Technisches Gebiet
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Diese Erfindung betrifft elektrochemische Zellen, wie Brennstoffzellen,
und Stapel solcher Zellen, die bei Betrieb wirksam sind, beträchtliche
Mengen an Elektrizität zu erzeugen. Insbesondere betrifft diese
Erfindung Kühlsysteme für Brennstoffzellen-Stapel, wobei die Kühlsysteme
Wasser als das Kühlmittel verwenden.
Technischer Hintergrund
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Brennstoffzellen sind zur Erzeugung kommerziell beträchtlicher Mengen
an Elektrizität in Stapeln angeordnet. Die Zellen sind gebildet aus
plattenähnlichen Bestandteilen, die aufeinandergestapelt sind und zur
Erzeugung beträchtlicher Spannungen elektrisch in Reihe geschaltet sind. In
Brennstoffzellen des Typs, die Kühlung erfordern, wird es eine
Mehrzahl von in dem Stapel verteilten Kühlplatten geben, so daß die
Betriebstemperatur des gesamten Stapels in einem vorbestimmten Bereich bleiben
wird. Das spezifische verwendete Kühlmittel kann gasförmig oder flüssig
sein, wie Wasser. Das Kühlmittelsystem in einem Kraftwerk, das eine
oder mehrere Brennstoffzellen-Stapel verwendet, ist im allgemeinen ein
geschlossenes System, wobei das Kühlmittel durch den Stapel oder die
Stapel in Wärmeaustausch-Beziehung mit den Zellen zirkuliert, um
durch Sieden eines Teils des Kühlmittels Wärme von den letzteren
aufzunehmen. Der sich ergebende Dampf und Wasser werden dann durch
einen Dampfabscheider zirkuliert, der die Wärme und den Dampf von
dem Kühlmittel entfernt. Der Dampf wird dann für die
Brennstoffaufbereitung verwendet. Das flüssige Kühlmittel wird dann zu den Zell-
Stapeln zurückzirkuliert. Wenn das Kühlmittel Wasser ist, verursachen
die Bedingungen, denen es unterworfen wird, Korrosion der
verschiedenen Kühlsystem-Bestandteile. Die Korrosionsproduktteilchen, die enge
Durchgänge in dem geschlossenen Kühlmittelsystem verstopfen können,
werden im Kühlwasser mitgeführt. Insbesondere wurden Eisenoxide und
Kupferausfallungen in den Leitungen solcher wassergekühlter Kühlmittel-
Systeme mit im wesentlichen geschlossenen Kreislauf beobachtet. So
erfordert die Instandhaltung eine periodische chemische oder
physikalische Reinigung von diesen Abscheidungen, bevor einer oder mehrere
dieser Kühlmittel-Durchgänge vollständig verstopft wird.
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In GB-A-2 151 840 ist ein Rückzirkulierungs-Kühlsystem für
elektrochemische Zellen offenbart, das einen Stapel von zu kühlenden
elektrochemischen Zellen aufweist, in denen eine Mehrzahl an Kühleranordnungen
verteilt ist. Der Kühlmittel-Strömungsweg wird definiert durch ein
Kühlmittel-Einspeiserohr, ein Kühlmittel-Rückführrohr und Kühlmittel-
Leitungen, die sich von dem Einspeiserohr zu dem Rückführrohr
erstrecken und zu denen in den Kühleranordnungen angeordnete
Kühlmittel-Rohre gehören. Um eine Blockierung des
Kühlmittel-Strömungswegs durch in der Kühlflüssigkeit suspendierte oder gelöste Teilchen zu
vermeiden, ist der Strömungsweg so konstruiert, daß sein minimaler
hydraulischer Durchmesser gleich oder größer ist als drei Viertel des
mittleren hydraulischen Durchmessers der Kühlmittel-Rohre, d. h.
Abschnitte mit kleinem Durchmesser werden vermieden.
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In Patent Abstracts of Japan Band 10 Nummer 384 (E-466) [2442] 23.
Dezember 1983 ist ein Hochtemperaturfilter für Kühlwasser von
Brennstoffzellen offenbart. Nach dem Passieren eines
Gas/Flüssigkeits-Separators wird die das Reaktionsgefäß verlassende Kühlmittel-Flüssigkeit in
einen Filter eingespeist, um Kupfer- und Eisenmaterial von der
Kühlflüssigkeit zu entfernen. Ein Teil des Wassers, das den Filter passiert hat,
wird zusätzlich in einem Ionenaustauscherharz-Turm behandelt. Das
Filtermaterial wird gewaschen durch Pressen von Wasser aus einem
Kühlwasserreservoir durch den Filter in einer dem Filtern
entgegengesetzten Richtung.
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Das Kühlmittel-System dieser Erfindung arbeitet mit einem Wasser-
Kühlmittel und ist darauf ausgelegt, für einen maximalen Stapelgebrauch
zwischen den Kühlmittelsystem-Reinigungen zu sorgen, um so die
Betriebszeit des Kraftwerks zu erhöhen. Es wurde beobachtet, daß die
Kühlmittel-Einlaß-Verteilerleitungs-Öffnungen oder "Snivvies" ein
primärer Ort für eine Ansammlung von Korrosionsprodukt-Ablagerungen
und anderem suspendierten Material in dem Kühlmittel-System sind und
daß sich solche suspendierten Teilchen am Boden der
Einlaß-Verteilerleitung und bevorzugt in den unteren Snivvies ablagern können. Die
konstante Einströmung und Ausströmung von Wasser durch diese
Einlaß-Verteilerleitung wird dazu neigen, Material zurückzuzirkulieren,
wenn es sich zum Boden der Verteilerleitung hin absetzt.
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Fortdauer einer solchen erneuten Suspendierung von sich absetzenden
Teilchen wird dazu führen, daß der untere Bereich der
Verteilerleitungswand an seiner Snivvy-Seite starke, dickere Beschichtungen als normale
Beschichtungen der Korrosionsablagerungen erfahren wird. Somit
können die Seite der Verteilerleitung, wo Wasser in die Snivvies zu den
Kühlmittel-Platten in dem Stapel fließt, und die Snivvy-Wände stark
beschichtet werden mit aus dem Wasser abgelagerten oder von dem
Wasser getragenen Material in einem Ausmaß, daß die Snivvies
verstopfen können. Dieses Problem ungleichförmiger Verteilung von
Ablagerungen unter allen Snivvies und entlang der gesamten
Verteilerleitungslänge tritt auf, wenn der Wassereinlaß zu der
Einlaß-Verteilerleitung am Boden der Verteilerleitung angeordnet ist. In einem solchen Fall
rührt das einströmende Wasser beständig Material, das sich auf den
Boden der Verteilerleitung absetzen will, auf und verteilt es wieder und
agglomeriert es zu den unteren Snivvies hin.
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Das Kühlmittelsystem dieser Erfindung ist darauf ausgelegt, die
Vorzugsablagerung im wesentlichen zu beseitigen durch gleichmäßiges
Verteilen des sich ablagernden Materials in der Einlaß-Verteilerleitung und
den Snivvies, so daß die Stapel durch längere Betriebsperioden des
Kraftwerks hindurch hinreichend gekühlt werden können. Mit dem
System dieser Erfindung werden die Snivvies für längere Zeitperioden
unverstopft bleiben, so daß die Wartungsreinigung des Kraftwerks nach
längeren Betriebsintervallen durchgeführt werden kann. Somit wird die
Gesamt-Arbeitsfähigkeitsdauer des Kraftwerks verbessert.
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In dem Kühlmittel-System dieser Erfindung wird das Kühlwasser in die
Kühlmittel-Einlaß-Verteilerleitung an ihrem oberen Ende über allen der
Snivvies durch ein Knie mit großem Radius, das die Turbulenz
verringert, eingeführt. Das Wasser strömt so durch die
Einlaß-Verteilerleitung
in einer nach unten gerichteten Richtung über die Snivvies aus der
Verteilerleitung heraus. Es gibt einen Auslaufdurchgang unten in der
Einlaß-Verteilerleitung, der unterhalb des untersten Kühlmittel-Platten-
Snivvies liegt und der einen Strömungsdurchgang schafft zu einem
Wasser-Ionenaustauscherbett-Reiniger, der den Stapel umgeht. Der
Auslaufdurchgang schafft eine Umgehung um den Stapel, wodurch Teilchen, die
sich sonst unten in der Einlaß-Verteilerleitung absetzen würden und dort
vielleicht agglomerieren oder in die unteren Stapel-Snivvies strömen
würden, kontinuierlich um den Stapel herum und zum Reiniger hin
getragen werden, wo sie aus dem Wasser entfernt werden, und das
Wasser dann in das Kühlsystem zurückgeführt wird. Einmal im
Reingiger, werden die gelösten Feststoffe im Wasser durch Ionenaustausch
entfernt, und Teilchen auf Eisenbasis werden entfernt durch Anhaften an
die Anionenharzfraktion in dem Reiniger. Das behandelte Wasser wird
dann in den Kühlkreis zurückgeführt. Auf diese Weise werden die
größeren, schwereren suspendierten Teilchen dazu neigen, sich in
Richtung auf den Boden der Einlaß-Verteilerleitung zu bewegen, wo sie
unter Umgehung des Stapels zum Reiniger überführt werden. Gebiete
übermäßiger Ablagerung, Ansammlung und Agglomeration von Material
in dem Kühlwasser werden somit vermieden, und die größeren und
schwereren Teilchen neigen nicht dazu, in die
Kühlmittel-Einlaß-Öffnungen in dem Stapel einzutreten. In dem System dieser Erfindung wird
noch eine Teilchenablagerung innerhalb der Kühlmittel-Leitungen
auftreten, aber die Ablagerung, die auftritt, ist relativ gleichmäßig verteilt
und es gibt eine Minimierung von örtlichem übermäßigen Aufbau. Das
Ergebnis ist, daß das Kraftwerk für längere, ununterbrochene
Zeitspannen zwischen den Reinigungen des Kühlmittel-Systems betrieben werden
kann. Ein anderes Ergebnis gleichförmigerer Ablagerung in allen
Snivvies ist, daß flüssigchemische Reinigung, die auf relativ gleichförmige
Strömungsgeschwindigkeiten gleichzeitig durch alle Snivvies angewiesen
sein muß, schneller durchgeführt werden kann. Während einer solchen
chemischen Reinigung der Einlaß-Verteilerleitung des Stands der
Technik findet die meiste Strömung durch die relativ unverengten oberen
Snivvies statt. Leichte Ablagerungen in diesen Snivvies werden schnell
entfernt. Die langsamen Strömungsbedingungen oder strömungslosen
Bedingungen in den verengteren oder blockierten unteren Snivvies
jedoch entfernen die dickeren Ablagerungen sehr viel langsamer.
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Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Kühlsystem
für einen Brennstoffzellen-Stapel zur Verfügung zu stellen, das es dem
Stapel erlaubt, für längere Zeitspannen zwischen den Kühlmittel-System-
Leitungs-Reinigungen betrieben zu werden.
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Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Brennstoffzellenstapel-
Kühlsystem der beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, bei dem die
untersten Kühlmittel-Snivvies der Kühlmittel-Verteilerleitungen durch
gleichmäßigeres Verteilen der teilchenförmigen Materie überall in der
Verteilerleitung und den Snivvies gegen vorzeitige Blockierung durch
teilchenförmiges Material aus dem Kühlmittel geschützt sind.
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Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Kühlsystem der
beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, bei dem örtliche übermäßige
Konzentrationen an suspendierter, teilchenförmiger Materie und
übermäßige Leitungsablagerungen minimiert werden.
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Diese und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden leichter
offensichtlich werden aus der folgenden detaillierten Offenbarung einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, betrachtet in Verbindung
mit den begleitenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist ein etwas schematischer Aufriß eines Stapel-Kühlsystems,
das Wasser als das Kühlmittel verwendet und das gemäß dem
Stand der Technik aufgebaut ist;
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Fig. 2 ist eine fragmentarische Schnittansicht des unteren Bereichs der
Kühlmittel-Einlaß-Verteilerleitung des Systems nach dem Stand
der Technik von Fig. 1;
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Fig. 3 ist eine fragmentarische Seiten-Schnittansicht bestimmter
Kühlmittel-Einlaß-Snivvies;
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Fig. 4 ist ein schematischer Aufriß eines Stapel-Kühlsystems, das
gemaß dieser Erfindung ausgebildet ist; und
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Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der verbesserten Kühlmittel-
Zirkulation, die mit dem System dieser Erfindung erreicht
wird, verglichen mit dem System des Stands der Technik.
Beste Art zur Durchführung der Erfindung
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Bezugnehmend auf die Zeichnungen ist in Fig. i eine
Brennstoffzellenstapelanordnung gezeigt, die gemäß dem Stand der Technik gekühlt
wird. Der Brennstoffzellenstapel, der allgemein durch die Bezugsziffer 2
bezeichnet wird, wird mit Wasser gekühlt, das aus einer
Einlaß-Verteilerleitung 4 in und durch eine Mehrzahl an verteilten Kühlmittel-Platten
eingespeist wird. Das Wasser wird durch eine Einlaß-Leitung 6, die sich
in den Boden der Einlaß-Verteilerleitung 4 öffnet, in die
Einlaß-Verteilerleitung 4 gepumpt. Eine Mehrzahl an Einspeis-Leitungen oder
Snivvies 8 öffnen sich von der Einlaß-Verteilerleitung 4 und erstrecken sich
in Richtung auf den Stapel 2. Dielektrische Schläuche 10 sind an einem
Ende mit jedem Snivvy 8 und am anderen Ende mit Einspeisern 12 für
jede der Kühlrohranordnungen innerhalb der Kühlplatten verklammert.
Nachdem das Kühlwasser durch die Kühlplatten durchtritt, strömen das
Wasser und der Dampf in die Auslaß-Röhren 14, mit denen dielektrische
Schläuche 16 verklammert sind. Die Schläuche 16 sind auch mit Auslaß-
Snivvies 18 verklammert, die das Wasser und den Dampf in eine
Auslaß-Sammelleitung 20 einspeisen. Die Auslaß-Sammelleitung 20 ist mit
einer Auslaß-Leitung 22 verbunden, von wo das Wasser und der Dampf
durch einen Dampfabscheider (nicht gezeigt) strömen, bevor das Wasser
zur der Einlaß-Leitung 6 zurückgeführt wird.
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In Fig. 2 sind eine Darstellung der Innenseite der Einlaß-Verteilerleitung
4, die vom Boden her wie im Stand der Technik gespeist wird, und die
Wasserströmungsmuster in der Verteilerleitung 4 sowie die Art, wie
teilchenförmiges Material in der Verteilerleitung 4 suspendiert und
abgelagert wird, gezeigt. Wenn das Wasser entsprechend Pfeil A in die
Verteilerleitung 4 vom Boden her eintritt, weist die
Wasserströmungsgeschwindigkeit ein symmetrisches Lineargeschwindigkeitsprofil P&sub1;
(gestrichelt dargestellt) auf, und das an der Wand der Verteilerleitung 4
abgelagerte Material wird symmetrisch in dem unteren Eingangsbereich
der Verteilerleitung 4 abgelagert, wie in D&sub1; angegeben, und wird auch in
den unteren Snivvies abgelagert. Durch das rechtwinkelige Einlaß-Knie
verursachte Einlaß-Turbulenz kann in diesem Bereich zu einem
Rückzirkulierungsmuster beitragen. Wenn das einströmende Wasser durch die
Verteilerleitung aufsteigt, wird sein Strömungsmuster wegen der
Ausströmung in die Snivvies 8 asymmetrisch und nimmt an
Lineargeschwindigkeit ab. Das Wasser strömt an der Snivvy-Seite der Verteilerleitung
mit einer schnelleren Geschwindigkeit nach oben, wie durch die Profile
P&sub2; bis P&sub7; gezeigt. Dieses asymmetrische Strömungsprofil veranlaßt, daß
in dem Wasser suspendierte teilchenförmige Materie in einer
Gegenuhrzeigersinn-Schleife L herumgewirbelt wird. Herumwirbeln der
suspendierten Teilchen wiederum verursacht asymmetrische
Ablagerungen von Material an den inneren Bereichen der
Verteilerleitungswand, wobei an der von den Snivvies entfernten Wand geringe oder
keine Ablagerung auftritt, und wobei an der Snivvy-Seite der
Verteilerleitung, wie durch D&sub2; gezeigt, eine betonte Ablagerung auftritt.
Material, das sich ansonsten zum Boden der Verteilerleitung hin absetzen
würde, wird beständig nach oben zurückgewirbelt durch die
Verteilerleitung 4 entlang der Snivvy-Wand und in die Snivvies 8.
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Zusätzlich tritt wahrscheinlich eine gewisse Agglomerierung von
herumwirbelnden Teilchen auf, was die Erzeugung größerer Teilchen
zum Ergebnis hat, die sich in Richtung der unteren Snivvies absetzen, in
sie eindringen und Blockierung verursachen können. Untere Snivvies
können auch Blockierungsteilchen aufnehmen von der Verteilerleitungs-
Einlaß-Turbulenz wegen des rechtwinkeligen Knies. Dies Gesamt-
Lineargeschwindigkeit in der Verteilerleitung nimmt nach jedem Snivvy
um die Strömungsmenge durch den Snivvy ab, wodurch die mittlere
Lineargeschwindigkeit in der Verteilerleitung abnimmt, und das
Strömungsprofil wird asymmetrischer, wenn das Kühlmittel die
Verteilerleitung hinaufströmt.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, wird die erhöhte Konzentration an abgelagertem
Material und suspendiertem Material Strömungsprobleme in den unteren
Snivvies verursachen. Die in Fig. 3 gezeigten Snivvies 8', 8'' und 8'''
sind dargestellt, wie sie in der Verteilerleitung 4 gelegen sind, wobei 8'
der unterste und 8''' der höchste ist. Man wird einsehen, daß in die
unteren Snivvies 8' und 8'' mehr suspendiertes Material gespült werden
wird, als in den oberen Snivvy 8''' gespült werden wird. Wie in dem
Snivvy 8' gezeigt, wird teilchenbeladenes Wasser in den Snivvy
hineingezogen und strömt gemäß den Pfeilen B durch ihn hindurch wegen
seiner niederen Anordnung in der Verteilerleitung. Das führt dazu, daß
an der inneren Wand des Snivvies 8' erhöhte Korrosionsablagerungen
gebildet werden, die den Snivvy blockieren und ihn gegen weitere
Wasserströmung abschließen. Der Snivvy 8'' ist an der Verteilerleitung
4 höher angeordnet, aber noch in dem Teilchenwirbelbereich. Die
Strömungsrichtung des Wassers ist wieder durch die Pfeile B gezeigt.
Der Snivvy 8'' hatte seinen Eingang verstopft durch ein größeres
Teilchen von suspendiertem Material, das durch das wirbelnde Wasser in
den Snivvy gespült wurde. Auch das blockiert den Snivvy 8'' wirksam
gegen einen weiteren Durchtritt von Wasser. Der Snivvy 8''' ist noch
höher an der Verteilerleitung 4 über der Mehrheit der
Teilchenverwirbelung. Auf dieser Höhe wirkt die geringere
Gesamt-Lineargeschwindigkeit dahingehend, die Konzentration von Teilchen, die diesen Snivvy
erreichen können, zu verringern. Wasser strömt durch den Snivvy 8'''
in der Richtung der Pfeile B. Man wird bemerken, daß an der inneren
Wand des Snivvys 8''' Korrosionsablagerungen auftreten werden, aber
sie werden nicht so stark sein, wie die Ablagerungen in dem Snivvy 8',
noch ist da eine Wahrscheinlichkeit, daß suspendierte Teilchen zu dem
Snivvy 8''' hinaufgespült werden, um ein Blockierungsproblem
darzustellen, wie es in den unteren Snivvies, wie 8'', vorhanden sein
wird. Man wird einsehen, daß erhöhte Korrosionsablagerungen in den
unteren Snivvies ein häufigeres Reinigen des gesamten Systems
erfordern werden, um eine angemessene Kühlung des Stapels 2
sicherzustellen. Zum Beispiel wird das gesamte System gereinigt werden müssen,
obwohl die Hälfte der Snivvies perfekt wirksam sein kann. Zusätzlich
erzeugt das Beherbergen von größeren Teilchen in den Öffnungen der
unteren Snivvies geringe Snivvy-Strömungsbedingungen, die dazu führen
können, daß betroffene Stapelabschnitte heißer als gewünscht sind. Diese
nicht-vorhersagbare Situation ist schwer zu erkennen.
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Man wird erkennen, daß die Snivvy-Öffnungen konstant im Durchmesser
sein können, wie in Fig. 3 gezeigt, oder entweder an ihren Einlässen
oder weiter in der Öffnung Drucksteuerverengungen aufweisen können.
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In Fig. 4 ist das Zellstapel-Kühlsystem dieser Erfindung gezeigt. Das
System von Fig. 4 vermeidet die vorzeitige und ungleichmäßige
Verstopfung der Snivvies wie folgt. Der Zellstapel wird allgemein durch die
Bezugsziffer 102 bezeichnet, und Kühlwasser wird aus der
Einlaß-Verteilerleitung 104 in die Stapel-Kühlplatten eingespeist. Das Wasser wird
durch die Einlaß-Leitung 106, die sich in das obere Ende der Einlaß-
Verteilerleitung 104 öffnet, in die Einlaß-Verteilerleitung 104
eingespeist. Die Einlaß-Leitung führt in die Verteilerleitung 104 durch ein
Knie 105 mit großem Radius, dessen Radius etwa drei bis vier Rohr-
Durchmesser ist. Die Verwendung des Eingangs mit größerem Radius
als nach dem Stand der Technik verringert die Einlaß-Turbulenz im
oberen Ende der Verteilerleitung 104. Die Einlaß-Verteilerleitung hat die
Einlaß-Snivvies 108 mit dielektrischen Schläuchen 110 verbunden, die
wiederum mit den Kühlmittel-Platten-Einspeisern 112 verbunden sind.
Am Boden der Einlaß-Verteilerleitung 104 ist ein End-Auslauf-Snivvy
109 mit einem Schlauch 111 verbunden, der wiederum mit einer
Auslaufleitung 113 verbunden ist. An der Kühl-Auslaßseite des Stapels 102
sind die Kühlplatten-Auslaßrohre 114 mit dielektrischen Schläuchen 116
verbunden, die wiederum mit Snivvies 118 an der
Auslaß-Sammelleitung 120 verbunden sind. Die Auslaß-Leitung 122 ist mit der Auslaß-
Sammelleitung 120 am oberen Ende der letzteren verbunden. Die
Auslauf-Leitung 113 ist mit einem Reiniger (polisher) 115 verbunden, der
ein Ionenaustauscherbett enthält und der wiederum verbunden ist mit
einer Kühlmittelleitung 117, die zu der
Kühlmittel-Rückzirkulierungsleitung 119 führt, die Wasser aus dem Dampfabscheider zu der
Kühlmittel-Zirkulationspumpe 121 liefert. Die geringe Strömung in der Auslauf-
Leitung 113 erlaubt es dem Kühlmittel, sich auf die niedrigeren
Temperaturen abzukühlen, die für den Ionenaustausch-Reiniger 115 erforderlich
sind. Die Pumpe 121 zirkuliert dann das Kühlwasser zurück zu der
Einlaß-Leitung 106. Da das Kühlwasser von oben her in die Einlaß-
Verteilerleitung 104 eintritt, gibt es im unteren Bereich der
Verteilerleitung 104 im wesentlichen keine Strömung von Wasser nach oben. Somit
gibt es kein Wirbeln von suspendierten Teilchen nach oben in der
Verteilerleitung 104. Die Korrosionsproduktteilchen, die eine Neigung
haben, sich abzusetzen, werden zu dem unteren Bereich der
Verteilerleitung 104 wandern und werden dazu tendieren, durch den Auslauf-Snivvy
109, durch die Leitung 113 und den Reiniger 115 durchzutreten und
dann zurück zu der Einlaß-Verteilerleitung 104 an ihrem oberen Ende.
Diese Teilchen werden somit dazu neigen, in dem Reiniger entfernt zu
werden, und das gereinigte Wasser wird in die
Kühlmittel-Rückzirkulierungsleitung 119 zurückgespeist werden, um wieder durch das System
zurückzirkuliert zu werden. Mit dem System der Fig. 4 wird es keine
übermäßige Lokalisierung von suspendierten Teilchen und kein
wiederholtes Verwirbeln der Konzentration an Teilchen über jeden einzelnen
Bereich der Verteilerleitung 104 geben. Das Ergebnis ist, daß die
Korrosionsprodukt-Ablagerung die Neigung hat, relativ gleichmäßig in der
gesamten Verteilerleitung und den Snivvies aufzutreten, so daß der
Stapel 102 für längere Zeitspannen zwischen chemischen Reinigungen
des Kühlsystems betrieben werden kann. Wie angemerkt, wird die
Biegung mit großem Radius am oberen Ende der Einlaß-Verteilerleitung
dazu neigen, Turbulenz und mögliche Agglomerierung von
Korrosionsproduktteilchen zu verringern.
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In Fig. 5 ist ein graphischer Vergleich der Betriebswirksamkeit des
Systems nach dem Stand der Technik der Fig. i bis 3 verglichen mit
dem in Fig. 4 gezeigten System dieser Erfindung gezeigt. Die X-Achse
bezeichnet Betriebsstunden eines Stapels und die Y-Achse bezeichnet die
relative Blockierung der Snivvies in einer Stapel-Einlaß-Verteilerleitung.
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Die relative Blockierung wird bestimmt durch Dividieren der Konstante
0,0525 durch den Äquivalent-Öffnungsdurchmesser (Deq). Der
Äquivalent-Öffnungsdurchmesser wiederum wird berechnet aus der Formel
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wo: w gleich der Strömungsgeschwindigkeit von Wasser in kg/h (1b/hr)
ist; p gleich der Dichte von Wasser in kg/dm³ (1b/ft³) ist; n gleich der
Zahl an Snivvies in der Verteilerleitung ist; und ΔP gleich dem
Druckabfall in N/cm² (psi) ist.
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In der graphischen Darstellung zeigt eine relative Blockierung von Eins
einen sauberen und offenen Durchgang an. Steigerungen in der relativen
Blockierung zeigen ein Verengen der Durchgänge durch internen Aufbau
von Ablagerungen an. Die horizontal gestreifte Fläche zeigt an, daß ein
Reinigen der Durchgänge bei einer relativen Blockierung von etwa 1,35
durchgeführt werden sollte. Die punktierte oder schattierte Fläche ist
repräsentativ für Leistungsdaten, die von etwa fünfzehn
Kraftwerk-Stapeln genommen wurden, die das Kühlmittel durch eine Leitung verteilten
gemäß dem in den Fig. 1 bis 3 gezeigtem Stand der Technik. Bei
Verwendung des Systems nach dem Stand der Technik mußten die Stapel
nach Betrieb im Bereich von eintausend bis zweitausend Stunden
gereinigt werden. Die Daten, die durch die kleinen kreisförmigen Punkte
dargestellt werden, stellen Leistungsdaten dar von einem Stapel, der das
Kühlmittel durch eine Leitung verteilte, wie in Fig. 4 gezeigt. Dieser
Stapel war für etwa zweitausendzweihundert Stunden in Betrieb, ohne
ein Reinigen der Kühlmittelleitungen zu erfordern. Die Daten, die von
den Meinen Quadraten dargestellt werden, zeigen Leistungsdaten von
einem anderen Stapel, bei dem das Kühlmittel durch eine Leitung
verteilt wurde, wie in Fig. 4 gezeigt. Dieser Stapel arbeitete insgesamt
dreitausendsechshundert Stunden, ohne ein Reinigen seiner
Kühlmitteldurchgänge zu erfordern.
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Man wird leicht erkennen, daß mit der Veränderung in der Kühlmittel-
Einlaß-Verteilerleitung, die in Fig. 4 gezeigt ist, die Betriebslebensdauer
und die sich ergebende Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellenstapel
merklich verlängert und verbessert wurde.
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Es ist zu verstehen, daß die Erfindung nicht auf die besondere hier
gezeigte und beschriebene Ausführungsform begrenzt ist, sondern daß
verschiedene Veränderungen und Modifizierungen ausgeführt werden
können, ohne von dem Geist und dem Umfang dieses neuen Konzepts,
wie es durch die folgenden Ansprüche definiert ist, abzuweichen.