DE3445191A1 - Kuehlsystem fuer einen stapel elektrochemischer zellen - Google Patents

Kuehlsystem fuer einen stapel elektrochemischer zellen

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Description

Kühlsystem für einen Stapel elektrochemischer Zellen
Die·vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Zellen, genauer ein Kühlsystem für elektrochemische Zellen, die in einer Stapelanordnung miteinander verbunden sind.
Elektrochemische Zellen, wie beispielsweise Brennstoff- ^Q zellen, verbrauchen gasförmige Reaktanten und erzeugen auf elektrochemische Weise ein Reaktionsprodukt sowie elektrische Energie. Ein Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktion ist Abwärme. Zum Entfernen der Abwärme ist ein Kühlsystem vorgesehen, um die Temperatur aller Zellen auf 2g einem gleichförmigen Niveau zu halten, das mit den Eigenschaften des in der Brennstoffzelle verwendeten Materials und mit den Betriebskennwerten der Brennstoffzelle im Einklang ist.
Beispiele für Kühlsysteme, wie sie in elektrochemischen Brennstoffzellen verwendet werden, sind in den folgenden erteilten Patenten enthalten, wobei die Erläuterungen in diesen Patenten durch ausdrückliche Bezugnahme zur Ergänzung der vorliegenden Offenbarung heranzuziehen sind: US-PS 4 245 009 (Guthrie) mit dem Titel "Poröser Kühlrohrhalter für einen Brennstoffzellenstapel11; US-PS 3 969 (Grevstad et al.),Titel "Brennstoffzellen-Kühlsystem unter Verwendung eines nicht-dielektrischen Kühlungsmittels"; US-PS 4 233 369 (Breault et al.), Titel "Brennstoffzellen-
gQ Kühlerbaugruppe und Kantenabdicht-Mittel dafür", sowie US-PS 4 269 642 (De Casperis et al.).
Wie in der US-PS 4 233 369 (Breault et al.) gezeigt ist, werden Kühlerbaugruppen zur Kühlung des Stapels in dem Brennstoffzellen-Stapel angeordnet. Ein Kühlfluid aus einer Vorratskammer wird mittels eines Zuführrohres zu
der Kühlerbaugruppe zugeführt. Das Kühlfluid wird aus der Kühlerbaugruppe mittels eines Rückführrohres zu der Vorratskammer zurückgeführt. Ein Einlaß-Sammler steht in Strömungsverbindung mit dem Zuführrohr und ein Auslaß- > Sammler steht in Strömungsverbindung mit dem Rückführrohr. Eine Vielzahl von Kühlrohren erstrecken sich in jeder Kühlerbaugruppe parallel zwischen dem Einlaß-Sammler und dem Auslaß-Sammler und sind in der Kühlerbaugruppe angeordnet. Die Kühlerbaugruppe weist Durchgangsbohrungen zur Aufnahme der Kühlrohre auf.
Die Leistungsabgabe des Stapels kann dadurch erhöht werden, daß man an den Stapel elektrochemische Zellen anfügt. Die zusätzlichen Zellen vergrößern die Länge des Zellenstapels. Mit steigender Länge des Zellenstapels werden das Zuführrohr und das Rückführrohr verlängert, um Kühlflüssigkeit auch den zusätzlichen Kühlerbaugruppen zuzuführen. Die Zunahme der Länge dieser Rohre führt zu einer Steigerung des Druckverlustes in dem Fluid, wenn das Fluid zwischen dem ersten Sammler und dem letzten Sammler strömt. Eine richtige größenmäßige Auslegung des Zuführ- und Rückführ-Rohres kann zu einem annähernd gleichmäßigen Gesamt-Druckverlust in beiden Rohren führen. Wenn die Rohre länger werden, führen die unterschiedlichen Strömungseigenschaften in jedem Rohr zu ungleichmäßigen Druckgradienten innerhalb gewisser Bereiche, was in gewissen Fällen dazu führt, daß einige Sammler nur ungenügend durchströmt werden, während andere Sammler übermäßig durchströmt werden. Dieser Zustand einer ungleichmässigen Durchströmung einzelner Sammler wird als Strömungs-Schlechtverteilung bezeichnet.
Die Strömungs-Schlechtverteilung von Kühler zu Kühler kann sich auch aus Abweichungen der Wärmebelastungen zwischen einzelnen Kühlerbaugruppen infolge von unterschiedlichem Zellenverhalten sowie infolge von Veränderungen der Strö-
-τ-
mungs-Querschnittsflächen wegen einer Ablagerung von gelösten Stoffen und suspendierten Teilchen ergeben. Eine Strömungs-Schlechtverteilung kann auch innerhalb eines Kühlers auftreten, dessen Rohre in paralleler Strömungsanordnung ausgerichtet sind, wie das oben beschrieben wurde, und zwar infolge von Veränderungen von lokalen Wärmebelastungen, die sich aus Abweichungen bei der Stromdichte quer zur Zelle ergeben.
Ein Ansatz zur Lösung des Problems der Strömungs-Schlechtverteilung besteht darin, den Feld-Widerstand in der Baugruppe zu erhöhen, d.h. den Strömungswiderstand zwischen dem Zentrum des Zuführrohres und dem Zentrum des Rückführrohres, so daß Abweichungen beim Strömungswiderstand zwischen dem ersten Sammler und dem letzten Sammler im Vergleich zum Feld-Widerstand unbedeutend werden. Der Strömungswiderstand wird beispielsweise dadurch erhöht, daß man eine öffnung vorsieht, die einen Durchmesser aufweist, der sehr viel geringer ist als der Durchmesser der Rohre. Neuere Erfahrungen haben gezeigt, daß derartige kleine Öffnungen zum Verstopfen neigen, wenn in den Systemen ein Kühlmittel wie beispielsweise Wasser verwendet wird, da gelöste Stoffe oder Teilchen in dem Kühlmittel vorhanden sind, die auf den Wänden der öffnungen Ablagerungen ausbilden. Eine Lösung besteht darin, ein Kühlmittel zu verwenden, das zur Entfernung von gelösten Stoffen und Teilchen behandelt wurde. Es gibt jedoch zahlreiche Situationen, in denen die Reinheit eines derartigen Kühlmittels aus ökonomischen oder physikalischen Gründen beschränkt ist.
Es besteht daher ein Bedarf nach einem Kühlsystem, bei dem das Problem des Zusetzens nicht auftritt und bei dem gleichzeitig das Problem einer Strömungs-Schlechtverteilung zwischen Kühlerbaugruppen gelöst wird.
e Aufgabe wird durch ein Kühlsystem für einen Stapel elektrochemischer Zellen gelöst, das die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den ünteransprüchen zu entnehmen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Kühlsystem mit Kühlerbaugruppen für einen Stapel elektrochemischer Zellen ein Zuführrohr, ein Rückführrohr sowie eine Vielzahl von Leitungen für ein Kühlfluid auf, die sich zwischen diesen Rohren erstrecken, wobei jede dieser Leitungen von einem Satz von Kühlrohren gebildet wird, die in einer Strömungs-Reihenschaltung in Reihe so miteinander verbunden sind, daß ein gewundener Weg für das Kühlfluid durch die zugeordnete Kühlerbaugruppe gebildet wird.
Ein primäres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Kühlsystem ein solches ist, das eine Vielzahl von Kühlerbaugruppen zur Wärmeableitung aus den wärmeerzeugenden Zellen eines Stapels elektrochemischer Zellen aufweist. Das System umfaßt ein Zuführrohr und ein Rückführrohr. Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß sich zwischen dem Zuführrohr und dem Rückführrohr eine Vielzahl von Leitungen erstrecken. Jede Leitung ist in einer zugeordneten Kühlerbaugruppe angeordnet. Jede Leitung wird von einem Satz von Kühlrohren gebildet. Jedes Kühlrohr erstreckt sich von einer Seite der Kühlerbaugruppe zur anderen quer durch den Zellenstapel. Die Rohre stehen in Strömungsverbindung mit dem Zuführrohr und dem Rückführrohr sowie in einer Strömungs-Reihenanordnung zueinander, so daß ein gewundener Strömungsweg für das Kühlfluid gebildet wird. Ein Merkmal besteht in der Strömungswiderstands-Eigenschaft der Leitung, die sich aus der gewundenen Natur des Strömungswegs für das Kühlfluid ergibt. Ein Merkmal einer Ausführungsform ist der hydraulische Durchmesser der Leitung zwischen dem Zentrum des Rückführrohres und dem Zentrum des Zuführrohres, indem der kleinste Wert für die-
sen hydraulischen Durchmesser etwa 3/4 des mittleren hydraulischen Durchmessers der Kühlrohre gleich ist. Ein Merkmal einer Ausführungsform ist ferner, daß das Kühl-. system zwei Sätze von Leitungen aufweist. Jeder Satz von Leitungen weist einen Satz von Kühlrohren auf, die innerhalb jeder Kühlerbaugruppe in Parallelschaltung zu einem Satz von Kühlrohren des anderen Satzes von Leitungen angeordnet sind. Es ist ferner ein Merkmal einer Ausführungsform, daß ein kontinuierliches Rohr verwendet wird, das -LQ sich vom Zuführ rohr zum Rückführ rohr· erstreckt und daß ' ein dielektrisches Verbindungsstück die Leitung mit dem Rückführrohr verbindet.
Ein primärer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ein Kühlfluid verwendet werden kann, das Stoffe und Teilchen enthält, die in dem Fluid, beispielsweise in Wasser, suspendiert und gelöst sind, und daß mit einem solchen Kühlfluid ein Betrieb über einen langen Zeitraum ohne ein Versagen des Kühlsystems möglich ist. Das ist eine Folge davon, daß öffnungen mit kleinem Durchmesser zur Strömungskontrolle vermieden werden, während gleichzeitig eine unerwünschte Verteilung des Kühlfluids zwischen Sätzen von Kühlrohren dadurch verhindert wird, daß der Strömungswiderstand der Kühlrohre dazu ausgenutzt wird, die Strömungsverteilung auszugleichen. Gemäß einer Ausführungsform besteht der Vorteil in der Zuverlässigkeit und Einfachheit der Konstruktion, die sich daraus ergibt, daß Sammler für das Kühlfluid, die mit dem Zuführrohr und dem Rückführrohr verbunden sind, sowie die zahlreichen Verbindungsstücke zwischen den Sammlern und den Rohren vermieden werden, indem man eine einzige Leitung verwendet, die in Reihe hintereinander miteinander kommunizierende Kühlrohre aufweist, wobei durch jedes dieser Rohre das gesamte Kühlfluid strömt, das in die Leitung einströmt. Gemäß einer Ausführungsform liegt ein Vorteil in der
Gleichmäßigkeit der Temperaturgradienten und dos Würmcstromes zwischen den wärmeerzeugenden Zellen und der Kühlerbaugruppe, was eine Folge davon -t, daß zwei Leitungen vorgesehen sind, die parallelgesc. itete Kühlrohre aufweisen, in denen das Kühlfluid in entgegengesetzter Richtung strömt.
Die obigen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie in den Figuren noch näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht einer
Brennstoffzellenstapel-Baugruppe, wobei ein Teil der Baugruppe weggebrochen ist, um einen Bereich des Kühlsystems zu zeigen;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs
der in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel-Baugruppe ;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Kühler-Baugruppe des in Fig. 1 gezeigten Zellenstapels;
eine alternative Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel-Baugruppe ; und
eine schematische Darstellung einer Kühler-Baugruppe des in Fig. 4 gezeigten Brennstoffzellenstapels .
Fig. 4
30
Fig. 5
35
Fig. 1 zeigt einen Teil einer Baugruppe 10 eines Stapels elektrochemischer Zellen vom Brennstoffzellentyp. Die Stapel-Baugruppe umfaßt einen Brennstoffzellenstapel 12, sowie vier Verteiler 14, 16, 18 und 20 für die gasförmigen Reaktanten. Jcler Verteiler für einen gasförmigen Reaktanten bedeckt eine der Oberflächen des Stapels. Der Verteiler 14 ist der Einlaßverteiler für den Brennstoff. Der Verteiler 16 ist der Auslaßverteiler für den Brennstoff. Der Verteiler 18 ist der Einlaßverteiler für das Oxidationsmittel, nämlich Luft. Der Verteiler 20 ist der Auslaßverteiler für das Oxidationsmittel. Diese Verteiler werden von einer Vielzahl von Bändern 22 eng in abgedichteter Form gegen die Seitenflächen des Stapels gepreßt.
Die Brennstoffzellenstapel-Baugruppe 10 umfaßt ein Kühlsystem 24 zur Durchleitung eines Kühlfluids aus einer Quelle für das Fluid (nicht gezeigt) zu einem Auslaßbereich (nicht gezeigt). Das Kühlsystem umfaßt ein Mittel zur Zirkulierung des Kühlfluids, ein Zuführrohr 26, ein Rückführrohr 28 sowie eine Vielzahl von Kühlerbaugruppen, wie sie anhand einer einzigen Kühlerbaugruppe 30 gezeigt sind. Eine Vielzahl von Leitungen für das Kühlfluid erstrecken sich zwischen den Rohren 26 und 28, wie sie anhand einer einzigen Leitung 32 dargestellt sind. Die Leitungen sind gleichmäßig über die Länge des Stapels verteilt, wie anhand der mit einer unterbrochenen Linie gezeigten Darstellung angedeutet ist, in der die mit dem Zuführrohr verbundenen Leitungen gezeigt sind. Jede Leitung ist in einer zugeordneten Kühlerbaugruppe angeordnet.
Fig. 2 zeigt die Brennstoffzellenstapel-Baugruppe 10 von Fig. 1 in einer detaillierteren Ansicht. Der Brennstoffzellenstapel umfaßt eine Vielzahl von Brennstoffzellen 34, die unter Bildung des Stapels miteinander verbunden sind. Eine gasundurchlässige Trennplatte 36 oder eine
— Ί 2, —
Kühlerbaugruppe 30 erstreckt sich zwischen jedem Paar von Brennstoffzellen. Jede Kühlerbaugruppe umfaßt eine gasundurchlässige Trennplatte 36", die mit der Trennplatte 36 identisch ist, um eine gasundurchlässige Schicht zu erzeugen. Bei der im Beispiel dargestellten Ausführungsform sind die Platten 36 und 36" 0,84 mm dick, etwa 50,8 cm lang und etwa 50,8 cm breit.
Die Grundkonstruktion der Brennstoffzelle ist die gleiche, wie sie in der US-PS 4 115 627 (Christner et al.) der gleichen Anmelderin mit dem Titel "Elektrochemische Zelle mit einem gerippten Elektrodensubstrat" beschrieben ist, wobei dieses Patent zur Ergänzung der vorliegenden Offenbarung heranzuziehen ist. Jede Brennstoffzelle 3 4 umfaßt eine dünne Matrixschicht 38 zur Zurückhaltung des Elektrolyten. Die Matrixschicht weist eine Anodenelektrode 4 2 auf, die auf einer Seite angeordnet ist, sowie eine Kathodenelektrode 44, die auf der anderen Seite angeordnet ist. Ein Phosphorsäureelektrolyt ist in der Matrixschicht zwisehen der Anode und der Kathode angeordnet. Die Anodenelektrode umfaßt ein Substrat 46, das etwa 2,03 mm dick ist, faserig und für den Gasdurchtritt porös ist. Das Substrat weist eine ebene Oberfläche 48 auf, die der Matrixschicht 38 zugekehrt ist. Eine dünne Katalysatorschicht (nicht dargestellt) ist auf der flachen Oberfläche angeordnet. Die Katalysatorschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 50,8 μπι bis 127 um auf. Das Substrat weist eine zweite Oberfläche 52 auf. Eine Vielzahl von Rippen 54 erstrecken sich von der zweiten Oberfläche nach außen und sind voneinander getrennt, so daß zwischen ihnen eine Vielzahl von Nuten oder Rinnen 56 gebildet werden. Diese Rinnen erstrecken sich durch die Zelle, so daß eine Strömung sverbindung zwischen dem Brennstoff-Einlaßverteiler 14 und dem Brennstoff-Auslaßverteiler 16 gebildet wird.
Die Kathodenelektrode 44 weist eine ähnliche Konstruktion
auf wie die Anodenelektrode. Die Kathodenelektrode weist ein Kathodensubstrat 58 auf. Auf der ebenen Oberfläche 62 ist eine dünne Katalysatorschicht angeordnet (nicht gezeigt) . Die Kathode weist eine zweite Fläche 64 auf. Eine Vielzahl von Rippen 66 erstrecken sich von der zweiten Fläche nach außen und sind.mit einem Abstand zueinander angeordnet, so daß eine Vielzahl von Rinnen 68 gebildet werden,durch die eine Strömungsverbindung zwischen dem Luft-Einlaßverteiler 18 und dem Auslaßverteiler 20 hergestellt wird, wobei die Richtung der Luft senkrecht zur Richtung des BrennstoffStroms durch die Anodenelektrode 42 ist.
Jede Kühlerbaugruppe 30 ist zwischen einem Paar von Brenn-Stoffzellen 12 angeordnet. Die Kühlerbaugruppe weist eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen 72 auf, die sich durch die Baugruppe hindurcherstrecken, die es ermöglichen, daß in der Kühlerbaugruppe eine zugeordnete Leitung 32 angeordnet wird. Die Leitung erstreckt sich vom Zuführrohr 26 zum Rückführrohr 28. Jede Leitung umfaßt einen Satz von Kühlrohren 74, die in den Durchgangsöffnungen der Kühlerbaugruppe angeordnet sind. Jeder Satz von Rohren umfaßt ein Eintrittskühlrohr 74e, wenigstens ein Zwischenkühlrohr 74i und ein Ausgangskühlrohr 74x. Jedes Kühlrohr weist einen Einlaß 76, einen Auslaß 78 und einen mittleren hydraulischen Durchmesser Dt zwischen dem Einlaß und dem Auslaß auf. Der mittlere hydraulische Durchmesser ist gleich dem Vierfachen der Strömungs-Querschnittsfläche des Rohres geteilt durch den benetzten Umfang des Rohres.
In jeder Leitung ist der Einlaß 76 des Eingangsrohres 74e mit dem Zuführrohr 26 verbunden und mit diesem in einer Strömungsverbindung. Der Auslaß 78 des Ausgangsrohres 74x ist mit dem Rückführrohr 28 verbunden und mit diesem in einer Strömungsverbindung. In der dargestellten Ausführungsform wird ein dielektrisches Verbindungsstück
wie beispielsweise ein PolytotrafluorcthylGn-Schlauch, dazu verwendet, den Auslaß des Ausgangsrohres mit dom Rückführrohr zu verbinden, um die elektrische Kontinuität der Leitung zu unterbrechen. Ein zweites (nicht darge-•5 stelltes) dielektrisches Verbindungsstück 80' wird dazu verwendet, den Einlaß des Eingangsrohres mit dem Zuführrohr zu verbinden. Der Einlaß 76 eines jeden Zwischenrohres ist mit dem Auslaß 78 eines benachbarten Rohres verbunden und mit diesem in einer Strömungsverbindung.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, sind die Einlaßstücke und Auslaßstücke der Rohre in dem Brennstoff-Auslaßverteiler 16 auf die gleiche Weise angeordnet wie die Auslaß- und Einlaß-Stücke, die in dem Brennstoff-Einlaßverteiler 14 gezeigt sind. Die Kühlrohre 74, die sich zwischen dem Zuführrohr und dem Versorgungsrohr erstrecken, sind somit in einer Reihenschaltungsanordnung unter Bildung einer Strömungs-Reihenschaltung angeordnet, so daß ein gewundener Strömungsweg für das Kühlfluid durch die Baugruppe bis zum Rückführrohr gebildet wird.
Das Zuführrohr 26, das Rückführrohr 28 sowie jede Leitung 32 definieren einen Strömungsweg 82 für das Kühlfluid, der sich durch die Kühlerbaugruppe 30 erstreckt. Der Strömungsweg beginnt im Zentrum C^ des Zuführrohres und endet im Zentrum C des Rückführrohres und weist einen kleinsten hydraulischen Durchmesser Df auf. Der kleinste hydraulische Durchmesser des Strömungsweges ist gleich oder größer als 3/4 des mittleren hydraulischen Durchmessers D^ der Kühlmittelrohre (D^ ;> 0,75 D.), um ein Zusetzen am kleinsten hydraulischen Durchmesser der Leitung unter Dauerbetriebsbedxngungen bei Verwendung eines Kühlmittels zu verhindern, das gelöste Stoffe oder Teilchen enthält.
3g Die Fig. 4 und 5 zeigen eine alternative Ausführungsform 86 des Kühlsystems 24 für den Stapel elektrochemischer
Zellen, der in Fig. 2 gezeigt ist, wobei bei dieser Ausführungsform zwei Sätze von Leitungen in jeder Kühlerbaugruppe vorgesehen sind. Das Kühlsystem 86 weist erste und zweite Zuführrohre 88, 90 und erste und zweite Rückführrohre 92, 94 auf. Eine Vielzahl von ersten Leitungen, dargestellt anhand einer einzigen ersten Leitung 96, erstreckt sich zwischen dem ersten Zuführrohr und dem ersten Rückführrohr. Eine Vielzahl von zweiten Leitungen, dargestellt anhand einer einzigen zweiten Leitung 98, erstreckt sich zwischen dem zweiten Zuführrohr und dem zweiten Rückführrohr. Jede erste Leitung umfaßt einen ersten Satz von Kühlrohren 102, die wie die Kühlrohre der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform miteinander verbunden sind. Jede zweite Leitung umfaßt einen zweiten Satz von Kühlrohren 104, die wie die Kühlrohre in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform miteinander verbunden sind. Somit ist in jeder Kühlerbaugruppe ein zweiter Satz von Kühlrohren 104 in Durchgangsöffnungen 72 benachbart zu den Durchgangsöffnungen 72 angeordnet, die den ersten Satz von Kühlrohren enthalten, so daß der zweite Satz von Kühlrohren in einer Parallelschaltung versetzt zum ersten Satz von Kühlrohren angeordnet ist. Das erste Zuführrohr 88 ist in der Nähe des zweiten Rückführrohres 94 angeordnet, und das erste Rückführrohr 92 ist in der Nähe des zweiten Zuführrohres 90 angeordnet, so daß der Kühlmittelstrom in den beiden Sätzen von Rohren in Gegenstromrichtung erfolgt. Wie einfach zu erkennen ist, führt ein Austausch der Anordnungen des Zuführrohres 90 und des Rückführrohres 94 dazu, daß eine Gleichstrom-Konstruktion erhalten wird, bei der das Fluid im Gleichstrom parallel entlang eines gewundenen Wegs strömt. Außerdem können sowohl bei der Gegenstrom- als bei der Gleichstrom-Konstruktion beide Leitungen mit dem gleichen Zuführrohr und beide Leitungen auch mit dem gleichen Rückführrohr verbunden
3b s«in.
Während des Betriebs der Brennstoffzellenstapel-Baugruppe 10 werden Wasserstoff (als Brennstoff) und Luft (als Oxidationsmittel) elektrochemisch in dem Brennstoffzellenstapel 12 miteinander umgesetzt, wobei elektrische Energie und Abwärme erzeugt werden. Die Wärme wird durch die Brennstoffzellen 34 auf die Kühlerbaugruppen 30 übertragen. Bei dieser Ausführungsform weist der Stapel etwa 270 Brennstoffzellen auf und weist eine Kühlerbaugruppe nach jeder fünften Zelle auf. Das Kühlfluid wird durch IQ das Zuführrohr 26 zu der Leitung 32 zugeführt, die durch die Kühlerbaugruppe geführt ist, und danach zum Rückführrohr 28. Die Wärme wird innerhalb der Kühlerbaugruppen auf das Kühlfluid übertragen, das in den Rohren strömt. Jedes Kühlmittelrohr nimmt dabei den gesamten Strom des Kühlfluids auf, der durch die Leitung hindurchtritt und weist, verglichen mit Rohren, die sich parallel erstrecken, einen größeren Durchmesser auf, um eine ausreichende Durchflußgeschwindigkeit zu ermöglichen. Die größere Durchflußgeschwindigkeit und der größere Oberfläc.henbereich der Kühlrohre vergrößert die Kapazität der Kühlrohre zur Wärmeableitung. Der Strömungswiderstand des langen gewundenen Strömungswegs 82 durch die Rohre ist sehr viel höher als der Strömungswiderstand von Rohren einer kürzeren Länge, die parallel angeordnet sind. Das führt dazu, daß der Feld-Druckverlust zwischen dem Eingang 76 der Leitung zum Ausgang 78 der Leitung, verglichen mit dem Differenzdruck längs des Zuführrohres, groß ist, was es sicherstellt, daß jede Kühlerbaugruppe die zugeteilte Menge Kühlfluid aufnimmt. Geringe Variationen eg der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids zwischen den Leitungen existieren, wobei jedoch infolge des großen Massenstromes von Kühlfluid durch jedes Kühlmittelrohr eine unannehmbare Verteilung des Kühlfluids zwischen den Kühlerbaugruppen vermieden wird. Da der Strömungsweg, gc der sich vom Zentrum des Zuführrohres zum Zentrum des Rückführrohres erstreckt, auf keinen hydraulischen Durch-
messer trifft, der geringer als 3/4 des hydraulischen Durchmessers der Kühlrohre, wird angenommen, daß ein Kühlsystem, bei dem ein Kühlfluid verwendet wird, das gelöste und suspendierte Stoffe und Teilchen enthält, nicht unter Leitungsblockierungen leidet, selbst bei einer langen Betriebsdauer des Stapels, d.h. nach einer Betriebsdauer des Stapels von einigen tausend Stunden.
Wie leicht zu erkennen ist, können die Kühlrohre getrennt hergestellt und miteinander zu einem Stück verbunden werden, damit ein einziges Rohr gebildet wird, oder sie können aus einem einzigen langen Rohrstück hergestellt werden. In beiden Fällen wird die Zahl der Verbindungen gegenüber Systemen, bei denen Sammler und Rohre in einer parallelen Strömungsanordnung verwendet werden, vermindert. Das führt dazu, daß die Wahrscheinlichkeit eines Leckens an einer Verbindung geringer ist, da die Anzahl derartiger Verbindungen vermindert ist.
Während des Betriebs des Kühlsystems, das in Fig. 3 gezeigt ist, strömt das Kühlfluid in den beiden unterschiedlichen Leitungen in entgegengesetzte Richtungen durch die Kühlerbaugruppe. Jedes Erhitzen des Kühlmittels in einer Leitung, das auftritt, bevor es das Ende der Leitung erreicht, wird von dem Kühlfluid in der zweiten Leitung ausgeglichen, das von der anderen Seite zugeführt wird. Das vermindert TemperaturSchwankungen, die in den Zellen infolge eines Aufheizens des Kühlfluids in der ersten Leitung vorkommen können, während das Fluid durch die Kühlerbaugruppe strömt. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich für den Fachmann, daß dieser zahlreiche Veränderungen bezüglich der Form und der Einzelheiten des erfindungsgemäßen Kühlsystems vornehmen kann, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er durch die Ansprüche definiert ist.
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Claims (9)

Dtpl.-Ohem. Dr. Stehen ANDRAE 1 1, ΠβΖ. 191ft Dlpl.-Phys. Dieter FLACH ' Dipl.-lnfl. Dietmar HAUG Dlpl.-Chem. Dr. Richard KNEISSL PATENTANWÄLTE r. 44, D-8000 München 80 Anm.: United Technologies Corporation Hartford, Ct. 06101, V.St.A. Az.: 291 Kühlsystem für einen Stapel elektrochemischer Zellen Patentansprüche
1. Kühlsystem für einen Stapel elektrochemischer Zellen mit einer Vielzahl von wärmeerzeugenden Zellen und einem Kühlsystem für diese Zellen, das eine Vielzahl von Kühlerbaugruppen, die in einem Abstand voneinander so angeordnet sind, daß sie zwischen einem Paar von wärmeerzeugenden Zellen liegen, und die Durchgangsöffnungen für die Aufnahme von Kühlrohren aufweisen, sowie ferner ein Mittel zum Zirkulieren eines Kühlfluids aufweist, das ein Zuführrohr und ein Rückführrohr aufweist,
das gekennzeichnet ist durch
eine Vielzahl von Leitungen (32, 96, 98), wobei sich jede Leitung (32, 96, 98) innerhalb einer zugeordneten Kühlerbaugruppe (30) zwischen dem Zuführrohr (26, 88, 90) und dem Rückführrohr (28, 92, 94) unter Bildung eines Strömungswegs (82) für das Kühlfluid erstreckt, der sich vom Zentrum (C_) des Zuführrohres (26, 88, 90) zum Zentrum (C„) des Rückführrohres (28, 92, 94) erstreckt und der.einen kleinsten hydraulischen Durchmesser (Df) aufweist,
wobei die Leitung (32, 96, 98) einen Satz von Kühlrohren (74, 102, 104) aufweist, die in den Durchgangsöffnungen (73) der Kühlerbaugruppe (30) angeordnet sind, wobei jedes Rohr (74, 102, 104) einen Einlaß (76), einen Auslaß (78) und einen mittleren hydraulischen Durchmesser (D.) zwischen dem Einlaß (76) und dem Auslaß (78) aufweist und wobei jeder Satz von Rohren (74, 102, 104) ein Eingangskühlrohr (74e), wenigstens ein Zwischenkühlrohr (74i) und ein Ausgangskühlrohr (74x) aufweist, wobei der kleinste hydraulische Durchmesser (D^) jedes Strömungsweges (82) gleich ist oder größer ist als 3/4 des mittleren hydraulischen Durchmessers der genannten Kühlrohre (74D,), um ein Verstopfen der Rohre (74, 102, 104) am kleinsten hydraulischen Durchmesser der Leitung unter Bedingung eines Dauerbetriebs zu vermeiden, und
wobei der Einlaß (76) des Eingangsrohres (74e) mit dem Zuführrohr (76, 88, 90) verbunden ist und mit diesem in einer Strömungsverbindung steht, der Auslaß (78) des Ausgangsrohres (74x) mit dem Rückführrohr (28, 92, 94) verbunden ist und mit diesem in Strömungsverbindung steht und der Einlaß (76) eines jeden Zwischenrohres (74i) mit dem Auslaß (78) jedes angrenzenden Rohres (74) verbunden ist und mit diesem in Strömungsverbindung steht, so daß die Kühlrohre (74, 102, 104) zwischen dem Zuführrohr (26, 88, 90) und dem Rückführrohr (28, 92, 94) in Reihe miteinander verbunden sind und in einer Strömungs-Reihenschaltung so angeordnet sind, daß ein gewundener Strömungsweg (82) für das Kühlfluid durch eine zugeordnete go Kühlerbaugruppe (30) gebildet wird, der einen solchen Strömungswiderstandswert aufweist, der sicherstellt, daß jede Kühlerbaugruppe (30) auf eine vorgegebene Weise mit Kühlfluid versorgt wird.
2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Zuführrohr ein erstes Zuführrohr (88) ist/ das genannte Rückführrohr ein erstes Rückführrohr (92) ist und daß die genannte Vielzahl von Leitungen eine Vielzahl
•5 von ersten Leitungen (96) ist und jeder der genannten Sätze von Kühlrohren ein Satz von ersten Kühlrohren (102) ist, und daß der Zellenstapel außerdem ein zweites Zuführrohr (90), ein zweites Rückführrohr (94) und eine Vielzahl von zweiten Leitungen (98) aufweist, die sich zwisehen dem zweiten Zuführrohr (90) und dem zweiten Rückführrohr (94) erstrecken, wobei jede zweite Leitung (98) einen Satz zweiter Kühlrohre (104) in einer Strömungs-Reihenschaltungsanordnung umfaßt und daß in jeder Kühlerbaugruppe (30) jedes Rohr (104) des zugeordneten zweiten Satzes von Kühlrohren in der Kühlerbaugruppe benachbart zu einem Kühlrohr (102) des ersten Satzes von Kühlrohren so angeordnet ist, daß sich die Kühlrohre (104) des zweiten Satzes und die Kühlrohre (102) des ersten Satzes in paralleler Schaltungsanordnung abwechseln.
3. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Zuführrohr ein erstes Zuführrohr ist, das genannte Rückführrohr ein erstes Rückführrohr ist und daß die genannte Vielzahl von Leitungen eine Vielzahl von ersten Leitungen ist und jeder der genannten Sätze von Kühlrohren ein Satz von ersten Kühlrohren ist und daß der Zellenstapel außerdem eine Vielzahl von zweiten Leitungen aufweist, die sich zwischen dem ersten Zuführrohr und dem ersten Rückführrohr erstrecken, wobei jede zweite Leitung einen Satz zweiter Kühlrohre in einer Strömungs-Reihenschaltungsanordnung umfaßt, und daß in jeder Kühlerbaugruppe jedes Rohr des zugeordneten zweiten Satzes von Kühlrohren in der Kühlerbaugruppe benachbart zu einem Kühlrohr des ersten Satzes von Kühlrohren so angeordnet ist, daß sich die Kühlrohre des zweiten Satzes und die Kühlrohre des ersten Satzes in paralleler Schaltungsanordnung abwechseln.
4. Kühlsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Kühlerbaugruppe das Eingangskühlrohr des ersten Satzes benachbart zum Ausgangskühlrohr des zweiten Satzes aufweist und das Ausgangs-•5 kühlrohr des ersten Satzes benachbart zum Eingangskühl-* rohr des zweiten Satzes aufweist, so daß in der ersten Leitung und in der zweiten Leitung die Ströme des Kühlfluids einander entgegengerichtet sind.
5. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß jedes Zwischenkühlrohrs mit Hilfe eines gekrümmten AnschlußStückes mit dem Einlaß eines zugeordneten Kühlrohrs verbunden ist.
6. Kühlsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre eine einstückige Bauweise aufweisen.
7. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, · daß der Satz von Kühlrohren von einem einzigen, in axialer Richtung kontinuierlichen Rohrstück mit Krümmungen gebildet wird, die die Kühlrohre miteinander verbinden.
8. Kühlsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsform wenigstens eines Satzes von Kühlrohren kreisförmig ist.
9. Kühlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenstapel eine Vielzahl von dielektrischen Verbindungsstücken aufweist, die jeweils zwischen dem Einlaß eines zugeordneten Eingangskühlrohres und dem Zuführrohr und dem Auslaß eines zugeordneten Ausgangskühlrohrs und dem Rückführrohr angeordnet sind und die eine elektrisch nichtleitende Verbindung zwischen der Leitung und dem Rückführrohr bzw. dem Zuführrohr bilden.
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