WO2021073679A1 - Brennstoffzellenmodul mit doppeldichtung - Google Patents

Brennstoffzellenmodul mit doppeldichtung Download PDF

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WO2021073679A1
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Jonas Baumann
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Definitions

  • 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.
  • Such a fuel cell module with a double seal is known from EP 3493 306 A1.
  • 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.
  • 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 than a pressure of a first active medium in the anode gas region and
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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. Due to the at least 25% higher pressure in the sealing channel, it can be ensured that there is a leakage of the inner or outer sealing element does not come to an entry of active media into the sealing channel, but rather that the sealing medium emerges from the sealing channel.
  • the pressure of the sealing medium in the sealing channel is at least 30% or 505 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 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.
  • 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.
  • the sealing medium contains water and / or glycol and / or an oil and / or a noble gas and / or a forming gas.
  • 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.
  • Another object of the invention is a fuel cell device with several fuel cell modules described above.
  • the same advantages can be achieved that have already been described in connection with the fuel cell module.
  • 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. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • a method for operating a fuel cell module with an interior 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 being protected from the surroundings by a double seal
  • Fuel cell module is sealed, 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 set such that it is greater
  • 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.
  • the advantageous refinements and features described in connection with the fuel cell module can also be used alone or cumulatively in the method.
  • FIG. 1 shows a fuel cell device with a plurality of fuel cell modules according to an embodiment of the invention in a partial exploded view
  • FIG. 2 shows a fuel cell module according to an exemplary embodiment of the invention in a schematic sectional illustration.
  • a fuel cell device 1 designed as a fuel cell stack is shown, which has a multiplicity of stacked fuel cell modules 2.
  • the fuel cell modules 2 each include an interior space 3 which is formed between two plates 4.
  • an electrolyte 5 in particular an electrolyte membrane, which divides the interior 3 into an anode gas area 6 and a cathode gas area 7.
  • a first active medium in the form of fuel is supplied to the electrolyte 5 via the anode gas region 6.
  • hydrogen (H2) is used as the fuel.
  • methane or methanol or butane or natural gas can be used as fuel.
  • An oxygen-containing, second active medium for example oxygen (O2) or air, is supplied via the cathode gas region 7.
  • 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 H2 is oxidized at the anode. This creates positively charged hydrogen ions H + . These positively charged ions H + move through the electrolyte 5 in the direction of the cathode.
  • an electron flow that can be measured as an electrical current I is generated from the cathode to the anode via an external connection.
  • the positively charged hydrogen ions + react with the oxygen O2 of the oxygen-containing gas to form water H2O.
  • the water H2O is diverted, possibly together with residual air contained in the interior 3.
  • the double seal 10 comprises an inner sealing element 11 and an outer sealing element 12.
  • both the inner and the outer sealing element have a circular cross section.
  • sealing elements with other cross-sections can also be used, for example with a triangular, square, or oval cross-section.
  • a sealing channel 13, in which a sealing medium is received, is arranged between the inner sealing element 11 and the outer sealing element 12. The pressure of this sealing medium in the sealing channel 13 is set such that it is greater than the pressure of the first active medium in the anode gas area 6 and the pressure of the second active medium in the cathode gas area 7 and the pressure of the air in the vicinity of the fuel cell module 2.
  • 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 that in the anode gas area 6 and / or than the Pressure of the second active medium in the cathode gas region 7 and / or as the pressure of the ambient medium in the vicinity of the fuel cell.
  • the sealing channel 13 also has a sealing medium connection, not visible in the figures, for introducing the sealing medium into the sealing channel.
  • the sealing medium used in the fuel cell device 1 according to the exemplary embodiment can be a sealing medium 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.
  • the sealing channels 13 of the individual fuel cell modules 2 are connected to one another, so that the sealing medium can circulate through several fuel cell modules 2 and / or the pressure in the fuel cell modules 2 of the fuel cell device can be set jointly, i.e. identically.
  • a connecting channel can be used which connects the respective sealing channels 13 to one another.
  • the sealing channels 13 are connected to one another in series. In a departure from this, it is possible to connect the sealing channels 13 of the plurality of fuel cell modules 2 to one another in parallel.
  • the fuel cell device 1 has a gas sensor by means of which the sealing medium emerging from the sealing channel 13 can be detected.
  • the fuel cell device 1 according to the exemplary embodiment or the fuel cell device according to the modification can have a temperature control device for temperature control of the sealing medium.
  • the sealing medium can, for example, be cooled via this temperature control device, as a result of which the respective fuel cell module 2 can also be cooled indirectly.
  • a method for operating a fuel cell module 2 can be used in which the pressure of the sealing medium in the sealing channel 13 is set such that it is greater than the pressure of the first active medium in the anode gas area 6 and the pressure of the second active medium in the cathode gas region 7 and the pressure of the ambient medium in the vicinity of the fuel cell module 2.
  • a sealing means is preferably introduced into the sealing channel 13, the sealing means being designed to close a leak in the sealing channel 13.
  • the sealant can be, for example, a foaming and / or hardening sealant which closes a leak in the first or second sealing element 11, 12.
  • the fuel cell device 1 can comprise a sealant reservoir.

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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).

Description

Brennstoffzellenmodul mit Doppeldichtung
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.
Ein derartiges Brennstoffzellenmodul mit einer Doppeldichtung ist aus der EP 3493 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.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein Brennstoffzellenmodul mit einerweiter reduzierten Brand- bzw. Explosionsgefahr anzugeben.
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.
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.
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.
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.
Der Elektrolyt ist bevorzugt durch eine Membrane, insbesondere eine Polymerelektrolyt membrane, 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.
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 505 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.
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.
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.
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.
Die Brennstoffzelleneinrichtung kann aus mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellenmodulen ausgebildet sein. Eine derartige Brennstoffzelleneinrichtung kann auch als Brennstoffzellenstapel (engl fue! cell stack) bezeichnet werden. 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.
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.
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.
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.
Bei dem Verfahren können dieselben Vorteile verwirklicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellenmodul beschrieben worden sind.
Bevorzugt wird, insbesondere mittels eines Gassensors, überwacht, ob das Dichtmedium aus dem Dichtungskanal austritt.
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.
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.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
Fig. 1 eine Brennstoffzelleneinrichtung mit mehreren Brennstoffzellenmodulen gemäß einem Ausführungsbei der Erfindung in einer teilweisen Explosionsdarstellung; und
Fig. 2 ein Brennstoffzellenmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung. In der Fig. 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.
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.
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 Fig. 2 näher erläutert werden. In dieser Darstellung ist der Elektrolyt 5, hier die Elektrolyt-Membran zur besseren Übersicht nicht gezeigt.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzelleneinrichtung
2 Brennstoffzellenmodul 3 Innenraum
4 Platte
5 Elektrolyt
6 Anodengasbereich 7 Kathodengasbereich 10 Doppeldichtung
11 inneres Dichtungselement 12 äußeres Dichtungselement 13 Dichtungskanal H+ Wasserstoffionen I elektrischer Strom

Claims

Patentansprüche
1. 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).
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).
3. 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.
4. 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.
5. Brennstoffzelleneinrichtung (1) mit mehreren Brennstoffzellenmodulen (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
6. 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.
7. Brennstoffzelleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen Gassensor, insbesondere zur Detektion eines Formiergasmarkers.
8. Brennstoffzelleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine Temperiervorrichtung zur Temperierung des Dichtmediums.
9. 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).
10. 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.
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