專利名稱：用于燃料電池組的經(jīng)濟(jì)介電冷卻劑的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明主要涉及液體冷卻的燃料電池，更具體地說，本發(fā)明涉及燃料電池、燃料電池系統(tǒng)和冷卻燃料電池或燃料電池系統(tǒng)的方法。
發(fā)明簡述燃料電池依靠氫氧化和氧還原來產(chǎn)生電能。這些催化反應(yīng)的副產(chǎn)物為水。熱動力學(xué)上，在陽極氫燃料的氧化和在陰極氧的還原應(yīng)提供約1.23V的電池電勢，其中所述陽極和陰極均位于燃料電池內(nèi)。但是，實(shí)際測量值一般約1V。這種電池電壓差異主要是由于陰極的緩慢運(yùn)動，其可導(dǎo)致電池電壓約200mV的損失。這種電池電壓損失的結(jié)果是燃料電池內(nèi)過熱的表現(xiàn)。這種過量熱的去除是提高燃料電池組件可用壽命的關(guān)鍵。
在將多個電池組成電池組來提高電輸出時(shí)，產(chǎn)生的熱變得非常高。為此，為了去除這種過量熱，使用了具有高熱容以及在約-40℃到約140℃的溫度下物理穩(wěn)定的冷卻劑。伴隨常規(guī)的燃燒發(fā)動機(jī)機(jī)車使用的含水冷卻劑屬于該范圍并且一般包括乙二醇和水的混合物。但是，如今的燃料電池組的設(shè)計(jì)要求冷卻劑具有非電導(dǎo)性(介電性)。如果冷卻劑具有顯著的電導(dǎo)性，其將導(dǎo)致各種電導(dǎo)性冷卻劑誘導(dǎo)的電池組問題，包括降低燃料效能的分流，在頂部區(qū)域氣體逸出(O2和H2)而提高了燃料電池組內(nèi)的壓力而需要排空，冷卻劑降解，電池組組件的氧降解如涂層起泡和腐蝕加速。
本領(lǐng)域人們熟知利用離子交換樹脂和去離子水來去除冷卻劑中的雜質(zhì)并保持其低的電導(dǎo)性。但是，在要經(jīng)歷溫度可達(dá)-40℃惡劣冬天氣候的區(qū)域，去離子水的使用受到限制。在這種溫度下，水結(jié)冰而不再適合作為電池組的冷卻劑。
人們也已知可使用純的介電冷卻劑(即可購自Solutia Inc.，St.Louis，MO的Therminol-D)。作為純的電介質(zhì)，所述流體不會讓電流流過電池組的頂部區(qū)域。但是，這種冷卻劑的費(fèi)用和與目前燃料電池組中使用的密封墊圈不相容使得這種純電介質(zhì)在實(shí)踐中無法使用。
為此，本發(fā)明人認(rèn)識到了改善燃料電池組用液體冷卻劑技術(shù)的必要。
本發(fā)明通過提供經(jīng)濟(jì)和易得的燃料電池組用介電冷卻劑來滿足上述需要。雖然本發(fā)明并不局限于具體的優(yōu)點(diǎn)或功能，但應(yīng)指出因?yàn)樗隼鋮s劑是介電冷卻劑而不容許任何離子傳輸，所以其不影響電池組組件，并且不會容許有電池組頂部分路電流導(dǎo)致的任何性能損失。結(jié)果，不需要加入腐蝕抑制劑來抑制燃料電池組件的O2降解。雖然本發(fā)明的介電冷卻劑的熱容稍低于水基冷卻劑，但是本發(fā)明的冷卻劑具有低的運(yùn)動粘度，使得可以較高流量泵送，在沒有顯著增加附加泵功率下去除廢熱。此外，介電冷卻劑較高的沸點(diǎn)使得燃料電池組件和冷卻劑環(huán)路在較高溫度(約140℃)下運(yùn)作，提高了從散熱器到環(huán)境排放熱的容量。
在一個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種構(gòu)制成使燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物的燃料電池。所述燃料電池包括陽極流徑、陽極、陰極流徑、陰極、置于陽極和陰極間的膜和至少一個冷卻劑流徑。陽極流徑構(gòu)制成讓燃料流過至少一部分燃料電池。陽極與陽極流徑流體相通并且在其上進(jìn)行與燃料的催化反應(yīng)。陰極流徑構(gòu)制成讓氧氣通過至少一部分燃料電池。陰極與陰極流徑流體相通并在其上進(jìn)行與氧氣的催化反應(yīng)。膜置于陽極和陰極之間，從而在燃料電池運(yùn)作時(shí)建立兩者之間的電解質(zhì)交換。冷卻劑流徑與陽極流徑和陰極流徑不流體連通。冷卻劑流徑為包括流體介電冷卻劑(包括煤油烴類)的冷卻劑獨(dú)立管路。
在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種構(gòu)制成使燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物的燃料電池。所述燃料電池包括陽極流徑、陽極、陰極流徑、陰極、置于陽極和陰極間的膜、至少一個冷卻劑流徑和循環(huán)組件。陽極流徑構(gòu)制成讓燃料流過至少一部分燃料電池。陽極與陽極流徑流體相通并且在其上進(jìn)行與燃料的催化反應(yīng)。陰極流徑構(gòu)制成讓氧氣通過至少一部分燃料電池。陰極與陰極流徑流體相通并在其上進(jìn)行與氧氣的催化反應(yīng)。膜置于陽極和陰極之間，從而在燃料電池運(yùn)作時(shí)建立兩者之間的電解質(zhì)交換。冷卻劑流徑與陽極流徑和陰極流徑不流體連通。冷卻劑流徑為包括進(jìn)口、出口和流體介電冷卻劑(包括煤油烴類)的冷卻劑獨(dú)立管路。循環(huán)組件包括循環(huán)流徑、泵和散熱器。循環(huán)流徑與冷卻劑獨(dú)立管路進(jìn)口和冷卻劑獨(dú)立管路出口流體相通。
在再一個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種包含多個燃料電池的燃料電池組組成的燃料電池系統(tǒng)，其中各個燃料電池構(gòu)制成使燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物。各燃料電池包括陽極流徑、陽極、陰極流徑、陰極、置于陽極和陰極間的膜和至少一個冷卻劑流徑。陽極流徑構(gòu)制成讓燃料流過各燃料電池的至少一部分。陽極與陽極流徑流體相通并且在其上進(jìn)行與燃料的催化反應(yīng)。陰極流徑構(gòu)制成讓氧氣通過各燃料電池的至少一部分。陰極與陰極流徑流體相通并在其上進(jìn)行與氧氣的催化反應(yīng)。膜置于陽極和陰極之間，從而在各燃料電池運(yùn)作時(shí)建立兩者之間的電解質(zhì)交換。冷卻劑流徑與陽極流徑和陰極流徑不流體連通。冷卻劑流徑為包括流體介電冷卻劑(包括煤油烴類)的冷卻劑獨(dú)立管路。
還在另一個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種包含多個燃料電池的燃料電池組組成的燃料電池系統(tǒng)，其中各個燃料電池構(gòu)制成使燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物。各燃料電池包括陽極流徑、陽極、陰極流徑、陰極、置于陽極和陰極間的膜、至少一個冷卻劑流徑和循環(huán)組件。陽極流徑構(gòu)制成讓燃料流過各燃料電池的至少一部分。陽極與陽極流徑流體相通并且在其上進(jìn)行與燃料的催化反應(yīng)。陰極流徑構(gòu)制成讓氧氣通過各燃料電池的至少一部分。陰極與陰極流徑流體相通并在其上進(jìn)行與氧氣的催化反應(yīng)。膜置于陽極和陰極之間，從而在燃料電池運(yùn)作時(shí)建立兩者之間的電解質(zhì)交換。冷卻劑流徑與陽極流徑和陰極流徑不流體連通。冷卻劑流徑為包括進(jìn)口、出口和流體介電冷卻劑(包括煤油烴類)的冷卻劑獨(dú)立管路。循環(huán)組件包括循環(huán)流徑、泵和散熱器。循環(huán)流徑與冷卻劑獨(dú)立管路進(jìn)口和冷卻劑獨(dú)立管路出口流體相通。
在另一個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種冷卻燃料電池的方法，包括提供構(gòu)制成使燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物的燃料電池。所述方法還包括將燃料電池構(gòu)制成包括陽極、陰極和兩者之間的膜；將陽極流徑和陰極流徑構(gòu)制成讓燃料和氧氣分別通到陽極和陰極；和將至少一部分冷卻劑流徑構(gòu)制成與陽極流徑和陰極流徑不流體連通。冷卻劑流徑為包括流體介電冷卻劑(包括煤油烴類)的冷卻劑獨(dú)立管路。
在還一個實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種冷卻燃料電池的方法，包括提供構(gòu)制成使燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物的燃料電池。所述方法還包括將燃料電池構(gòu)制成包括陽極、陰極和兩者之間的膜；將陽極流徑和陰極流徑構(gòu)制成讓燃料和氧氣分別通到陽極和陰極；和將至少一部分冷卻劑流徑構(gòu)制成與陽極流徑和陰極流徑不流體連通。冷卻劑流徑為包括進(jìn)口、出口和流體介電冷卻劑(包括煤油烴類)的冷卻劑獨(dú)立管路。此外，所述方法包括構(gòu)制含循環(huán)流徑的循環(huán)組件，從而使循環(huán)流徑與冷卻劑獨(dú)立管路進(jìn)口和冷卻劑獨(dú)立管路出口流體相連，該循環(huán)組件還包括泵和散熱器，使流體介電冷卻劑循環(huán)通過冷卻劑獨(dú)立管路，由此流體介電冷卻劑吸收燃料電池的熱而形成熱的流體介電冷卻劑，將熱的流體介電冷卻劑從冷卻劑獨(dú)立管路出口經(jīng)循環(huán)流徑循環(huán)到散熱器，由此熱的流體介電冷卻劑被冷卻并返回到冷卻劑獨(dú)立管路進(jìn)口。
還在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種冷卻燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括提供含多個燃料電池的電池組，其中各燃料電池構(gòu)制成使燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物。所述方法還包括將各燃料電池構(gòu)制成包括陽極、陰極和兩者之間的膜；將陽極流徑和陰極流徑構(gòu)制成讓燃料和氧氣分別通到陽極和陰極；并將至少一部分冷卻劑流徑構(gòu)制成與陽極流徑和陰極流徑不流體連通。冷卻劑流徑為包括流體介電冷卻劑(包括煤油烴類)的冷卻劑獨(dú)立管路。
另外還在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種冷卻燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括提供含多個燃料電池的電池組，其中各燃料電池構(gòu)制成使燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物。所述方法還包括將各燃料電池構(gòu)制成包括陽極、陰極和兩者之間的膜；將陽極流徑和陰極流徑構(gòu)制成讓燃料和氧氣分別通到陽極和陰極；并將至少一部分冷卻劑流徑構(gòu)制成與陽極流徑和陰極流徑不流體連通。冷卻劑流徑為包括進(jìn)口、出口流體介電冷卻劑(包括煤油烴類)的冷卻劑獨(dú)立管路。此外，所述方法包括構(gòu)制含循環(huán)流徑的循環(huán)組件，從而使循環(huán)流徑與冷卻劑獨(dú)立管路進(jìn)口和冷卻劑獨(dú)立管路出口流體相連，該循環(huán)組件還包括泵和散熱器，使流體介電冷卻劑循環(huán)通過冷卻劑獨(dú)立管路，由此流體介電冷卻劑吸收燃料電池的熱而形成熱的流體介電冷卻劑，并將熱的流體介電冷卻劑從冷卻劑獨(dú)立管路出口經(jīng)循環(huán)流徑循環(huán)到散熱器，由此熱的流體介電冷卻劑被冷卻并返回到冷卻劑獨(dú)立管路進(jìn)口。
本發(fā)明的種種特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)可由下面本發(fā)明的詳細(xì)說明連同附圖而得到更全面的理解。應(yīng)指出權(quán)利要求的范圍由權(quán)利要求書的描述確定而不受本說明書所述特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)具體討論的限定。
附圖的簡要說明將下面本發(fā)明的實(shí)施方案的詳細(xì)說明與下面附圖對應(yīng)起來閱讀可獲得對本發(fā)明最好的理解，附圖中同樣的結(jié)構(gòu)用同樣的編號，其中

圖1為符合本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
本領(lǐng)域技術(shù)人員理解圖中的組件只用于簡單清晰的說明而并不必要與實(shí)際尺寸相符。例如，圖中某些組件的尺寸可比其他組件放大從而有助于對本發(fā)明實(shí)施方案的理解。
本發(fā)明某些實(shí)施方案的詳細(xì)說明按照本發(fā)明的一個實(shí)施方案，提供燃料電池并將其構(gòu)制成使燃料(一般是氣態(tài)氫氣)與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物。燃料電池的其他組件將在下面更詳細(xì)地描述，所述燃料電池包括至少一個冷卻劑流徑，所述冷卻劑流徑為冷卻劑獨(dú)立管路。所述管路包括用于冷卻燃料電池和提高其組件使用壽命的流體介電冷卻劑。
在本發(fā)明的第一個實(shí)施方案中，流體介電冷卻劑包括煤油烴類?！懊河蜔N類”是指包括至少一些C10-C16范圍的鏈烷烴和/或環(huán)烷烴的石油餾分。所述煤油烴類可以是煤油。雖然其他非介電的水基冷卻劑具有比煤油烴類更高的熱容，但是煤油烴類的低運(yùn)動粘度使得其可以更高的流量泵送。煤油烴類的熱容可達(dá)到并包括約2.5J/g/K(水為4.2J/g/K)，并且在約80℃其具有低于或約10cP的粘度，在約0℃具有低于或大約40cP的粘度。這有利于在沒有顯著增加附加泵功率下從燃料電池除去廢熱。循環(huán)流體介電冷卻劑所需的泵功率可通過使用擁有另一開放的冷卻劑流徑的雙極板來降低。
不像水基冷卻劑會在冷環(huán)境中冷凍，本發(fā)明的煤油烴類冷卻劑的冰點(diǎn)低于或約為-35℃。更具體地說，所述煤油烴類的冰點(diǎn)可在約-40℃到約0℃之間。因此，煤油烴類可用于冷環(huán)境中而沒有冷卻劑冷凍失靈的危險(xiǎn)。
在溫度譜圖的另一端，本發(fā)明的煤油烴類冷卻劑的沸點(diǎn)大于或大約為85℃。更具體地說，煤油烴類的沸點(diǎn)可在約175至約325℃之間。此外，煤油烴類具有約37.7至約65.5℃的閃點(diǎn)，并可在約444°F(228℃)自動燃燒。煤油烴類冷卻劑的導(dǎo)熱性可達(dá)到和包括約0.15W/m-K，更具體地說，可在約0.05至約0.4W/m-K之間。本發(fā)明的煤油烴類冷卻劑的電阻率大于或約為18莫姆厘米(Mohm cm)。更具體地說，所述煤油烴類冷卻劑的電阻率可在約0.25至約40Mohm cm之間。
使用煤油烴類作為冷卻劑可延長燃料電池的使用壽命，煤油烴類如煤油不會如水基冷卻劑那樣降解組件。因此，無需向本發(fā)明的流體介電冷卻劑添加腐蝕抑制劑。
按照本發(fā)明的另一實(shí)施方案，所述流體介電冷卻劑可包括水/煤油(油包水)乳液?？稍谂渲迫橐簳r(shí)使用約0至約30％的去離子水。所述乳液利用了水的高熱容(4.2J/g/K)來提高煤油烴類冷卻劑的熱容。因此，包括水/煤油(油包水)乳液的本發(fā)明的本實(shí)施方案的流體介電冷卻劑的熱容為約2.3J/g/K。這種熱容增加的同時(shí)，仍然保持本發(fā)明的第一種實(shí)施方案的純煤油冷卻劑的非導(dǎo)電性能和低粘度。水/煤油(油包水)乳液的一個典型例子是可購自Lubrizol Corporation(Wickliffe，Ohio)的PuriNOxTM，其為一種低污染的柴油。
按照本發(fā)明的再一實(shí)施方案，提供了燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括多個燃料電池組合形成的燃料電池組。在組內(nèi)的各燃料電池構(gòu)制成使燃料與氧氣反應(yīng)而產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物。電池組中包括至少一個冷卻劑流徑，所述冷卻劑流徑為冷卻劑獨(dú)立管路。所述管路包括可以是煤油烴類(即煤油)或水/煤油(油包水)乳液的流體介電冷卻劑。
選擇用于燃料電池組的冷卻劑時(shí)，重要考慮的是流體介電冷卻劑的電導(dǎo)性。這主要是因?yàn)殡姵亟M設(shè)計(jì)使用頂部區(qū)域來分布反應(yīng)氣體以及冷卻劑到冷卻劑流徑。在所述頂部區(qū)域，可容易地獲得10V/cm的電場。含水冷卻劑的離子污染可使電導(dǎo)性提高到不可接受的水平而在頂部區(qū)域產(chǎn)生分路電流。
但是，本發(fā)明的煤油和水/煤油(水包油)乳液冷卻劑為電介質(zhì)，不會有離子傳遞。因此，即使受污染時(shí)，所述煤油烴類流體介電冷卻劑不會影響電池組組件，也不會造成電池組頂部區(qū)域的分路電流引起的性能損失。不像離子交換樹脂在超過90℃的溫度下會過早熱解，本發(fā)明的介電冷卻劑可在沒有離子交換劑下在高得多的溫度下操作從而在散熱器處有效排出廢熱。
本發(fā)明的再一實(shí)施方案提供了燃料電池和燃料電池系統(tǒng)，各包括至少一個冷卻劑流徑和循環(huán)組件，所述循環(huán)組件包括循環(huán)流徑、泵和散熱器。所述冷卻劑流徑為包括進(jìn)口、出口和流體介電冷卻劑的冷卻劑獨(dú)立管路，所述冷卻劑可包括煤油烴類如煤油或水/煤油(油包水)乳液。循環(huán)流徑由冷卻劑獨(dú)立管路進(jìn)口延伸并將泵和散熱器流體流體相連到冷卻劑獨(dú)立管路出口。循環(huán)組件被構(gòu)制成將冷卻劑循環(huán)通過冷卻劑流徑，從而從燃料電池或燃料電池組吸收廢熱并經(jīng)循環(huán)流徑送到散熱器。所述散熱器可以是任何能有效除去循環(huán)回冷卻劑獨(dú)立管路的熱介電冷卻劑的熱的散熱器。
本發(fā)明的燃料電池和燃料電池系統(tǒng)各還包括構(gòu)制用于使燃料通過各燃料電池的至少一部分的陽極流徑。所述陽極與陽極流徑流體相通，在陽極上使燃料發(fā)生催化反應(yīng)。此外，各燃料電池包括構(gòu)制用于讓氧氣通過各燃料電池的至少一部分的陰極流徑。所述陰極與陰極流徑流體相通，催化反應(yīng)設(shè)計(jì)成在陰極發(fā)生。還有，在陽極和陰極間配置有膜，從而在燃料電池或燃料電池系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)在陽極和陰極間建立電解質(zhì)交換。
現(xiàn)在參見圖1，其提供了按照本發(fā)明使用的典型的燃料電池或燃料電池系統(tǒng)的圖示說明。燃料電池組1包括多個可串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合的單燃料電池。在燃料電池組1的陽極側(cè)11，燃料(一般為氫氣H2)可通過陽極流徑由供應(yīng)室22經(jīng)閥24和管線26進(jìn)入陽極，所述陽極流徑位于燃料電池內(nèi)。因此燃料在進(jìn)口28進(jìn)入燃料電池組1，同時(shí)含未消耗的氫氣和水的陽極排氣在出口30從燃料電池組排出。冷凝出來的水可在收集容器32中接收，而一部分排出的氫氣可經(jīng)泵34返回到進(jìn)口28。剩余的陽極側(cè)排放氣體可經(jīng)閥50和管線36送到燃燒裝置38與來自通風(fēng)機(jī)40的空氣一起燃燒，燃燒產(chǎn)物(主要是氮?dú)夂退魵?經(jīng)管線42離開燃料電池組1。在容器32收集的水通過排放閥44定期排放。
在燃料電池組1的陽極側(cè)11，還可在的存貯器46中有氮?dú)夤?yīng)線。當(dāng)燃料電池組1關(guān)閉時(shí)，可關(guān)閉閥24，打開閥48，從而將氮?dú)饨?jīng)管線26導(dǎo)入到燃料電池的陽極流徑中，置換燃料電池中的氫氣。然后氫氣可在燃燒器38中在受控條件下燃燒，從而降低氫氣在燃料電池中積累的危險(xiǎn)。燃燒裝置38不需要連續(xù)運(yùn)作，并且可通過閥50與陽極側(cè)11管線隔離。
氧氣經(jīng)管線52進(jìn)入燃料電池組1的陰極側(cè)13，并可通過由馬達(dá)54驅(qū)動的壓縮器56壓縮。通過壓縮器56后，氧氣通過管線58進(jìn)入陰極進(jìn)口60，其經(jīng)陰極流徑進(jìn)入燃料電池內(nèi)的陰極。陰極排出主要由水蒸氣、氮?dú)夂脱鯕饨M成的氣體，從燃料電池組1的陰極出口62排出，水蒸氣可收集于容器64，同時(shí)其余的排出氣體經(jīng)管線66和閥67排放到大氣中?？墒褂靡灿神R達(dá)(未顯示)驅(qū)動的一個任選輔助壓縮器68或壓縮器56啟動燃料電池系統(tǒng)。如在燃料電池系統(tǒng)的陽極側(cè)11那樣，可使用閥65選擇性地從系統(tǒng)排出收集于容器64中的水。
按照本發(fā)明，循環(huán)組件16采用回路形式以確保系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)燃料電池組1的足夠冷卻。組件16與陽極側(cè)11和陰極側(cè)13相對獨(dú)立，而使組件16中的介電冷卻劑(煤油烴類如煤油，或水/煤油(油包水)乳液)不會與由在陰極的氫氣與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的流體混合。組件16還包括具有泵18和散熱器20的封閉循環(huán)流徑。
本發(fā)明的再一個實(shí)施方案提供了一種冷卻燃料電池或燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括提供如上所述構(gòu)制的燃料電池或燃料電池組，并使流體介電冷卻劑通過冷卻劑獨(dú)立管路循環(huán)，從而使流體介電冷卻劑吸收燃料電池的熱，產(chǎn)生熱的介電冷卻劑。如上更詳細(xì)所述，所述流體介電冷卻劑包括煤油烴類如煤油，或水/煤油(油包水)乳液。所述方法還包括將來自冷卻獨(dú)立管路的熱流體介電冷卻劑經(jīng)循環(huán)流徑循環(huán)到散熱器，將熱的流體介電冷卻劑在散熱器中冷卻，并將冷卻的流體介電冷卻劑返回到所述管路進(jìn)口。
雖然已經(jīng)參照某些實(shí)施方案描述了本發(fā)明的內(nèi)容，但是應(yīng)理解在所述本發(fā)明概念的宗旨和范圍內(nèi)可有許多變化。因此，本發(fā)明并不受限于所公開的實(shí)施方案，而是包括下面權(quán)利要求書中列出的全部內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種構(gòu)制成使燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物的燃料電池，所述燃料電池包括構(gòu)制用于讓所述燃料通過所述燃料電池的至少一部分的陽極流徑；與所述陽極流徑流體相通并且構(gòu)制成在其上發(fā)生與所述燃料的催化反應(yīng)的陽極；構(gòu)制用于讓所述氧氣通過所述燃料電池的至少一部分的陰極流徑；與所述陰極流徑流體相通并且構(gòu)制成在其上發(fā)生與所述氧氣的催化反應(yīng)的陰極；置于所述陽極和陰極之間的膜，從而在所述燃料電池操作時(shí)在陽極和陰極間建立電解質(zhì)交換；和至少一個不與所述陽極流徑和所述陰極流徑流體相通的冷卻劑流徑，其中所述冷卻劑流徑確立了冷卻劑獨(dú)立管路，并且所述冷卻劑獨(dú)立管路包括流體介電冷卻劑，所述流體介電冷卻劑包括煤油烴類。
2.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述煤油烴類包括煤油。
3.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述煤油烴類具有高達(dá)并包括約2.5J/g/K的熱容。
4.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述煤油烴類在約80℃下具有低于或約10cP的粘度。
5.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述煤油烴類在約0℃下具有低于或約40cP的粘度。
6.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述煤油烴類具有低于或約-35℃的冰點(diǎn)。
7.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述煤油烴類具有約-40℃到約0℃的冰點(diǎn)。
8.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述煤油烴類具有大于或約85℃的沸點(diǎn)。
9.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述煤油烴類具有約175至約325℃的沸點(diǎn)。
10.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述煤油烴類具有約37.7至約65.5℃的閃點(diǎn)。
11.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述煤油烴類在約228℃自動燃燒。
12.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述煤油烴類具有高達(dá)并包括約0.15W/m-K的熱導(dǎo)率。
13.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述煤油烴類具有約0.05至約0.4W/m-K的熱導(dǎo)率。
14.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述煤油烴類具有大于或約18莫姆厘米的電阻率。
15.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述煤油烴類具有約0.25至約40莫姆厘米的電阻率。
16.權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述流體介電冷卻劑包括水/煤油的油包水型乳液。
17.權(quán)利要求16的燃料電池，其中所述乳液具有高達(dá)并包括約2.3J/g/K的熱容。
18.權(quán)利要求16的燃料電池，其中所述乳液包括約0至約30％的水。
19.權(quán)利要求16的燃料電池，其中所述水包括去離子水。
20.一種構(gòu)制成使燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物的燃料電池，所述燃料電池包括構(gòu)制用于讓所述燃料通過所述燃料電池的至少一部分的陽極流徑；與所述陽極流徑流體相通并且構(gòu)制成在其上發(fā)生與所述燃料的催化反應(yīng)的陽極；構(gòu)制用于讓所述氧氣通過所述燃料電池的至少一部分的陰極流徑；與所述陰極流徑流體相通并且構(gòu)制成在其上發(fā)生與所述氧氣的催化反應(yīng)的陰極；置于所述陽極和陰極之間的膜，從而在所述燃料電池操作時(shí)在陽極和陰極間建立電解質(zhì)交換；至少一個不與所述陽極流徑和所述陰極流徑流體相通的冷卻劑流徑，其中所述冷卻劑流徑確立了冷卻劑獨(dú)立管路，并且所述冷卻劑獨(dú)立管路包括進(jìn)口、出口和流體介電冷卻劑，所述流體介電冷卻劑包括煤油烴類；和循環(huán)組件，所述循環(huán)組件包括循環(huán)流徑、泵和散熱器，其中所述循環(huán)流徑與所述冷卻劑獨(dú)立管路進(jìn)口和所述冷卻劑獨(dú)立管路出口流體相通。
21.權(quán)利要求20的燃料電池，其中所述煤油烴類包括煤油。
22.權(quán)利要求20的燃料電池，其中所述流體介電冷卻劑包括水/煤油的油包水型乳液。
23.一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃燒電池系統(tǒng)包括含多個燃料電池的燃料電池組，其中各所述燃料電池構(gòu)制成使燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物，各所述燃料電池包括構(gòu)制用于讓所述燃料通過各所述燃料電池的至少一部分的陽極流徑；與所述陽極流徑流體相通并且構(gòu)制成在其上發(fā)生與所述燃料的催化反應(yīng)的陽極；構(gòu)制用于讓所述氧氣通過各所述燃料電池的至少一部分的陰極流徑；與所述陰極流徑流體相通并且構(gòu)制成在其上發(fā)生與所述氧氣的催化反應(yīng)的陰極；置于所述陽極和陰極之間的膜從而在所述燃料電池操作時(shí)在陽極和陰極間建立電解質(zhì)交流；和至少一個不與所述陽極流徑和所述陰極流徑流體相通的冷卻劑流徑，其中所述冷卻劑流徑確立了冷卻劑獨(dú)立管路，并且所述冷卻劑獨(dú)立管路包括流體介電冷卻劑，所述流體介電冷卻劑包括煤油烴類。
24.權(quán)利要求23的燃料電池系統(tǒng)，其中所述煤油烴類包括煤油。
25.權(quán)利要求23的燃料電池系統(tǒng)，其中所述流體介電冷卻劑包括水/煤油的油包水型乳液。
26.一種燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括含多個燃料電池的燃料電池組，其中各所述燃料電池構(gòu)制成使燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物，各所述燃料電池包括構(gòu)制用于讓所述燃料通過各所述燃料電池的至少一部分的陽極流徑；與所述陽極流徑流體相通并且構(gòu)制成在其上發(fā)生與所述燃料的催化反應(yīng)的陽極；構(gòu)制用于讓所述氧氣通過各所述燃料電池的至少一部分的陰極流徑；與所述陰極流徑流體相通并且構(gòu)制成在其上發(fā)生與所述氧氣的催化反應(yīng)的陰極；置于所述陽極和陰極之間的膜，從而在所述燃料電池操作時(shí)在陽極和陰極間建立電解質(zhì)交換；和至少一個不與所述陽極流徑和所述陰極流徑流體相通的冷卻劑流徑，其中所述冷卻劑流徑確立了冷卻劑獨(dú)立管路，并且所述冷卻劑獨(dú)立管路包括進(jìn)口、出口和流體介電冷卻劑，所述流體介電冷卻劑包括煤油烴類；和循環(huán)組件，所述循環(huán)組件包括循環(huán)流徑、泵和散熱器，其中所述循環(huán)流徑與所述冷卻劑獨(dú)立管路進(jìn)口和所述冷卻劑獨(dú)立管路出口流體相通。
27.權(quán)利要求26的燃料電池系統(tǒng)，其中所述煤油烴類包括煤油。
28.權(quán)利要求26的燃料電池系統(tǒng)，其中所述流體介電冷卻劑包括水/煤油的油包水型乳液。
29.一種冷卻燃料電池的方法，所述方法包括提供構(gòu)制用于讓燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物的燃料電池；構(gòu)制所述燃料電池而使其包括陽極、陰極和置于所述陽極和所述陰極間的膜；構(gòu)制用于讓所述燃料和氧氣分別流到所述陽極和陰極的陽極流徑和陰極流徑；和構(gòu)制至少一個與所述陽極流徑和陰極流徑不流體相通的冷卻劑流徑，其中所述冷卻劑流徑為冷卻劑獨(dú)立管路，并且其中所述冷卻劑獨(dú)立管路包括流體介電冷卻劑，所述流體介電冷卻劑包括煤油烴類。
30.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述煤油烴類包括煤油。
31.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述煤油烴類具有高達(dá)并包括約2.5J/g/K的熱容。
32.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述煤油烴類在約80℃下具有低于或約10cP的粘度。
33.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述煤油烴類在約0℃下具有低于或約40cP的粘度。
34.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述煤油烴類具有低于或約-35℃的冰點(diǎn)。
35.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述煤油烴類具有約-40℃到約0℃的冰點(diǎn)。
36.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述煤油烴類具有大于或約85℃的沸點(diǎn)。
37.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述煤油烴類具有約175至約325℃的沸點(diǎn)。
38.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述煤油烴類具有約37.7至約65.5℃的閃點(diǎn)。
39.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述煤油烴類在約228℃自動燃燒。
40.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述煤油烴類具有高達(dá)并包括約0.15W/m-K的熱導(dǎo)率。
41.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述煤油烴類具有約0.05至約0.4W/m-K的熱導(dǎo)率。
42.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述煤油烴類具有大于或約18莫姆厘米的電阻率。
43.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述煤油烴類具有約0.25至約0.4莫姆厘米的電阻率。
44.權(quán)利要求29的冷卻燃料電池的方法，其中所述流體介電冷卻劑包括水/煤油的油包水型乳液。
45.權(quán)利要求44的冷卻燃料電池的方法，其中所述乳液具有高達(dá)并包括約2.3J/g/K的熱容。
46.權(quán)利要求44的冷卻燃料電池的方法，其中所述乳液包括約0至約30％的水。
47.權(quán)利要求44的冷卻燃料電池的方法，其中所述水包括去離子水。
48.一種冷卻燃料電池的方法，所述方法包括提供構(gòu)制用于讓燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物的燃料電池；構(gòu)制所述燃料電池而使其包括陽極、陰極和置于所述陽極和所述陰極間的膜；構(gòu)制用于讓所述燃料和氧氣分別流到所述陽極和陰極的陽極流徑和陰極流徑；和構(gòu)制至少一個與所述陽極流徑和陰極流徑流體不相通的冷卻劑流徑，其中所述冷卻劑流徑為冷卻劑獨(dú)立管路，并且其中所述冷卻劑獨(dú)立管路包括進(jìn)口、出口和流體介電冷卻劑，所述流體介電冷卻劑包括煤油烴類；構(gòu)制含循環(huán)流徑的循環(huán)組件，從而使所述循環(huán)流徑與冷卻劑獨(dú)立管路進(jìn)口和冷卻劑獨(dú)立管路出口流體相通，所述循環(huán)組件還包括泵和散熱器；使所述流體介電冷卻劑循環(huán)通過所述冷卻劑獨(dú)立管路，由此所述流體介電冷卻劑吸收所述燃料電池的熱而形成熱的流體介電冷卻劑；和將所述熱的流體介電冷卻劑從所述冷卻劑獨(dú)立管路出口經(jīng)所述循環(huán)流徑循環(huán)到所述散熱器，由此所述熱的流體介電冷卻劑被冷卻并返回到所述冷卻劑獨(dú)立管路進(jìn)口。
49.權(quán)利要求48的方法，其中所述煤油烴類包括煤油。
50.權(quán)利要求48的方法，其中所述流體介電冷卻劑包括水/煤油的油包水型乳液。
51.一種冷卻燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括提供包括多個燃料電池的燃料電池組，其中各所述燃料電池構(gòu)制成讓燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物；構(gòu)制各所述燃料電池而使其包括陽極、陰極和置于所述陽極和所述陰極間的膜；構(gòu)制用于讓所述燃料和氧氣分別流到所述陽極和陰極的陽極流徑和陰極流徑；和構(gòu)制至少一個與所述陽極流徑和陰極流徑流體不相通的冷卻劑流徑，其中所述冷卻劑流徑為冷卻劑獨(dú)立管路，并且其中所述冷卻劑獨(dú)立管路包括流體介電冷卻劑，所述流體介電冷卻劑包括煤油烴類。
52.權(quán)利要求51的方法，其中所述煤油烴類包括煤油。
53.權(quán)利要求51的方法，其中所述液體介電冷卻劑包括水/煤油的油包水型乳液。
54.一種冷卻燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括提供包括多個燃料電池的燃料電池組，其中各所述燃料電池構(gòu)制成讓燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物；構(gòu)制各所述燃料電池而使其包括陽極、陰極和置于所述陽極和所述陰極間的膜；構(gòu)制用于讓所述燃料和氧氣分別流到所述陽極和陰極的陽極流徑和陰極流徑；和構(gòu)制至少一個與所述陽極流徑和陰極流徑流體不相通的冷卻劑流徑，其中所述冷卻劑流徑為冷卻劑獨(dú)立管路，并且其中所述冷卻劑獨(dú)立管路包括進(jìn)口、出口和流體介電冷卻劑，所述流體介電冷卻劑包括煤油烴類；構(gòu)制含循環(huán)流徑的循環(huán)組件，從而使所述循環(huán)流徑與所述冷卻劑獨(dú)立管路進(jìn)口和所述冷卻劑獨(dú)立管路出口流體相通，所述循環(huán)組件還包括泵和散熱器；使所述流體介電冷卻劑循環(huán)通過所述冷卻劑獨(dú)立管路，由此所述流體介電冷卻劑吸收所述燃料電池的熱而形成熱的流體介電冷卻劑；和將所述熱的流體介電冷卻劑從所述冷卻劑獨(dú)立管路出口經(jīng)所述循環(huán)流徑循環(huán)到所述散熱器，由此所述熱的流體介電冷卻劑被冷卻并返回到冷卻劑獨(dú)立管路進(jìn)口。
55.權(quán)利要求54的方法，其中所述煤油烴類包括煤油。
56.權(quán)利要求54的方法，其中所述液體介電冷卻劑包括水/煤油的油包水型乳液。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃料電池組的經(jīng)濟(jì)的介電冷卻劑。本發(fā)明涉及燃料電池、燃料電池系統(tǒng)和冷卻燃料電池和燃料電池系統(tǒng)的方法。所述燃料電池構(gòu)制成讓燃料與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電流和至少一種反應(yīng)產(chǎn)物并且包括陽極、陽極流徑、陰極、陰極流徑和置于陽極和陰極間的膜。具有至少一個與陽極和陰極流徑流體不相通的冷卻劑流徑，所述冷卻劑流徑為冷卻劑獨(dú)立管路。冷卻劑獨(dú)立流徑包括流體介電冷卻劑，所述流體介電冷卻劑包括煤油烴類，其可以是煤油或水/煤油的油包水型乳液。要強(qiáng)調(diào)的是提供本摘要是為了遵循需要摘要的規(guī)定，從而讓檢索者或其他讀者快速了解本發(fā)明公開的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。應(yīng)理解它不能用于詮釋或限定本發(fā)明的范圍或意義。
文檔編號H01M8/04GK1701457SQ03825293
公開日2005年11月23日 申請日期2003年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月23日
發(fā)明者M·H·阿布德埃爾哈米德, Y·M·米克海爾, R·H·布倫克, D·J·利西 申請人:通用汽車公司