CN100521336C - 经着色剂处理的离子交换树脂、其制备方法，传热系统和包含它的组件、以及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种经着色剂处理的离子交换树脂，包括至少15%的可交换基团，其包括来自在25℃水溶液中pKa或pKb大于5的着色剂的至少一种离子、路易斯酸、或者路易斯碱，以可交换基团的总数计。还公开了一种传热系统、组件、燃料电池系统，以及保持采用所公开的经着色剂处理的离子交换树脂的传热流体导电性低于200μS/cm的方法。最后，提供了制备所公开的经着色剂处理的离子交换树脂的方法。

Description

经着色剂处理的离子交换树脂、其制备方法，传热系统和包含它的组件、以及其应用方法
[0001]本申请要求2004年9月8日递交的美国临时申请S.N.60/607969的优先权。
发明领域
[0002]本发明涉及经着色剂预处理的离子交换树脂以及其在传热系统、替代性能源如燃料电池、和包含这种能源的组件中的用途。
发明背景
[0003]与能源热交换的传热系统已被用来调控能源使用过程中产生的热量。例如，机动车已采用传热流体和传热系统，其传递和耗散随着汽油发动内燃机的副产品所产生的热量。在这种情况下，传热流体和传热系统确保发动机在最佳环境下工作并且不会经受到不良高温。
[0004]然而，如今需要传统汽油发动内燃机的替代品，特别是能解决公众关注的环境和自然资源管理问题的替代品。结果，新的能源技术陆续被开发出来，特别是那些能提高能量效率的技术。已开发出的替代性能源实例包括但不限于，电池组、燃料电池、太阳能(光电)电池、以及由压缩蒸汽、天然气、柴油、氢气等驱动的内燃机。这种替代性能源可以单独或者组合以其使用，例如在混合动力车(hybrid vehicle)中采用的那些。
[0005]尽管这种替代性能源通常在能量效率方面相对于汽油发动内燃机具有改善，但其继续需要使用传热系统和传热流体。特别是，需要传热系统和流体来保持最佳的工作条件，特别是在温度方面。
[0006]然而遗憾的是，传统的现有技术传热系统和传热流体不适于(或者不优于)与替代性能源一起使用，特别是那些采用电或者电荷的能源。例如，传统的现有技术传热流体的典型特征在于有极高的导电性，通常范围在3000μS/cm或以上。使用高导电性的传热流体与替代性能源，尤其是基于电的替代性能源，会导致触电、腐蚀性增加和/或电流短路。
[0007]因此，常规的传热流体不适于与一些替代性能源一起使用，尤其是与基于电的替代性能源。
[0008]燃料电池是一种特别引人关注的替代性能源，因为它们清洁而工作效率高。燃料电池已被提议用于大量的应用中。
[0009]例如，有人提出用燃料电池取代当前用在机动车中的内燃机。目前正在开发一些不同种类的燃料电池，看上去其有望用在机动车应用中。说明性的实例包括质子交换膜或者聚合物电解质膜(PEM)燃料电池，磷酸(PA)燃料电池，熔融碳酸盐(MC)燃料电池，固体氧化物(SO)燃料电池，以及碱性燃料电池。
[0010]燃料电池组件通常包括阳极、阴极、以及处于所述两个电极之间的电解质。一般来说，阳极发生氧化反应(例如H2→2H++2e)，阴极发生还原反应(例如O2+2H2O+4e→4OH-)。发生在电极上的电化学反应是放热反应，即它们产生热量。
[0011]燃料电池成功取代内燃机需要达到并保持最佳的工作条件，即燃料电池必须达到预期的电流密度水平，而燃料电池的成分不会发生降解。因而需要控制电化学反应过程中产生的放热量。
[0012]例如，为了达到最佳的工作条件，应控制PEM燃料电池组件的常规工作温度使其保持在60℃到95℃的范围内。由于电化学反应的放热性质，需要使用传热流体或传热流体以保持电极组件的工作温度处于所需的工作温度范围内是理想的。然而，电荷的存在使得难以将燃料电池与现有技术的传热系统和流体一起使用。
[0013]而且，为了产生足够的功率，基于燃料电池的机动车发动机可能具有许多串联在一起的燃料电池，从而形成燃料电池组。单个燃料电池可具有0.6到1.0V DC的工作电压。在一种情况下，设想可能有100到600个单个燃料电池串联在一起。结果，机动车燃料电池组上的DC电压会非常高，通常在125到450V DC的范围。
[0014]机动车燃料电池组中使用的单个燃料电池的传热流体系统会受到上述相同的电压。为了防止或最小化触电危害，传热流体必须具有非常低的导电性。对于减少传热流体系统中的电流分路以及使系统效率降低最小化来说，燃料电池传热流体具有低电导率也是理想的。
[0015]因此，需要提供“低导电性”的传热流体，用在与替代性能源进行热交换的传热系统中。
[0016]除了低电导率之外，与替代性能源一起使用的传热流体还必须具有高热容、低粘度、以及高导热性。这些性质有助于最小化压降并减少泵功率的需求，同时仍然满足传热需要。与替代性能源一起使用的传热流体具有良好的表面润湿性也是理想的。具有良好表面润湿特性的传热流体有助于减少恒定流速条件下的压降。
[0017]合乎需要的传热流体的另一个重要性质是耐腐蚀性。与替代性能源一起使用的许多传热流体系统通常具有一些金属成分。替代性能源所采用的传热系统中存在的示例性金属包括铁和非铁合金，例如不锈钢、铝、黄铜、铜焊合金等等。然而，当与传热流体接触时，这类金属容易受到腐蚀。
[0018]因而需要提供一种与替代性能源一起使用的传热系统中的腐蚀抑制传热流体，它能最小化腐蚀度并延长传热系统的使用寿命。更具体来说，仍然需要能够抑制与替代性能源热交换的传热系统的腐蚀的低导电性传热流体。
[0019]已经提出了多种用以保持传热流体中的低电导性的方法。例如，WO 00/17951提出了一种离子交换树脂单元的应用，用以保持燃料电池系统中纯乙二醇和水传热流体混合物的足够纯度。CA 2435593公开了一种利用两个传热电路装置和去离子单元来使燃料电池的传热介质去离子化的方法，其中稀释液在一个流过燃料电池组的传热电路中流动，而浓缩液流可以作为次级传热电路的一部分。
[0020]燃料电池传热流体还必须具有高热容、低粘度、以及高导热性。这种性质有助于最小化压降并减少泵功率需要，同时仍然满足传热需要。良好的表面润湿性也是燃料电池传热流体所理想的。具有良好表面润湿特征的传热流体有助于减少恒定流速条件下的压降。
[0021]合乎需要的传热流体的另一个重要性质是耐腐蚀性。传热系统通常具有一些金属成分。燃料电池传热系统以及其它传热系统中存在的示例金属包括铁和非铁合金，例如不锈钢、铝、黄铜、铜焊合金等等。然而，当与传热流体接触的情况下，这类金属容易受到腐蚀。
[0022]因而需要提供一种腐蚀抑制传热流体，它能最小化金属传热系统成分的腐蚀并延长燃料电池传热系统以及其它传热系统的使用寿命。
[0023]然而，许多先前已知的用于内燃机传热流体中的腐蚀抑制剂不适用于燃料电池传热流体中，因为它们通常是高度导电的离子物质。这种腐蚀抑制剂的说明性实例有硅酸盐、亚硝酸盐、钼酸盐、硝酸盐、羧酸盐、磷酸盐、硼酸盐等等。这些离子腐蚀抑制剂不能用在燃料电池传热流体中，因为这需要燃料电池传热流体具有非常低的导电性。离子交换树脂或电离去离子化电池方法的一个主要缺陷在于它们会去除腐蚀抑制蚀剂。结果，燃料电池传热流体可能失去其抑制燃料电池传热系统的金属成分腐蚀的能力。
[0024]因此，现有技术对于有关保持抑制腐蚀的传热流体低导电性的问题不能提供有效的解决方法，其中所述传热流体用于包括替代性能源如燃料电池的组件。
[0025]此外，传统机动车内燃机中使用的传热流体总会通过添加染料而着色以提供可识别性并防止与机动车中使用的其它功能性流体发生混淆。这种着色还用以提供信息关于如传热流体的浓度的信息，并且使得传热流体在传热系统中使用时和使用后可以识别。
[0026]然而，被期望用于内燃机中的传热流体所采用的染料和着色剂通常是具有高度导电性的离子物质。这种染料和着色剂的说明性实例有Direct蓝199(酞菁铜，四磺酸)、酸性绿25(1，4-二(4’-甲基-3’-苯磺酸根合(phenyl sulfonato))氨基蒽醌)、酸性红52(磺基罗丹明B)以及uranine(荧光素钠)。这些染料不能用在燃料电池传热流体中，因为其需要燃料电池传热流体具有非常低的导电性。
[0027]因此，对于现有技术的方法来说，染料的使用可能对保持传热流体的低导电性是个问题。离子交换树脂或电去离子化电池方法的一个主要缺陷在于它们可能会去除着色剂，即使是非常微弱的离子性带电着色剂和非导电性着色剂。这样，着色的传热流体看上去可能失去了“颜色”以及采用着色剂所获得的优点。
[0028]因此，现有技术对于有关保持经着色的传热流体低导电性的问题来说不能提供有效的解决方法。
发明概述
[0029]本发明公开了一种经着色剂处理的离子交换树脂、传热系统、包括替代性能源如燃料电池的组件、燃料电池系统以及保持经着色的传热流体中低导电性的方法。
[0030]在一种实施方式中，经着色剂处理的离子交换树脂包括至少15％含着色剂的可交换基团，以可交换基团的总数计。
[0031]在一种实施方式中公开的传热系统包括循环回路，其限定了导电性小于200μS/cm的经着色的传热流体的流动路径，经着色剂处理的离子交换树脂设置在所述流动路径中，其中经着色剂处理的离子交换树脂包含至少15％包括着色剂的可交换基团，以可交换基团的总数计。
[0032]所公开的组件通过替代性能源驱动，其包括替代性能源和与该替代性能源热交换的传热系统，所述传热系统包括循环回路，其限定了导电性小于200μS/cm的经着色的传热流体的流动路径，离子交换树脂设置在所述流动路径中，所述离子交换树脂包含离子可交换基团，其中总离子可交换基团的至少15％包括来自在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的着色剂的离子，或者路易斯酸，或者路易斯碱中的至少一种，以可交换基团的总数计。在一种示例实施方式中，所述替代性能源是燃料电池。
[0033]在一种实施方式中，燃料电池系统包括至少一个燃料电池，其包括阳极、阴极和电解质；以及与至少一个燃料电池热交换的燃料电池传热系统，其中所述燃料电池传热系统包括循环回路，其限定了导电性小于200μS/cm的该着色的液体传热流体的流动路径，离子交换树脂设置在所述流动路径中，所述离子交换树脂包括至少15％含着色剂的离子可交换基团，以可交换基团的总数计。
[0034]所公开的保持经着色的传热流体导电性小于200μS/cm的方法，包括使经着色的传热流体通过传热系统，其中所述经着色的燃料电池传热流体的导电性小于200μS/cm，并且所述传热系统包括循环回路，其限定了经着色的传热流体的流动路径，离子交换树脂设置在所述流动路径中，所述离子交换树脂包括至少15％含着色剂的可交换基团，以可交换基团的总数计。
附图简要说明
[0035]图1是所公开的传热系统和燃料电池系统的一种实施方式示意图。
[0036]图2是表示试验结果和测量导电性相对于时间的曲线图。
[0037]图3是包括替代性能源和传热系统的说明性组件示意图，更具体来说，是一种混合动力车冷却系统。
优选实施方式的详细说明
[0038]本发明公开了一种经着色剂处理的离子交换树脂，传热系统、燃料电池系统以及保持经着色的传热流体中低导电性的方法。
[0039]所述经着色剂处理的离子交换树脂通过一种或多种处理着色剂预处理离子交换树脂得到。在一种实施方式中，所公开的经着色剂处理的离子交换树脂可以通过将离子交换树脂与含有一种或多种处理着色剂的水性处理溶液相接触而制成。处理的结果是处理着色剂与离子交换树脂中的至少一些可交换基团发生了交换。
[0040]合适的离子交换树脂说明实例包括阴离子交换树脂、阳离子交换树脂、混床离子交换树脂、以及其混合物。所选择的特定离子交换树脂取决于经着色的燃料电池传热流体中使用的传热流体着色剂的种类。
[0041]适于用在本发明中的离子交换树脂通常具有聚合物基质和与可交换离子形式“成对”的官能团。
[0042]所述可交换离子形式通常是一种或多种Na+、H+、OH-或Cl-离子，取决于离子交换树脂的种类。这些可交换离子与存在于水性着色剂处理溶液中的一种或多种着色剂所产生的离子物质进行交换。这些可交换离子与存在于水性着色剂处理溶液中的一种或多种着色剂所产生的任何离子物质进行交换，并且在一些情况下与存在于经着色的传热流体，尤其是经着色的燃料电池传热流体中的离子着色剂物质进行交换。
[0043]例如，如果着色剂成为溶液中带负电的物质，即，例如如果用N-杂环化合物作为着色剂，则所述离子交换树脂应当为混床树脂、阴离子交换树脂或其混合物。市场上可买到的阴离子交换树脂通常以OH-或CL-的形式存在。在一个示例实施方式中，选择的阴离子交换树脂以OH-的形式存在。
[0044]或者，如果经着色的传热流体中的着色剂成为溶液中带正电的物质，则应当采用混床树脂、阳离子交换树脂或其混合物。市场上可买到的阳离子交换树脂通常以H+或Na+的形式存在的。在一个示例实施方式中，选择的阳离子交换树脂以H+的形式存在。
[0045]在一种实施方式中，只有当用水性着色剂溶液处理会导致去除离子交换树脂中基本上全部的Na+或CL-离子时，才能采用Na+或CL-形式的离子交换树脂。例如，在一个示例实施方式中，只有当用水性着色剂溶液处理能够产生具有至少80％含着色剂的可交换基团的、经着色剂处理的离子交换树脂，才能使用Na+或CL-形式的离子交换树脂。
[0046]聚合物基质的说明性实例包括聚苯乙烯、聚苯乙烯和苯乙烯共聚物、聚丙烯酸酯、芳族取代的乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸酯、酚醛树脂、聚烷基胺、其混合物等等。在一种实施方式中，所述聚合物基质为聚苯乙烯和苯乙烯共聚物、聚丙烯酸酯、或聚甲基丙烯酸酯，而在一个示例实施方式中，聚合物基质为苯乙烯二乙烯基苯共聚物。
[0047]阳离子交换树脂中的官能团的说明性实例包括磺酸基(-SO3H)、膦酸基(-PO3H)、次膦酸基(-PO2H)、羧酸基(-COOH或-C(CH3)-COOH)、其组合等等。在一种实施方式中，阳离子交换树脂中的官能团为-SO3H、-PO3H或-COOH，而在一个示例实施方式中，阳离子交换树脂中的官能团为-SO3H。
[0048]阴离子交换树脂中的官能团的说明性实例包括季铵基，例如苄基三甲基铵基(术语也叫做1类树脂)、苄基二甲基乙醇铵基(术语也叫做2类树脂)、三烷基苄基铵基(术语也叫做1类树脂)；或者叔胺官能团等等。在一种实施方式中，阴离子交换树脂中的官能团为三烷基苄基铵、三甲基苄基铵、或者二甲基-1，2-羟乙基苄基铵，而在一个示例实施方式中，阴离子交换树脂中的官能团为三烷基苄基铵。
[0049]市场上可买到的适用于本文中的离子交换树脂有来自Rohm & Hassof Philadelphia，PA的AmberliteTM、AmberjetTM、DuoliteTM、以及ImacTM树脂，来自Bayer of Leverkusen，Germany的LewatitTM树脂，来自DowChemical of Midland，MI的DowexTM树脂，来自Misubishi Chemical of Tokyo，Japan的DiaionTM和ReliteTM树脂，来自Purolite of Bala Cynwyd，PA的PuroliteTM树脂，来自Sybron of Birmingham，NJ的IonacTM树脂，来自Resintech of West Berlin，NJ的，等等。在一种实施方式中，适合的市场上可买到的离子交换树脂为DowexTMMR-3LC NG Mix混床树脂，DowexTMMR-450UPW混床树脂，Sybron IonacTM NM-60混床树脂，或者AmberliteTM MB-150混床树脂，而在一个示例性实施方式中，适合的市场上可买到的离子交换树脂为DowexTM MR-3LC NG Mix。
[0050]经着色剂处理的离子交换树脂与包含着色剂的水性处理溶液接触。这种着色剂可以称为“处理着色剂”。用于着色剂水性处理溶液中的合适的处理着色剂包括弱离子着色剂，其可溶解或分散于醇或一种或多种醇类和水的混合物中。
[0051]在一种实施方式中适于用作处理着色剂的着色剂具有等于或大于5的pKa值，如果其在25℃的水溶液中成酸性的话。在一种示例性的实施方式中，适当的处理着色剂具有5到14的pKa值。在一个特别的示例性实施方式中，所述适当的酸性处理着色剂具有5到小于14的pKa值。
[0052]如果处理着色剂是碱的话，适当的处理着色剂在25℃水溶液中的pKb值应当等于或大于5。在一个示例性实施方式中，适当的碱性处理着色剂具有5到14的pKb值。在一个特别的示例性实施方式中，适当的碱性处理着色剂具有5到小于14的pKb值。
[0053]在一个示例性的实施方式中，在燃料电池的工作条件下，即通常大约40℃到大约100℃的温度下，合适的处理着色剂在醇水混合物中具有良好的稳定性。
[0054]在一种实施方式中，处理着色剂包括至少一些最小数目的官能团，其由于醇水溶液或亚烷基二醇溶液中的水解作用将会形成离子物质。在实施方式中，处理着色剂的每个分子可包含1到10个成离子官能团，更优选每分子处理着色剂包含1到5个。说明性的成离子官能团有选自胺基、杂环芳基、以及其它含N基团、苯酚或萘酚衍生物的那些。
[0055]在一种实施方式中，处理着色剂包括以下发色团中的至少一种：蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、含偶氮的化合物、含双偶氮的化合物、含三偶氮的化合物、含重氮的化合物、氧杂蒽、吖啶、茚、酞菁、氮杂轮烯、亚硝基、硝基、二芳基甲烷、三芳基甲烷、次甲基、吲达胺、吖嗪、噁嗪、噻嗪、喹啉、靛蓝、靛酚、内酯、氨基酮、羟基酮、茋、噻唑，一个或多个共轭芳基、一个或多个共轭杂环基、一个或多个共轭碳碳双键(例如胡萝卜素)，以及其组合。在一种示例性实施方式中，处理着色剂包括蒽醌、吖啶、噻唑、含偶氮的化合物、三芳基甲烷、二芳基甲烷、或其组合的至少一种。在一种特别的示例性实施方式中，处理着色剂包括含偶氮的化合物作为发色团。
[0056]在另一种实施方式中，处理着色剂包括亚烷基氧基(alkyleneoxy)或烷氧基以及至少一种如上所述的发色团。
[0057]在一种实施方式中，着色剂中包含的发色团选自以下物质构成的组：蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、含偶氮的化合物、含双偶氮的化合物、含三偶氮的化合物、含重氮的化合物、以及其组合。
[0058]或者，合适的处理着色剂可以表述成以下通式的那些着色剂：
R{Ak[(B)nR1]m}x
其中R是化学稳定的、在使用浓度下可溶的有机发色团，其具有合乎需要的毒性特征(profile)；A是在所述发色团中的连接部分，选自O、N和S；k为0或1；B选自以下物质构成的组：含有1到8个碳原子的一种或多种亚烷基氧基或烷氧基；n是1到100的整数；m是1或2；x是1到5的整数；R1选自以下物质构成的组：H、C1-C6烷基或含1到8个碳原子的烷氧基、或其组合。
[0059]在一个示例性实施方式中，合适的处理着色剂是具有上述通式的那些着色剂，其中R选自以下物质构成的组：蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、含偶氮的化合物、含双偶氮的化合物、含三偶氮的化合物、含重氮的化合物、氧杂蒽、吖啶、茚、酞菁、氮杂轮烯、亚硝基、硝基、二芳基甲烷、三芳基甲烷、次甲基、吲达胺、吖嗪、噁嗪、噻嗪、喹啉、靛蓝、靛酚、内酯、氨基酮、羟基酮、茋、噻唑，一个或多个共轭芳基、一个或多个共轭杂环基、或其组合；B选自以下物质构成的组：含2到4个碳原子的一种或多种亚烷基氧基组分，n为1到30，m为1或2，X优选为1或2，R1优选为H或C1-C4烷基或含1到6个碳原子的烷氧基。
[0060]处理着色剂可以通过各种已知的方法制备，如美国专利4284729、美国专利6528564B1、美国专利6635350B2或者授予Milliken & Company，Spartanburg，SC，USA的其它专利中所记载。例如，合适的处理和/或传热流体着色剂可以这样制备：将含伯氨基的染料中间体转换成相应的聚合化合物，并利用得到的化合物制成分子中具有发色基团的化合物。在偶氮染料的情况下，这可以这样实现：通过伯芳香胺与合适量的亚烷基氧化物或亚烷基氧化物混合物，如环氧乙烷等，按照已知的步骤反应，然后将得到的化合物与芳香胺的重氮盐偶合。如果采用纯化方法来去除离子物质以提供上述必要pKa或pKb值的纯化着色剂的话，则可以使用含离子物质的着色剂。说明性的纯化和化学分离技术包括，用离子交换树脂处理，反渗透，萃取，吸附，蒸馏、过滤等等，以及用于去除离子物质并获得具有合适pKa或pKb的纯化着色剂的类似处理方法。为了制备三芳基甲烷类液体着色剂，可将经过如上所述与亚烷基氧化物反应的芳族胺类与芳族醛缩聚并将得到的缩聚产物氧化形成三芳基甲烷液体着色剂。也可以通过这些以及其它已知的方法制备其它合适的着色剂。
[0061]在公开的经处理的离子交换树脂以及制备和使用方法中使用的、市场上可买到的合适的处理着色剂实例包括Liquitint
Figure C200580037845D0018170042QIETU
红ST或者其它类似的聚合物着色剂，来自Milliken Chemical of Spartanburg，SC，USA，或者来自Chromatech of Canton，MI，USA。其它说明性着色剂包括如下物质：Liquitint红ST，Liquitint蓝RE，Liquitint红XC，Liquitint专利蓝，Liquitint亮黄，Liquitint亮橙，Liquitint品蓝，Liquitint蓝N-6，Liquitint亮蓝，Liquitint超蓝，Liquitint蓝HP，Liquitint蓝DB，Liquitint蓝II，Liquitint Exp.黄8614-6，Liquitint黄BL，Liquitint黄II，Liquitint日光黄，Liquitint超黄，Liquitint绿HMC，Liquitint紫，Liquitint红BL，Liquitint红RL，Liquitint樱桃红，Liquitint红II，Liquitint凫蓝，Liquitint黄LP，Liquitint紫LS，Liquitint深红，Liquitint碧绿，Liquitint绿HMC，Liquitint红HN，Liquitint红ST，以及其组合。
[0062]在一个示例实施方式中，处理着色剂是Milliken的Liquitint
Figure C200580037845D0018170042QIETU
红ST，Chromatech的Liquitint
Figure C200580037845D0018170042QIETU
红XC，Chromatech的Chromatint
Figure C200580037845D0018170042QIETU
黄1382或者Chromatech的Liquitint
Figure C200580037845D0018170042QIETU
蓝RE中的至少一种，而在特别的示例实施方式中，处理着色剂是Milliken的Liquitint
Figure C200580037845D0018170042QIETU
红ST或者Chromatech的Liquitint
Figure C200580037845D0018170042QIETU
红XC。
[0063]用于制备经着色剂处理的离子交换树脂的水性着色剂溶液通常具有至少为1000ppm的如上所述的处理着色剂浓度，或处于大于2摄氏度的温度。在一种实施方式中，水性着色剂溶液的浓度以重量计在0.001％到90％，而在另一种实施方式中，水性着色剂溶液的浓度以重量计在0.005％到10％。
[0064]应当明白的是，在一种实施方式中所述水性着色剂溶液用去离子水制备。
[0065]在一种实施方式中，离子交换树脂与水性着色剂溶液接触一段时间，其足以使所述处理着色剂与总可交换基团的至少15％交换位置，以离子交换树脂中可交换离子的总数计。也就是说，经着色剂处理的离子交换树脂的着色剂负载应当为所述离子交换树脂交换容量的至少15％。在另一种实施方式中，接触时间足以使处理着色剂与总可交换基团的至少50％交换位置，以离子交换树脂中可交换离子的总数计。在一个示例实施方式中，接触时间足以使处理着色剂与总可交换基团的至少75％交换位置，以离子交换树脂中可交换离子的总数计。在另一个示例实施方式中，接触时间足以使着色剂负载为树脂总交换容量的15-99％，或者总可交换基团的15-99％，以离子交换树脂中可交换离子的总数计。
[0066]在一个示例实施方式中，所得到的经着色剂处理的离子交换树脂可以用去离子水和/或干净的燃料电池传热流体清洗以使意外引入杂质的可能性最小化。
[0067]在一种实施方式中，所公开的经着色剂处理的离子交换树脂将用在燃料电池传热系统中。在图1所示的一个示例实施方式中，合适的燃料电池传热系统10将包括循环回路12，其限定了与至少一个燃料电池16热交换的流动路径14，该燃料电池包括阳极18、阴极20以及电解质22。这里所使用的术语“热交换”指能使得燃料电池16中放热反应所产生的热量通过热传递传给经着色的传热流体的任何设置。例如，在一种图1所示的实施方式中，流动路径14将通过燃料电池16中的传热流体通道26。将经着色剂处理的离子交换树脂28放于流动路径14中，使经着色的传热流体24必须流过其中。在一种实施方式中，可以将经着色剂处理的离子交换树脂28放在设在循环回路12的流动路径14中的过滤器30中。
[0068]应当明白的是，循环回路12的许多构型都在本发明的公开范围内。例如，传热流体通道26可以包括多个通道，或者可以构造成包绕着燃料电池16。一般来说，传热流体通道应当非常接近于电极组件表面，这里将发生燃料(一种或多种)的氧化反应和/或氧化剂(一种或多种)的还原反应，使得传热流体和电极组件之间能够实现有效的热传递。此外，传热流体通道与燃料和氧化剂流动通道彼此通常被机械地分隔开，使得燃料、氧化剂和传热流体之间不会发生不良干扰。
[0069]除了燃料电池传热系统之外，应当明白的是所公开的经处理的离子交换树脂适于用在具有传热系统、需要低导电性传热流体的应用中。实例包括玻璃和金属的制造方法。这种方法通常在电极上施加高电压/电流，用以保持玻璃和/或金属处于熔融态。因此，应当明白的是所公开的传热系统还可以用在这种应用中。
[0070]应当明白的是所公开的传热流体可以用在各种包括一种或多种替代性能源的组件中。这里使用的术语“替代性能源”指能在能效、环保、废物产生和管理问题、自然资源管理等方面加以改进的能源技术。已经开发出的替代性能源实例包括但不限于，电池组、燃料电池、太阳能电池或太阳能电池板、光电池、以及由压缩蒸汽、天然气、柴油、氢气等等驱动的内燃机。在一种实施方式中，术语“替代性能源”包括由内燃机驱动的装置，该装置利用清洁的传热系统运行，即对传热流体中离子物质浓缩没有贡献的传热系统。这种替代性能源可以单独使用或者组合使用，如在混合动力车中采用的那些。
[0071]应当明白的是，包含这种替代性能源的组件包括传统上通过内燃机驱动的任何物体，如机动车、船、发动机、灯、航空器及飞机、火车或者机车、军事运输车辆、固定发动机等等。所述组件还包括恰当利用替代性能源所需的其它系统或装置，如电动机、DC/DC转换器、DC/AC转换器、发电机、以及其它电力电子器件等等。所述组件还可以包括需要恰当利用替代性能源的系统或装置，如电动机、DC/CC转换器、DC/AC转换器、发电机、以及其它电力电子和电学器件等等。
[0072]所公开的组件通常包括替代性能源和与该替代性能源热交换的传热系统。在一种实施方式中，传热系统包括循环回路，其限定了用于导电性小于200μS/cm的腐蚀抑制液体传热流体的流动路径。在一种示例实施方式中，传热系统包括循环回路，其限定了用于导电性小于200μS/cm、包含腐蚀抑制剂的腐蚀抑制液体传热流体的流动路径，所述腐蚀抑制剂包括唑化合物，以及硅氧烷基表面活性剂、胶体硅及其混合物中的至少一种。
[0073]所公开的组件的说明实例可以参见图3。图中显示了冷却系统的主要元件、以及可能需要使用冷却剂或传热流体作为冷却介质的主要系统元件16。如这里所指出，所述组件可包含内燃机5、或燃料电池5或太阳能电池5作为车辆的主要能源7。其还含有可再充电的二次电池12或者任选的超电容器13，它可以通过车辆再生制动系统充电。在该实施方式中，电池12和/或超电容器13可用作二次能源。所述组件还可以包含电力电子设备，如DC/DC转换器10，DC/AC转换器10，发电机8，功率分配装置9和/或升压转换器11等等。此外，所述组件还可包含燃料电池或太阳能电池“辅助设备(balanceof plant)”子系统6。这些系统可以是空气压缩机、泵、功率调节器等等。所述组件还包含HAVC系统14，例如，用于控制车辆内部空间气候的空调系统。这些系统包含在图1所示组件中的车辆系统16中，其可能需要使用用于温度控制的冷却剂或传热流体。类似于其它的车辆冷却系统，所示实施例中的组件还包含冷却剂循环泵1，冷却剂流动通路4，冷却剂罐2，散热器或热交换器3，以及风扇15。所述风扇可以用外部冷却源替代，例如，利用其自身冷却介质的不同(或隔离)冷却系统。
[0074]在一种实施方式中，所述替代性能源为燃料电池。应当明白的是燃料电池与所公开的传热系统和流体热交换，所公开的传热流体的电导率在一种实施方式中不大于10μS/cm。在包括燃料电池的特别示例性实施方式中，所公开的传热流体的电导率在0.02到不大于10μS/cm。在一个特别的示例性实施方式中，所公开的腐蚀抑制传热流体的电导率在0.05到不大于5μS/cm。
[0075]所公开的经处理的离子交换树脂可以与许多不同种类的燃料电池结合使用，所述燃料电池包括电极组件以及与所述电极组件或燃料电池热交换的传热流体，所述电极组件包括阳极、阴极和电解质。在一种实施方式中，所公开的经处理的离子交换树脂可以包含在由循环回路限定的流动路径中或者与所述燃料电池热交换的传热流体流动通道中。
[0076]适合的燃料电池说明类型包括PEM(质子交换膜或聚合物电解质膜)燃料电池，AFC(碱性燃料电池)，PAFC(磷酸燃料电池)，MCFC(熔融碳酸盐燃料电池)，SOFC(固体氧化物燃料电池)等等。在一个示例实施方式中，所公开的腐蚀抑制传热流体用在PEM和AFC燃料电池中。
[0077]在一种实施方式中，所公开的传热系统、组件和燃料电池系统还采用了适当的经着色的传热流体，其特征在于具有非常低的导电性。
[0078]这里所使用的术语“传热流体”指能够将一些热能从第一点传递和耗散到第二点的液体。在一种实施方式中，所公开的传热流体可称为冷却剂。在另一种实施方式中，由于一些传热流体用作凝固点抑制剂的能力，所公开的传热流体还可以称为防冻剂。
[0079]这里使用的术语“低导电性”一般指电导率不大于200μS/cm。在一种实施方式中，所公开的经着色的传热流体的导电性小于150μS/cm，而在另一种实施方式中，所公开的经着色的传热流体的导电性小于50μS/cm。
[0080]在其它实施方式中，所公开的经着色的传热流体电导率在0.02μS/cm到不大于200μS/cm。在一种实施方式中，所公开的用在燃料电池中的经着色的传热流体导电性在0.2μS/cm到100μS/cm。在另一种实施方式中，所公开的经着色的传热流体导电性在0.05μS/cm到小于50μS/cm，而在一个示例实施方式中，所公开的经着色的传热流体导电性在0.05μS/cm到不大于25μS/cm。在特别的示例实施方式中，所公开的经着色的传热流体电导率在0.05到不大于10μS/cm。在一个特别的示例实施方式中，所公开的经着色的传热流体电导率在0.05到不大于5μS/cm。
[0081]所公开的经着色的传热流体电导率可以利用ASTM D1125，即“用于水的电导率和电阻率的标准测试方法”中记载的方法或等价方法来测量。
[0082]所公开的经着色的传热流体还可以具有腐蚀抑制性。术语“腐蚀抑制传热流体”指具有足量的一种或多种腐蚀抑制剂的传热流体，使得浸入所述流体中的金属成分相对于其在除缺乏任何腐蚀抑制剂外所有方面均相同的传热流体中的腐蚀而言，腐蚀速率降低。
[0083]这里使用的术语“经着色的传热流体”指具有足量的一种或多种着色剂的传热流体，使得该传热流体的颜色可以通过肉眼或者利用选择性吸收或散射可见光，即波长大约在350nm到750nm之间的光，的分析技术进行测量。
[0084]在一种实施方式中，所公开的经着色的传热流体包括非导电性着色剂。在另一种实施方式中，所公开的经着色的传热流体除了非导电性着色剂之外还包括至少一种醇。在一个示例实施方式中，所公开的经着色的传热流体包括非导电性着色剂，至少一种醇，以及水。在另一种示例实施方式中，所公开的经着色的传热流体包括非导电性着色剂，水，至少一种醇，腐蚀抑制剂，以及任选的一种或多种消泡剂，苦味剂、润湿剂、非离子分散剂，其组合等等。
[0085]这里使用的术语“传热流体”既指浓缩的腐蚀抑制剂和醇或者水/醇混合物溶液，也指其与水，优选去离子水混合的稀释溶液。应当明白的是尽管传热流体以主要由一种或多种醇类和腐蚀抑制剂组成的浓缩溶液购买、运输或使用，但这种浓缩液在加入或是用于燃料电池之前通常要用水，尤其是去离子水稀释。稀释比通常在1:4到4:1(DI水：传热流体)，在一个示例实施方式中比例在40％:60％到60％:40％。因此，这里使用的术语“传热流体”既指所公开传热流体的浓缩溶液又指其稀释溶液。
[0086]在一种实施方式中，合适的传热流体包括这里所述的传热流体着色剂。在另一种实施方式中，合适的传热流体还包括这里所述的传热流体腐蚀抑制剂。在另一种实施方式中，合适的传热流体除了着色剂和腐蚀抑制剂之外还包括至少一种醇。在一种示例实施方式中，合适的传热流体包括腐蚀抑制剂、至少一种醇，以及水。在另一种示例实施方式中，传热流体包括这里公开的腐蚀抑制剂，水，至少一种醇，着色剂，以及任选的一种或多种添加剂，例如消泡剂，苦味剂，润湿剂，非离子分散剂等等。
[0087]如上所述，在一种示例实施方式中，在所公开的传热系统和燃料电池系统中使用的传热流体是包括至少一种着色剂的经着色的传热流体。在该经着色的传热流体中使用的着色剂，即“传热流体着色剂”可以与在水性处理溶液中使用的“处理着色剂”相同或不同并如上所述。
[0088]然而，应当明白的是，除了那些适于用作处理传热流体的着色剂之外，不会在传热流体中产生离子物质的真正非导电物质也可以用作传热流体着色剂。与涉及处理着色剂的术语“非导电性”相比，涉及传热流体着色剂的术语“非导电性”指，当引入导电性小于0.3μS/cm的去离子水标准溶液时，所产生的导电性小于大约0.5μS/cm的着色剂，以该标准溶液总重量计，其最大浓度不大于0.2％重量。在一种实施方式中，“非导电性”着色剂在纯净状态下为非离子物质。在一个示例实施方式中，合适的酸性传热流体着色剂在25℃下具有等于或大于5的pKa值，而合适的碱性传热流体着色剂在25℃的水溶液中具有等于或大于5的pKb值。在一个特别的示例实施方式中，合适的酸性传热流体着色剂在25℃下具有大于5小于14的pKa值，而合适的碱性传热流体着色剂在25℃的水溶液中具有大于5小于14的pKb值。
[0089]在一种实施方式中，存在于经着色剂处理的离子交换树脂中的至少一种处理着色剂与经着色的燃料电池传热流体中使用的至少一种传热流体着色剂相同。在另一种实施方式中，存在于经着色剂处理的离子交换树脂中的至少一种处理着色剂与经着色的燃料电池传热流体中使用的至少一种传热流体着色剂相同，其中所述经着色的燃料电池传热流体用在采用经所述着色剂处理的离子交换树脂的燃料电池传热系统中。在一个示例实施方式中，存在于经着色剂处理的离子交换树脂中的处理着色剂与燃料电池传热流体中使用的传热流体着色剂相同，其中所述燃料电池传热流体用在采用经所述着色剂处理的离子交换树脂的燃料电池传热系统中。
[0090]在一种实施方式中，传热流体着色剂为基本上没有官能团的非导电性着色剂，由于在醇水溶液或亚烷基二醇溶液中的水解作用，所述官能团会形成离子物质。这里所用的“基本上没有”是指含量不超过会导致经着色的传热流体的导电性高于5μS/cm的量。官能团的实例会产生少量的离子物质，包括许多含N化合物，例如吖啶、胺、噻唑、甲酚等等。含磺酸基、膦酸基、羧酸基等的化合物在水溶液中的水解作用下也会产生离子物质。由于这些基团具有较小的pKa值，故溶液比在先基团(即含N化合物)更具电离性或导电性。在一个特别的实施方式中，非导电性传热流体着色剂基本上没有选自以下物质的官能团：羧酸根基、磺酸根基、膦酸根基、季铵基、带正电的基团、以及带负电的基团。带正电基团的说明性实例包括Na+、Cu2+、N+(CH3)3、Fe3+，其组合等等。带负电基团的说明性实例包括Cl-、Br-、SO4 2-、其组合等等。然而，在其它实施方式中，合适的传热流体着色剂将不是非导电性的，因为有关传热流体着色剂的该术语已如上面所限定，并包括这些官能团。
[0091]尽管有上述特别的实施方式，但传热流体着色剂通常可如上关于处理着色剂所述。也就是说，合适的传热流体着色剂可包括至少一种以下发色团：蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、含偶氮的化合物、含双偶氮的化合物、含三偶氮的化合物、含重氮的化合物、氧杂蒽、吖啶、茚、酞菁、氮杂轮烯、亚硝基、硝基、二芳基甲烷、三芳基甲烷、次甲基、吲达胺、吖嗪、噁嗪、噻嗪、喹啉、靛蓝、靛酚、内酯、氨基酮、羟基酮、茋、噻唑，一个或多个共轭芳基、一个或多个共轭杂环基(例如stilkene，和/或bestriazenylaminostilkene，和/或吡唑啉，和/或香豆素(courmarine)型分子或其混合物)、一个或多个共轭碳碳双键(例如胡萝卜素)，或其组合。在一种示例性实施方式中，传热流体着色剂包括至少一种二芳基甲烷、三苯甲烷、一个或多个共轭芳基、偶氮或其组合。在一种特别的示例性实施方式中，传热流体着色剂包括至少一个或多个共轭芳基作为发色团。
[0092]在另一种实施方式中，传热流体着色剂包括非导电性烷氧基化合物与至少一种例如所述的发色团的反应产物。合适的非导电性烷氧基化合物说明性实例包括具有1到30个碳原子的那些。说明性的烷氧基化合物包括环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷等等，特别适用的是环氧乙烷和环氧丙烷。在一种实施方式中，与醇反应的发色团选自以下物质构成的组：蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、二芳基甲烷、三芳基甲烷、含偶氮的化合物、含双偶氮的化合物、含三偶氮的化合物、含重氮的化合物，及其组合。
[0093]或者，合适的传热流体着色剂可以表述成以下通式的着色剂：
R{Ak[(B)nR1]m}x
其中R是选自以下组的有机发色团：蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、含偶氮的化合物、含双偶氮的化合物、含三偶氮的化合物、含重氮的化合物、氧杂蒽、吖啶、茚、酞菁、氮杂轮烯、亚硝基、硝基、二芳基甲烷、三芳基甲烷、次甲基、吲达胺、吖嗪、噁嗪、噻嗪、喹啉、靛蓝、靛酚、内酯、氨基酮、羟基酮、茋、噻唑，两个或多个共轭芳基、两个或多个共轭杂环基、或其组合；A是所述发色团中的连接部分，选自0、N或S；k为0或1；B选自以下物质构成的组：含有1到8个碳原子的一种或多种亚烷基氧基或烷氧基；n是1到100的整数；m是1或2；x是1到5的整数；R1选自以下物质构成的组：H、C1-C6烷基或含1到8个碳原子的烷氧基、或其组合。
[0094]在一个示例性实施方式中，合适的传热流体着色剂是具有上述通式的那些着色剂，其中B选自以下物质构成的组：含2到4个碳原子的一种或多种亚烷基氧基组分，n为1到30，m为1或2，X优选为1或2，R1优选为H或C1-C4烷基或含1到6个碳原子的烷氧基。在一个示例实施方式中，合适的传热流体着色剂含有一种或多种二芳基甲烷、三芳基甲烷、三苯甲烷、二苯甲烷、共轭芳基或共轭碳-碳双键，或其组合，因为预期这些不会贡献于来自该发色团的导电性增加。换句话说，这些发色团结构没有会水解的基团。在所列的连接基团当中，0也较可能不在水溶液中水解。
[0095]传热流体着色剂可以通过各种已知的方法制备，如上面关于处理着色剂的描述。
[0096]适用于所公开的燃料电池和燃料电池系统中的经着色的传热流体中采用的、市场上可买到的合适的传热流体着色剂实例包括来自MillikenChemical of Spartanburg，SC，USA的Liquitint
Figure C200580037845D0018170042QIETU
红ST或者其它类似聚合物着色剂，或者来自Chromatech of Canton，MI，USA的着色剂(例如Liquitint
Figure C200580037845D0018170042QIETU
蓝RE)。其它说明性着色剂包括如下物质：Liquitint红ST，Liquitint蓝RE，Liquitint红XC，Liquitint专利蓝，Liquitint亮黄，Liquitint亮橙，Liquitint品蓝，Liquitint蓝N-6，Liquitint亮蓝，Liquitint超蓝，Liquitint蓝HP，Liquitint蓝DB，Liquitint蓝II，Liquitint Exp.黄8614-6，Liquitint黄BL，Liquitint黄II，Liquitint日光黄，Liquitint超黄，Liquitint绿HMC，Liquitint紫，Liquitint红BL，Liquitint红RL，Liquitint樱桃红，Liquitint红II，Liquitint凫蓝，Liquitint黄LP，Liquitint紫LS，Liquitint深红，Liquitint碧绿，Liquitint绿HMC，Liquitint红HN，Liquitint红ST，以及其组合。
[0097]在一个示例性施方式中，所述传热流体着色剂是Milliken的
Figure C200580037845D00261
红ST，Chromatech的
Figure C200580037845D00262
红XC，Milliken的
Figure C200580037845D00263
专利蓝，Chromatech的
Figure C200580037845D00264
黄1382或者Chromatech的
Figure C200580037845D00265
蓝RE中的至少一种，而在特别的示例实施方式中，所述非导电性着色剂是Chromatech的
Figure C200580037845D00266
蓝RE。
[0098]在一种实施方式中，存在于经着色的燃料电池传热流体中的传热流体着色剂的量在0.0001-0.2％重量，基于经着色的传热流体的总量计。在另一种实施方式中，存在于电池传热流体中的传热流体着色剂的量在0.0005-0.1％重量，基于传热流体的总量计，而在一个示例实施方式中，传热流体着色剂的用量在0.0005-0.05％重量，基于传热流体的总量计。
[0099]用于所公开的传热流体中的适合的醇的说明实例有甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、糠醛、乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、二丙二醇、丁二醇、甘油、甘油单乙醚、甘油二甲醚、1，2，6-己三醇、三羟甲基丙烷、甲氧乙醇、或包含一种或多种这种醇类的组合。特别适合的醇类的说明性实例包括乙二醇、丙二醇、丁二醇、甘油、二乙二醇等，以及其混合物。在一种实施方式中，所述醇为乙二醇或1，2-丙二醇或1，3-丙二醇，而在一个示例实施方式中，所公开的经着色的传热流体包括乙二醇。
[0100]在一种实施方式中，存在于传热流体中的所述醇含量在10-99.9％重量，基于经着色的传热流体的总量计。在另一种实施方式中，存在于传热流体中的所述至少一种醇含量在20-99.9％重量，基于传热流体的总量计，而在一个示例性实施方式中，所述至少一种醇的用量在20-99.9％重量，基于经着色的传热流体的总量计。
[0101]如前面所指出，所公开的经着色的燃料电池传热流体中可以存在水。在一个示例实施方式中，可使用去离子水。在一种实施方式中，存在于经着色的传热流体中的水含量在0.1-90％重量，基于传热流体的总量计。在另一种实施方式中，存在于传热流体中的水含量在0.1-80％重量，基于传热流体的总量计，而在另一个示例性实施方式中，水的用量在0.1-70％重量，基于经着色的传热流体的总量计。
[0102]例如，传热流体的浓缩版中可以根本不存在水，即0wt％，但在一些浓缩物中可以存在的水含量至多大约50wt％，在另一些中至多20wt％，基于浓缩物的总重量计。至于稀释的传热流体，可以存在20wt％到至多90％wt量的水。
[0103]适合的腐蚀抑制剂包括铝和铝基合金腐蚀抑制剂、铜和铜基合金腐蚀抑制剂、铁金属腐蚀抑制剂如唑(azole)衍生物，以及胺类如乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、辛胺和吗啉，US2004/0028971A1中记载的原硅酸酯等等。
[0104]在一种实施方式中，存在于传热流体中的一种或多种腐蚀抑制剂的含量在0.0-10.0％重量，基于经着色的传热流体的总量计。在另一种实施方式中，存在于传热流体中的一种或多种腐蚀抑制剂的含量在0.0-5％重量，基于传热流体的总量计，而在一个示例性实施方式中，一种或多种腐蚀抑制剂的用量在0.0-2％重量，基于经着色的传热流体的总量计。
[0105]合适的经着色的传热流体还可包括其它的添加剂，例如消泡剂、表面活性剂、防垢剂、分散剂、润湿剂、苦味剂等等，含量至多10％重量，基于经着色的传热流体的总量计。
[0106]在一种实施方式中，合适的经着色的传热流体包括20-99.9％重量的至少一种醇或醇混合物，0.1-80％重量的水，以及0.0001到0.1％重量的非导电性着色剂，基于传热流体的总量计，以及0.0到10％重量的其它任选的传热流体添加剂。在一个示例性实施方式中，所公开的传热流体包括20-99.9％重量的至少一种醇或醇混合物，0.1-80％重量的水，以及0.0001到0.1％重量的非导电性着色剂，以及0.0-10％重量的其它任选的传热流体添加剂，基于该传热流体的总量计。
[0107]在另一个示例性实施方式中，合适的传热流体包括20-99.9％重量的至少一种醇，0.1-80％重量的水，0-5％重量的一种或多种腐蚀抑制剂，以及0.0001-0.1％重量的非导电性着色剂，以及含量在0.0-0.1％重量的任选的消泡剂，基于该传热流体的总量计。
[0108]所述经着色的传热流体可以通过将成份混合在一起制备而成。通常，优选首先将醇和水混合在一起。然后通过混合和充分搅拌将其它的添加剂加入该醇-水混合物中。
[0109]所公开的经着色剂处理的离子交换树脂的优点在于它们能够去除处理溶液或传热流体中的离子物质，保持经着色的传热流体的低导电性并向经着色的传热流体提供颜色。所公开的经着色剂处理的离子交换树脂的优点还在于它们同时能够去除传热流体中的离子物质，保持经着色的传热流体的低导电性并向经着色的传热流体提供颜色。
[0110]单数形式的“一”、“一个”和“所述”包括所指对象的复数形式，除非上下文另外清楚地指明。“任选”或“任选地”指后面所述的情况或条件可以或者可以不发生，并且该表述包括了所述情况发生的例证和不发生的例证。与数量连用的修饰语“大约”包括所述的数值并有上下文指示的含义(例如，包括与测量特定量有关的误差程度)。
[0111]尽管本发明是参考优选实施方式进行说明的，但本领域技术人员应当明白在不偏离本发明范围的情况下可以做出各种改变并且可以用等价方式替代其组成部分。此外，在不偏离本发明实质范围的情况下通过其教导可以做出许多改进以适用特殊的情况或物质。因此，本发明并不限制于所设计的用于实施本发明的、作为最佳方式公开的特定实施方式，而是包括所有落在所附权利要求范围内的实施方式。
实施例1
[0112]表1测算了导电性作为室温下去离子水中着色剂浓度的函数。将下面标明的各种着色剂溶液与去离子水在室温下通过简单搅拌混合。通过Control Company，Friendswood，TX，USA的
Figure C200580037845D00281
台式导电率仪测定导电性。
表1
Figure C200580037845D00282
Figure C200580037845D00291
[0113]可以看出两种常规使用的防冻染料，即Uranine和酸性红52染料在相等浓度下比测算的
Figure C200580037845D00292
染料具有更高的导电性。
实施例2
[0114]还发现
Figure C200580037845D00293
红ST染料在80℃的50％乙二醇+50％去离子水溶液(全部作为体积％)中很稳定。通过将20ppm的
Figure C200580037845D00294
红溶解在50％乙二醇+50％去离子水溶液(V/V)中进行测试。在干净的烧杯中将该溶液分成两部分。一部分在80℃下加热约45分钟。记录在加热前后两种溶液的导电性。溶液中没有明显的改变。溶液的导电性表明在加热前后基本上没有改变(80℃下的空白和加热前：0.45μS/cm，在80℃下保持约45分钟并冷却到室温：0.48μS/cm)。
实施例3
[0115]测算该非导电性染料对燃料电池传热系统中金属的腐蚀性的效果。
[0116]用清洁剂和去离子水将下面的金属样品洗净，然后分成两个相同的组并放在2个干净的玻璃烧瓶中。每个烧瓶中含有4个铸铝样片，4个黄铜样片，4个不锈钢(SS316)样片，2个铜焊铝样片，2个硅橡胶垫圈，4个氟橡胶0形环。总表面积大约392平方厘米。将300ml 50％的乙二醇+50％(体积)DI水加入一个烧瓶中，而另一个烧瓶中加入300ml 50％的乙二醇+50％(体积)DI水+20ppm 
Figure C200580037845D00301
红ST。
[0117]记录每种溶液的导电性作为时间的函数。由于金属的腐蚀会产生离子物质并增加溶液的导电性，因而可用溶液的导电性来表示烧瓶中的金属样品的腐蚀程度。所得到的结果列于下表2中。
表2
Figure C200580037845D00302
1酸性红52可从Canton，MI.的Chromatech购买到。Uranine可从Danbury，CT的Honeywell-CPG购买到。
[0118]可观察到导电性几乎没有差别，表明20ppm 
Figure C200580037845D00303
红ST在测试条件下不会影响金属的腐蚀性。因此，以20ppm的量加入二醇/水混合物的红ST染料不会提高可能存在于燃料电池传热系统中的金属的腐蚀性。
实施例4
[0119]已证明通过混床树脂可以去除适于用作处理着色剂或者传热流体着色剂的着色剂。
[0120]将50mg/l的
Figure C200580037845D00305
红ST加入烧杯中200g 50％wt的乙二醇DI水溶液中。将溶液分成两等份。一份溶液中加入2g Rohm & Haas AmberjetUP6040混床树脂中。在室温下使用干净的涂有Teflon的磁力棒持续搅拌溶液。大约16小时后，最初的红色溶液变成淡红色，表明所述树脂已经去除了大部分(例如，大于大约95％)的
Figure C200580037845D00311
红ST着色剂。
实施例5
[0121]测算了适于用作处理和/或传热流体着色剂的各种着色剂的导电性。在室温下用各种着色剂在通常的使用浓度下，如下表3中所示，制备50％wt乙二醇+50％wt DI水溶液。
表3
Figure C200580037845D00312
[0122]可以看出只要能使传热流体溶液具有低导电性，各种着色剂都适用。
实施例6
[0123]测算了具有低导电性的各种处理/传热流体着色剂与具有H+形式的阳离子树脂和具有OH-形式的阴离子树脂的混床离子交换树脂的相容性。
[0124]制备50mg/l在50％wt的乙二醇+50％wt DI水中的着色剂溶液。将100g该溶液加入烧杯。将2g MTO-Dowex MR-3LC NG混床树脂加入该溶液中。在室温下用干净的涂有teflon的磁力棒连续搅拌该溶液。通过UV-Vis分光光谱测量法测定溶液中的着色剂浓度。用于测试的着色剂是由Chromatech提供的L83002 Liquitint红XC和L85071 Liqintint蓝RE。用535nm处的最大吸收峰值测定Liquitint红XC染料的浓度。用632nm处的最大吸收峰值测定Liqintint蓝RE染料的浓度。获得了以下结果。
[0125]21小时后，50％ EG中的L83002 Liquitint红XC的浓度从最初的50ppm浓度减小到11ppm，表明其适于用作处理着色剂或者传热流体着色剂。L85071 Liqintint蓝RE的浓度变化很小，即21.5小时后48ppm vs.初始浓度50ppm，表明L85071 Liqintint蓝RE可以用作非导电性传热流体着色剂。
实施例7
[0126]测算了根据本发明的经着色剂处理的混床离子交换树脂。
[0127]用Milliken的Liquitint红ST水溶液来处理混合离子交换树脂。所述树脂是MTO-Dowex MR-3 LC NG，其中阳离子树脂呈H+形式，阴离子树脂呈OH形式。在室温下通过连续磁力棒搅拌将十克MTO-Dowex MR-3LC NG加入一升5g/l溶解于50％乙二醇中的Liquitint红ST。24小时后，将另外5g Liquitint红ST染料加入该溶液。使染料交换反应持续超过24小时，然后将树脂从含染料的50％ EG溶液中分离出来。将饱和的着色剂用大量DI水冲洗以洗去过量的着色剂溶液(直到清洗水变成无色)并用干净的纸巾干燥，存放于干净的玻璃瓶中。由于在处理的第一个24小时后溶液的颜色没有显示可以看见的变化，因而估计负载于树脂上的着色剂接近处理结束时的饱和度，例如，负载于树脂上的着色剂可能高于树脂对着色剂的负载能力的90％。
[0128]将一克着色剂饱和的树脂加入两份100g分别含有30ppm NaCl或30ppm甲酸钠+30ppm醋酸钠的50％乙二醇水溶液的样品中。用磁力棒连续搅拌该溶液。在室温下进行测试。测定溶液导电性作为时间的函数。获得了以下结果，如图2所示。一般来说，在将树脂加入含所述盐的溶液之后溶液很快变红。随着时间的增加，颜色变得更加显著，表明所公开的经着色剂饱和的树脂能够去除溶液中的离子物质，同时给该50％wt的乙二醇水溶液提供明显的颜色。这表明根据本发明制备的经着色剂处理的离子交换树脂能够去除50％wt乙二醇水溶液中的离子物质，同时保持该传热流体溶液的低导电性并向该溶液提供颜色。

Claims (42)

1.一种离子交换树脂，基于可交换基团的总数，包含以总数计至少15％的包括下述的可交换基团：来自在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的着色剂的离子、路易斯酸、或者路易斯碱中的至少一种，其中所述着色剂基本上没有会由于在水性醇溶液中的水解作用而形成离子物质的官能团。
2.权利要求1所述的离子交换树脂，其中所述着色剂基本上没有选自以下的官能团：带正电的基团、以及带负电的基团。
3.权利要求1所述的离子交换树脂，其中所述着色剂基本上没有选自以下的官能团：羧酸根基、磺酸根基、膦酸根基、和季胺。
4.权利要求1所述的离子交换树脂，其中所述着色剂包括以下发色团中的至少一种：蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、含偶氮的化合物、含双偶氮的化合物、含三偶氮的化合物、含重氮的化合物、氧杂蒽、吖啶、茚、酞菁、氮杂轮烯、亚硝基、硝基、次甲基、吲达胺、吖嗪、噁嗪、噻嗪、喹啉、靛蓝、靛酚、内酯、氨基酮、羟基酮、茋、噻唑。
5.权利要求1所述的离子交换树脂，其中所述着色剂包括以下发色团中的至少一种：二芳基甲烷、三芳基甲烷。
6.权利要求1所述的离子交换树脂，其中所述着色剂包括以下发色团中的至少一种：一个或多个共轭芳基、一个或多个共轭杂环基.
7.权利要求1所述的离子交换树脂，其中所述着色剂包括以下发色团：一个或多个共轭C-C双键。
8.权利要求1所述的离子交换树脂，其中所述着色剂包括发色团与包含1到30个碳原子的非导电性烷氧基的反应产物。
9.权利要求8所述的离子交换树脂，其中所述着色剂包括选自以下的至少一个发色团：蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、含偶氮的化合物、含双偶氮的化合物、含三偶氮的化合物、含重氮的化合物。
10.权利要求1所述的离子交换树脂，其中所述着色剂的通式如下：
R{Ak[(B)nR1]m}x
其中
R是选自以下组的有机发色团：蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、含偶氮的化合物、含双偶氮的化合物、含三偶氮的化合物、含重氮的化合物、氧杂蒽、吖啶、茚、酞菁、氮杂轮烯、亚硝基、硝基、次甲基、吲达胺、吖嗪、噁嗪、噻嗪、喹啉、靛蓝、靛酚、内酯、氨基酮、羟基酮、茋、噻唑，或其组合；
A是在所述发色团中的连接部分，选自O、N或S；
k为0或1；
B选自以下物质构成的组：含有1到8个碳原子的一种或多种亚烷基氧基或烷氧基；
n是1到100的整数；
m是1或2；
x是1到5的整数；和
R1选自以下物质构成的组：H、含1到8个碳原子的C1-C6烷基或烷氧基、或其组合。
11.权利要求1所述的离子交换树脂，其中所述着色剂的通式如下：
R{Ak[(B)nR1]m}x
其中
R是选自以下组的有机发色团：二芳基甲烷、三芳基甲烷、或其组合；
A是在所述发色团中的连接部分，选自O、N或S；
k为0或1；
B选自以下物质构成的组：含有1到8个碳原子的一种或多种亚烷基氧基或烷氧基；
n是1到100的整数；
m是1或2；
x是1到5的整数；和
R1选自以下物质构成的组：H、含1到8个碳原子的C1-C6烷基或烷氧基、或其组合。
12.权利要求1所述的离子交换树脂，其中所述着色剂的通式如下：
R{Ak[(B)nR1]m}x
其中
R是选自以下组的有机发色团：一个或多个共轭芳基、一个或多个共轭杂环基、或其组合；
A是在所述发色团中的连接部分，选自O、N或S；
k为0或1；
B选自以下物质构成的组：含有1到8个碳原子的一种或多种亚烷基氧基或烷氧基；
n是1到100的整数；
m是1或2；
x是1到5的整数；和
R1选自以下物质构成的组：H、含1到8个碳原子的C1-C6烷基或烷氧基、或其组合。
13.权利要求1所述的离子交换树脂，其中所述着色剂的通式如下：
R{Ak[(B)nR1]m}x
其中
R是选自以下的有机发色团：一个或多个共轭C-C双键；
A是在所述发色团中的连接部分，选自O、N或S；
k为0或1；
B选自以下物质构成的组：含有1到8个碳原子的一种或多种亚烷基氧基或烷氧基；
n是1到100的整数；
m是1或2；
x是1到5的整数；和
R1选自以下物质构成的组：H、含1到8个碳原子的C1-C6烷基或烷氧基、或其组合。
14.一种传热系统，包括
循环回路，其限定了导电性小于10μS/cm的经着色的传热流体的流动路径，以及
设置在所述流动路径中的根据权利要求1的离子交换树脂，基于可交换基团的总数，所述离子交换树脂含有以总数计至少15％的包括着色剂的可交换基团。
15.权利要求14所述的传热系统，其中所述经着色的传热流体包括非导电性着色剂，并且其导电性等于或不大于10μS/cm。
16.权利要求15所述的传热系统，其中所述经着色的传热流体的导电性小于5μS/cm。
17.权利要求16所述的传热系统，其中所述经着色的传热流体的导电性为0.02-5μS/cm。
18.权利要求17所述的传热系统，其中所述经着色的传热流体的导电性为0.05-1μS/cm。
19.权利要求15所述的传热系统，其中所述非导电性着色剂以0.0001-0.2％重量的量存在，以所述经着色的传热流体的总重量计。
20.权利要求19所述的传热系统，其中所述非导电性着色剂以0.0005-0.1％重量的量存在，以所述经着色的传热流体的总重量计。
21.权利要求20所述的传热系统，其中所述非导电性着色剂以0.0005-0.05％重量的量存在，以所述经着色的传热流体的总重量计。
22.权利要求14所述的传热系统，其中所述经着色的传热流体进一步包括醇。
23.权利要求22所述的传热系统，其中所述醇是甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、糠醛、乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、二丙二醇、丁二醇、甘油、甘油单乙醚、甘油二甲醚、1，2，6-己三醇、三羟甲基丙烷、甲氧乙醇中的至少一种。
24.权利要求15所述的传热系统，其中所述离子交换树脂中的着色剂与所述经着色的传热流体中的非导电性着色剂相同。
25.权利要求24所述的传热系统，其中所述着色剂基本上没有由于在水性醇溶液中的水解作用而形成离子物质的官能团。
26.权利要求25所述的传热系统，其中所述着色剂基本上没有选自以下组的官能团：带正电的基团、或者带负电的基团。
27.权利要求25所述的传热系统，其中所述着色剂基本上没有选自以下组的官能团：羧酸根基、磺酸根基、膦酸根基、和季胺。
28.权利要求24所述的传热系统，其中所述着色剂包括以下发色团中的至少一种：蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、含偶氮的化合物、含双偶氮的化合物、含三偶氮的化合物、含重氮的化合物、氧杂蒽、吖啶、茚、酞菁、氮杂轮烯、亚硝基、硝基、次甲基、吲达胺、吖嗪、噁嗪、噻嗪、喹啉、靛蓝、靛酚、内酯、氨基酮、羟基酮、茋、噻唑。
29.权利要求24所述的传热系统，其中所述着色剂包括以下发色团中的至少一种：二芳基甲烷、三芳基甲烷。
30.权利要求24所述的传热系统，其中所述着色剂包括以下发色团中的至少一种：一个或多个共轭芳基、一个或多个共轭杂环基。
31.权利要求24所述的传热系统，其中所述着色剂包括以下发色团：一个或多个共轭C-C双键。
32.权利要求28所述的传热系统，其中所述着色剂包括发色团与包含1到30个碳原子的非导电性烷氧基化合物的反应产物。
33.权利要求32所述的传热系统，其中所述着色剂包括选自以下组的至少一个发色团的反应产物：蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、含偶氮的化合物、含双偶氮的化合物、含三偶氮的化合物、含重氮的化合物。
34.权利要求24所述的传热系统，其中所述着色剂的通式如下：
R{Ak[(B)nR1]m}x
其中
R是选自以下组的有机发色团：蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、含偶氮的化合物、含双偶氮的化合物、含三偶氮的化合物、含重氮的化合物、氧杂蒽、吖啶、茚、酞菁、氮杂轮烯、亚硝基、硝基、次甲基、吲达胺、吖嗪、噁嗪、噻嗪、喹啉、靛蓝、靛酚、内酯、氨基酮、羟基酮、茋、噻唑、或其组合；
A是在所述发色团中的连接部分，选自O、N或S；
k为0或1；
B选自以下物质构成的组：含有1到8个碳原子的一种或多种亚烷基氧基或烷氧基；
n是1到100的整数；
m是1或2；
x是1到5的整数；和
R1选自以下物质构成的组：H、含1到8个碳原子的C1-C6烷基或烷氧基、或其组合。
35.权利要求24所述的传热系统，其中所述着色剂的通式如下：
R{Ak[(B)nR1]m}x
其中
R是选自以下组的有机发色团：二芳基甲烷、三芳基甲烷、或其组合；
A是在所述发色团中的连接部分，选自O、N或S；
k为0或1；
B选自以下物质构成的组：含有1到8个碳原子的一种或多种亚烷基氧基或烷氧基；
n是1到100的整数；
m是1或2；
x是1到5的整数；和
R1选自以下物质构成的组：H、含1到8个碳原子的C1-C6烷基或烷氧基、或其组合。
36.权利要求24所述的传热系统，其中所述着色剂的通式如下：
R{Ak[(B)nR1]m}x
其中
R是选自以下组的有机发色团：一个或多个共轭芳基、一个或多个共轭杂环基、或其组合；
A是在所述发色团中的连接部分，选自O、N或S；
k为0或1；
B选自以下物质构成的组：含有1到8个碳原子的一种或多种亚烷基氧基或烷氧基；
n是1到100的整数；
m是1或2；
x是1到5的整数；和
R1选自以下物质构成的组：H、含1到8个碳原子的C1-C6烷基或烷氧基、或其组合。
37.权利要求24所述的传热系统，其中所述着色剂的通式如下：
R{Ak[(B)nR1]m}x
其中
R是选自以下的有机发色团：一个或多个共轭C-C双键的有机发色团；
A是在所述发色团中的连接部分，选自O、N或S；
k为0或1；
B选自以下物质构成的组：含有1到8个碳原子的一种或多种亚烷基氧基或烷氧基；
n是1到100的整数；
m是1或2；
x是1到5的整数；和
R1选自以下物质构成的组：H、含1到8个碳原子的C1-C6烷基或烷氧基、或其组合。
38.一种燃料电池系统，包括：
至少一个燃料电池，其包括阳极、阴极和电解质；以及
与所述至少一个燃料电池热交换的燃料电池传热系统，包括
循环回路，其限定了导电性小于10μS/cm的经着色的液体传热流体的流动路径，以及
设置在所述流动路径中的根据权利要求1的离子交换树脂，所述离子交换树脂包含离子可交换基团，其中所述离子可交换基团如权利要求1所述。
39.一种保持经着色的传热流体的导电性低于10μS/cm的方法，包括：
使经着色的传热流体流过传热系统，
其中所述经着色的传热流体的导电性小于10μS/cm，并且所述传热系统包括：
循环回路，其限定了所述经着色的传热流体的流动路径，以及
设置在所述流动路径中的根据权利要求1的离子交换树脂，以可交换基团的总数计，所述离子交换树脂包含以总数计至少15％的包括着色剂的可交换基团。
40.权利要求39的方法，其中所述经着色的传热流体具有人眼可见的颜色。
41.一种制备经着色剂处理的离子交换树脂的方法，包括：
使根据权利要求1的离子交换树脂与水性着色剂溶液接触一段时间，所述时间足以使所述交换基团的至少15％与着色剂发生交换。
42.一种通过可替代性能源驱动的组件，包括：
替代性能源，以及
与所述替代性能源热交换的传热系统，所述传热系统包括：
循环回路，其限定了导电性小于200μS/cm的传热流体的流动路径，以及
设置在所述流动路径中的根据权利要求1的离子交换树脂，所述离子交换树脂包含离子可交换基团，其中总离子可交换基团的至少15％包括来自在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的着色剂的离子，路易斯酸，或者路易斯碱中的至少一种，以可交换基团的总数计。
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