DE2631113A1

DE2631113A1 - Brennstoffzellenkuehlsystem

Info

Publication number: DE2631113A1
Application number: DE19762631113
Authority: DE
Inventors: Carl Anthony Reiser
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1975-07-21
Filing date: 1976-07-10
Publication date: 1977-02-10
Also published as: JPS5213637A; US3964930A; IL49873A; GB1558081A; FR2319208B1; IL49873A0; FR2319208A1; DE2631113C2; JPS5833670B2; CA1065395A

Description

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION PATENTANWÄLTE

1 Financial Plaza MENGES & PRAHL

Erhardtstr. 12 D-8000 Manchen 5 Hartford, Connecticut 06101

; 9, Juli 1976

Anwaltsakte U 326

BRENNSTOFFZELLENKÜHLSYSTEM.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellenanlagen und insbesondere auf Kühlsystene für solche Anlagen.

Eine Brennstoffzellenanlage besteht im allgemeinen aus einer Anzahl einzelner, elektrisch in Serie verbundener Zellen. In den Zellen reagieren Reaktionsmittel wie Wasserstoff enthaltender Brennstoff mit Luft oder anderen Oxydationsmitteln wobei elektrischer Strom in gut bekannter Art und Weise entsteht» Die Zellen sind zwischen Trennplatten angeordnet welche Durchlässe aufweisen durch welche die Reaktionsmittel an die Zelle gelangen. Bei der elektrochemischen Reaktion entsteht als Nebenprodukt Reaktionswärme welche aus den Zellen entfernt werden muss um die Zellen bei konstanter Temperatur zu halten. Um einen wirksamen Betrieb der Zelle zu gewährleisten sollen die Zellen bei gleichmassiger Temperatur betrieben werden» Auch soll die mit Be^ug auf die Materialeigenschaften der Zellenbestandteile zulässige maximale Temperatur gehalten werden.

Es ist bekannt Reaktionswärme aus Brennstoffzellenanlagen mit Hilfe von parallel zur Ebene der Zellen angeordneten Kühloberflächen zu entfernen. Diese Kühloberflächen bestehen oft aus Durchlässen in den Trennplatten durch welche eine Kühlflüssigkeit durchgeleitet wird. Der enge Kontakt zwischen der Kühlflüssigkeit und den Trennplatten gewährleistet eine hohe Wärmeleitfähigkeit

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zwischen den Zellen und dem Kühlmittel wodurch der Temperaturgradient zwischen diesen minimal gehalten werden kann. In Abhängigkeit der Stromdichte und der thermischen Eigenschaften einer Brennstoffzellenanlage können Kühlmitteldurchlässe zwischen einer jeden einzelnen Zelle oder zwischen Zellenpaaren, zur Entfernung der Wärme aus mehreren Zellen _f angeordnet sein. Im allgemeinen wird letztere Lösung bevorzugt. Die Kühlmitteldurchlässe sind normalerweise innerhalb der Trennplatten angeordnet. Hierdurch ist es notwendig relativ dicke Trennplatten einzubauen.

Da das Kühlsystem einen Bestandteil der Anlage bildet ist es den elektrischen Spannungen der Zellen ausgesetzt. In grossen Anlagen können diese Spannungen hunderte oder sogar tausende von Volt betragen. Es ist somit wichtig dass kein nennenswerter Stromfluss (i.e. Nebenschlusstrom) zwischen den Zellen und der Erde durch den Kühlmittelkreislauf erhalten wird. Nebenschlusströme könnten eine ernste Korrosion der Bestandteile der Anlage und/oder grosse parasitische Stromverluste zur Folge haben. Aus diesem Grunde wurden in den bekannten Brennstoffzellenkühlsystemeidielektrische Flüssigkeiten als Kühlmittel eingesetzt da diese den elektrischen Strom nicht leiten. Obschon hierdurch das Problem der Nebenschlussstrome in des Kühlmittelkreislauf gelöst war tauchten neue Nachteile auf. Bielektrische Flüssigkeiten wie z.B. Fluorkohlenstoffe oder auf Silikon basierende OeIe, welche bei den Betriebstemperaturen der Zelle eingesetzt werden können, sind sehr teuer. Die niedrige spezifische Wärme der dielektrischen Kühlmittel bedingt dass ein hoher Massendurchsatz durch die Zelle notwendig ist. Hierbei geht ein grosser Teil der erzeugten Energie zum Betrieb der Kühlmittelpumpen verloren. Der hohe Kühlmitteldurchsatz durch die Durchgänge führt auch dazu dass die Dimension und die Kosten der Anlage sowie der Zufuhrleitungen steigen»

Zusätzlich zu den obigen Nachteilen sind auch weitere Nachteile mit dielektrischen Kühlmitteln verbunden. Die Wärmemenge welche an das dielektrische Kühlmittel abgegeben wird ist eine Funktion des Unterschiedes zwischen der Temperatur am Eingang und am Auslass der Zelle. Falls die Temperatur nicht oberhalb ein gewisses Maximum steigen soll wird ein Grossteil der Zelle notwendigerweise bei einer Temperatur unterhalb dieser maximalen Temperatur be-

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trieben, so dass eine asymmetrische Temperaturverteilung über die Zelle erhalten wird. Hierdurch wird die Zellenleistung und die Wirksamkeit erniedrigt. Brennstoffzellen sind auch gegenüber dielektrischen Flüssigkeiten anfällig, Spuren dielektrischer Kühlmittel welche in die Zelle durch Lecke gelangen können die Zellenleistung erniedrigen oder die Zelle zerstören. Zusätzlich zu diesen Problemen sind die dielektrischen Kühlmittel stark entflammbar und bilden giftige Reaktionsprodukte. Ausserdem weisen dielektrische Kühlmittel eine niedrige Oberflächenspannung auf, so dass es sehr schwierig ist den Kühlmittelkreislauf abzudichten.

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein System zur Kühlung der Brennstoffzellenanlagen durch welches die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden können. Durch das Kühlsystem der vorliegenden Erfindung wird sowohl innerhalb als auch ausserhalb der Zelle nur ein minimaler Raum beansprucht.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird das Kühlmittel durch Rohre geleitet welche an der Elektrode einer Zelle, in Durchgängen, in der Oberfläche der Trennplatten angebracht sind. Die Rohre durch welche das Kühlmittel geleitet wird werden somit in Durchgänge eingebaut welche normalerweise zur Zufuhr der Reaktionsgase an die Brennstoffzellenelektrode dienen. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Rohre elektrisch isoliert und Wasser wird als Kühlmittel eingesetzt.

Die Anordnung der Kühlmittelrohre in Durchgängen in der Oberfläche der Trennplatten bedingt, dass, mit Bezug auf die Trennplatten der Technik, weniger dicke Trennplatten eingesetzt werden können.

Eine Brennstoffzellenanlage gemäss der bevorzugten Ausführnngsform umfasst eine Anzahl Kühlrohre innerhalb wenigstens einer Trennplatte in der Brennstoffzelleneinheit. Die Rohre können aus einem dielektrischen Material, welches den Betriebstemperaturen und Temperaturen der Anlage widersteht und mit den Reaktionsmitteln und anderen Zellenbestandteilen verträglich ist? bestehen«, Auch können Rohre aus einem elektrisch leitfähigen Material eingesetzt werden, diese müssen jedoch mit einem dielektrischen Material über= zogen sein, wie z.B. mit einem Fluorkohlenstoffkunststoff _B um die

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Rohre und die Kühlflüssigkeit elektrisch von den Spannungen in der Trennplatte zu isolieren und das leitfähige Rohrmaterial vor Korrosion in der ZeilenUmgebung zu schützen.

Um einen nennenswerten elektrischen Stromfluss zwischen den Zellen und der Erde (i.e. Kurzschluss) durch das Kühlmittel, im Falle von Fehlstellen in der Oberfläche des Ueberzuges_; zu vermeiden kann das Kühlsystem eine hohe Widerstandsstrecke zwischen den Kühlrohren und dem mit der Erde verbundenem Kühlmittelzuflussystem aufweisen= Ein jedes Kühlrohr oder Gruppe von Rohren kann auch durch dielektrische Schläuche an das Kühlmittelverteilsystem angeschlossen werden» Diese dielektrischen Schläuche sollen ein hohes Verhältnis Länge zu Durchmesser aufweisen. Dieser Aufbau des Systems im Zusammenhang mit Kühlwasser einer niedrigen bis mittelmässigen elektrischen Leitfähigkeit bedingt dass eine Impedanzstrecke von einigen hunderttausend Ohm durch das Kühlmittel erhalten wird.

Gemäss der vorliegenden Erfindung kann auch eine verbrennbare Elektrode i.e. Anode an den Kühlrohrenden oder den Kühlmittelverteiler angeschlossen werden. Das Kühlsystem ist so konzipiert dass eine elektrogalvanische Korrosion bei niedriger Geschwindigkeit an der verbrennbaren Anode auftritt so dass die strukturelle Integrität der Bestandteile der Brennstoffzelleneinheit während mehreren Betriebsjähren gewährleistet ist. Hierdurch wird eine lange Brennstoffzellenlebensdauer erhalten.

Wasser wird als Kühlmittel bevorzugt da Wasser relativ billig erhalten werden kann« Der niedrige Kochpunkt des Wassers erlaubt auch die Reaktionswärme durch Verdampfung bei annehmbaren Drucken aus den Zellen zu entfernen« Bei der Verdampfung absorbiert Wasser Wärme bei konstanter Temperatur so dass die Zellen vom Eingang bis zum Ausgang bei konstanter Temperatur betrieben werden können. Da die Kochtemperatur des Wassers eine Funktion des Druckes ist kann das Temperaturniveau der Zeilen durch Regelung des Druckniveaus in dem Wasser/Dampf Kühlmittelkreislauf geregelt werden. Die hohe Verdampfung=wärras des Wassers bedeutet, dass grosse Mengen Wärme pro Masseneinheit Wasser, welches durch das Kühlsystem geleitet wird^ abgegeben werden können so ds.ss der Kühl-

a υ 5» w υ

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mitteldurchsatz durch die Anlage mit Bezug auf dielektrische oder nicht kochende Kühlmittel um ein wesentliches erniedrigt werden kann. Hierdurch können die Leitungen kleiner gehalten werden, auch geht weniger Energie zum Betrieb der Kühlmittelpumpen verloren, Ein Lecken von geringen Mengen Wasser in die Zelle hat keinen Einfluss auf die Zellenleistung. Zum weiteren ist Wasser nicht giftig.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird Bezug genommen auf die nachfolgende Beschreibung und Figuren in welchen:

Figur 1 einen schematischen Querschnitt eines Teiles einer Brennstoffzellenanlage mit zwei elektrisch in Serie verbundener Brennstoffzellen und dem Kühlsystem der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 einen vergrösserten Querschnitt entlang der Linie 2-2 der Figur 1,

Figur 3 eine vergrösserte perspektivische Ansicht einer Trennplatte einer Brennstoffzelle und Kühlmittelrohren einer der Einheiten der Figur 1,

Figur 4 einen vergrösserten Querschnitt einer verbrennbaren Elektrode welche in den Einheiten der Figur 1 eingesetzt wird, darstellen.

Als Beispiel einer Ausführungsform der Erfindung kann die Brennstoffzellenanlage mit dem Kühlsystem der Figur 1 betrachtet werden. Die Brennstoffzellenanlage besteht aus einem Paar Brennstoffzelleneinheiten 10, 12. Die Anzahl der Einheiten ist nur beispielhaft da das Kühlmittelsystem der vorliegenden Erfindung mit einer einzelnen Einheit oder einer grösseren Anzahl Einheiten eingesetzt werden kann. Gemäss dieser Ausführungsform, sowie in den Ausführungsformen mit mehr als einer Einheit, sind die Einheiten elektrisch in Serie über eine Ladung 14, wie z.B. durch die elektrischen Verbindungen 16, 18.verbunden. Die Einheiten 10, 12 sind bei 20 elektrisch geerdete

Eine jede Einheit 10 _f 12 umfasst eine Anzahl einzelner Zellen Trennplatten 24, 24a welche z.B. aus Graphit bestehen können, sind zwischen jedem Zellenpaar angeordnet« Die Platten 24, 24a sind elektrisch leitfähig und durch sie werden die einzelnen

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- 6 Zellen 22 elektrisch in Serie verbunden.

Die Zellen 22 und die Platten 24, 24a sind am besten in der Figur 2 wiedergegeben. Eine jede Zelle 22 umfasst eine Kathode 28, eine Anode 26 und eine zwischen diesen Elektroden liegende Elektrolytmatrix 30. Als Elektrolyt wird gemäss dieser Ausführungsform Phosphorsäure verwendet. Kanäle 32, 32a in einer Oberfläche der Trennplatten 24, 24a führen das Oxydationsmittel an die Kathode 28. Kanäle 34, 34a in der gegenüberliegenden Oberfläche der Trennplatte 24, 24a führen ein Reaktionsmittel zu der Anode 26. Die Kanäle zur Sauerstoffzufuhr liegen senkrecht zu den Kanälen zur Reaktionsmittelzufuhr, wobei sich die Kanäle von einer Seite der Platte bis zur anderen Seite der Platte erstrecken und mit einer Kammer in Verbindung stehen. Gemäss dieser Ausführungsform bestehen die Elektroden aus gut bekannten Gasdiffusionselektroden welche mit Luft als Oxydationsmittel und Wasserstoff enthaltendem Gas als Reaktionsmittel betrieben werden können. Die vorhergehende Beschreibung der Zelle 22 und der Platten 24, 24a ist nur beispielhaft, die vorliegende Erfindung soll nicht auf einen bestimmten Zellentyp oder ein spezifisches Plattenmaterial oder Struktur beschränkt sein.

Geitiass Fig^r 1 umfasst eine jede Einheit 10, 12 einen Kühler 36, 38. Durch die Kühler 36,38 soll ein nicht dielektrisches Kühlmittel im Wärmeaustausch zu der Zelle 22 gebracht werden. Gemäss der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Kühlmittel Wasser verwendet. Das Kühlsystem umfasst auch ein Umlaufsystem 40. Das Umlaufsystem 40 umfasst eine Kühlmittelzufuhrleitung 42 aus welcher Wasser in die Kühler 36, 38 gelangt; eine Kühlmittelsammlerleitung 44 zur Sammlung des aus der Zelle, in Form von flüssigem Wasser und Dampf, austretenden Kühlmittels; einen Dampfabscheider 46 zur Abscheidung von Dampf vom flüssigen Wasser; eine Pumpe 48 zur Umwälzung des Wassers durch das Kühlsystem; und eine Leitung 50 zur Rückführung des flüssigen Wassers aus dem Abscheider 46 in die Kühlmitteizufuhrleitung 42.

Das Kuhlmictelumlaufsystem 40 umfasst auch eine Leitung 52 durch welche zusätzliches Wasser in das System eingeleitet werden kann. Dieses zusätzliche Wasser kann entweder aus einem Wassertank, aus

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einem Kondensator oder einer weiteren Vorrichtung der Anlage,wie z.B. Wärmeaustauscher oder Kondensatoren_#erhalten werden. Der Dampf wird durch die Leitung 52 aus dem Abscheider 46 abgeführt. Dieser Dampf kann zur Dampfumformungsreaktion zur Herstellung von Wasserstoff eingesetzt werden, der Dampf kann auch auskondensiert und in das Kühlsystem durch die Leitung 42 zurückgeführt werden.

Die Art und Weise wie dieser Dampfüberschuss eingesetzt wird ist nicht ein Teil der vorliegenden Erfindung. Die in dem Umlaufsystem 40 eingesetzten Leitungen sind elektrisch leitfähig i.e. Kupferoder Stahlrohre oder-Leitungen. Diese Leitungen sind bei 53 elektrisch geerdet. Sie könnten jedoch auch an einer anderen Stelle elektrisch geerdet sein.

Die Kühler 36, 38 sind gemäss dieser Ausführungsform der Erfindung gleich obschon dies nicht unbedingt erforderlich ist. In den Kühlern entsprechen gleiche Bezugszeichen gleichen Teilen. Ein jeder Kühler umfasst eine Einlasskammer und eine Auslasskammer 56, 58, in Verbindung mit einer Anzahl Kühlrohre 60 welche in Durchgängen in den Trennplatten 24 angeordnet sind. Die Rohre 60 und die Trennplatten 24a sind klar in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Die Kühlrohre 60 sind in Durchgängen 62 auf den Plattenoberflächen 24a angeordnet«. Diese Durchgänge 62 sind alternativ und parallel zu den Kanälen 34a angeordnet. Es ist schwierig Lufträume zwischen den Rohren 60 und den Oberflächen der Durchgänge 62 bei der Herstellung zu vermeiden. Da Luft eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist sollten diese Lufträume mit einem thermisch leitfähigen Fett, welches mit dem Elektrolyten bei den Betriebstemperaturen der Zelle verträglich ist, aufgefüllt werden um die Wärmeübertragungseigenschaften des Systems zu verbessern. Die Rohre 60 sind mit einem gemeinsamen Kopfstück 66, 68 (Figur 3) verbunden und haben einen gemeinsamen Einlass 70 und einen gemeinsamen Auslass 72. Die Kopfstücke 66, 68 und die Rohrenden 70, 72 sind ausserhalb der Platten 24a angeordnet obschon dies nicht unbedingt erforderlich ist.

Die Rohre 60 bestehen aus einem elektrisch leitfälligen Material ?7ie z.B. Kupfer, Um zu vermeiden, dass elektrischer Strom aus der Einheit in das Kühlwasser gelangt, wodurch Nebenschlussströme entstehen welche die Zellen kurz schliessen und die Rohre

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60 sowie weitere Bestandteile des Kühlsystems korrodieren könnten, werden die äusseren Oberflächen der Rohre 60 mit einem dielektrischen üeberzug 73 versehen. Als dielektrisches Material kann ein beliebiges Material welches der Betriebstemperatur und -bedingungen der Zelle widersteht verwendet werden. Obschon gemäss dieser Ausführungsform die äusseren Oberflächen der Rohre 60 mit einem dielektrischen Material versehen werden,könnten auch die inneren Wandoberflächen der Rohre 60 mit diesem Material überzogen werden.

Die Ueberzugsdicke sollte dem Spannungsunterschied während der Lebensdauer der Einheit widerstehen, der Üeberzug sollte jedoch die Wärmeübertragungseigenschaften des Systems nicht verschlechtern. Es wurde berechnet, dass in einer Anlage gemäss der vorliegenden Erfindung mit Kupferrohren 60 mit einem inneren Durchmesser von 0,21 cm und einem äusseren Durchmesser von 0,32 cm und mit Luft als Kühlmittel ein Polytetrafluoroäthylen (PTFE) üeberzug von 0,025 cm Dicke auf die äusseren Oberflächen der Rohre aufgetragen werden könnte. Ein solcher Üeberzug könnte einem Spannungsunterschied von 2000 Volt widerstehen und hätte eine Lebensdauer\on wenigstens 40 000 Stunden. Die maximale Zellentemperatur in dieser Berechnung wurde mit 204 C und als Elektrolyt Phosphorsäure eingesetzt. Obschon gemäss diesem Beispiel PTFE als dielektrisches Material eingesetzt wurde könnte auch ein beliebiger Fluorkohlenstoffkunststoff verwendet werden.

Die erwünschte Anzahl und Dimension der Kühlrohre in der Trennplatte und die Anzahl der Trennplatten an welchen Kühlrohre angeordnet sind kann vom Fachmann leicht bestimmt werden. Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass Wasser als Kühlmittel angesetzt werden kann und die hohe Verdampfungswärme und Wärmeübertragungseigenschaften des Wassers zu einem niedrigeren Kühlmitteldurchsatz führen, so dass es möglich ist Kühlrohre und Kühlleitungen mit einem kleineren Durchmesser einzusetzen» Hierdurch geht sowohl innerhalb wie auch ausserhalb der Zelleneinheiten weniger Raum verloren= Wie Z = B=,, aus der Figur 3/ hervorgeht ist durch die Anordnung der Kühlrohre in Durchgängen an der Oberfläche der Trennplatte nur eine leichte Steigerung der Dicke der Trennplatte 24a im Vergleich mit den Platten 24 notwendig= I-Jur die Gaskanäle 32a bzw» 34a müssen vergrössert werden um su gewährleistenj. dass genügend Reaktionsgase an die

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Elektroden gelangen. Im Vergleich zu der bekannten Technik wird durch das System der vorliegenden Erfindung die Entfernung zwischen dem Kühlrohr und den Zellen herabgesetzt wodurch die Wärmeübertragungseigenschaften des Kühlsystems verbessert werden. Die Trennplatten der bekannten Technik mussten in zwei Einzelteilen hergestellt werden so dass die Rohre in den Durchgängen innerhalb der Platten angeordnet werden konnten. Gemäss dieser Struktur wurden Hohlräume zwischen den zwei Stücken erhalten.

Durch diese Tatsache und durch die Dicke der Platten wurden

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höhere I R Gefalle in den Platten der bekannten Technik erhalten.

Vom Kostenpunkt aus gesehen ist auch die Konstruktion einer Trennplatte in einem einzigen Stück stark erwünscht.

Obschon es vorteilhaft ist die Kühlrohre an der Anodenseite (i.e. in einer Wasserstoffatmosphäre) anzubringen anstatt an der Kathode(i.e. in einer Sauerstoffatmosphäre) da die Sauerstoffatmosphäre korrosiver ist als die Wasserstoffatmosphäre, können die Rohre an einer beliebigen Seite der Zelle angebracht werden unter der Bedingung, dass die geeigneten Materialien ausgewählt werden.

Beim Betrieb der Anlage gelangt Wasser in flüssiger Form in die Rohre 60 durch die Leitungen 74. Reaktionswärme der Zellen 22 wandelt einen Teil des Wassers in Dampf um i.e. 2-Phasenkühlung. Die Dampf-Wassermischung verlässt die Rohre 60 durch die Leitungen 76 und wird in einen Dampfabscheider 56 eingeführt in welchem flüssiges Wasser zurückgehalten und in das ümlaufsystem 40 zurückgeführt wird. Der Dampf wird zur weiteren Verwendung in der Anlage weitergeleitet.

Gemäss der Ausführungsform der Erfindung sind die Trennplatten 24, 24a porös und neigen dazu mit dem Elektrolyten, in diesem Falle Phosphorsäure, gesättigt zu werden. Die Kühlrohre 60 können auch an der Elektrode 28 der Zelle anliegen welche auch mit Elektrolyt gesättigt ist. Aus diesem Grunde sollte der dielektrische Ueberzug 73 auf den Rohren mit dem Elektrolyten, in diesem Falle Phosphorsäure, verträglich sein. Der Elektrolyt dringt, obschon dies unerwünscht ist, in Fehlstellen in dem dielektrischen Ueberzug ein, wodurch eine gute elektrische Verbindung zu den

ö ÖL Kühlrohren hergestellt wird. Um ein verlässiges System zu erhalten

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wurde das System der vorliegenden Erfindung in der bevorzugten Ausführungsform so konzipiert, dass Fehlstellen in dem üeberzug für möglich gehalten wurden. Es wurde angenommen, dass das Kühlsystem, inklusive der Kammern und des Umlaufsystems elektrisch leitfähig und elektrisch geerdet sei. In einem solchen Fall führt ein Defekt in dem dielektrischen Üeberzug eines Kühlrohres zu einem Kurzschluss der Anlage da elektrischer Strom aus der Elektrode 28 und der Trennplatte 24a an der Fehlstelle im dielektrischen Üeberzug in das Kühlrohr gelangt (entweder durch direkten Kontakt mit der Elektrode oder Platte oder durch den Elektrolyten in der Fehlstelle) und somit durch das Kühlmittel und die Leitungen des Kühlsystems an die Erde.

Uia dies zu vermeiden wurden, gemäss der bevorzugten Ausführungsform der Figur 1,die Leitungen 74, 76 welche die Kammern 56, 58 raifc den Kühlrohrenden 70, 72 verbinden mit dielektrischen Wandceilen 78, 80 ausgerüstet. Das Verhältnis Länge zu Durchmesser der dielektrischen Wandteile 78, 80 wurde so ausgewählt, dass im Falle einer Fehlstelle im Üeberzug, der Strom welcher in dem Kühlmittel, durch den Spannungsunterschied zwischen der Trennplatte 24c. und den Kammern, fliesst, niedrig gehalten wird, 6 bis 8x niedriger als in Abwesenheit von dielektrischen Wandteilen.

unter der Annahme, dass die dielektrischen Wandteile 78, 80 aus einem Schlauch aus Polytetrafluoroäthylen mit einem inneren Durchmesser von 0,45 cm und einer Länge von 13,3 cm bestehen, dass die Wasserleitfähigkeit bei den Betriebstemperaturen 10 mikromhos beträgt, eines Potentialgefälles von 300 V von dem Kühlrohrende 70 zu der Kammer 56, beträgt der erhaltene Strom ungefähr 36 χ 10 A. Durch Erniedrigung des Stromes auf ein solch tiefes Niveau ist ein Kurzschluss der Zelle ausgeschlossen.

Um Nebenschlusströme noch weiter auszuschalten wurdöi gemäss dieser Äusführungsform die Leitungen 88, welche das Umwälzsystem 40 rfiit den Kammern 56, 58 verbinden auch mit dielektrischen Wandt'Silen 90 ausgerüstet um eine Strecke hohen elektrischen Widerstandes durch das Kühlmittel zwischen den Kammern und dem Umwälzsystem 40 zu erhalten. Die Kammern 56, 58 sind elektrisch an den Enden niedriger Spannung der respektiven Einheiten durch elektrische Verbindungen 82, 84 verbunden. Der maximale Spannungs-

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unterschied zwischen den Kühlrohrenden 70, 72 und den Kammern 56, 58 besteht deshalb in dem Unterschied der Spannung der Trennplatte 24a und der Spannung am Ende niedriger Spannung der respektiven Einheit. Mit Ausnahme der ersten Einheit in einer Serie von Einheiten ist dieser Spannungsunterschied niedriger als der Spannungsunterschied welcher erhalten wird wenn die Kammern direkt durch das Umlaufsystem 40 geerdet sind.

Hierdurch ist das Problem der Nebenschlusströme gelöst, jedoch taucht jetzt ein Korrosionsproblem an den Kühlrohrenden 70, 72, welche am Ende hoher Spannung der elektrischen Widerstandsstrecke, welche durch die dielektrischen Wandteile 78, 80 gebildet wird, liegen, auf.

Die metallenen Rohrenden 70, 72, fungieren als Anoden wohingegen die Metallteile der Leitungen 74, 76 an dem gegenüber 1 tagenden Ende der Strecke hohen elektrischen Widerstandes als Kathoden fungieren. Die Korrosionsgeschwindigkeit an den Rohrenden 70, wird durch den Widerstand der Widerstandsstrecke und den Spannungsunterschied bestimmt. In einer kurzen Zeitspanne ist Korrosion an den Rohrenden 70, 72 vernachlässigbar klein da der Strom sehr niedrig gehalten wird, über längere Zeitspannen (i.e. Jahre) kann jedoch eine wesentliche Korrosion erhalten werden.

Um die Anlage mit Bezug auf diese Korrosion zu schützen wird an den Rohrenden 70, 72 eine verbrennbare Elektrode angebracht. Diese verbrennbare Elektrode kann in Form einer zusätzlichen Länge der Rohrenden bestehen oder, bevorzugt, wie in Figur 1 dargestellt, aus einem Einsatzstück 86 (besser in Figur 4 dargestellt) . Das Einsatzstück kann, z.B._yaus Zink bestehen welches an den Kühlrohrenden angebracht wird. Ein beliebiges Material welches bei einer niedrigeren Spannung als das Rohrmaterial korrodiert kann als Elektrode benutzt werden. Eine verbrennbare Elektrode wird auch an den Enden hoher Spannung 92 der hohen elektrischen Widerstandsstrecke zwischen dem Umlaufsystem 40 und den Kammern 56, 58 angebracht.

Um die Nebenschlusströme noch niedriger su halten sollte auch Wasser einer guten Qualität als Kühlmittel eingesetzt werden, wie z.B. Wasser mit· einem Widerstand von wenigstens ungefähr

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20 000 ohm/cm= Wasser mit einem niedrigeren Widerstand kann jedoch auch benutzt werden wenn eine hohe Lebensdauer einen unwichtigen Faktor darstellt oder falls andere Aspekte des Kühlsystems den niedrigen Widerstand des Kühlmittels ausgleichen.

Obschon gemäss der oben beschriebenen Äusruhrungsform die Rohre 60 mit einem dielektrischen Material zur Vermeidung von Nebenschlusströmen überzogen sind? kann es hie und da wünschenswert sein einen elektrischen Stromfluss durch das Kühlmittel zu erlauben und. die Nebenschiusströme und die elektrochemische Korrosion durch weitere Aspekte des Kühlsystems in annehmbaren Grenzen au halten. In diesem Falle können nicht dielektrische Ueberzüge, welche mit dem Elektrolyten verträglich sind _f auf die Rohre 60 aufgebracht werden.

Claims

Patentansprüche

Ii Brennstoffzellenanlage bestehend aus einer Anzahl elektrisch in Serie verbundener Zelleneinheiten und elektrisch leitfähiger Trennplatten zwischen einem jeden Paar anliegender Zellen, wobei eine jede Platte sich gegenüberliegende Oberflächen aufweist, eine jede Zelle eine Anode, eine Kathode und eine zwischen diesen Elektroden liegende Elektrolytmatrix aufweist, und die Trennplatten Gaskammern zwischen einer jeden Platte und der Elektrode bilden, gekennzeichnet durch Kühler (36, 38) um ein Kühlmittel an die Zellen (22) zu führen, wobei die Kühler (36,38) aus einer Anzahl Kühlrohre (60) welche in wenigstens einer Reaktionsgaskammer (32, 34) der Einheit (10, 12) angebracht sind, besteht.
2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (60) aus einem mit dem in den Zellen 22 verwendeten Elektrolyten verträglichen Mate'ial bestehen.
3. Brennstoffzellenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (60) aus elektrisch leitfähigem Material bestehen wobei ein nicht kontinuierlicher Ueberzug (73) auf den äusseren Oberflächen der Rohre (60) aufgebracht ist«
4. Brennstoffzellenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ueberzugsmaterial ein dielektrisches Material ist.
5. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolyt Phosphorsäure verwendet wird und als dielektrisches Material Fluorkohlenstoffkunststoff.
6. Brennstoffzellenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Kühlmittelumlaufsystem (40) welches elektrisch geerdet (53) ist und an welches die Rohre (60) angeschlossen sind.
7. Brennstoffzellenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel Wasser verwendet wird.
8. Brennstoffzellenanlage nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühler (36, 38) über Leitungen (88) mit dem Kühlmittelumlaufsystem (40) verbunden sind und diese Leitungen eine Strecke hohen elektrischen Widerstandes durch das Kühlmittel bilden, wobei eine verbrennbare Elektrode (86) an dem Ende hoher Spannung der Strecke hohen Widerstandes angebracht ist.

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