DE10319885A1

DE10319885A1 - Sicherungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10319885A1
Application number: DE10319885A
Authority: DE
Inventors: Thomas Klassen; Susanne Nowak
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Geesthacht Zentrum fuer Material und Kustenforschung GmbH
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-26
Also published as: DE10319885B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung für Wasserstoff aufweisende Vorrichtungen und/oder Anlagen. DOLLAR A Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sicherungsvorrichtung für Wasserstoff aufweisende Vorrichtungen und/oder Anlagen vorzuschlagen, welche von einer Spannungsversorgung unabhängig ist. DOLLAR A Dazu ist es vorgesehen, dass die Sicherungsvorrichtung (10) einen gasdichten Hohlkörper (12) aufweist, der eine Membran (14) umfasst, wobei die Membran (14) eine Elektrolyt-Membran ist und elektrisch leitend mit einem Mittel zur Abschaltung der Vorrichtung/Anlage und/oder einem Mittel (16) zur Auslösung eines Alarms verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Systeme, welche die chemische Energie von Oxidationsprozessen direkt in elektrische Energie umsetzen. Das Funktionsprinzip ist ähnlich dem von Primärbatterien, mit dem Unterschied, dass die Energie nicht in Elektroden gespeichert ist, sondern üblicherweise in einem Tank gelagert wird. Zukünftig sollen auch kleinere, portable Geräte mit Wasserstoff und Brennstoffzellen betrieben werden. Eine solche Energieversorgung bietet eine höhere Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien und soll diese in bestimmten Anwendungen ersetzen.

Als wichtiger Faktor für die kommerzielle Nutzbarkeit von Brennstoffzellen ist deren Sicherheit einzustufen. Dabei besteht vor allem die Gefahr, dass aufgrund von Undichtigkeiten der Brennstoffzelle und/oder des Vorratstankes Wasserstoff in die Umgebung entweicht. Dies kann in geschlossenen Räumen bei einer entsprechenden Konzentration zu einer Entzündungs- beziehungsweise Explosionsgefahr führen. Aus diesem Grund ist es bekannt, für mit Wasserstoff arbeitende Vorrichtungen/Anlagen, wie zum Beispiel Brennstoffzellen, Sicherungsvorrichtungen zu verwenden, welche einen unerwünschten Wasserstoffaustritt in die Umgebung verhindern beziehungsweise bei einem Wasserstoffaustritt einen Alarm geben.

Brennstoffzellen sind üblicherweise modular aufgebaut. Dies bedeutet, dass viele Einzelzellen in Stacks (Stapel) hintereinander, das heißt elektrisch in Reihe geschaltet werden, um die verfügbare Spannung zu erhöhen. An jeder Einzelzelle entsteht näherungsweise die gleiche Einzelzellenspannung. Durch den Stack und jede Einzelzelle fließt der gleiche Strom. Üblicherweise werden die Einzelzellen oder zumindest Gruppen von Einzelzellen gastechnisch parallel geschaltet und durch große Gaszuführungsleitungen mit den Brenngasen Wasserstoff und Sauerstoff beziehungsweise Luft versorgt. Die Gas- und Wasserabführung erfolgt ebenfalls über großdimensionierte Gasabführungsleitungen. Folglich sind die Einzelzellen über Gasleitungen miteinander verbunden. Im Falle einer Beschädigung einer Einzelzelle sinkt die Einzelzellenspannung stark ab. Es ist bekannt, derartige Störfälle durch Überwachung der Einzelzellspannungen, des Druckes oder der Temperatur der Einzelzellen zu detektieren. Zur Schadensbegrenzung wird die Gasversorgung für den gesamten Stack bei Auftreten eines Störfalls unterbrochen.

Aus der Druckschrift JP 07-272740A ist ein Brennstoffzellenstapel bekannt, dessen Einzelzellen mit einander in Verbindung stehen. Die Vorrichtung wird abgeschaltet, indem zunächst die Reaktionszufuhr abgeschaltet und anschließend der Stapel mit Inertgas geflutet wird. Mittel zur Notabschaltung der Brennstoffzelle bei Auftreten eines Störfalls setzen sich gemäß dem Stand der Technik aus Detektoren zur Feststellung eines aufgetretenen Störfalls sowie aus Mitteln zur Abschaltung der Brennstoffzelle, die im Fall der Feststellung eines Störfalls abschalten, zusammen. Nachteilhafterweise werden gemäß der in JP 07-272740A vorgeschlagenen Lösung trotz Notabschaltung der Gaszufuhr regelmäßig mehrere Einzelzellen beschädigt.

Zur Vermeidung dieses Nachteils sieht die DE 196 30 842 C1 Mittel zur Unterbrechung der Gasleitungsverbindungen als Notabschaltungsmittel vor. Hierdurch werden die Einzelzellen bei Auftreten eines Störfalls gastechnisch voneinander abgekoppelt und sind daher nach der Notabschaltung nicht mehr über Gasleitungen miteinander verbunden. Nachteilhaft an den vorbeschriebenen Lösungen ist es jedoch, dass diese zu ihrer Funktion Detektoren zur Feststellung eines aufgetretenen Störfalls vorsehen, welche eine Stromversorgung benötigen. Dies ist insbesondere für portable Geräte mit Brennstoffzellen nachteilhaft, da diese gerade auch dort verwendet werden sollen, wo keine (externe) Stromversorgung zur Verfügung steht. Weiterhin ist eine elektrische Versorgung der Detektoren über die (portable) Brennstoffzelle selbst deshalb nachteilhaft, da in einem solchen Fall die Brennstoffzelle ständig Strom zum Betrieb der Detektoren liefern müsste und daher eine Abschaltung der Brennstoffzelle auch bei Nichtbetrieb des zu versorgenden Gerätes nicht möglich wäre.

Die DE 43 41 437 C1 beschreibt ein Sicherheitssystem für ein mit gasförmigem Kraftstoff betriebenes Fahrzeug mit wenigstens einem Sensor zur Erfassung der Konzentration des gasförmigen Kraftstoffes in der Luft im Fahrzeug, mit einem Batterietrennschalter zur Unterbrechung des Fahrzeug-Stromkreises in Abhängigkeit von der Kraftstoffkonzentration im Fahrzeug und mit zumindest einem Gasventil, mit dem die Zufuhr von gasförmigem Kraftstoff eingestellt werden kann. Dieses Sicherheitssystem benötigt jedoch ebenfalls eine Stromversorgung für den Sensor zur Erfassung der Konzentration des gasförmigen Kraftstoffes in der Luft im Fahrzeug.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sicherungsvorrichtung für Wasserstoff aufweisende Vorrichtungen und/oder Anlagen vorzuschlagen, welche von einer Spannungsversorgung unabhängig ist. Darüber hinaus soll die erfindungsgemäße Vorrichtung kostengünstig sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle und/oder ein anderes, Wasserstoff aufweisendes System ohne eine Spannungsversor gung auskommt. Dazu weist die Sicherungsvorrichtung einen gasdichten Hohlkörper auf, welcher eine Membran umfasst, wobei die Membran eine Elektrolyt-Membran ist und elektrisch leitend mit einem Mittel zur Abschaltung der Vorrichtung/Anlage und/oder einem Mittel zur Auslösung eines Alarms verbunden ist. Hierdurch kann sowohl eine portable als auch eine fest installierte, Wasserstoff aufweisende Vorrichtung und/oder Anlage in eine zweite Hülle (den gasdichten Hohlkörper) integriert werden, welche die kritischen Komponenten gasdicht umschließt. Zumindest ein Teil des Hohlkörpers weist eine Elektrolyt-Membran auf. Sofern die innerhalb der Sicherungsvorrichtung angeordnete, Wasserstoff führende Vorrichtung/Anlage eine Leckage bekommt, dringt Wasserstoff in den erfindungsgemäßen gasdichten Hohlkörper ein. Nun liefert die integrierte Elektrolyt-Membran eine Spannung wie bei einer regulären Brennstoffzelle. Die Elektrolyt-Membran ist erfindungsgemäß mit einem Mittel zur Abschaltung der Vorrichtung/Anlage und/oder einem Mittel zur Auslösung eines Alarms verbunden.

Die Elektrolyt-Membran ist vorzugsweise eine Kunststoffmembran. Vorzugsweise besteht lediglich ein kleiner Teil des Hohlkörpers aus der Membran. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass der Hohlkörper vollständig aus der Membran besteht.

Vorzugsweise weist ein Mittel zur Abschaltung der Vorrichtung/Anlage ein Mittel zum Absaugen von Wasserstoff auf. In einer bevorzugten Ausführungsvari ante ist die zu sichernde Vorrichtung eine Brennstoffzellenvorrichtung.

Vorzugsweise weist der Hohlkörper mindestens eine gasdicht verschließbare Öffnung zur Führung elektrischer Leitungen von Anode oder Kathode einer Brennstoffzelle aus dem Inneren in die Umgebung auf, wobei die Öffnung gasdicht mit den Leitungen abschließt. Über diese elektrischen Leitungen kann dann ein technisches Gerät mit der Energie der Brennstoffzelle versorgt werden. Dabei braucht das technische Gerät nicht notwendigerweise vom Hohlkörper umschlossen zu sein.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die eine erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle in schematischer Darstellung zeigt, näher erläutert.
Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung 10 für eine Brennstoffzelle 20. Zum Betrieb der Brennstoffzelle 20 ist diese mit einem Wasserstoffspeicher 24 und einer Regelelektronik 26 verbunden. Entsprechend der an der Spannungsquelle 28 für einen Verbraucher benötigten Leistung werden der Brennstoffzelle 20 Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher 24 und Sauerstoff aus der Umgebung der Brennstoffzelle 20 zugeführt. Innerhalb der Brennstoffzelle 20 kommt es zu einer kontrollierten Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. An der mit Katalysatoren beschichteten Anode der Brennstoffzelle 20 teilen sich die vom Wasserstoffspeicher 24 zugeführten Wasserstoffmoleküle in ihre zwei Wasserstoffatome auf. Jedes Atom gibt ein Elektron ab, das über einen elektrischen Leiter zur Kathode der Brennstoffzelle 20 wandert. Hierdurch fließt ein elektrischer Strom, der sich zum Beispiel zur Versorgung eines Verbrauchers nutzen lässt. Zurück bleiben positiv geladene Wasserstoffionen (H⁺). Auf der Kathodenseite teilen sich Sauerstoffmoleküle unter Einfluss von Katalysatoren in ihre zwei Sauerstoffatome auf. Diese nehmen dann jeweils zwei Elektronen auf, wodurch negativ geladene Sauerstoffionen entstehen. Die Wasserstoffionen H⁺ wandern von der Anodenseite durch den Elektrolyten auf die Kathodenseite. Dort vereinigen sie sich mit den negativ geladenen Sauerstoffionen (O^2–) zu Wasser.
Die erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung 10 weist einen gasdichten Hohlkörper 12 auf. Dieser gasdichte Hohlkörper 12 weist in seinem oberen Teil eine Membran 14 auf, welche eine Elektrolyt-Membran ist. Weiterhin weist der gasdichte Hohlkörper 12 zwei Öffnungen 18 auf. Über diese Öffnungen 18 werden einerseits die elektrische Leitung 30 der Anode der Brennstoffzelle 20; andererseits die elektrische Leitung 30 der Anodenseite der Elektrolyt-Membran 14 aus dem Hohlkörper 12 heraus geführt. Dabei schließen die elektrischen Leitungen 30 gasdicht mit dem Hohlkörper 12 ab. Eine weitere Öffnung besitzt der Hohlkörper 12 im Bereich der Brennstoffzelle 20. Dies ist deshalb notwendig, da die Brennstoffzelle 20 nicht vollständig vom Hohlkörper 12 eingeschlossen sein soll, damit eine Sauerstoffzufuhr aus der Umgebungsluft zum Betrieb der Brennstoffzelle 20 dauerhaft ermöglicht werden kann. Um einen Austritt von Gasen aus dem Inneren des Hohlkörpers 12 zu vermeiden, sind die Brennstoffzelle 20 und der Hohlkörper 12 gasdicht miteinander verbunden.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung 10 eine Signallampe 16 auf, welche über elektrische Leitungen 30 sowohl mit der Anodenseite (Wasserstoffseite) der Elektrolyt-Membran 14 als auch mit der Kathodenseite (Sauerstoffseite) der Elektrolyt-Membran 14 verbunden ist.
Bei einem ordnungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzelle 20 wird sich nur innerhalb des Wasserstoffspeichers 24 und der Zuleitung zur Brennstoffzelle 20 Wasserstoff befinden. Dieser reagiert in der Brennstoffzelle 20 in oben beschriebener Weise zu Wasser. Sollte es nun zu einer Leckage beispielsweise der Brennstoffzelle 20 oder des Wasserstoffspeichers 24 oder der Zuleitung zwischen Wasserstoffspeicher 24 und Brennstoffzelle 20 kommen, dringt Wasserstoff in das Innere des gasdichten Hohlkörpers 12 ein. Dadurch, dass der Hohlkörper 12 erfindungsgemäß gasdicht ausgebildet ist, kann der Wasserstoff nicht in die Umgebung austreten. Hierdurch wird verhindert, dass ein unerwünschter Wasserstoffaustritt zu einer Explosionsgefahr führt. Ebenfalls werden die an der Außenseite der Elektrolyt-Membran 14 befindlichen Sauerstoffmoleküle in Sauerstoffatome aufgespalten. Hierdurch kommt es analog zur Wirkungsweise der Brennstoffzelle 20 an der Elektrolyt-Membran 14 zu einem elektrischen Stromfluss, welcher zum Aufleuchten der Signallampe 16 führt. Hierdurch wird erfindungsgemäß ein Signal ausgelöst, welches darauf hinweist, dass eine Wasserstoffleckage aufgetreten ist.
Besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung 10 ist, dass diese ohne eine Spannungsversorgung auskommt: Die vorgenannte Sicherungsvorrichtung 10 kann in gleicher Weise für eine Elektrolysezelle Anwendung finden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

10: Sicherungsvorrichtung
12: gasdichter Hohlkörper
14: Membran
16: Signallampe
18: gasdichte Öffnung
20: Brennstoffzelle
24: Wasserstoffspeicher
26: Regelelektronik
28: Spannungsquelle
30: elektrische Leitung

Claims

Sicherungsvorrichtung für Wasserstoff aufweisende Vorrichtungen und/oder Anlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsvorrichtung (10) einen gasdichten Hohlkörper (12) aufweist, der eine Membran (14) umfasst, wobei die Membran (14) eine Elektrolyt-Membran ist und elektrisch leitend mit einem Mittel zur Abschaltung der Vorrichtung/Anlage und/oder einem Mittel (16) zur Auslösung eines Alarms verbunden ist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) eine Proton Exchange Membran (PEM) ist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) eine Kunststoffmembran ist.
Sicherungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (12) vollständig aus einer Membran (14) besteht.
Sicherungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohl körper (12) die Vorrichtung/Anlage vollständig umschließt.
Sicherungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (12) die Vorrichtung/Anlage teilweise umschließt, wobei der Hohlkörper (12) und die Vorrichtung/Anlage gasdicht miteinander verbunden sind.
Sicherungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Brennstoffzelle (20) oder eine Elektrolysezelle ist.
Sicherungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Abschaltung der Vorrichtung/Anlage ein Mittel zum Absaugen von Wasserstoff aufweist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (12) mindestens eine gasdicht verschließbare Öffnung (18) aufweist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (12) mindestens eine gasdicht verschließbare Revisionsöffnung aufweist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (12) mindestens eine gegen Gasaustritt abgedichtete Öffnung (18) zur Führung elektrischer Leitungen (30) aufweist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (12) eine Öffnung (18) zur gasdichten Verschraubung mit einer technischen Komponente aufweist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die technische Komponente eine Brennstoffzelle (20) oder Elektrolysezelle ist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (18) mindestens einen Flansch aufweist.