DE2631132C2 - Brennstoffzellenkühlsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und betrifft insbesondere Einrichtungen zur Abführung der Verlustwärme aus Brennstoffzellen.

Ein mit Brennstoffzellen arbeitendes Stromversorgungsteil enthält mehrere einzelne Zellen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Zellen wandeln in bekannter Weise Reaktionsstoffe, wie beispielsweise einen Wasserstoff enthaltenden Brennstoff und Luft oder andere Oxydationsmittel in elektrischen Gleichstrom um. Die Zellen sind zwischen Trennplatten angeordnet, welche Strömungsdurchlässe zur Zuführung der Reaktionsstoffe zu den Zellen aufweisen. Die elektrochemische Reaktion erzeugt als ein Nebenprodukt Verlustwärme, die in kontrollierter Weise abgeführt werden muß, um die Zellen auf der gewünschten Betriebstemperatur zu halten. Für einen wirksamen Betrieb sollten die Zellen auf einer gleichmäßigen Temperatur und auf einem maximalen Temperaturwert, der mit den Materialeigenschaften vereinbar ist, gehalten werden.

Ein bekannte Methode zur Abführung der Verlustwärme aus einem mit Brennstoffzellen arbeitenden

Stromversorgungsteil besteht darin. Wärmeaustauschflachen parallel zu der Ebene der Zellen zu verwenden. Diese Wärmeaustauschflächen haben häufig die Form von Durchlässen durch die Trennplatten, weiche Kanäle bilden, die ein Kühlmittel führen. Der innige Kontakt s zwischen dem Kühlmittel und den TVennplatten sorgt für ein hohes Wärmeübergangsvermögen zwischen den Zellen und dem Kühlmittel, wodurch der Temperaturgradient zwischen denselben minimiert wird. In Abhängigkeit von der Leistungsdichte und von den thermisehen Eigenschaften des mit Brennstoffzellen arbeitenden Stromversorgungsteils könnte ein Kühler zwischen jeder Zelle oder ein Kühler zur Abführung von Wärme aus mehreren Zellen benutzt werden, wobei letzterer Fall typischer ist.

Da das Kühlsystem ein integraler Bestandteil des Stromversorgungsteils ist, ist es den elektrischen Potentialen der Zellen ausgesetzt In großen Stromversorgungsteilen kann es sich dabei um einige hundert oder sogar um einige tausend Volt handeln. i£s ist deshalb wichtig, daß kein nennenswerter elektrischer Stromfluß (d. h. Querströme) zwischen den Zellen und Masse durch die Kühlschleife hindurch vorhanden ist. Diese Querströme könnten eine starke Korrosion der Teile und/oder des Leitungssystems des Stromversorgungsteils verursachen und könnten zu potentiell starken parasitären Leistungsverlusten führen. Aus diesem Grund werden in Brennstoffzellenkühlsystemen üblicherweise dielektrische Fluids als Kühlmittel verwendet, da sie elektrischen Strom nicht leiten können. Leitungen, die das dielektrische Kühlmittel den Kühlkanälen zuführen, wurden gegenüber dem Brennstoffzellenstapel elektrisch isoliert, indem beispielsweise das Anschlußende mit dielektrischem Material umgeben wurde. Dadurch werden zwar die mit Querströmen in der Kühlschleife verbundenen Probleme beseitigt, es sind jedoch Nachteile damit verbunden. Beispielsweise sind dielektrische Fluids, wie etwa Fluorkohlenstoff oder öle auf Silikonbasis, die bei Brennstoffzellentemperaturen arbeiten können, teuer. Die geringe spezifische Wärme von dielektrischen Kühlmitteln erfordert hohe Massendurchflußgeschwindigkeiten durch die Zellen, womit ein Leistungsverlust aufgrund der durch die Kühlmittelpumpen verbrauchten Energie verbunden ist.

Die höheren Strömungsgeschwindigkeiten erfordern größere Strömungskanalgrößen, die zu einer Zunahme der Größe und der Kosten des Stromversorgungsteils und seiner Anschlußinstallation führen.

Neben den vorgenannten Nachteilen ergaben sich bei der Verwendung von dielektrischen Kühlmitteln weitere Nachteile. Die Wärmemenge, die an das dielektrische Kühlmittel abgegeben wird, ist eine Funktion der Differenz zwischen seiner Temperatur an dem Einlaß der Zelle und seiner Temperatur an dem Auslaß der Zelle. Wenn die Zellentemperatur nicht über eine.i gewissen v> Maximalwert hinausgehen darf, arbeitet der größte Teil des Zellenbereiches notwendigerweise auf einer Temperatur, die niedriger ist als diese Maximaltemperatur, was zu einem schrägen Temperaturverlauf über der Zelle führt. Dadurch werden die Zellenausgangsleistung t>o und der Gesamtwirkungsgrad verringert. Außerdem reagieren die Zellen auf dielektrische Fluids äußerst empfindlich. Sogar Spurenmengen eines dielektrischen Kühlmittels, das in die Zellen leckt, können die Zellenleistungsfähigkeit stark verschlechtern oder sogar voll- b5 ständig ruinieren. Dieses potentielle Problem besteht zusätzlich zu der Tatsache, daß die dielektrischen Kühlmittel brennbar sind und toxische Reaktionsprodukte haben. Die vorstehenden Probleme werden durch die Tatsache kompliziert, daß dielektrische Kühlmittel eine geringe Oberflächenspannung haben, was die Abdichtung äußerst erschwert

Ein Ziel der Erfindung ist es, ein System zur Kühlung von mit Brennstoffzellen arbeitenden Stromversorgungsteilen zu schaffen, welches die vorgenannten Nachteile von mit dielektrischen Kühlmittel arbeitenden Systemen vermeidet

Die Erfindung schafft ein Brennstoffzellenkühlsystem, bei welchem ein nicht dielektrisches Kühlmittel verwendet wird, das zwischen den Zellen in Röhren geführt wird und gegenüber den Zellen elektrisch isoliert ist In der bevorzugten Ausführungsform des Systems nach der Erfindung wird als Kühlmittel Wasser verwendet.

Weiter schafft die Erfindung ein System zur Kühlung von mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellenstapein, bei welchem ein nichtdielektrisches Kühlmittel verwendet wird und welches die Stärke von potentiellen Querströmen, die durch das Kühlmitte! fließen, minimiert

Ein Kühler nach der Erfindung enthält mehrere Kühlrohre, die in den Trennplatten zwischen den Zellen und/ oder zwischen Gruppen von Zellen in einem Stromversorgungsteil oder einem »Stapel« von Zellen angeordnet sind. Die Zellen können aus jedem dielektrischer« Material hergestellt werden, welches die Zellenbetriebstemperaturen aushalten kann und sich mit den Reaktionsstoffen und anderen Zellenteilen verträgt Statt dessen können Rohre aus elektrisch leitendem Material verwendet werden, wenn sie mit einem dielektrischen Material beschichtet sind, beispielsweise mit einem Fluorkohlenstoffpolymer, um die Rohre und das Kühlmittel von den Trennplattenpotentialen elektrisch zu isolieren und um das leitende Rohrmaterial vor Korrosion aufgrund der inneren Umgebung des Stapels zu schützen.

Eine weitere Vorsichtsmaßnahme zur Verhinderung des Fließens eines nennenswerten elektrischen Stroms zwischen den Zellen und Masse (d. h. eines Kurzschlusses) durch das Kühlmitte! im Fall von Rissen in dem Überzug oder im Fall einer Verschlechterung des Überzugs kann eine Strecke mit hohem elektrischem Widerstand zwischen den Kühlrohren und einem geerdeten Kühlwasserversorgungssystem sein. Jedes Kühlrohr oder eine Gruppe von Kühlrohren ist mit den Kühlmittelleitungen, die dem Stapel das Kühlmittel zuführen, durch dielektische Schläuche verbunden, die ein hohes Länge : Durchmesser-Verhältnis haben. Diese Verbindungsschlauchkonfiguration in Verbindung mit Kühlwasser, das eine geringe bis mäßige elektrische Leitfähigkeit hat, wird benutzt, um eine Strecke mit einer Impedanz von mehreren hundertausend Ohm zu schaffen.

In einer Ausführungsform enthält ein Brennstoffzellenkühlsystem mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellenstapel und benutzt ein nichtdielektrisches Kühlmittel, wobei jeder Stapel einen Kühlmittelsammelraum zur Zufuhr von Kühlmittel zu den Kühlrohren seines zugeordneten Stapels hat und wobei jeder Sammelraum gegenüber Erde elektrisch isoliert und mit einem Ende seines zugeordneten Stapels elektrisch verbunden ist. Durch die Erfindung ist das maximale Potential, das Strom durch das Kühlmittel treibt, die Potentialdifferenz von einem Ende eines Stapels zu dem anderen Ende, statt der Potentialdifferenz zwischen Erde und dem Stapel.

Vorzugsweise ist jedes Kühlrohr oder jede Gruppe von Kühlrohren mit dem Stapelsarnmelraum durch di-

elektrische Schläuche verbunden, die ein großes Länge : Durchmesser-Verhältnis haben.

Jeder Sammelraum ist seinerseits mit der Hauptkühlmittelzufuhrleitung ebenfalls durch einen dielektrischen Schlauch verbunden, der ein hohes Länge : Durchmesser-Verhältnis hat. Diese dielektrischen Schläuche erzeugen einen Pfad mit hohem elektrischen Widerstand durch das Kühlmittel und sie können außerdem eine Opferelektrode (d. h. eine Opferanode) an ihrem Ende hohen Potentials umfassen, so daß jede elektrogalvanische Korrosion, die stattfindet, an dem Opferanodenmaterial auftritt, wodurch sichergestellt wird, daß es zu keiner Beschädigung von wichtigen Teilen in dem Stapel kommt.

Nachdem die Haupthindernisse der Verwendung eines nichtdielektrischen Kühlmittels beseitigt worden sind, erweist sich Wasser als das bevorzugte Kühlmittel. Wasser ist nicht nur ein sehr billiges Kühlmittel, sondern sein niedriger Siedepunkt erlaubt außerdem die Abfuhr von Verlustwärme aus den Zellen durch Verdampfung. Wenn das Wasser verdampft, absorbiert es Wärme bei einer konstanten Temperatur und gestattet somit den Zellen, mit einer gleichmäßigen Temperatur vom Einlaß bis zum Auslaß zu arbeiten. Da die Siedetemperatur des Wassers eine Funktion des Druckes ist, kann der Temperaturwert in den Zellen gesteuert werden, indem der Druckwert in der Wasser/Dampf-Kühlmittelschleife verändert wird. Die sehr hohe Verdampfungswärme des Wassers bedeutet, daß große Wärmemengen pro Masseneinheit an durch den Kühler hindurchgeleitetem Wasser übertragen werden können, wodurch die Kühlmittelströmungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu dielektrischen oder nichtsiedenden Kühlmitteln um mehrere Größenordnungen verringert werden können. Das wiederum führt zu geringeren Rohrleitungsgrößen und zu geringerer Verlustleistung zum Pumpen des Kühlmittels. Außerdem ist es für die Zellen unschädlich, wenn geringe Wassermengen aus den Rohren in die Zellen lecken. Und selbstverständlich ist Wasser nicht toxisch.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Schnittansicht durch einen Teil seiner Brennstoffzellenanlage, die zwei Brennstoffzellenstapel aufweist, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind und die Merkmale der Erfindung aufweisen,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht auf der Linie 2-2 von Fig. 1,

F i g. 3 in einer auseip.ar.dergezogenen perspektivischen Darstellung eine Trennplatte und Kühlrohre einer Brennstoffzelle in einem der Stapel von F i g. 1, und

F i g. 4 eine vergrößerte Querschnittansicht der in den Stapeln von F i g. 1 benutzten Opferelektrode.

Als eine exemplarische Ausführungsform des Systems nach der Erfindung wird das in F i g. 1 dargestellte Kühlsystem einer Brennstoffzellenanlage betrachtet. Die Anlage enthält ein Paar Brennstoffzellenstapel 10 bzw. 12 Die dargestellte Anzahl von Stapeln dient lediglich als Beispiel, denn die Erfindung ist sowohl auf einen einzigen Stapel als auch auf jede größere Anzahl von Stapeln anwendbar. In dieser Ausführungsforni und in anderen Ausführungsformen, die mehr als einen Stapel enthalten, sind die Stapel miteinander elektrisch in Reihe geschaltet und an eine Belastung 14 angeschlossen, beispielsweise über die elektrische Verbindung 16, 18. Die Stapel 10,12 sind an der Stelle 20 elektrisch geerdet.

Jeder Stapel 10,12 enthält mehrere Zellen 22. Trennplatten 24 und 24a, die beispielsweise aus Graphit hergestellt sein können, trennen jedes Paar benachbarter Zellen. Die Platten 24, 24a sind elektrisch leitend und dienen zur elektrischen Reihenschaltung der einzelnen Zellen 22.

Die Zellen 22 und die Platten 24,24a sind am besten in Fig.2 gezeigt. Jede Zelle 22 enthält als eine Elektrode eine Anode 26, die von der anderen Elektrode, der Katode 28, durch ein einen Elektrolyten enthaltendes Grundmaterial 30 getrennt ist. Der Elektrolyt ist in dieser Ausführungsform Phosphorsäure. Kanäle 32, 32a in den Trennplatten 24 bzw. 24a bringen ein Oxydationsmittel mit den Katoden 28 in Berührung. Kanäle 34,34a in den !5 Trennplatten 24 bzw. 24a bringen einen Reaktionsstoff mit der Anode 26 in Berührung. Die das Oxydationsmittel führenden Kanäle 34,34a sind zu den den Reaktionsstoff führenden Kanälen senkrecht, jeder erstreckt sich von einer Seite der Platte zur anderen und wird durch nicht dargestellte Verteiler gespeist. In dieser Ausführungsform sind die Elektroden bekannte Gasdiffusionselektroden, die zur Verwendung mit Luft als Oxydationsmittel und einem Wasserstoff enthaltenden Gas als Reaktionsstoff geeignet sind. Die vorstehende Beschreibung der Zellen 22 und der Platten 24, 24a ist lediglich als Beispiel für die Zwecke der Beschreibung dieser bevorzugten Ausführungsform angegeben. Der Rahmen der Erfindung beschränkt sich nicht auf irgendeinen besonderen Zellentyp oder auf irgendein spezielles Plattenmaterial oder irgendeine spezielle Plattenkonfiguration.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Kühlsystem enthält jeder Stapel 10,12 einen Kühler 36 bzw. 38. Die Kühler 36, 38 sind so aufgebaut, daß sie ein nichtdielektrisches Kühlmittel in Wärmeübertragungsbeziehung mit den Zellen 22 ihres zugeordneten Stapels führen. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist das Kühlmittel Wasser. Das Kühlsystem enthält außerdem ein Kreislaufsystem 40. Das Kreislaufsystem 40 enthält eine Kühlmittelzufuhrleitung 42 zum Einleiten von Wasser in die Kühler 36, 38; eine Kühlmilteisammeileilung 44 zum Sammeln des austretenden Kühlmittels, das in Form von flüssigem Wasser und Dampf aus den Kühlern 36, 38 austritt; einen Dampfabscheider 46 zum Abscheiden von Dampf aus dem flüssigen Wasser; eine Pumpe 48 zum Umwälzen des Wassers in dem Kühlsystem; und eine Leitung 50 zum Zurückführen flüssigen Wassers aus dem Abscheider 46 in die Kühlmittelzufuhrleitung 42.

Das Kreislaufsystem 40 enthält außerdem eine Leitung 52 zum Einleiten von Frischwasser in das System. Das Frischwasser kann entweder aus einem Wassertank kommen oder es kann sich um Kondensat aus anderen Geräten in der Anlage, beispielsweise Wärmeaustauschern oder Kondensatoren, handeln. Gemäß der Darstellung in F i g. i wird der Dampfanteil des Wassers aus dem Abscheider 46 über eine Leitung 54 abgeführt. Der Dampf kann in einem Dampfreformer für die Erzeugung von Wasserstoff verwendet werden oder er kann einfach kondensiert und über die Leitung 52 in das Kreislaufsystem zurückgeleitet werden. Wie dieser überschüssige Dampf verwendet wird, ist nicht Gegenstand der Erfindung. Die in dem Kreislaufsystem 40 benutzten Leitungen sind elektrisch leitend (d. h. es sind Leitungen oder Rohre aus Kupfer oder Stahl). Diese Leitungen sind an der Stelle 53 elektrisch geerdet. Sie können aber an jeder Anzahl von Stellen geerdet sein.
Die Kühler 36, 38 sind in dieser Ausführungsform

zwar gleich aufgebaut, das ist jedoch kein Erfordernis der Erfindung. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Jeder Kühler enthält einen Einlaßsammelraum 56 und einen Auslaßsammeiraum 58, die mit mehreren Kühlrohren 60 in Verbindung stehen, welche durch die Trennplatten 24a hindurchführen. Die Rohre 60 und die Platten 24a sind in den F i g. 2 und 3 deutlich sichtbar. Die Kühlrohre 60 sind in Durchlässen 62 angeordnet, welche in den Platten 24a gebildet sind. Die Platten 24a bestehen aus zwei Hälften, die für Montagezwecke an einer Fläche 64 getrennt sind. Die Rohre 60 sind durch Verteiler 66,68(Fi g. 3) miteinander verbunden und haben ein gemeinsames Einlaßende 70 und ein gemeinsames Auslaßende 72. Die Verteiler 66, 68 und die Rohrenden 70, 72 sind jeweils außerhalb der Platten 24s angeordnet, obwohl das nicht notwendigerweise der Fall sein muß.

Aufgrund von Herstellungstoleranzen ist es schwierig, Luftspalte zwischen den Rohren 60 und den Wänden der Durchlässe 62 zu vermeiden. Weil Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, sind zur Maximierung des Wärmeübertragungsvermögens des Systems diese Luftspalte mit einem wärmeleitenden Fett ausgefüllt, beispielsweise mit Mischungen von Polymeren und Graphit.

Die Rohre 60 bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Kupfer. Um zu verhindern, daß in den Stapeln erzeugte elektrische Ströme in das Kühlwasser fließen und dadurch zum Entstehen von Querströmen führen, die möglicherweise die Zellen kurzschließen können und zur Korrosion der Rohre 60 und anderer Teile des Kühlsystems führen können, haben die Außenflächen der Rohre 60 einen Überzug 73 aus dielektrischem Material. Jedes dielektrische Material, das sich mit der Umgebung der Stapel verträgt, ist dafür geeignet. In dieser Ausführungsform sind zwar die Außenwandflächen der Rohre 60 mit dem dielektrischen Material überzogen, dasselbe Ergebnis wird jedoch erzielt, wenn die Innenwandflächen der Rohre 60 überzogen werden oder wenn die Oberflächen der Durchlässe 62 in den Platten 24a überzogen werden.

Die Dicke des Überzugs sollte ausreichend groß sein, damii er den an ihm auftretenden Spannungsabfall für die gewünschte Lebensdauererwartung des Stapels aushält. Er darf aber nicht so dick sein, daß er den Wärmeübergangswirkungsgrad des Systems verringert. In einem Stapel nach der Erfindung mit Kupferrohren 60, die einen Innendurchmesser von 2,2 mm und einen Außendurchmesser von 3,2 mm hatten und als Kühlmittel Wasser führten, wurde errechnet, daß ein Überzug aus Polytetrafluorethylen mit einer Dicke von 0,25 mm auf der Außenfläche des Rohres einen Spannungsabfall von 2000 V aushalten könnte und eine nutzbare Lebensdauer von mindestens 40 000 h haben würde. Für die maximale Zellentemperatur wurde in dieser Berechnung 204⁰C und für den in den Zellen verwendeten Elektrolyten wurde Phosphorsäure angenommen. In diesem Beispiel wird zwar als dielektrisches Material Polytetrafluorethylen verwendet, es wäre jedoch jedes Fluorkohlenstoffpolymer geeignet.

Die bevorzugte Anzahl und Größe der Kühlrohre innerhalb einer Trennplatte und die Anzahl der Trennplatten, die Kühlrohre enthalten, können von Fachleuten mit dem üblichen Wissensstand festgelegt werden und bilden keinen Teil der Erfindung. Einer der wichtigen Aspekte der Erfindung ist jedoch darin zu sehen, daß Wasser als Kühlmittel verwendet werden kann. Seine hohe Verdampfungswärme und seine guten Wärmeübertragungseigenschaften führen dazu, daß eine geringere Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit erforderlich ist, was die Verwendung von Kühlrohren und anderen Kühlleitungen mit kleinerem Durchmesser gestattet.

Dadurch wiederum wird der Bedarf an Platz verringert, der bislang innerhalb und außerhalb des Stapels von bekannten Kühlsystemen beansprucht wird.

Im Betrieb tritt Wasser in flüssiger Form über die Leitungen 74 in die Rohre 60 ein. Wärme, die durch die Zellen 22 erzeugt wird, wandelt einen Teil des Wassers ίο in Dampf um (d. h. es findet eine 2-Phasen-Kühlung statt). Das Gemisch aus Dampf und Wasser verläßt die Rohre 60 über die Leitungen 76 und wird dem Abscheider 56 zugeführt, wobei das flüssige Wasser in dem Kreislaufsystem 40 gehalten und der Dampf an anderer Stelle in der Anlage verwendet wird.

!n der beschriebenen Ausführungsform sind die Graphit-Trennplatten 24,24a porös und es besteht die Tendenz, daß sie mit dem Phosphorsäureelektrolyten gesättigt werden. Aus diesem Grund muß sich der dielektrisehe Überzug 73 auf den Rohren 60 mit Phosphorsäure vertragen. Außerdem, obgleich unerwünscht, füllt der Elektrolyt Risse in dem dielektrischen Überzug aus und erzeugt dabei eine elektrisch gut leitende Strecke auf den Kühlrohren. Um eine hohe Zuverlässigkeit in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sicherzustellen, ist die Anlage unter der Annahme ausgelegt worden, daß der dielektrische Überzug auf einem oder mehreren Kühlrohren anfänglich defekt ist oder in einem frühen Zeitpunkt der Lebensdauer der Anlage defekt wird. Es sei beispielsweise angenommen, daß das Kühlsystem einschließlich der Sammelräume und des Kreislaufsystems vollständig elektrisch leitend und elektrisch geerdet ist. In diesem Fall könnte ein Defekt in dem elektrischen Überzug eines Kühirohres zu einem Kurzschluß der Anlage führen, da elektrischer Strom an der Stelle des defekten dielektrischen Überzugs (entweder durch direkten Kontakt oder über den Elektrolyten innerhalb des Defekts) von der Trennplatte in das Kühlrohr und über das Kühlmittel und die Leitungen des Kühlsystems zur Erde fließen könnte.

Um zu verhindern, daß das passiert, sind in der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform die Sammelräume 56,58 über Leitungen 74 bzw. 76 mit den Kühlrohrenden 70 bzw. 72 verbunden und mit dielektrisehen Wandteilen 78 bzw. 80 versehen. Das Länge : Durchmesser-Verhältnis der dielektrischen Wandteile 78, 80 ist so gewählt, daß, wenn ein Riß in dem dielektrischen Überzug vorhanden sein sollte, die Stärke jedes aufgrund der Potentialdifferenz zwischen der Trennplatte 24a und den Sammelräumen in das Kühlmittel fließenden Stroms auf einen ausreichend niedrigen Wert verringert WJrH₁ der 6 bis 8 Größenordnungen kleiner sein wird als es ohne diese Maßnahme der Fall wäre.

Durch Beseitigung des Kurzschlußproblems ergibt sich ein Korrosionsproblem in den Kühlrohrenden 70, 72, die sich an dem Ende hohen Potentials der Strecke mit hohem elektrischen Widerstand befinden, die durch die dielektrischen Wandteile 78,80 geschaffen wird. Die Metallrohrenden 70,72 dienen als Anoden, während die Metallteile der Leitungen 74, 76 an den anderen Enden der Strecke hohen Widerstandes als Katoden wirken. Die Korrosionsgeschwindigkeit an den Rohrenden 70, 72 wird durch den Widerstand der Elektrolytstrecke und durch die aufgeprägte Spannungsdifferenz bestimmt. Über kurze Zeiträume ist diese Korrosion der Rohrenden 70, 72 aufgrund der geringen Stärke des Stroms sehr gering. Über lange Zeitspannen, d. h. über Jahre

hinweg kann jedoch das Ausmaß der Korrosion beträchtlich sein. Zum Schutz gegen diese Korrosion ist jedes Rohrende 70,72 mit Opferelektrodenmaterial versehen. Dieses Opfermaterial kann einfach in Form zusätzlicher Länge der Rohrenden vorgesehen werden. In der in F i g. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform kann es eine Einsatzbüchse 86(am besten in F i g. 4 ersichtlich) sein, die beispielsweise aus Zink besteht und in geeigneter Weise an den Kühlrohrenden befestigt ist. Jedes Material, das bei einem niedrigeren Potential als das Rohrmaterial korrodiert, könnte als Opferelektrodenmaterial benutzt werden.

Es ist zu erkennen, daß, wenn die Sammelräume 56,58 elektrisch mit Erde verbunden sind, die aufgeprägte Spannungsdifferenz an den dielektrischen Wandteilen 78, 80 von der Potentialdifferenz zwischen der Zelle innerhalb des Stapels und dem Erdpotential abhängig sein wird. Es sei beispielsweise angenommen, daß anstatt von nur zwei Stapeln, wie in F i g. 1 gezeigt, eine Anlage sechs in Reihe geschaltete Stapel enthält, wobei an jedem Stapel eine Spannungsdifferenz von 300 V liegt. Weiter sei angenommen, daß die Reihe von Stapeln an dem Ende niedrigen Potentials des ersten Stapels in der gleichen Weise wie die beiden Stapel in F i g. 1 geerdet ist. Das würde bedeuten, daß der dielektrische Überzug auf den Rohren in dem letzten Stapel der Reihe so ausgelegt werden müßte, daß er eine Spannung von bis zu 1800V aushält. Außerdem, wenn ein Riß in dem Überzug vorhanden wäre, könnte die den Querstrom treibende Spannung bis zu 1800 V betragen.

Gemäß der Erfindung wird die potentielle Größe des Querstroms stark verringert, indem die Leitungen 88 vorgesehen werden, die das Kreislaufsystem 40 mit den Sammelräumen 56, 58 über dielektrische Wandteile 90 verbinden. Diese Wandteile 90 erzeugen Strecken mit hohem elektrischem Widerstand durch das Kühlmittel zwischen den Sammelräumen und dem Kreislaufsystem, so daß die Sammelräume nicht über das Kreislaufsystem geerdet sind. Ebenso wie die dielektrischen Wandteile 78,80 ist Opferelektrodenmaterial an den Enden 92 hohen Potentials dieser Strecken mit hohem elektrischem Widerstand vorgesehen. Die Sammelräume 56, 58 sind mit einem der Enden, ihrer betreffenden Stapel über elektrische Verbinder 82,84 elektrisch verbunden. In dieser bevorzugten Ausführungsform sind sie mit den Enden niedrigen Potentials der Stapel verbunden. Nun ist der maximale Spannungsabfall zwischen den Kühlrohrenden 70, 72 und den Sammelräumen 56, 58 die Differenz zwischen dem Potential der betreffenden Trennplatte 24a und dem Potential an dem Ende niedrigen Potentials ihres zugeordneten Stapeis. Mit Ausnahrtie des ersten Stapels in einer Gruppe von in Reihe geschalteten Stapeln ist diese Potentialdifferenz immer kleiner als die Potentialdifferenz, wenn die Sammelräume direkt über das Kreislaufsystem 40 geerdet sind. Somit beträgt in einer Anlage mit sechs Stapeln, wobei eine Potentialdifferenz von 300 V an jedem Stapel vorhanden ist, das maximale Treiberpotential für den Querstrom 300 V statt der 1800V. Durch diese Maßnahme wird außerdem die erforderliche dielektrische Festigkeit der Kühlrohrüberzüge beträchtlich verringert

Als Beispiel sei angenommen, daß der dielektrische Wandteil 78 ein Schlauch ist, der aus Polytetrafluoräthylen hergestellt ist und einen Innendurchmesser von 4,5 mm und eine Länge von etwa 13 cm hat. Außerdem sei angenommen, daß die Leitfähigkeit des Wassers bei Betriebstemperaturen 10 μ5 beträgt Weiter sei ein Potentialabfall von 300 V von dem Kühlrohrende 70 zu dem Sammelraum 56 angenommen. Der sich ergebende Strom wird etwa 36 · 10-^b A betragen. Durch Verringerung des Stroms auf diesen niedrigen Wert wird das Problem des Kurzschließens der Zelle beseitigt.

Gemäß der Annahme in dem vorhergehenden Beispiel und zur weiteren Verringerung der Stärke des Quer- oder Zweigstroms ist es außerdem von Vorteil, wenn Wasser von guter Qualität als Kühlmittel verwendet wird, beispielsweise Wasser mit einem spezifischen

ίο Widerstand von mindestens etwa 20 000 Ω cm. Der minimal zulässige spezifische Widerstand könnte jedoch viel kleiner sein, wenn eine lange Lebensdauer kein maßgebender Faktor ist oder wenn andere Aspekte des Kühlsystems einen niedrigen spezifischen Widerstand des Kühlmittels kompensieren.

Obwohl in der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform die Rohre 60 mit einem dielektrischen Material überzogen sind, in der Hoffnung, Querströme vollständig zu eliminieren, kann es in einigen Fällen erwünscht sein, elektrischen Strom durch das Kühlmittel fließen zu lassen und sich einfach auf andere Aspekte des Kühlsystems zu verlassen, um die Querströme und die Geschwindigkeit der elektrochemischen Korrosion auf zulässigen Werten zu halten. In diesem Fall können nichtdielektrische Überzüge, die sich mit dem Elektrolyten vertragen, auf den Rohren 60 verwendet werden.

Im Rahmen der Erfindung bietet sich dem Fachmann über die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform hinaus eine Vielzahl von Vereinfachungs- und Änderungsmöglichkeiten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Brennstoffzellenkühlsystem mit wenigstens einem Stapel, der mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Zellen und elektrisch leitende Trennplatten enthält, die zwischen jedem Paar benachbarter Zellen angeordnet sind, wobei in wenigstens einer der Trennplatten jedes Stapels Durchlässe parallel zu der Plattenebene gebildet sind, gekennzeichnet durch Kühler, die jedem Stapel zugeordnet sind und ein elektrisch leitendes Kühlmittel in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Stapel führen und mehrere Kühlrohre enthalten, die in den Durchlässen angeordnet sind und durch die Platten hindurchführen, wobei die Rohre elektrisch leitende Wände haben, durch ein dielektrisches Material, das zwischen der elektrisch leitenden Wand und den Trennplatten angeordnet ist und eine ausreichende Dicke hat, um zu verhindern, daß ein elektrischer Strom in das in den Rohren geführte Kühlmittel fließt, und durch einen Kühlmittelkreislauf, der mit den Kühlern in Verbindung steht.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material ein durchgehender Überzug auf den Wänden ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Wasser ist.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen einen Phosphorsäureelektrolyten enthalten, daß das dielektrische Material ein Fluorkohlenstoffpolymer ist und daß die Trennplatten Graphit enthalten und porös sind.

5. System nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühler außerdem jeweils einen elektrisch leitenden Sammelraum aufweisen, der mit den Rohren des dem betreffenden Kühler zugeordneten Stapels in Strömungsverbindung steht.

6. System nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelkreislauf elektrisch leitend ist und elektrisch mit Erde verbunden ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühler außerhalb der Trennplatten eine Widerstandsanordnung aufweisen, die in der Lage ist, eine Strecke hohen elektrischen Widerstandes durch das Kühlmittel zu erzeugen.

8. System nach einem der Ansprüche 5 bis 7, mit einer Last, mit elektrischen Verbindungen und mit mehreren Stapeln, die jeweils ein Ende niedrigen Potentials und ein Ende hohen Potentials haben, wobei die Stapel über die elektrischen Verbindungen miteinander und mit der Belastung elektrisch in Reihe geschaltet sind und wobei die Reihen von Stapeln elektrisch mit Erde verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelkreislauf eine dielektrische Leitung enthält, die mit dem Sammelraum verbunden ist, um eine Strömungsverbindung zwischen dem Kreislauf und dem Sammelraum herzustellen, und in der Lage ist. Strecken mit hohem elektrischem Widerstand durch das Kühlmittel zu erzeugen, das in den Leitungen geführt wird, und daß elektrische Verbindungsmittel zwischen den Sammelraum wenigstens eines Kühlers und eines der Enden des dem Sammelraum zugeordneten Stapels

geschaltet sind.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühler dielektrische Leitungen enthalten, welche die Sammelräume und die Kühlrohre miteinander verbinden, um über das Kühlmittel Strecken mit hohem elektrischem Widerstand zu erzeugen.

10. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsanordnung Leitungen

to enthält, die den Kreislauf mit den Kühlern verbinden und eine Wand aus dielektrischem Material umfassen.

11. System nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühler Opferelektrodenmaterial an den Enden höheren Potentials der Widerstandsstrecken aufweisen.

12. System nach einem der Ansprüche 8,9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung mit dem Ende niedrigen Potentials des Stapels verbunden ist.

13. System nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre ein Einlaßende und ein Auslaßende haben und daß das Opferelektrodenmaterial zusätzliches Material ist, welches an wenigstens einem der Enden der Kühlrohre angeordnet ist.

14. System nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Material eine Einsatzbuchse umfaßt, die jeweils in den Einlaß- und Auslaßenden angeordnet ist und ein Material enthält, welches bei einem niedrigeren Potential als das Kühlrohrmaterial korrodiert.

15. System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelkreislauf eine Pumpe zum Umwälzen des Kühlmittels in dem System und einen Kühlmittelabscheider enthält, der das Kühlmittel aus den Kühlern empfängt und Kühlmittel in Dampfform aus dem Kühlmittel in flüssiger Form abscheidet, und daß der Abscheider mit der Pumpe über Leitungen verbunden ist, um wenigstens einen Teil des abgeschiedenen flüssigen Kühlmittels wieder durch die Kühler hindurchzuleiten.