (13) um mindestens 25% größer ist, bevorzugt um mindestens 30% größer ist, besonders bevorzugt um mindestens 50% größer ist, als der Druck des ersten Wirkmediums in dem in dem Anodengasbereich und/oder als der Druck des zweiten Wirkmediums in dem Kathodengasbereich und/oder als der Druck des Umgebungsmediums in der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls (2).Fuel cell module (2) according to Claim 1 , characterized in that the pressure of the sealing medium in the sealing channel (13) is at least 25% greater, preferably at least 30% greater, particularly preferably at least 50% greater than the pressure of the first active medium in the anode gas area and / or as the pressure of the second active medium in the cathode gas region and / or as the pressure of the ambient medium in the vicinity of the fuel cell module (2). Brennstoffzellenmodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungskanal (13) mit mindestens einem Dichtmedium-Anschluss zum Einleiten des Dichtmediums in den Dichtungskanal (13) verbunden ist.Fuel cell module (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the sealing channel (13) is connected to at least one sealing medium connection for introducing the sealing medium into the sealing channel (13). Brennstoffzellenmodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmedium Wasser und/oder Glycol und/oder ein Öl und/oder ein Edelgas und/oder ein Formiergas enthält, bevorzugt Wasser oder ein Wasser-Glycol-Gemisch oder ein Öl oder Edelgas oder ein Formiergas ist.Fuel cell module (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the sealing medium contains water and / or glycol and / or an oil and / or a noble gas and / or a forming gas, preferably water or a water-glycol mixture or an oil or noble gas or a forming gas. Brennstoffzelleneinrichtung (1) mit mehreren Brennstoffzellenmodulen (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Fuel cell device (1) with several fuel cell modules (2) according to one of the preceding claims. Brennstoffzelleneinrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Dichtungskanal (13) eines ersten Brennstoffzellenmoduls (2) der Brennstoffzellenmodule (2) und ein zweiter Dichtungskanal (13) eines zweiten Brennstoffzellenmoduls (2) der Brennstoffzellenmodule (2), insbesondere über einen Verbindungskanal, miteinander verbunden sind.Fuel cell device (1) according to Claim 5 , characterized in that a first sealing channel (13) of a first fuel cell module (2) of the fuel cell modules (2) and a second sealing channel (13) of a second fuel cell module (2) of the fuel cell modules (2) are connected to one another, in particular via a connecting channel. Brennstoffzelleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen Gassensor, insbesondere zur Detektion eines Formiergasmarkers.Fuel cell device (1) according to one of the Claims 5 or 6th , characterized by a gas sensor, in particular for detecting a forming gas marker. Brennstoffzelleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine Temperiervorrichtung zur Temperierung des Dichtmediums.Fuel cell device (1) according to one of the Claims 5 to 7th , characterized by a temperature control device for temperature control of the sealing medium. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenmoduls (2) mit einem Innenraum (3), der einen Anodengasbereich und einen von dem Anodengasbereich durch einen Elektrolyt (5) getrennten Kathodengasbereich umfasst, die jeweils ein Wirkmedium enthalten, wobei der Innenraum (3) durch eine Doppeldichtung (10) gegenüber der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls (2) abgedichtet ist, die ein inneres Dichtungselement (11) und ein äußeres Dichtungselement (12) aufweist, zwischen denen ein Dichtungskanal (13) angeordnet ist, in dem ein Dichtmedium aufgenommen ist, wobei ein Druck des Dichtmediums in dem Dichtungskanal (13) derart eingestellt wird, dass dieser größer ist - als ein Druck eines ersten Wirkmediums in dem Anodengasbereich und - als ein Druck eines zweiten Wirkmediums in dem Kathodengasbereich und - als ein Druck eines Umgebungsmediums in der Umgebung des Brennstoffzellenmoduls (2).Method for operating a fuel cell module (2) with an interior (3) which comprises an anode gas area and a cathode gas area separated from the anode gas area by an electrolyte (5), each of which contains an active medium, the interior (3) being provided with a double seal (10 ) is sealed against the environment of the fuel cell module (2), which has an inner sealing element (11) and an outer sealing element (12), between which a sealing channel (13) is arranged, in which a sealing medium is received, with a pressure of the sealing medium is set in the sealing channel (13) such that it is larger - As a pressure of a first active medium in the anode gas area and - As a pressure of a second active medium in the cathode gas area and - As a pressure of an ambient medium in the vicinity of the fuel cell module (2). Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fall, dass ein Austritt des Dichtmediums aus dem Dichtungskanal (13) detektiert wird, ein Dichtmittel in den Dichtungskanal (13) eingeleitet wird, wobei das Dichtmittel dazu ausgebildet ist, ein Leck in dem Dichtungskanal zu verschließen.Procedure according to Claim 9 , characterized in that in the event that an exit of the sealing medium from the sealing channel (13) is detected, a sealing agent is introduced into the sealing channel (13), the sealing agent being designed to close a leak in the sealing channel.
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