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