DE3445191C2 - Kühlsystem für einen Stapel elektrochemischer Zellen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für einen Stapel elektrochemischer Zellen nach dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1.

Elektrochemische Zellen, wie beispielsweise Brennstoffzel­ len, verbrauchen gasförmige Reaktanden und erzeugen auf elektrochemische Weise ein Reaktionsprodukt sowie elektri­ sche Energie. Ein Nebenprodukt der elektrochemischen Reak­ tion ist Abwärme. Zum Entfernen der Abwärme ist ein Kühlsy­ stem vorgesehen, um die Temperatur aller Zellen auf einem gleichförmigen Niveau zu halten, das mit den Eigenschaften des in der Brennstoffzelle verwendeten Materials und mit den Betriebskennwerten der Brennstoffzelle im Einklang ist.

Ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs vom Pa­ tentanspruch 1 ist aus der US-PS 4,310,605 (Early et al) bekannt. Hierbei ist eine Vielzahl von Kühlplatten vorgese­ hen, die zwischen den Zellen liegen. Ein Kühlfluid strömt auf einen gewundenen Strömungsweg durch die Kühlplatten. Das Kühlfluid wird über ein Zuführrohr zugeführt und über ein Rückführrohr abgeführt.

Weitere Beispiele für Kühlsysteme, wie sie in elektrochemi­ schen Brennstoffzellen verwendet werden, sind in den folgen­ den 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 Brennstoffzellenstapel"; US-PS 3,969,145 (Grevstad et al), Titel "Brennstoffzellen-Kühlsystem unter Verwendung eines nicht-dielektrischen Kühlungsmittels"; US-PS 4,233,369 (Breault et al), Titel "Brennstoffzellen-Kühlerbaugruppe und Kantenabdicht-Mittel dafür", sowie US-PS 4,269,642 (De Casperis et al). Darüber hinaus offenbart die US-PS 3,964,929 (Grevstad) ein Kühlsystem, bei dem mehrere Küh­ lerbaugruppen vorgesehen sind, die zwischen Zellen eines Zellenstapels zur Wärmeabfuhr angeordnet sind. Hierbei besteht jede Kühlerbaugruppe aus mehreren parallel zuein­ ander angeordneten Rohrleitungen, die mit einem Zuführrohr und mit einem Rückführrohr verbunden sind. Bei einem aus der nicht vorveröffentlichten EP-0 128 023 bekannten Kühlsystem ist eine Vielzahl von Kühlerbaugruppen vorgesehen, die jeweils aus einem einzigen gewundenen Kühlrohr bestehen. Mittels einer Pumpe wird ein Kühlfluid zur Wärmeabfuhr von den Zellen durch das Kühlrohr geführt.

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 ange­ ordnet. Die Kühlerbaugruppe weist Durchgangsbohrungen zur Aufnahme der Kühlrohre auf.

Die Leistungsabgabe des Stapels kann dadurch erhöht wer­ den, daß man an den Stapel elektrochemische Zellen an­ fügt. 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 Kühlerbaugrup­ pen 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 Ausle­ gung des Zuführ- und Rückführ-Rohres kann zu einem an­ nähernd gleichmäßigen Gesamt-Druckverlust in beiden Roh­ ren führen. Wenn die Rohre länger werden, führen die unter­ schiedlichen Strömungseigenschaften in jedem Rohr zu un­ gleichmäßigen Druckgradienten innerhalb gewisser Bereiche, was in gewissen Fällen dazu führt, daß einige Sammler nur ungenügend durchströmt werden, während andere Sammler über­ mäßig 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 mungs-Querschnittsflächen wegen einer Ablagerung von ge­ lösten Stoffen und suspendierten Teilchen ergeben. Eine Strömungs-Schlechtverteilung kann auch innerhalb eines Kühlers auftreten, dessen Rohre in paralleler Strömungs­ anordnung ausgerichtet sind, wie das oben beschrieben wurde, und zwar infolge von Veränderungen von lokalen Wär­ mebelastungen, die sich aus Abweichungen bei der Strom­ dichte quer zur Zelle ergeben.

Ein Ansatz zur Lösung des Problems der Strömungs-Schlecht­ verteilung besteht darin, den Feld-Widerstand in der Bau­ gruppe zu erhöhen, d. h. den Strömungswiderstand zwischen dem Zentrum des Zuführrohres und dem Zentrum des Rück­ führrohres, so daß Abweichungen beim Strömungswiderstand zwischen dem ersten Sammler und dem letzten Sammler im Vergleich zum Feld-Widerstand unbedeutend werden. Der Strö­ mungswiderstand wird beispielsweise dadurch erhöht, daß man eine Öffnung vorsieht, die einen Durchmesser auf­ weist, 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 ver­ wendet wird, da gelöste Stoffe oder Teilchen in dem Kühl­ mittel 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 zahl­ reiche 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-Schlechtvertei­ lung zwischen Kühlerbaugruppen gelöst wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem für einen Stapel elektrochemischer Zellen gelöst, das die Merkmale des Pa­ tentanspruches 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß mit einer speziellen Dimensionierung der Kühlrohre sowohl eine gleich­ mäßige Verteilung des Kühlfluids erreicht wird als auch ein Zusetzen im Dauerbetrieb verhindert werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Kühlsystem Küh­ lerbaugruppen mit einem Zuführrohr, einem Rückführrohr sowie eine Vielzahl von Leitungen für ein Kühlfluid auf, die sich zwischen diesen Rohren erstrecken, wobei jede dieser Leitun­ gen 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.

Zwischen dem Zuführrohr und dem Rückführrohr erstreckt sich eine Vielzahl von Leitungen. Jede Leitung ist in einer zugeordneten Kühlerbaugruppe angeordnet. Jede Leitung wird von einem Satz von Kühlrohren gebildet. Jedes Kühlrohr er­ streckt sich von einer Seite der Kühlerbaugruppe zur anderen quer durch den Zellenstapel. Die Rohre stehen in Strömungs­ verbindung mit dem Zuführrohr und dem Rückführrohr sowie in einer Strömungs-Reihenanordnung zueinander, so daß ein gewundener Strömungsweg für das Kühlfluid gebildet wird. Erfindungsgemäß ist der hydraulische Durchmesser der Leitung zwischen dem Zentrum des Rückführrohres und dem Zentrum des Zuführrohres so gewählt, daß der kleinste Wert für diesen hydraulischen Durchmesser größer oder gleich 3/4 des mitt­ leren hydraulischen Durchmessers der Kühlrohre ist.

Neben der gleichmäßigen Verteilung des Kühlfluids besteht ein primärer Vorteil der vorliegenden Erfindung 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 Kühl­ fluids zwischen Sätzen von Kühlrohren dadurch verhindert wird, daß der Strömungswiderstand der Kühlrohre dazu ausge­ nutzt wird, die Strömungsverteilung auszugleichen. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Kühlsy­ stem zwei Sätze von Leitungen aufweist. Hierbei besitzt jeder Satz von Leitungen einen Satz von Kühlrohren, die innerhalb jeder Kühlerbaugruppe in Parallelschaltung zu einem Satz von Kühlrohren des anderen Satzes von Leitungen angeordnet sind. Bei einer weiteren Ausgestaltung wird ein kontinuierliches Rohr verwendet, das sich vom Zuführrohr zum Rückführrohr erstreckt, wobei ein dielektrisches Verbin­ dungsstück die Leitung mit dem Rückführrohr verbindet.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Zuverlässigkeit und Einfachheit der Konstruktion dadurch erhöht werden, daß Sammler für das Kühlfluid, die mit dem Zuführrohr und dem Rückführrohr verbunden sind, sowie die zahlreichen Verbin­ dungsstücke 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 Kühl­ fluid strömt, das in die Leitung einströmt. Gemäß einer Ausführungsform liegt ein Vorteil in der Gleichmäßigkeit der Temperaturgradienten und des Wärmestromes zwischen den wärmeerzeugenden Zellen und der Kühlerbaugruppe, was eine Folge davon ist, daß zwei Leitungen vorgesehen sind, die parallel geschaltete 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 Ausführungsbeispieles 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 zei­ gen;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs der in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellen­ stapel-Baugruppe;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Kühler- Baugruppe des in Fig. 1 gezeigten Zellen­ stapels;

Fig. 4 eine alternative Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel- Baugruppe; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Kühler- Baugruppe des in Fig. 4 gezeigten Brenn­ stoffzellenstapels.

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. Jeder Verteiler für einen gasförmigen Reaktan­ ten bedeckt eine der Oberflächen des Stapels. Der Vertei­ ler 14 ist der Einlaßverteiler für den Brennstoff. Der Verteiler 16 ist der Auslaßverteiler für den Brennstoff. Der Verteiler 18 ist der Einlaßverteiler für das Oxida­ tionsmittel, nämlich Luft. Der Verteiler 20 ist der Aus­ laßverteiler für das Oxidationsmittel. Diese Verteiler werden von einer Vielzahl von Bändern 22 eng in abge­ dichteter Form gegen die Seitenflächen des Stapels ge­ preßt.

Die Brennstoffzellenstapel-Baugruppe 10 umfaßt ein Kühl­ system 24 zur Durchleitung eines Kühlfluids aus einer Quelle für das Fluid (nicht gezeigt) zu einem Auslaß­ bereich (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 er­ strecken sich zwischen den Rohren 26 und 28, wie sie an­ hand einer einzigen Leitung 32 dargestellt sind. Die Lei­ tungen sind gleichmäßig über die Länge des Stapels ver­ teilt, wie anhand der mit einer unterbrochenen Linie ge­ zeigten Darstellung angedeutet ist, in der die mit dem Zuführrohr verbundenen Leitungen gezeigt sind. Jede Lei­ tung ist in einer zugeordneten Kühlerbaugruppe angeordnet.

Fig. 2 zeigt die Brennstoffzellenstapel-Baugruppe 10 von Fig. 1 in einer detaillierteren Ansicht. Der Brennstoff­ zellenstapel umfaßt eine Vielzahl von Brennstoffzellen 34, die unter Bildung des Stapels miteinander verbunden sind. Eine gasundurchlässige Trennplatte 36 oder eine Kühlerbaugruppe 30 erstreckt dich zwischen jedem Paar von Brennstoffzellen. Jede Kühlerbaugruppe umfaßt eine gas­ undurchlässige Trennplatte 36′, die mit der Trennplatte 36 identisch ist, um eine gasundurchlässige Schicht zu erzeugen. Bei der im Beispiel dargestellten Ausführungs­ form 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 Offen­ barung heranzuziehen ist. Jede Brennstoffzelle 34 umfaßt eine dünne Matrixschicht 38 zur Zurückhaltung des Elektro­ lyten. Die Matrixschicht weist eine Anodenelektrode 42 auf, die auf einer Seite angeordnet ist, sowie eine Kathoden­ elektrode 44, die auf der anderen Seite angeordnet ist. Ein Phosphorsäureelektrolyt ist in der Matrixschicht zwi­ schen der Anode und der Kathode angeordnet. Die Anoden­ elektrode 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 Katalysator­ schicht (nicht dargestellt) ist auf der flachen Oberfläche angeordnet. Die Katalysatorschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 50,8 µm bis 127 µm 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 Strö­ mungsverbindung 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 ge­ zeigt). 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 herge­ stellt 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 ange­ ordnet wird. Die Leitung erstreckt sich vom Zuführrohr 26 zum Rückführrohr 28. Jede Leitung umfaßt einen Satz von Kühlrohren 74, die in den Durchgangsöffnungen der Kühler­ baugruppe 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 hydrau­ lischen Durchmesser D_t zwischen dem Einlaß und dem Aus­ laß auf. Der mittlere hydraulische Durchmesser ist gleich dem Vierfachen der Strömungs-Querschnittsfläche des Roh­ res 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 Aus­ führungsform wird ein dielektrisches Verbindungsstück, wie beispielsweise ein Polytetrafluorethylen-Schlauch, dazu verwendet, den Auslaß des Ausgangsrohres mit dem Rückführrohr zu verbinden, um die elektrische Kontinuität der Leitung zu unterbrechen. Ein zweites (nicht darge­ stelltes) dielektrisches Verbindungsstück 80′ wird dazu verwendet, den Einlaß des Eingangsrohres mit dem Zu­ führrohr zu verbinden. Der Einlaß 76 eines jeden Zwischen­ rohres 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 so­ mit in einer Reihenschaltungsanordnung unter Bildung ei­ ner Strömungs-Reihenschaltung angeordnet, so daß ein gewundener Strömungsweg für das Kühlfluid durch die Bau­ gruppe 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 Strö­ mungsweg beginnt im Zentrum C_f des Zuführrohres und endet im Zentrum C_r des Rückführrohres und weist einen kleinsten hydraulischen Durchmesser D_f auf. Der kleinste hydraulische Durchmesser des Strömungsweges ist gleich oder größer als 3/4 des mittleren hydraulischen Durchmessers D_f der Kühlmittelrohre (D_f 0,75 D_t), um ein Zusetzen am kleinsten hydraulischen Durchmesser der Leitung unter Dauerbetriebsbedingungen bei Verwendung eines Kühlmittels zu verhindern, das gelöste Stoffe oder Teilchen enthält.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine alternative Ausführungsform des Kühlsystems 24 für den Stapel elektrochemischer Zellen, der in Fig. 2 gezeigt ist, wobei bei dieser Aus­ führungsform zwei Sätze von Leitungen in jeder Kühlerbau­ gruppe vorgesehen sind. Das Kühlsystem weist erste und zweite Zuführrohre 88, 90 und erste und zweite Rückführ­ rohre 92, 94 auf. Eine Vielzahl von ersten Leitungen, dar­ gestellt anhand einer einzigen ersten Leitung 96, er­ streckt sich zwischen dem ersten Zuführrohr und dem ersten Rückführrohr. Eine Vielzahl von zweiten Leitungen, dar­ gestellt anhand einer einzigen zweiten Leitung 98, er­ streckt sich zwischen dem zweiten Zuführrohr und dem zwei­ ten 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 ge­ zeigten Ausführungsform miteinander verbunden sind. Somit ist in jeder Kühlerbaugruppe ein zweiter Satz von Kühlroh­ ren 104 in Durchgangsöffnungen 72 benachbart zu den Durchgangsöffnungen 72 angeordnet, die den ersten Satz von Kühlrohren enthalten, so daß der zweite Satz von Kühl­ rohren in einer Parallelschaltung versetzt zum ersten Satz von Kühlrohren angeordnet ist. Das erste Zuführrohr 88 ist in der Nähe des zweiten Rückführrohres 94 ange­ ordnet, und das erste Rückführrohr 92 ist in der Nähe des zweiten Zuführrohres 90 angeordnet, so daß der Kühlmittel­ strom in den beiden Sätzen von Rohren in Gegenstromrich­ tung 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 so­ wohl bei der Gegenstrom- als bei der Gleichstrom-Konstruk­ tion beide Leitungen mit dem gleichen Zuführrohr und beide Leitungen auch mit dem gleichen Rückführrohr verbunden sein.

Während des Betriebs der Brennstoffzellenstapel-Baugrup­ pe 10 werden Wasserstoff (als Brennstoff) und Luft (als Oxidationsmittel) elektrochemisch in dem Brennstoffzellen­ stapel 12 miteinander umgesetzt, wobei elektrische Ener­ gie und Abwärme erzeugt werden. Die Wärme wird durch die Brennstoffzellen 34 auf die Kühlerbaugruppen 30 über­ tragen. Bei dieser Ausführungsform weist der Stapel etwa 270 Brennstoffzellen auf und weist eine Kühlerbaugruppe nach jeder fünften Zelle auf. Das Kühlfluid wird durch das Zuführrohr 26 zu der Leitung 32 zugeführt, die durch die Kühlerbaugruppe geführt ist, und danach zum Rück­ führrohr 28. Die Wärme wird innerhalb der Kühlerbaugrup­ pen auf das Kühlfluid übertragen, das in den Rohren strömt. Jedes Kühlmittelrohr nimmt dabei den gesamten Strom des Kühlfluids auf, der durch die Leitung hindurch­ tritt und weist, verglichen mit Rohren, die sich parallel erstrecken, einen größeren Durchmesser auf, um eine aus­ reichende Durchflußgeschwindigkeit zu ermöglichen. Die größere Durchflußgeschwindigkeit und der größere Ober­ flächenbereich 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 Ein­ gang 76 der Leitung zum Ausgang 78 der Leitung, vergli­ chen mit dem Differenzdruck längs des Zuführrohres, groß ist, was es sicherstellt, daß jede Kühlerbaugruppe die zugeteilte Menge Kühlfluid aufnimmt. Geringe Variationen 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, der sich vom Zentrum des Zuführrohres zum Zentrum des Rückführrohres erstreckt, auf keinen hydraulischen Durch­ messer trifft, der geringer als 3/4 des hydrau­ lischen 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 wer­ den, 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, vermin­ dert. 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. 5 gezeigt ist, strömt das Kühlfluid in den beiden unterschiedlichen Leitungen in entgegengesetzte Richtungen durch die Kühler­ baugruppe. Jedes Erhitzen des Kühlmittels in einer Lei­ tung, das auftritt, bevor es das Ende der Leitung er­ reicht, 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.

Claims (9)

1. Kühlsystem für einen Stapel elektrochemischer und wärmeerzeu­ gender Zellen, mit einer Vielzahl von Kühlbaugruppen, die in einem Abstand angeordnet sind, daß sie zwischen den Zellen liegen, und die eine Vielzahl von Leitungen aufweisen, die einen gewundenen Strömungsweg für ein Kühlfluid bilden, wobei sich jede Leitung innerhalb einer zugeordneten Kühlerbaugruppe zwischen einem Zuführrohr und einem Rückführrohr für das Kühlfluid erstreckt, und wobei ein Mittel zum Zirkulieren des Kühlfluids vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede Leitung (32, 96, 98) einen Satz von Kühlrohren (74, 102, 104) aufweist, die in Durchgangsöffnungen (73) der Küh­ lerbaugruppe (30) angeordnet sind,
daß jedes Rohr (74, 102, 104) einen Einlaß (76), einen Auslaß (78) und einen mittleren hydraulischen Durchmesser D_t zwischen dem Einlaß (76) und dem Auslaß (78) aufweist,
daß jeder Satz von Rohren (74, 102, 104) ein Eingangskühlrohr (74e), wenigstens ein Zwischenkühlrohr (74i) und ein Ausgangs­ kühlrohr (74x) aufweist,
daß der sich vom Zentrum (C_f) des Zuführrohres (26, 88, 90) zum Zentrum (C_r) des Rückführrohres (28, 92, 94) erstreckende Strömungsweg einen kleinsten hydraulischen Durchmesser (D_f) aufweist, der gleich oder größer ist als 3/4 des mittleren hydraulischen Durchmesser (D_t) der Kühlrohre (74),
daß der Einlaß (76) des Eingangsrohres (74e) mit dem Zuführ­ rohr (26, 88, 90) und der Auslaß (78) des Ausgangsrohres (74x) mit dem Rückführrohr (28, 92, 94) verbunden sind, und
daß der Einlaß (76) eines jeden Zwischenkühlrohres (74i) mit dem Auslaß (78) jedes angrenzenden Rohres (74) verbunden ist, so daß die Kühlrohre (74, 102, 104) zwischen dem Zuführrohr (26, 88, 90) und dem Rückführrohr (28, 92, 94) in Reihe mit­ einander verbunden sind, und in einer Strömungs-Reihenschal­ tung so angeordnet sind, daß der Strömungsweg (82) einen Strö­ mungswiderstandswert aufweist, der sicherstellt, daß jede Kühlerbaugruppe (30) 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 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 Zuführ­ rohr (90), ein zweites Rückführrohr (94) und eine Viel­ zahl von zweiten Leitungen (98) aufweist, die sich zwi­ schen dem zweiten Zuführrohr (90) und dem zweiten Rück­ führrohr (94) erstrecken, wobei jede zweite Leitung (98) einen Satz zweiter Kühlrohre (104) in einer Strömungs-Rei­ henschaltungsanordnung umfaßt, und daß in jeder Kühlerbau­ gruppe (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 zwei­ ten 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-Reihen­ schaltungsanordnung umfaßt, und daß in jeder Kühlerbau­ gruppe 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 Schaltungsan­ ordnung abwechseln.

4. Kühlsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens eine Kühlerbaugruppe das Ein­ gangskühlrohr des ersten Satzes benachbart zum Ausgangs­ kühlrohr des zweiten Satzes aufweist und das Ausgangs­ 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 Kühl­ fluids einander entgegengerichtet sind.

5. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß jedes Zwischenkühlrohrs mit Hilfe eines gekrümmten Anschlußstückes mit dem Einlaß eines zuge­ ordneten 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 ge­ bildet 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 Ausgangs­ kühlrohrs und dem Rückführrohr angeordnet sind und die eine elektrisch nichtleitende Verbindung zwischen der Lei­ tung und dem Rückführrohr bzw. dem Zuführrohr bilden.