CN101124290A - 非导电性经着色的传热流体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种经着色的传热流体，该传热流体包括非导电性着色剂并且具有小于200μS/cm的导电性。还提供了一种组件，包括替代性能源和与所述替代性能源热交换的传热系统，所述传热系统包括所公开的低导电性经着色的传热流体。此外，公开了一种制备经着色的传热流体的方法，其中将所公开的非导电性着色剂加入导电性小于200μS/cm的传热流体中。

Description

非导电性经着色的传热流体
[0001]本申请要求2004年9月8日递交的美国临时申请S.N.60/607968的权益。
发明领域
[0002]本发明涉及传热流体，尤其是用于燃料电池组件的经着色的传热流体，更具体来说涉及用于燃料电池组件并且具有非常低导电性的经着色的传热流体。
发明背景
[0003]与能源热交换的传热系统已被用来调控能源操作过程中产生的热量。例如，机动车已采用传热流体和冷却系统，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，传热流体和冷却系统可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以其组合使用，例如在混合动力车辆(hybridvehicle)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有所改善，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，传统的现有技术冷却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中。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，而燃料电池的组分不会发生降解。因而有必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，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]例如，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包含一些金属组分。与替代性能源一起使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经着色的传热流体，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]最后，传热流体，如用于机动车发动机的传热流体或防冻剂几乎总要通过添加染料来着色，以提供可识别性并防止不同传热流体技术之间以及与机动车中使用的其它功能性流体之间发生混淆。这种着色过程还用以提供关于传热流体的浓度的信息，并且使得传热流体在冷却系统中使用时和使用后可以识别。
[0020]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(phenylsulfonato))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。
[0021]因此，仍然需要经过着色但仍具有非常低的导电性的传热流体，其适合与替代性能源如燃料电池一起使用。
发明概述
[0022]本发明公开了一种经着色的传热流体，该传热流体包括非导电性着色剂并且具有小于200μS/cm的导电性。
[0023]此外，提供了一种将用在燃料电池组件中的传热流体进行着色的方法。所公开的方法包括向传热流体添加非导电性着色剂，以提供导电性小于10μS/cm的经着色的传热流体。
[0024]还公开了一种传热系统，包括循环回路，其限定了经着色的传热流体的流动路径，所述传热流体的导电性小于200μS/cm并含有所公开的非导电性着色剂。
[0025]最后，公开了一种由替代性能源驱动的组件，该组件包括替代性能源和与所述替代性能源进行热交换的传热系统，所述传热系统包括限定液体流动路径的循环回路，以及所公开的与所述替代性能源进行热交换的经着色的传热流体，所述传热流体的导电性小于200μS/cm。在一种实施方式中，所述替代性能源包括含有电极组件的燃料电池，该电极组件包括阳极、阴极以及电解质。
附图简要说明
[0026]图1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
[0027]所公开的用于包含替代性能源的组件，尤其是燃料电池中的经着色的传热流体的特征在于具有非常低的导电性。
[0028]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/或耗散到第二点的流体。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。
[0029]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。
[0030]在另一种实施方式中，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。
[0031]所公开的经着色的传热流体电导率可以利用ASTM D1125，即“水的导电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。
[0032]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，其腐蚀速率有所降低。
[0033]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。
[0034]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。
[0035]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可以主要由一种或多种醇类和腐蚀抑制剂组成的浓缩液形式用于购买、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。
[0036]在一种实施方式中，所公开的经着色的传热流体中使用的非导电性着色剂是非离子型的或者弱离子型的，在向传热流体提供着色所需的着色剂使用浓度下其可溶解或分散于至少一种醇或醇水混合物中。
[0037]这里使用的术语“非导电性”指当引入去离子水的标准溶液中时，形成的导电性增量小于约10μS/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。在一种示例实施方式中，合适的非导电性着色剂在燃料电池的工作条件下，即大约40℃到大约100℃的典型温度下，在醇水混合物中具有良好的稳定性。
[0038]在一种实施方式中，非导电性着色剂基本上没有由于在醇或二醇水溶液中的水解作用而会形成离子物质的官能团。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10μS/cm的量。在另一个实施方式中，非导电性着色剂基本上没有选自以下物质的官能团：羧酸根基团、磺酸根基团、膦酸根基团、季氨盐阳离子基团、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+R3，此处R可以独立地为H、C1到C20烷基或含芳环的基团、Fe3+，其组合等等。带负电基团的说明性实例包括Cl-、Br-、I-、其组合等等。
[0039]在一种实施方式中，非导电性着色剂包括至少一种以下发色团：蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、三芳基甲烷、二芳基甲烷、含偶氮化合物、含双偶氮化合物、含三偶氮化合物、含重氮化合物、氧杂蒽、吖啶、茚、噻唑，两个或多个共轭芳基、两个或更多个共轭杂环基(例如，茋，和/或吡唑啉，和/或香豆素(coumarine)型基团或其混合物)、三个或更多个共轭碳碳双键(例如胡萝卜素)，和其组合。在一种示例性实施方式中，所述发色团包括一种下述物质或其组合：三苯甲烷、二苯甲烷、三芳基甲烷、二芳基甲烷、含偶氮基团。
[0040]在另一种实施方式中，非导电性着色剂包括亚烷基氧基或烷氧基化合物与至少一种如上所述的发色团。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、三芳基甲烷、二芳基甲烷、含偶氮化合物、含双偶氮化合物、含三偶氮化合物、含重氮化合物，两个或多个共轭芳基，两个或多个共轭杂环基，以及其组合。
[0041]或者，合适的非导电性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、三芳基甲烷、二芳基甲烷、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、氧杂蒽、吖啶、茚、噻唑，两个或多个共轭芳基、两个或多个共轭杂环基、以及其组合；A是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、以及其组合。
[0042]在一个示例性实施方式中，合适的非导电性着色剂是具有上述通式的那些着色剂，其中A是N或O；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。
[0043]在一个示例性实施方式中，非导电性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或者授予Milliken&Company，Spartanburg，SC，USA的其它专利中所记载。例如，合适的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，其制备可以这样实现：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相偶合。为了制备三芳基甲烷类的液体着色剂，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合并将得到的缩合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。
[0044]在一种实施方式中，如果采用了纯化方法，则可以使用含离子物质的着色剂。示例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以便获得非电导性并适用于本发明的纯化着色剂的类似方法。
[0045]在一个实施方式中，在所公开的经着色的传热流体及方法中使用的、市场上可买到的合适的非导电性着色剂实例包括Liquitint红或者其它来自Milliken Chemical of Spartanburg，SC，USA的类似聚合物着色剂，或者来自Chromatech of Canton，MI，USA的着色剂。其它示例性着色剂包括如下物质：Liquitint红ST，Liquitint蓝RE，Liquitint红XC，Liquitint专利(patent)蓝，Liquitint亮黄，Liquitint亮橙，Liquitint品蓝，Liquitint蓝N-6，Liquitint亮蓝，Liquitint超(supra)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。
[0046]在一个示例实施方式中，非导电性着色剂是来自Milliken的Liquitint红ST和Liquitint专利蓝，来自Chromatech的Liquitint红XC，来自Milliken的Liquitint红，来自Chromatech的Chromatint黄1382或者来自Chromatech的Liquitint蓝RE中的至少一种，而在特别的示例实施方式中，非导电性着色剂是来自Chromatech的Liquitint蓝RE或者来自Milliken的Liquitint专利蓝。
[0047]在一种实施方式中，所述非导电性着色剂以0.0001％到0.2％重量的量存在于经着色的传热流体中，以经着色的传热流体的总量计。在另一种实施方式中，所述非导电性着色剂以0.0002％到0.1％重量的量存在于传热流体中，以传热流体的总量计，而在另一个示例实施方式中，所述非导电性着色剂的用量在0.0002％到0.05％重量，以经着色的传热流体的总量计。
[0048]用于所公开的传热流体中的适合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、甲氧基乙醇、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。
[0049]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，基于经着色的传热流体的总量计，而在一个示例性实施方式中，所述至少一种醇的用量在20％到99.9％重量，基于经着色的传热流体的总量计。
[0050]如前面所指出，水可存在于所公开的经着色的燃料电池传热流体中。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0-90％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到70％重量，基于经着色的传热流体的总量计。
[0051]例如，传热流体的浓缩版中可以根本不存在水，即0wt％，但在一些浓缩液中可以存在的水含量至多大约50wt％，然而在另一些中至多可达约20wt％，基于浓缩液的总重量计。至于稀释的传热流体，可以存在20wt％到90％wt量的水，基于总重量计。
[0052]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。
[0053]在一种示例实施方式中，所述腐蚀抑制剂包括含有唑化合物以及硅氧烷基表面活性剂、硅石、或其组合中的至少一种的腐蚀抑制剂。
[0054]合适的唑化合物有具有1到4个氮原子的五元杂环化合物。说明性实例包括以下通式(I)、(II)、(III)和(IV)的咪唑、三唑、噻唑以及四唑类，如苯并三唑、甲苯三唑、烷基苯并三唑，如4-甲基苯并三唑、5-甲基苯并三唑和丁基苯并三唑等等，苯并咪唑、卤代苯并三唑，如氯代甲基苯并三唑、四唑、取代的四唑、噻唑，如2-巯基苯并噻唑等等。
[0055]在一种实施方式中，唑化合物为以下通式(I)、(II)、(III)或(IV)：
Figure A20058003783300141
其中R为氢或卤素，如Cl或Br，或C1到C20烷基；R’是氢、C1到C20烷基或SH或SR基中的至少一种；X是N、C-SH或者CH；Y选自N、C-R或CH基，而R定义如上。在一种示例实施方式中，唑化合物是通式(I)，其中X是N。在一个特别的示例实施方式中，唑化合物是通式(I)，其中X是N，R是氢或1到少于10个碳原子的烷基。
[0056]这里所使用的术语“烷基”包括支链和直链的饱和脂肪族烃基，其具有特定数目的碳原子。这里使用的术语C1-C7烷基指具有1到约7个碳原子的烷基。这里当将C0-Cn烷基与其它基团结合使用时，例如杂环烷基(C0-C2烷基)，所示基团，在这种情况下为杂环烷基，或者通过单个共价键(C0)直接连接，或者通过具有特定数目碳原子，在这种情况下为1到约2个碳原子，的烷基链连接。烷基实例包括但不限于，甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、3-甲基丁基、叔丁基、正戊基、和仲戊基。
[0057]合适的唑化合物的说明性实例包括，苯并三唑、甲苯三唑、甲基苯并三唑，即4-甲基苯并三唑、和5-甲基苯并三唑、丁基苯并三唑、巯基苯并噻唑、苯并咪唑、卤代苯并三唑，如氯代甲基苯并三唑等等。在一种实施方式中，所述唑化合物是苯并三唑、甲苯三唑或巯基苯并噻唑中的一种，而在一个示例实施方式中，所述唑化合物为苯并三唑。
[0058]在一种实施方式中，可存在于腐蚀抑制传热流体中的所述唑化合物含量在1ppm到大约5000ppm，而在一个示例实施方式中，所述唑化合物的含量在10ppm到大约500ppm，基于传热流体的总重量计。
[0059]除了唑化合物之外，所公开的用于低导电性传热流体的腐蚀抑制剂需要硅氧烷基表面活性剂、胶态硅石或其混合物中的至少一种。
[0060]这里使用的硅氧烷基表面活性剂通常指聚硅氧烷类和具有至少一个硅-碳键的有机硅烷化合物。
[0061]在一种实施方式中，合适的聚硅氧烷类通常是那些据信具有通式R”3-Si-[O Si(R”)2]x-OsiR”3的聚硅氧烷类，其中R”-是1到200个碳原子的烷基或聚亚烷基氧化物的共聚物，x可以为0到100。在一种示例实施方式中，合适的聚硅氧烷具有至少一个亲水性R”-基团，例如具有2到6个碳原子，特别是2到4个碳原子的一种或多种亚烷基氧化物的聚亚烷基氧化物共聚物。
[0062]本领域技术人员应当明白，市场上可买到的结构未知的或者在该通式范围之外的聚硅氧烷类也可能适用于所公开的腐蚀抑制剂和燃料电池传热流体中。
[0063]例如，在一种实施方式中，适当的聚硅氧烷类可以定义成市场上可买到的合适聚硅氧烷类似物，例如GE Silicones/OSiSpecialities的Silwet硅氧烷表面活性剂，以及来自Dow Corning或其他供应商的其它类似硅氧烷-聚醚共聚物。在一种示例实施方式中，合适的硅氧烷基表面活性剂例如SilwetL-77、SilwetL-7657、SilwetL-7650、SilwetL-7600、SilwetL-7200、SilwetL-7210等等。
[0064]合适的有机硅烷化合物有那些包括至少一个硅-碳键的硅烷化合物，其在存在水的情况下能够水解形成硅烷醇，即具有一个或多个Si-OH基的化合物。在一种实施方式中，合适的有机硅烷化合物有具有通式ZSi(OZ)3的那些，其中Z基团可以为芳基、环脂基、烷基、烷氧基或亚烷基，并可以包含杂原子如N、S等等，以官能团的形式，如氨基、环氧基等等。在一种实施方式中，合适的有机硅烷化合物具有通式Z’Si(OZ)3，其中Z’可以为芳基、脂环基、烷基、烷氧基或亚烷基中的至少一种，并且可以包含杂原子如N、S等等，以官能团的形式，如氨基、环氧基等等，而Z为1到5个碳原子的烷基。
[0065]本领域技术人员还应明白，市场上可买到的结构未知的或者在该通式范围之外的有机硅烷类也可能适用于所公开的腐蚀抑制剂和燃料电池传热流体。
[0066]例如，在一种实施方式中，合适的有机硅烷类可以定义成市场上可买到的合适有机硅烷类似物，例如来自GE Silicones/OSiSpecialities或其他供应商的Silquest或Formasil表面活性剂。在一种示例实施方式中，合适的硅氧烷基表面活性剂例如Formasil891、Formasil 593、formasil 433、Silquest Y-5560硅烷(即聚氧化亚烷基烷氧基硅烷)、Silquest A-186(2-(3，4-环氧基环己基)乙基三甲氧基硅烷)、Silquest A-187(3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷)、或来自GE Silicones，OSi Specialities或其他供应商的其它Silquest硅烷类等等。
[0067]据信可从市场上买到，并且作为合适的硅氧烷基表面活性剂的说明性实例的其它合适的有机硅烷类包括3-氨基丙基三乙氧基硅烷、N-2-(氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基三甲氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、以及其它具有类似结构但碳原子数不同的这种硅氧烷基表面活性剂。
[0068]在一种实施方式中，所述硅氧烷基表面活性剂存在于腐蚀抑制传热流体中的量可以为0.01wt％到大约10wt％，基于传热流体的总重量计，而在一个示例实施方式中，所述硅氧烷基表面活性剂存在于腐蚀抑制传热流体中的量可以为0.02wt％到大约2wt％，基于传热流体的总重量计。
[0069]除了或者代替硅氧烷基表面活性剂，所述腐蚀抑制传热流体还可以包括硅石。术语“硅石”或“胶态硅石”可以互换使用，指胶态硅石或纳米形式硅石中的任何一种，或其组合。尽管不希望受任何特定理论的束缚，但据信使用具有特殊平均颗粒尺寸的硅石可以提高燃料电池传热流体的传热效率和/或热容。
[0070]在一种实施方式中，合适的胶态硅石具有大约1nm到大约200nm的标称颗粒尺寸。在一个示例实施方式中，合适的胶态硅石具有大约1nm到大约100nm的平均颗粒尺寸，而在一个特别的示例实施方式中，合适的胶态硅石具有1nm到大约40nm的平均颗粒尺寸。
[0071]具有合适颗粒尺寸的合适胶态硅石可以在市场上买到，DuPont或Grace Davidson的Ludox牌，Akzo Nobel或Eka Chemicals的Nyacol或Bindzil牌，Nissan Chemical的Snowtex牌。合适硅石的其他供应商包括Nalco等等。
[0072]在一种实施方式中，胶态硅石用在腐蚀抑制传热流体中的量不大于10000ppm，而在一个示例实施方式中，所述胶态硅石的用量小于2000ppm。
[0073]应当明白的是，腐蚀抑制传热流体的腐蚀抑制剂还可以包括硅氧烷基表面活性剂和胶态硅石的组合。
[0074]在一种实施方式中，一种或多种腐蚀抑制剂存在于传热流体中，其含量在0.0％到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，一种或多种腐蚀抑制剂存在于传热流体中，其含量在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％到2％重量，基于经着色的传热流体的总量计。
[0075]所公开的经着色的传热流体还可包括一种或多种其它的添加剂，例如消泡剂、表面活性剂、防垢剂、分散剂、润湿剂、苦味剂等等，其含量至多10％重量，基于经着色的传热流体的总量计。
[0076]在一种实施方式中，所公开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％到10％重量的其它传热流体添加剂，基于该传热流体的总量计。
[0077]在另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，0.1-80％重量的水，0到5％重量的一种或多种腐蚀抑制剂，以及0.0001到0.1％重量的非导电性着色剂，以及含量在0.0到0.1％重量的任选的消泡剂，基于该传热流体的总量计。
[0078]所公开的经着色的传热流体可以通过将成份混和在一起制备。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。
[0079]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、废物生成和管理问题、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，该装置与清洁的传热系统一起运行，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替代性能源。
[0080]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。所述组件还包括需要恰当利用替代性能源的其它系统或装置，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/DC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。
[0081]特别适用的是那些需要低导电性传热流体的传热系统的应用。说明性实例包括玻璃和金属的制造方法，其中在使用的电极上施加高电压/电流，以保持材料，如玻璃或钢处于熔融态。这种过程通常需要具有低导电性的传热流体来冷却电极。
[0082]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的经着色的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，包含所公开的非导电性着色剂的经着色的传热流体的流动路径。
[0083]所公开的组件的说明实例可以参见图1。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(balance of plant)”子系统6。这些可以是空气压缩机、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。
[0084]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进行热交换，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，所公开的经着色的传热流体的电导率在0.05到不大于5μS/cm。
[0085]所公开的腐蚀抑制传热流体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进行热交换的传热流体，所述电极组件包括阳极、阴极和电解质。在一种实施方式中，传热流体可以被包含在或流动于由循环回路限定的通道或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。
[0086]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。
[0087]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指示上下文的含义(例如，包括与测量特定量有关的误差程度)。
[0088]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
[0089]表1a测算了导电性作为室温下去离子水中着色剂浓度的函数。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。采用Control Company，Friendswood，TX，USA的Traceble台式导电率仪测定导电性。
表1a.
  着色剂名称   着色剂在溶液中的浓度(mg/L)  溶液导电性(μS/cm)
  Uranine1   空白2050100  0.303.368.2716.67
  Liguitint红ST   空白2050100  0.270.450.580.65
  Liguitint亮黄   空白2050100  0.281.974.358.36
  Liguitint专利蓝   空白2050100  0.301.793.957.41
  Liguitint亮橙   空白2050100  0.281.112.234.05
  酸性红52   空白2050100  0.255.9813.4133.9
1可从Danbury，CT的Honeywell-CPG购买到。
[0090]可以看出两种常规使用的防冻染料，即Uranine染料和酸性红52在相等浓度下比测算的Liguitint染料具有更高的导电性。
[0091]表1b还测算了室温下一系列在50wt％乙二醇+50％DI水溶液中的50ppm着色剂的导电性。
表1b.
  着色剂   浓度(mg/L)   导电性(μS/cm)
  Chromatint黄1382   50   0.91
  L85000Liguitint专利蓝   50   1.61
  Liguitint蓝RE   50   0.53
  Liguitint红XC   50   0.45
  酸性红52   50   6.3
  空白溶液   0   0.43
[0092]可以看出一种通常使用的防冻染料，酸性红52在相同浓度下具有比测算的Liguitint和Chromatint染料高得多的导电性。
实施例2
[0093]还发现Liguitint红染料在80℃的50％乙二醇+50％去离子水溶液(都是体积％)中很稳定。通过将20ppm的Liguitint红溶解在50％乙二醇+50％去离子水溶液(V/V)中进行测试。用两个干净的烧杯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(空白和加热前，80℃：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
[0094]测算该非导电性着色剂和染料对燃料电池冷却系统中金属的腐蚀性的效果。
[0095]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个硅垫圈，4个氟橡胶O形环。总表面积大约392平方厘米。将300ml50％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 Liguitint红ST。
[0096]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
  时间   具有20ppmLiguitint红ST的溶液的导电性(μS/cm)   没有染料的溶液导电性(μS/cm)
  0分   0.50   0.49
  20分   0.50   0.50
  40分   0.51   0.49
  100分   0.54   0.52
  16小时   0.83   0.71
[0097]可观察到导电性几乎没有差别，表明20ppm Liguitint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/水溶液混合物的Liguitint红ST染料不会增强可能存在于燃料电池冷却系统中的金属的腐蚀性。
实施例
[0098]进行分析确定用于所公开的传热流体中的最优选发色团。下表中的结果表明三芳基甲烷和三苯甲烷具有预期的结果。
[0099]前述实施例提供的测试结果表明全部来自Canton，MI的Chromatech Inc.的Liguitint蓝RE、L83002Liguitint红XC、M91045Chromatint黄1382，以及来自Milliken的Liguitint红ST可以用作用于燃料电池中的传热流体染料，因为它们是基本上非导电性的聚合物着色剂。利用FTIR、GC-MS，测定着色剂中的发色团类型如下：Liguitint蓝RE-三芳基甲烷；Liguitint红ST-苯并噻唑；Liguitint专利蓝-三芳基甲烷，可能是三苯甲烷；Liguitint红XC-可能是苯并噻唑；Liguitint亮黄-可能是苯胺次甲基；Liguitint亮橙-混合物，可能包括三芳基甲烷；Chromatint黄1382——混合物，可能是三芳基甲烷。
  着色剂ID   着色剂发色团   FT-IR结果   GC-MS结果
  Liguitint蓝RE   三芳基甲烷   类似于三芳基甲烷染料   没有检测到挥发物
  Liguitint红ST   苯并噻唑   光谱分析表明为胺   4-甲基-2-苯并噻唑和6-甲基-2-苯并噻唑
  Liguitint专利蓝   三芳基甲烷，可能是三苯基甲烷   与偶氮或其它染料类型不符，IR光谱与Liguitint蓝RE匹配   各种环氧乙烷化合物，没有检测到胺
  Liguitint红XC   可能是苯并噻唑   不能推出，可能存在胺   检测到4-甲基-2-苯并噻唑胺和二乙二醇
  Liguitint亮黄   可能是苯胺次甲基   不能推出，可能存在胺   检测到苯胺和1，4-苯二胺
  Liguitint亮橙   混合物，可能包括三芳基甲烷   不能推出，与偶氮、双偶氮、酒石黄、二芳基化物、蒽醌、嗪或硫类型不符   检测到4-甲基-2-苯并噻唑胺和二乙二醇
  Chromatint黄1382   混合物，可能是三芳基甲烷   不能推出，二乙二醇掩盖了发色团信息   二乙二醇，各种环氧乙烷化合物

Claims (17)

1.一种经着色的传热流体，该传热流体包括非导电性着色剂并且具有不超过或等于200μS/cm的导电性。
2.权利要求1所述的经着色的传热流体，其导电性小于10μS/cm。
3.权利要求2所述的经着色的传热流体，其导电性在0.02到5μS/cm。
4.权利要求1所述的经着色的传热流体，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。
5.权利要求1所述的经着色的传热流体，进一步包括以下的至少一种醇：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、甲氧基乙醇、或其组合。
6.权利要求1所述的经着色的传热流体，其中所述非导电性着色剂基本上没有由于在醇的水溶液中的水解作用而形成离子物质的官能团。
7.权利要求6所述的经着色的传热流体，其中所述非导电性着色剂基本上没有选自以下的官能团：羧酸根基团、磺酸根基团、膦酸根基团、季胺、带正电的基团、以及带负电的基团。
8.权利要求1所述的经着色的传热流体，其中所述非导电性着色剂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、噻唑，两个或多个共轭芳基、两个或多个共轭杂环基、两个或多个共轭C-C双键，或其组合。
9.权利要求8所述的经着色的传热流体，其中所述非导电性着色剂包括发色团和至少一种非导电性醇或一种包括1到30个碳的聚(氧基亚烷基)侧链。
10.权利要求8所述的经着色的传热流体，其中所述发色团是以下的至少一种：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、含重氮的化合物或其组合。
11.权利要求1所述的经着色的传热流体，其中所述非导电性着色剂通式为：
R{Ak[(B)nR1]m}x
其中R是选自以下的有机发色团：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、噻唑，两个或多个共轭芳基、两个或多个共轭杂环基、以及其组合；A是所述发色团中的连接部分，且为O、N或S的至少一种；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；k为0或1；n是1到100的整数；m是1或2；x是1到5的整数；R1是H、C1-C6烷基、含1到8个碳原子的烷氧基、或其组合。
12.权利要求5所述的经着色的传热流体，进一步包含水。
13.权利要求1所述的经着色的传热流体，进一步含有至少一种选自消泡剂、苦味剂、分散剂及其组合的添加剂。
14.一种传热系统，包括
循环回路，其限定了导电性小于200μS/cm的经着色的液体传热流体的流动路径。
15.一种对低导电性传热流体着色的方法，包括
向传热流体添加非导电性着色剂，以提供导电性小于10μS/cm经着色的传热流体。
16.一种由替代性能源驱动的组件，包括
替代性能源，和
与所述替代性能源热交换的传热系统，所述传热系统包括
限定液体流动路径的循环回路，以及
与所述替代性能源热交换的腐蚀抑制传热流体，所述经着色的传热流体的导电性小于200μS/cm，并包括
非导电性着色剂。
17.权利要求16所述的组件，其中所述替代性能源包括燃料电池，其包括
电极组件，所述电极组件包括
阳极，
阴极，和
电解质。
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