DE102004060344A1

DE102004060344A1 - Dielektrisches Brennstoffzellenkühlmittel und Verdunstungskühlprozess unter Verwendung desselben

Info

Publication number: DE102004060344A1
Application number: DE102004060344A
Authority: DE
Inventors: Richard H. Macomb Blunk; Mahmoud H. Grosse Pointe Woods Abd Elhamid; Daniel John Eastpointe Lisi; Youssef M. Sterling Heights Mikhail
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-12-16
Also published as: US20050130004A1; DE102004060344B4; JP4272143B2; US7452617B2; JP2005206805A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein dielektrisches Kühlmittel für Brennstoffzellen wie auch einen Verdunstungskühlprozess unter Verwendung desselben. Das Kühlmittel umfasst eine Emulsion, die eine polare innere Phase und eine äußere Kohlenwasserstoffphase definiert. Die polare innere Phase umfasst eine azeotrope Mischung, die eine oder mehrere polare Verbindungen umfasst, die aus Wasser, Alkohol oder deren Kombinationen gebildet sind. Die Brennstoffzelle ist derart ausgebildet, dass die Brennstoffzelle mit Sauerstoff reagiert, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, und umfasst eine elektrochemische Zelle für katalytische Reaktion, die derart ausgebildet ist, dass sie einen Brennstoffströmungspfad, einen Sauerstoffströmungspfad und einen Kühlmittelströmungspfad umfasst, der fluidmäßig von den Brennnstoff- und Sauerstoffströmungspfaden entkoppelt ist und der einen Kühlmittelisolierverteiler definiert, der das oben beschriebene dielektrische Kühlfluid enthält. Das Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle umfasst unter anderem ein Verdunsten der polaren inneren Phase der dielektrischen Kühlfluidemulsion in dem Kühlmittelisolierverteiler.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellen und insbesondere ein dielektrisches Brennstoffzellenkühlmittel wie auch einen Verdunstungskühlprozess unter Verwendung desselben.
Brennstoffzellen verwenden eine Wasserstoffoxidation und Sauerstoffreduktion, um elektrische Energie zu erzeugen. Das Nebenprodukt dieser katalytischen Reaktionen ist Wasser. Obwohl Brennstoffzellen chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln und dadurch thermodynamisch effizienter als Verbrennungsmotoren sind, sind immer noch Irreversibilitäten vorhanden, die durch große kathodische Überspannungen wie auch einen begrenzten Elektronen- bzw. Ionenwiderstand bewirkt werden.
Thermodynamisch gesehen sollte die Oxidation von Wasserstoff-Brennstoff an einer Anode und die Reduktion von Sauerstoff von einer Kathode, wobei sowohl die Anode als auch die Kathode in einer Brennstoffzelle angeordnet sind, ein Zellenpotential von etwa 1,23 V ergeben. Jedoch beträgt der tatsächlich gemessene Wert typischerweise etwa 1 V. Diese Differenz der Zellenspannung ist hauptsächlich auf die langsame Kinetik der Kathode zurückzuführen, die sich in einem Verlust an Zellenspannung von nahezu 200 mV beläuft. Das Ergebnis dieses Verlustes der Zellenspannung äußert sich in überschüssiger Wärme in der Brennstoff zelle. Die Entfernung derartiger überschüssiger Wärme ist wesentlich, um eine thermische Schädigung zu verringern wie auch die Nutzlebensdauer von Brennstoffzellenkomponenten zu steigern.

Da mehrere Brennstoffzellen in einem Stapel bzw. "Stack" angeordnet sind, um die elektrische Abgabe zu erhöhen, wird die Wärmeerzeugung deutlich hoch. Folglich wird, um die überschüssige Wärme zu entfernen, ein Kühlmittel verwendet, das eine hohe Wärmekapazität (Cp) und eine niedrige Viskosität besitzt und physikalisch bei einer Temperatur zwischen etwa –40°C und etwa 140°C stabil ist. Je höher die Cp ist, um so geringer ist die Kühlmittelströmungsrate, die erforderlich ist, um die Wärme zu entziehen und gleichzeitig eine gleichförmige Stapeltemperatur beizubehalten, die für eine effektive Befeuchtung erforderlich ist. Diese geringe Kühlmittelströmungsrate zusammen mit der niedrigen Viskosität hat geringe parasitäre Verluste beim Pumpen zur Folge. Wässrige Kühlmittel, die bei herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor verwendet werden, fallen in diesen Bereich und umfassen typischerweise eine Mischung aus Ethylenglykol und Wasser. Jedoch erfordert die Konstruktion heutiger Brennstoffzellenstapel vom Standpunkt der elektrochemischen Stabilität her, dass das Kühlmittel nicht leitend (dielektrisch) sein muss. Wenn das Kühlmittel eine deutliche Leitfähigkeit besitzt, führt dies zu einer Vielzahl über leitendes Kühlmittel bewirkter Stapelprobleme, die z. B. umfassen: Nebenschlussströme, die den Brennstoff-Wirkungsgrad verringern, eine Gasentwicklung (O₂ und H₂) an dem Sammelleitungsbereich, was einen erhöhten Druck in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt, wodurch eine Entlüftung nötig wird, Schäden an Stapelkomponenten durch Kühlmittel wie auch Sauerstoff, die z. B. Blasenbildung an der Beschichtung und Beschleunigung von Korrosion umfassen können.

In der Technik ist die Verwendung von Ionentauscherharzen mit deionisiertem Wasser bekannt, um Unreinheiten in dem Kühlmittel zu entfernen und seine niedrige Leitfähigkeit beizubehalten. Jedoch ist die Verwendung von deionisiertem Wasser in Bereichen eingeschränkt, die einem ernsten Winterwetter ausgesetzt sind, bei denen Temperaturen von –40°C erreicht werden können. Bei dieser Temperatur gefriert Wasser und stellt somit kein geeignetes Kühlmittel für den Stapel mehr dar. Überdies erhöhen Ionentauscher die Kosten, müssen regeneriert werden und besitzen eine schlechte thermische Stabilität oberhalb etwa 80°C.

Auch bekannt ist die Verwendung eines reinen dielektrischen Kühlmittels (d.h. Therminol^®-D, das von Solutia Inc., St. Louis, MO erhältlich ist). Da das Fluid rein dielektrisch ist, erlaubt es keinen Stromfluss durch den Sammelleitungsbereich des Stapels. Jedoch machen die hohen Kosten und die geringe Wärmekapazität wie auch die Unverträglichkeit des Kühlmittels mit Dichtungen, die derzeit in Brennstoffzellenstapeln verwendet werden, die Verwendung eines derartigen reinen dielektrischen Kühlmittels unpraktisch.

Demgemäß besteht ein Bedarf nach Verbesserungen hinsichtlich der Technologie flüssiger Kühlmittel für Brennstoffzellenstapel.

Die vorliegende Erfindung löst den oben erwähnten Bedarf, indem ein dielektrisches Kühlfluid, eine Brennstoffzelle, ein System, das einen Brennstoffzellenstapel umfasst, und ein Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle vorgesehen wird, das einen Verdunstungskühlprozess unter Verwendung des dielektrischen Kühlfluids umfasst. Das dielektri sche Kühlfluid umfasst eine Emulsion, die eine polare innere (disperse) Phase definiert, die in einer äußeren bzw. zusammenhängenden Phase aus Kohlenwasserstoff dispergiert ist. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf spezifische Vorteile oder auf eine bestimmte Funktionalität beschränkt ist, sei angemerkt, dass die äußere Kohlenwasserstoffphase, die einen elektrischen Widerstand aufweist, keinen Ionentransport zulässt. Das dielektrische Kühlmittel "isoliert" effektiv Bereiche des Brennstoffzellenstapels mit hohem elektrischen Potential von denjenigen mit niedrigem Potential, wodurch Leistungsverluste, die durch Nebenschlussströme an dem Sammelleitungsbereich des Stapels bewirkt werden, wie auch eine Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung und ein Lösen der Platten verhindert wird. Folglich müssen keine Korrosionshemmer zugesetzt werden, um eine O₂-Schädigung von Brennstoffzellenkomponenten zu hemmen.

Die dispergierte polare innere Phase (beispielsweise azeotrope Wasser/Gefrierschutzmittel-Tröpfchen) erhöhen die Wärmekapazität des dielektrischen Kühlfluids zur effizienteren Entfernung von Abwärme. Demgemäß können die Temperaturen des Brennstoffzellenstapels gleichförmiger beibehalten werden, was zur effektiven Befeuchtung der Membranelektrodenanordnung nützlich ist. Ferner besitzt das vorliegende dielektrische Kühlmittel eine niedrige kinematische Viskosität, die ermöglicht, dass dieses mit höheren Durchflussraten gepumpt werden kann, um Abwärme zu entfernen, ohne dass die parasitäre Pumpleistung merklich zunimmt. Der relativ hohe Siedepunkt des dielektrischen Kühlmittels erlaubt einen Betrieb des Brennstoffzellenstapels und des Kühlmittelkreislaufs bei höheren Temperaturen (~ 140°C), wodurch die Kapazität zum Austrag von Wärme von dem Kühler an die Umgebung gesteigert wird.

Die Fähigkeit der dielektrischen Kühlfluidemulsion zur thermischen Belastung wird weiter durch Verwendung des Kühlprozesses der vorliegenden Erfindung gesteigert, wobei die Tröpfchen der polaren inneren Phase in der Brennstoffzelle verdampft werden. Die hohe gebundene bzw. latente Wärme der Mischung aus Wasser und Gefrierschutzmittel erlaubt eine effiziente Verdunstungskühlung, da nur ein kleiner Prozentsatz der polaren inneren Phase verdunstet bzw. verdampft werden muss, um eine effektive Wärmeentfernung zu ermöglichen. Dies verringert das Auftreten einer "Austrocknung" entlang der Plattenwand, an der die Wärmeübertragung stattfindet. Auch vermeidet die azeotrope Zusammensetzung der polaren inneren Phase eine fraktionierte Destillation wie auch ein Gefrieren von reinem Wasser in der Brennstoffzelle bei niedrigen Temperaturen.

Bei einer Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung ein dielektrisches Kühlfluid vor, das eine Emulsion umfasst. Die Emulsion definiert eine polare innere Phase und eine äußere Kohlenwasserstoffphase. Die polare innere Phase umfasst eine azeotrope Mischung, die eine oder mehrere polare Verbindungen umfasst, die aus Wasser, Alkohol oder deren Kombinationen gewählt sind.

Bei einer anderen Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle vor, die so ausgebildet ist, dass sie Brennstoff mit Sauerstoff reagieren kann, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen. Die Brennstoffzelle umfasst eine elektrochemische Zelle für katalytische Reaktion, die derart ausgebildet ist, dass sie einen Brennstoffströmungspfad, einen Sauerstoffströmungspfad und einen Kühlmittelströmungspfad umfasst, der fluidmäßig von dem Brenn stoffströmungspfad und dem Sauerstoffströmungspfad entkoppelt ist. Der Kühlmittelströmungspfad definiert einen Kühlmittelisolierverieiler, der ein dielektrisches Kühlfluid umfasst. Das dielektrische Kühlfluid umfasst eine Emulsion, wobei die Emulsion eine polare innere Phase und eine äußere Kohlenwasserstoffphase definiert. Die polare innere Phase umfasst eine azeotrope Mischung, die eine oder mehrere polare Verbindungen umfasst, die aus Wasser, Alkohol oder deren Kombinationen gewählt sind.

Bei einer noch weiteren Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle vor, umfassend, dass:

a) eine Brennstoffzelle vorgesehen wird, die Brennstoff mit Sauerstoff reagieren kann, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, das Abwärme sein kann;
b) die Brennstoffzelle derart ausgebildet wird, dass sie eine elektrochemische Zelle für katalytische Reaktion umfasst, die einen Brennstoffströmungspfad, einen Sauerstoffströmungspfad und einen Kühlmittelströmungspfad umfasst, der fluidmäßig von dem Brennstoffströmungspfad und dem Sauerstoffströmungspfad entkoppelt ist;
c) der Kühlmittelströmungspfad derart ausgebildet wird, dass ein Kühlmittelisolierverteiler definiert wird, der einen Einlass, einen Auslass und ein dielektrisches Kühlfluid enthält, das eine Emulsion umfasst, wobei die Emulsion eine polare innere Phase und eine äußere Kohlenwasserstoffphase definiert, wobei die polare innere Phase eine azeotrope Mischung umfasst, die eine oder mehrere polare Verbindungen enthält, die aus Wasser, Alkohol oder deren Kombinationen gewählt sind;
d) eine Umwälzanordnung vorgesehen wird, die einen Umwälzströmungspfad, eine Pumpe und einen Kühler umfasst, und die Umwälzanordnung derart ausgebildet wird, dass der Umwälzströmungspfad den Einlass und Auslass des Kühlmittelisolierverteilers fluidmäßig verbindet;
e) die polare innere Phase in dem Kühlmittelisolierverteiler verdunstet wird, wodurch die latente Wärme der polaren inneren Phase die Abwärme von der Brennstoffzelle abzieht, wobei ein erhitzter Dampf erzeugt wird;
f) der erhitzte Dampf von dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers an den Kühler über den Umwälzströmungspfad umgewälzt wird, wodurch der erhitzte Dampf gekühlt und kondensiert wird, um eine kondensierte Flüssigkeit zu bilden; und
g) die kondensierte Flüssigkeit in das dielektrische Kühlfluid rückemulgiert wird und das dielektrische Kühlfluid an den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers rückgeführt wird.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend detaillierter unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es sei angemerkt, dass der Schutzumfang der Ansprüche durch seinen Wortlaut und nicht durch die spezifische Beschreibung von Merkmalen und Vorteilen in der vorliegenden Beschreibung definiert ist.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Anordnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und wobei:
1 eine schematische Darstellung der dielektrischen Kühlfluidemulsion der vorliegenden Erfindung ist, die eine polare innere Phase zeigt, die in einer äußeren Kohlenwasserstoffphase dispergiert ist;
2 eine schematische Darstellung eines Systems zeigt, das einen Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
3 eine schematische Darstellung eines Systems ist, das ferner eine Fahrzeugkarosserie der vorliegenden Erfindung umfasst; und
4 ein Ausdruck des Prozentsatzes der polaren inneren Phase ist, der verdampft wird, um eine Kühlung einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zu bewirken.
Für Fachleute ist offensichtlich, dass die Elemente in den Figuren nur beispielhaft dargestellt und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet worden sind. Beispielsweise können die Abmessungen einiger der Elemente in den Figuren bezüglich anderer Elemente übertrieben dargestellt sein, um ein Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu unterstützen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein dielektrisches Kühlfluid, das eine Emulsion umfasst, vorgesehen, wobei die Emulsion eine polare innere Phase und eine äußere Kohlenwasserstoffphase umfasst. Die polare innere Phase umfasst eine azeotrope Mischung mit einer oder mehreren polaren Verbindungen, die aus Wasser, Alkohol oder deren Kombinationen gewählt sind. Insbesondere kann die azeotrope Mischung Wasser und einen oder mehrere Alkohole umfassen, so dass die Mischung eine Wasserkomponente und eine Gefrierschutzkomponente umfasst. Überdies kann die azeotrope Mischung ferner ein nicht wässriges Kühlmittel umfassen, das einen oder mehrere Alkohole umfasst, wie beispielsweise ein ternäres Acetonitril/Ethanol/Trithylamin-System. Mit "Gefrierschutz" ist eine Substanz gemeint, die einer Flüssigkeit zugesetzt werden kann, um ihren Gefrierpunkt abzusenken. Das Wasser kann deionisiertes Wasser umfassen, und die Gefrierschutzkomponente kann einen Alkohol umfassen. Typische Alkohole zur Verwendung mit der Gefrierschutzkomponente der vorliegenden Erfindung umfassen beispielsweise Ethylenglykol, Methanol, Ethanol, Propylenglykol, Aceton, Acetonitril, Dichlorethan, Triethylamin, Acetal, Allylalkohol, Cyclohexan, Propanol, Propylacetat, Propan-1,3-diol, Butan-2-ol, und deren Kombinationen. Die Emulsion nutzt den Vorteil der erhöhten Wärmekapazität von Wasser (4,2 J/g/K), um die Wärmekapazität des dielektrischen Kühlfluids (~ 2,0 J/g/K) anzuheben, was bis zu etwa einschließlich 2,8 J/g/K sein kann.
Die polare innere Phase kann zwischen etwa 1 Prozent und etwa 50 Prozent der Emulsion umfassen. Wenn die azeotrope Mischung eine Wasserkomponente und eine Alkoholkomponente umfasst, kann die Wasserkomponente bis zu etwa 5 Prozent bis etwa 40 Prozent der polaren inneren Phase umfassen, und die Alkoholkomponente kann bis zu etwa 60 bis etwa 95 Prozent der polaren inneren Phase umfassen. Demgemäß kann die durch Verwendung der Wasserkomponente erhaltene Erhöhung der Wärmekapazität erzielt werden, während der nicht leitende Charakter wie auch die niedrige Viskosität der äußeren Kohlenwasserstoffphase immer noch beibehalten wird, wie hier nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Wie in 1 gezeigt ist, kann die dielektrische Kühlfluidemulsion der vorliegenden Erfindung eine stabile, nicht kontinuierliche, azeotrope Zusammensetzung 5 aus Wasser und Gefrierschutz oder eine stabile, nicht kontinuierliche, azeotrope nicht wässrige Zusammensetzung 5 umfassen, die in einer kontinuierlichen Kohlenwasserstoffzusammensetzung 7 suspendiert ist. Die Komponenten einer azeotropen Mischung (beispielsweise Wasser/Gefrierschutz) können während einer Phasenänderung (d.h. von flüssig nach dampfförmig) nicht getrennt werden. Somit ist die Zusammensetzung des gebildeten Dampfs identisch oder im Wesentlichen identisch zu der gleichen Zusammensetzung in ihrer flüssigen Form. Zusätzlich weisen die azeotropen Zusammensetzungen im Wesentlichen konstante Dampfdruckeigenschaften auf, wenn die Flüssigkeit verdampft wird. Demgemäß ist eine azeotrope Zusammensetzung als eine Komponente eines Kühlmittels für Brennstoffzellenvorrichtungen gut geeignet, wie hier unter Bezugnahme auf Verdunstungskühlprozesse beschrieben ist.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die polare innere Phase einen Siedepunkt von etwa 60°C oder größer und insbesondere zwischen etwa 60°C und etwa 100°C und einen Gefrierpunkt von etwa –35°C oder kleiner und insbesondere zwischen etwa –35°C und etwa –40°C aufweisen. Die polare innere Phase kann ferner die folgenden physikalischen Eigenschaften umfassen:

Wärmekapazität	≥ ~ 2,5 J/g/K
Viskosität	≤ ~ 2 cP bei etwa 80°C ≤ ~ 15 cP bei etwa 0°C
Wärmeleitfähigkeit	≥ ~ 0,4 W/m – K
Spezifischer elektrischer Widerstand	≥ ~ 0,25 MOhm·cm

Die äußere Kohlenwasserstoffphase kann zwischen etwa 50 und etwa 99 Prozent der Emulsion umfassen und kann einen petroleumhaltigen Kohlenwasserstoff umfassen. Mit "petroleumhaltiger Kohlenwasserstoff" ist jegliche raffinierte Petroleumfraktion mit zumindest einigen petroleum- oder paraffinartigen und/oder naphthenartigen Kohlenwasserstoffen in dem Bereich von C₁₀ bis C₁₆ gemeint. Der petroleumhaltige Kohlenwasserstoff (engl. "kerosenic hydrocarbon") kann Petroleum (engl. "kerosene") sein. Obwohl der petroleumartige Kohlenwasserstoff eine Wärmekapazität von bis zu einschließlich etwa 2,5 J/g/K umfasst, besitzt er eine geringe kinematische Viskosität, was ermöglicht, dass er mit höheren Durchflussraten gepumpt werden kann. Genauer kann die Viskosität des petroleumartigen Kohlenwasserstoffs bei etwa 80°C etwa 10 cP oder kleiner sein oder bei etwa 0°C etwa 40 cP oder kleiner sein. Dies erleichtert den Abzug von Abwärme von einer Brennstoffzelle ohne merkliche Erhöhung der parasitären Pumpleistung. Die Pumpleistung, die erforderlich ist, um das dielektrische Kühlfluid umzuwälzen, kann durch Verwendung bipolarer Platten verringert werden, die zusätzliche offene Kühlmittelströmungspfade besitzen.
Der Gefrierpunkt des petroleumartigen Kohlenwasserstoffs der vorliegenden Erfindung kann kleiner als –35°C sein oder bei etwa –35°C liegen. Genauer kann der Gefrierpunkt des petroleumartigen Kohlenwasserstoffs zwischen etwa –40°C und etwa 0°C liegen. Folglich kann der petroleumartige Kohlenwasserstoff in kalten Umgebungen verwendet werden, ohne dass die Gefahr eines Kühlmittelausfalls aufgrund von Gefrieren auftritt. An dem anderen Ende des Temperaturspektrums kann der Siedepunkt des petroleumartigen Kohlenwasserstoffs der vorliegenden Erfindung etwa 85°C oder größer sein. Genauer kann der Siedepunkt des petroleumartigen Kohlenwasserstoffs zwischen etwa 175°C und etwa 375°C liegen. Zusätzlich besitzt der petroleumartige Kohlenwasserstoff einen Flammpunkt zwischen etwa 37,7°C und etwa 65,5°C und kann sich bei etwa 228°C (444°F) selbst entzünden. Die thermische Leitfähigkeit des petroleumartigen Kohlenwasserstoffs kann bis zu einschließlich etwa 0,15 W/m – K betragen oder insbesondere zwischen etwa 0,05 und etwa 0,4 W/m – K liegen. Der spezifische elektrische Widerstand des petroleumartigen Kohlenwasserstoffs der vorliegenden Erfindung kann etwa 18 MOhm·cm oder größer sein. Genauer kann der spezifische elektrische Widerstand des petroleumartigen Kohlenwasserstoffs zwischen etwa 0,25 und etwa 40 MOhm·cm liegen.
Die Verwendung des petroleumartigen Kohlenwasserstoffs als eine Komponente des Kühlmittels kann die Nutzlebensdauer der Brennstoffzelle verlängern, da im Gegensatz dazu auf Wasser basierende Kühlmittel und petroleumartige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Petroleum, die Stapelkomponenten nicht schädigen. Folglich müssen dem dielektrischen Kühlfluid der vorliegenden Erfindung keine Korrosionshemmer zugesetzt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass sie Brenn stoff (typischerweise gasförmigen Wasserstoff) mit Sauerstoff reagiert, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen. Neben den anderen Komponenten der Brennstoffzelle, die nachfolgend detaillierter beschrieben sind, umfasst die Brennstoffzelle einen Kühlmittelströmungspfad, der einen Kühlmittelisolierverteiler definiert. Der Verteiler umfasst ein dielektrisches Kühlfluid, das die Emulsion, die bei der ersten Ausführungsform der Erfindung oben beschrieben wurde, umfasst und die dazu verwendet wird, die Brennstoffzelle zu kühlen wie auch die Nutzlebensdauer ihrer Komponenten zu steigern.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein System vorgesehen, das einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst. Jede Brennstoffzelle in dem Stapel ist derart ausgebildet, dass sie Brennstoff mit Sauerstoff reagiert, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen. In dem Stapel ist ein Kühlmittelströmungspfad enthalten, der einen Kühlmittelisolierverteiler definiert. Der Verteiler umfasst ein dielektrisches Kühlfluid, das eine Emulsion umfasst, die eine polare innere Phase und eine äußere Kohlenwasserstoffphase definiert, wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung oben beschrieben wurde.
Die Leitfähigkeit des dielektrischen Kühlfluids ist besonders wichtig, wenn ein Kühlmittel für Brennstoffzellenstapel gewählt wird. Dies ist hauptsächlich auf die Stapelkonstruktion zurückzuführen, die einen Sammelbereich verwendet, um die reaktiven Gase wie auch das Kühlmittel an den Kühlmittelströmungspfad zu verteilen. In diesem Sammelbereich wird leicht ein elektrisches Feld von 5 bis 10 V/cm erreicht. Eine Ionenkontamination wässriger Kühlmittel kann die Leitfähigkeit auf unakzeptable Niveaus erhöhen, was Nebenschlussströme in dem Sammelbereich zur Folge hat.
Jedoch ist die dielektrische Kühlfluidemulsion der vorliegenden Erfindung dielektrisch, was keinen Ionentransport zulässt. Folglich beeinflusst sogar im kontaminierten Zustand die Kühlmittelemulsion nicht die Stapelkomponenten und lässt auch keinen Leistungsverlust aufgrund von Nebenschlussstrom an dem Sammelbereich des Stapels zu. Und im Gegensatz zu den Ionentauscherharzen nach dem Stand der Technik, die bei Temperaturen oberhalb 80°C vorzeitig thermisch Schaden nehmen, kann die vorliegende dielektrische Kühlfluidemulsion ohne einen Ionentauscher bei wesentlich größeren Temperaturen arbeiten, um effizient Abwärme an dem Kühler abzugeben.
Die Brennstoffzelle und das System der vorliegenden Erfindung umfassen ferner jeweils eine elektrochemische Zelle für katalytische Reaktion, die derart ausgebildet ist, dass sie einen Brennstoffströmungspfad, einen Sauerstoffströmungspfad und einen Kühlmittelströmungspfad vorsieht, der fluidmäßig von dem Brennstoffströmungspfad und dem Sauerstoffströmungspfad entkoppelt ist. Der Brennstoffströmungspfad kann einen Anodenströmungspfad umfassen, der dazu ausgebildet ist, Brennstoff durch zumindest einen Anteil jeder Brennstoffzelle zu führen. Die elektrochemische Zelle für katalytische Reaktion kann ferner eine Anode in Fluidverbindung mit dem Anodenströmungspfad umfassen, an der eine katalytische Reaktion mit dem Brennstoff stattfindet. Zusätzlich kann der Sauerstoffströmungspfad einen Kathodenströmungspfad umfassen, der dazu ausgebildet ist, Sauerstoff durch zumindest einen Anteil jeder Brennstoffzelle zu führen. Die elektrochemische Zelle für katalytische Reaktion kann ferner eine Kathode in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmungspfad umfassen, wobei an der Kathode eine katalytische Reaktion mit dem Sauerstoff erfolgt. Überdies kann eine Membran zwischen der Anode und der Kathode angeordnet sein, so dass eine Elektrolytverbindung dazwischen während des Betriebs der Brennstoffzelle oder des Systems hergestellt wird.
Die Brennstoffzelle und das System der vorliegenden Erfindung, von denen jedes einen Kühlmittelströmungspfad umfasst, können jeweils ferner eine Umwälzanordnung umfassen, die einen Umwälzströmungspfad, eine Pumpe und einen Kühler umfasst. Der Kühlmittelisolierverteiler kann ferner einen Einlass und einen Auslass umfassen. Der Umwälzströmungspfad erstreckt sich von dem Einlass des Kühlmittelisolierverteilers und verbindet die Pumpe und den Kühler fluidmäßig mit dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers. Die Umwälzanordnung ist derart ausgebildet, dass sie Kühlmittel durch den Kühlmittelströmungspfad umwälzen kann, wodurch Abwärme von der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel entnommen und diese über den Umwälzströmungspfad an den Kühler geliefert wird. Der Kühler kann ein beliebiger Kühler sein, der eine Entfernung von Wärme von dem erhitzten dielektrischen Kühlmittel zur Umwälzung zurück an den Kühlmittelisolierverteiler bewirken kann.
Während die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Brennstoffzellenanordnung beschränkt werden soll, ist nun in 2 eine schematische Darstellung einer typischen Brennstoffzelle oder eines typischen Brennstoffzellensystems zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung beispielhaft vorgesehen. Der Brennstoffzellenstapel 1 umfasst eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen, die miteinander elektrisch in Reihe, parallel oder einer Kombination daraus verbunden sein können. Auf der Brennstoffseite 11 des Brennstoffzellenstapels 1 kann Brennstoff (typischerweise gasförmiger Wasserstoff H₂) von einer Versorgung 22 über ein Ventil 24 und eine Leitung 26 in die elektrochemische Zelle für katalytische Reaktion über den Brennstoffströmungspfad geliefert werden, die in der Brennstoffzelle positioniert ist. Der Brennstoff tritt daher in den Brennstoffzellenstapel 1 an dem Einlass 28 ein, während Brennstoffabgase, die nicht verbrauchten Wasserstoff und Wasser enthalten, den Brennstoffzellenstapel 1 an dem Auslass 30 verlassen. Das Wasser, das auskondensiert, kann in einem Sammelbehälter 32 aufgenommen werden, während ein Anteil des austretenden Wasserstoffs über eine Pumpe 34 an den Einlass 28 zurückgeführt werden kann. Die verbleibenden brennstoffseitigen Abgase können über ein Ventil 50 und eine Leitung 36 an eine Brennervorrichtung 38 zugeführt werden, an der die brennstoffseitigen Abgase zusammen mit Luft von einem Gebläse 40 derart verbrannt werden, dass die verbrannten Abgase, hauptsächlich Stickstoff und Wasserdampf, den Brennstoffzellenstapel 1 über Leitung 42 verlassen. Das Wasser, das sich in dem Behälter 32 gesammelt haben kann, kann periodisch über ein Ablassventil 44 abgelassen werden.
An der Brennstoffseite 11 des Brennstoffzellenstapels 1 kann auch eine Versorgung für Stickstoff N₂ in einem Reservoir 46 vorgesehen sein. Wenn der Brennstoffzellenstapel 1 ausgeschaltet ist, kann das Ventil 24 geschlossen sein, und das Ventil 48 kann geöffnet sein, um Stickstoff N₂ über Leitung 26 in den Brennstoffströmungspfad in der Brennstoffzelle einzuführen und den Wasserstoff H₂ von der Brennstoffzelle zu verdrängen. Der Wasserstoff Hz kann dann unter gesteuerten Bedingungen in dem Brenner 38 verbrannt werden, wodurch die Gefahr einer Wasserstoff ansammlung (H₂-Ansammlung) in der Brennstoffzelle verringert wird. Die Brennervorrichtung 38 muss nicht kontinuierlich betrieben werden und kann von dem Kreislauf der Brennstoffseite 11 über das Ventil 50 isoliert sein.
Sauerstoff O₂ tritt in die Sauerstoffseite 13 des Brennstoffzellenstapels 1 über Leitung 52 ein und kann durch einen Kompressor 56 komprimiert werden, der durch einen Motor 54 angetrieben wird. Nach dem Leiten durch den Kompressor 56 gelangt der Sauerstoff O₂ durch die Leitung 58 an den Kathodeneinlass 60, an dem er in die elektrochemische Zelle für katalytische Reaktion in der Brennstoffzelle über den Sauerstoffströmungspfad eintritt. Das Abgas, das hauptsächlich aus Wasserdampf, Stickstoff und Sauerstoff besteht, verlässt den Sauerstoffauslass 62 des Brennstoffzellenstapels 1, wobei Wasserdampf in einem Behälter 64 gesammelt werden kann, während die verbleibenden Abgase über Leitung 66 und das Ventil 67 an die Atmosphäre entlüftet werden. Ein optionaler Zusatzkompressor 68, der auch durch einen Motor (nicht gezeigt) angetrieben wird, oder der Kompressor 56 kann verwendet werden, um das System zu starten. Wie bei der Brennstoffseite 11 des Systems kann ein Ventil 65 verwendet werden, um zu ermöglichen, dass sich in dem Behälter 64 gesammeltes Wasser von dem System abgelassen werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Umwälzanordnung 16 als eine Schleife dargestellt, um eine angemessene Kühlung des Brennstoffzellenstapels 1 während des Systembetriebs sicherzustellen. Die Anordnung 16 ist bezüglich der Brennstoffseite 11 und der Sauerstoffseite 13 autonom, so dass sich das dielektrische Kühlmittel (eine Emulsion, die eine polare innere Phase und eine äußere Kohlenwasserstoffphase definiert) in der Anordnung 16 nicht mit dem Fluid mischt, das durch die Reaktion zwischen dem Wasserstoff H₂ und Sauerstoff O₂ innerhalb der Reaktionszelle erzeugt wurde. Die Anordnung 16 umfasst ferner einen geschlossenen Umwälzströmungspfad mit einer Pumpe 18 und einem Kühler 20.
Wie in 3 gezeigt ist, kann das System der vorliegenden Erfindung ferner eine Fahrzeugkarosserie 75 umfassen. Der Brennstoffzellenstapel 1, der in der Fahrzeugkarosserie 75 eingebaut sein kann, ist derart ausgebildet, dass er zumindest teilweise die Fahrzeugkarosserie 75 mit Antriebskraft versieht. Eine Versorgung 22 für Brennstoff kann vorgesehen sein, der typischerweise gasförmiger Wasserstoff ist. Obwohl das in 3 gezeigte Fahrzeug ein Personenkraftwagen ist, sei angemerkt, dass das Fahrzeug ein beliebiges heutzutage bekanntes oder später entwickeltes Fahrzeug bzw. eine entsprechende Einrichtung sein kann, das bzw. die durch ein Brennstoffzellensystem angetrieben oder vorgetrieben werden kann, wie beispielsweise Kraftfahrzeuge (d.h. Autos, kleinere Lastwägen oder Schwerlast-Lastwägen oder Traktoren), Ausstattung für Bauernhöfe, Flugzeuge, Schiffe bzw. Boote, Schienenfahrzeugmotoren etc. Das in 3 gezeigte System kann durch die hier beschriebene dielektrische Kühlfluidemulsion gekühlt werden, die Eigenschaften aufweist, die bei der Verringerung des Auftretens von Nebenschlussstrom in dem Brennstoffzellenstapel 1 wirksam sind.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellensystems vorgesehen, das umfasst, dass eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen wird, der wie vorher beschrieben ausgebildet ist und die polare innere Phase der dielektrischen Kühlfluidemul sion in dem Kühlmittelisolierverteiler verdampft, wodurch die latente Wärme der polaren inneren Phase Abwärme von der Brennstoffzelle entnimmt, wobei ein erhitzter Dampf erzeugt wird. Dies verringert die Innentemperatur der elektrochemischen Zelle für katalytische Reaktion, die typischerweise eine Betriebstemperatur zwischen etwa 80°C und etwa 90°C aufweist.
Die polare innere Phase kann dadurch verdunstet werden, dass sie in dem Kühlmittelisolierverteiler bei einer im Wesentlichen konstanten Temperatur (d.h. dem Siedepunkt der polaren inneren Phase) und einem im Wesentlichen konstanten Druck (d.h. etwa 1 Atmosphäre) siedet. Es muss nur ein Anteil der polaren inneren Phase in dem Kühlmittelisolierverteiler verdampft werden, um eine Kühlung der Brennstoffzelle zu bewirken, wie beispielsweise ein Anteil, der kleiner als etwa 5% der polaren inneren Phase ist. Dies verringert das Auftreten eines "Austrocknens" der Brennstoffzelle erheblich, bei dem sich größere Dampfblasen mit niedriger thermischer Leitfähigkeit an der Plattenwand bilden, die eine exponentielle Zunahme der Plattentemperatur zur Folge haben.
Das Verfahren umfasst ferner, dass der erhitzte Dampf von dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers über den Umwälzströmungspfad an den Kühler umgewälzt wird, wodurch der erhitzte Dampf gekühlt und kondensiert wird, um eine kondensierte Flüssigkeit zu bilden, die kondensierte Flüssigkeit in das dielektrische Kühlfluid rückemulgiert wird und das dielektrische Kühlfluid zurück an den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers geführt wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform steigert das Verfahren durch Verwendung einer Verdunstungskühlung (zweiphasiges Sieden) in dem Kühlmittelisolierverteiler die Wärmebelastungseigenschaften der dielektrischen Kühlfluidemulsion, indem ein Anteil der nicht kontinuierlichen polaren inneren Phase sieden kann. Demgemäß kann eine erhebliche Menge an Wärme von der elektrochemischen Zelle für katalytische Reaktion ohne oder mit nur wenig Kühlmitteltemperaturanstieg aufgrund der großen latenten Verdunstungswärme der polaren Komponente(n) dissipiert werden.
Überdies ist, um eine fraktionierte Destillation und ein Gefrieren der polaren inneren Phase bei niedriger Temperatur (d.h. eine Gefrierpunktsspezifikation von etwa –37°C) zu verhindern, bei der die Wasser/Gefrierschutz-Tröpfchen schließlich verdampfen und bei einer wiederholten Verdampfung und Kondensation in reine Wassertröpfchen und reine Gefrierschutz-Tröpfchen verdampfen und kondensieren, ist die polare innere Phase so ausgebildet, dass sie sich bei oder nahezu ihrer azeotropen Zusammensetzung befindet. Mit "azeotrop" ist eine konstantsiedende Zusammensetzung gemeint, oder, dass der Dampf, der von einer Flüssigkeit siedet, dieselbe Zusammensetzung wie die Flüssigkeit aufweist (d.h. die Dampfzusammensetzung entspricht der Flüssigkeitszusammensetzung). Wenn die polare innere Phase sich bei oder nahezu ihrer azeotropen Zusammensetzung befindet, sollte sie eine Zusammensetzung sein, die sich als eine azeotrope Mischung und als ein reiner Gefrierschutz fraktioniert. Ansonsten würden die reinen Wassertröpfchen bei niedriger Temperatur nach Destillation gefrieren. Somit verhält sich eine wässrige innere Phase mit niedrigem Gefrierpunkt bei ihrer azeotropen Zusammensetzung typisch (beispielsweise 2-Butanol/Wasser, Wasser/Ethanol, Was ser/Propanol/Propylacetat, etc.). Eine fraktionierte Destillation dürfte nicht auftreten, da die Dampfphasenzusammensetzung mit der Flüssigkeitsphasenzusammensetzung identisch ist. Zusätzlich erfolgt das Sieden bei konstanter Temperatur, unter der Annahme, dass der Druck konstant bleibt. Jedoch ist es für diejenigen Fälle, bei denen die azeotrope Zusammensetzung schwierig zu stabilisieren ist, am besten, eine Zusammensetzung zu verwenden, bei der die destillierten Tröpfchen aus der azeotropen Zusammensetzung und reinem Gefrierschutz und nicht aus reinem Wasser, das gefriert, bestehen.
Um die Erfindung besser zu veranschaulichen, wird im Folgenden ein Beispiel beschrieben, das dazu bestimmt ist, die Erfindung darzustellen, jedoch nicht ihren Schutzumfang zu beschränken.
4 zeigt, dass für 20 Vol.-% wässrige innere Phase (32 Wasser/68 2-Butanol) in Petroleum nur 6 Vol.-% und 1 Vol.-% der wässrigen Phase auf Grundlage der wässrigen Phase bzw. der Gesamtkühlmittelkonzentration verdunstet werden müssen, um wasserartige Wärmelasten zu erzeugen. Die Gleichungen 1 und 2 unten wurden dazu verwendet, die in 4 gezeigten Daten zu berechnen, wobei die "Mischregel" dazu verwendet wird, die Cp wie auch die latente Wärme der wässrigen Phase und des Kühlmittels zu berechnen, der Stapeltemperaturabfall (T_aus – T_ein) gleich 10°C entspricht und die Massendurchflussrate von Wasser und Kühlmittel gleich ist, wobei w = Wasser, a = wässrige Phase, c = Kühlmittel und E = Verdunstungsrate: qw = qc; mw Cpw ΔT = mc Cpc ΔT + Ea λa (1) Ea/mw = ΔT (Cpw – Cpc)/λa (2)
Zusammengefasst betrifft die vorliegende Erfindung ein dielektrisches Kühlmittel für Brennstoffzellen wie auch einen Verdunstungskühlprozess unter Verwendung desselben. Das Kühlmittel umfasst eine Emulsion, die eine polare innere Phase und eine äußere Kohlenwasserstoffphase definiert. Die polare innere Phase umfasst eine azeotrope Mischung, die eine oder mehrere polare Verbindungen umfasst, die aus Wasser, Alkohol oder deren Kombinationen gebildet sind. Die Brennstoffzelle ist derart ausgebildet, dass sie Brennstoffzelle mit Sauerstoff reagiert, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, und umfasst eine elektrochemische Zelle für katalytische Reaktion, die derart ausgebildet ist, dass sie einen Brennstoffströmungspfad, einen Sauerstoffströmungspfad und einen Kühlmittelströmungspfad umfasst, der fluidmäßig von den Brennstoff- und Sauerstoffströmungspfaden entkoppelt ist und der einen Kühlmittelisolierverteiler definiert, der das oben beschriebene dielektrische Kühlfluid enthält. Das Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle umfasst unter anderem ein Verdunsten der polaren inneren Phase der dielektrischen Kühlfluidemulsion in dem Kühlmittelisolierverteiler.

Claims

Dielektrisches Kühlfluid mit einer Emulsion, wobei: die Emulsion eine polare innere Phase und eine äußere Kohlenwasserstoffphase definiert, die polare innere Phase eine azeotrope Mischung umfasst, und die azeotrope Mischung eine oder mehrere polare Verbindungen umfasst, die aus Wasser, Alkohol oder deren Kombinationen gewählt sind.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 1, wobei die Emulsion eine Wärmekapazität von bis zu einschließlich etwa 2,8 J/g/K besitzt.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 1, wobei die polare innere Phase zwischen etwa 1 und etwa 50% der Emulsion umfasst.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 1, wobei die azeotrope Mischung eine Wasserkomponente und eine Alkoholkomponente umfasst.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 4, wobei die Wasserkomponente bis zu etwa 5 bis etwa 40% der polaren inneren Phase umfasst.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 4, wobei die Alkoholkomponente bis zu etwa 60 bis etwa 95% der polaren inneren Phase umfasst.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 1, wobei das Wasser deionisiertes Wasser umfasst.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 1, wobei der Alkohol aus Ethylenglykol, Propylenglykol, Ethanol, Methanol, Aceton, Acetonitril, Butan-2-ol, Dichlorethan, Triethylamin, Acetal, Allylalkohol, Cyclohexan, Propanol, Propylacetat, Propan-1,3-diol oder deren Kombinationen gewählt ist.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 1, wobei die polare innere Phase umfasst: eine Wärmekapazität von etwa 2,5 J/g/K oder größer, einen Siedepunkt von etwa 60°C oder größer, einen Gefrierpunkt von etwa –35°C oder kleiner, eine Viskosität von etwa 2 cP oder kleiner bei etwa 80°C, eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,4 W/m – K oder größer, und einen spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 0,25 MOhm·cm oder größer.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 1, wobei die polare innere Phase umfasst: einen Siedepunkt zwischen etwa 60°C und etwa 100°C, einen Gefrierpunkt zwischen etwa –35°C und etwa –40°C, eine Viskosität von etwa 15 cP oder kleiner bei etwa 0°C, eine Wärmeleitfähigkeit zwischen etwa 0,05 und etwa 0,4 W/m – K, und einen spezifischen elektrischen Widerstand zwischen etwa 0,25 und etwa 40 MOhm·cm.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 1, wobei die äußere Kohlenwasserstoffphase zwischen etwa 50% und etwa 95% der Emulsion umfasst.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 1, wobei die äußere Kohlenwasserstoffphase einen petroleumartigen Kohlenwasserstoff umfasst.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 12, wobei der petroleumartige Kohlenwasserstoff Petroleum umfasst.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 12, wobei der petroleumartige Kohlenwasserstoff eine Wärmekapazität von bis zu einschließlich etwa 2,5 J/g/K umfasst.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 12, wobei der petroleumartige Kohlenwasserstoff umfasst: eine Viskosität von etwa 10 cP oder kleiner bei etwa 80°C, einen Gefrierpunkt von etwa –35°C oder kleiner, einen Siedepunkt von etwa 85°C oder größer, eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu einschließlich etwa 0,15 W/m – K, einen spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 18 MOhm·cm oder größer.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 12, wobei der petroleumartige Kohlenwasserstoff umfasst: eine Viskosität von etwa 40 cP oder kleiner bei etwa 0°C, einen Gefrierpunkt zwischen etwa –40°C und etwa 0°C, einen Siedepunkt zwischen etwa 175°C und etwa 325°C, eine Wärmeleitfähigkeit zwischen etwa 0,05 und etwa 0,04 W/m – K, einen spezifischen elektrischen Widerstand zwischen etwa 0,25 und etwa 40 MOhm·cm.
Dielektrisches Kühlfluid nach Anspruch 12, wobei der petroleumartige Kohlenwasserstoff einen Flammpunkt zwischen etwa 37,7°C und etwa 65,5°C umfasst, und wobei der petroleumartige Kohlenwasserstoff bei etwa 228°C selbst zündet.
Brennstoffzelle zur Reaktion von Brennstoff mit Sauerstoff, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, wobei: die Brennstoffzelle eine elektrochemische Zelle für katalytische Reaktion umfasst, die einen Brennstoffströmungspfad, einen Sauerstoffströmungspfad und einen Kühlmittelströmungspfad umfasst, der fluidmäßig von dem Brennstoffströmungspfad und dem Sauerstoffströmungspfad entkoppelt ist; und wobei der Kühlmittelströmungspfad einen Kühlmittelisolierverteiler definiert, wobei der Kühlmittelisolierverteiler ein dielektrisches Kühlfluid enthält, das eine Emulsion umfasst, wobei die Emulsion eine polare innere Phase und eine äußere Kohlenwasserstoffphase umfasst, wobei: die polare innere Phase eine azeotrope Mischung umfasst, und die azeotrope Mischung eine oder mehrere polare Verbindungen umfasst, die aus Wasser, Alkohol oder deren Kombinationen gewählt sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 18, wobei: der Brennstoffströmungspfad einen Anodenströmungspfad umfasst, der den Brennstoff durch zumindest einen Anteil der Brennstoffzelle führt, und der Sauerstoffströmungspfad einen Kathodenströmungspfad umfasst, der den Sauerstoff durch zumindest einen Anteil der Brennstoffzelle führt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 19, wobei die elektrochemische Zelle für katalytische Reaktion ferner umfasst: eine Anode in Fluidverbindung mit dem Anodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Brennstoff stattfindet; eine Kathode in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Sauerstoff stattfindet; und eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, so dass eine Elektrolytverbindung dazwischen während des Betriebs der Brennstoffzelle hergestellt wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 18, wobei: die Brennstoffzelle ferner eine Umwälzanordnung umfasst, wobei die Umwälzanordnung einen Umwälzströmungspfad, einen Pumpe und einen Kühler umfasst; der Kühlmittelisolierverteiler ferner einen Einlass und einen Auslass umfasst; und der Umwälzströmungspfad den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers fluidmäßig mit dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers verbindet.
Brennstoffzelle nach Anspruch 18, ferner mit einem System, wobei das System einen Brennstoffzellenstapel umfasst, der eine Vielzahl der Brennstoffzellen umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 22, wobei das System ferner umfasst: eine Fahrzeugkarosserie, wobei der Brennstoffzellenstapel derart ausgebildet ist, dass er zumindest teilweise die Fahrzeugkarosserie mit Antriebskraft versieht.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle, umfassend, dass: eine Brennstoffzelle vorgesehen wird, die Brennstoff mit Sauerstoff reagieren kann, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, wobei ein Reaktionsprodukt Abwärme ist; die Brennstoffzelle derart ausgebildet wird, dass sie eine elektrochemische Zelle für katalytische Reaktion umfasst, die einen Brennstoffströmungspfad, einen Sauerstoffströmungspfad und einen Kühlmittelströmungspfad umfasst, der fluidmäßig von dem Brennstoffströmungspfad und dem Sauerstoffströmungspfad entkoppelt ist; der Kühlmittelströmungspfad derart ausgebildet wird, dass ein Kühlmittelisolierverteiler definiert wird, wobei der Kühlmittelisolierverteiler einen Einlass, einen Auslass und ein dielektrisches Kühlfluid enthält, das eine Emulsion umfasst, wobei die Emulsion eine polare innere Phase und eine äußere Kohlenwasserstoffphase definiert, wobei: die polare innere Phase eine azeotrope Mischung umfasst, und die azeotrope Mischung zumindest eine polare Verbindung umfasst, die aus Wasser, Alkohol oder deren Kombinationen gewählt ist; eine Umwälzanordnung vorgesehen wird, die einen Umwälzströmungspfad, eine Pumpe und einen Kühler umfasst, und die Umwälzanordnung derart ausgebildet wird, dass der Umwälzströmungspfad den Einlass und Auslass des Kühlmittelisolierverteilers fluidmäßig verbindet; die polare innere Phase in dem Kühlmittelisolierverteiler verdunstet wird, wodurch die latente Wärme der polaren inneren Phase die Abwärme von der Brennstoffzelle abzieht, wobei ein erhitzter Dampf erzeugt wird; der erhitzte Dampf von dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers an den Kühler über den Umwälzströmungspfad umgewälzt wird, wodurch der erhitzte Dampf gekühlt und kondensiert wird, um eine kondensierte Flüssigkeit zu bilden; und die kondensierte Flüssigkeit in das dielektrische Kühlfluid rückemulgiert wird und das dielektrische Kühlfluid an den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers rückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend, dass: der Brennstoffströmungspfad derart ausgebildet wird, dass er einen Anodenströmungspfad umfasst, der den Brennstoff durch zumindest einen Anteil der Brennstoffzelle führt; und der Sauerstoffströmungspfad derart ausgebildet wird, dass er einen Kathodenströmungspfad umfasst, der den Sauerstoff durch zumindest einen Anteil der Brennstoffzelle führt.
Verfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend, dass: die elektrochemische Zelle für katalytische Reaktion derart ausgebildet wird, dass sie ferner umfasst: eine Anode in Fluidverbindung mit dem Anodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Brennstoff stattfindet; eine Kathode in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Sauerstoff stattfindet, und eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, so dass eine Elektrolytverbindung dazwischen während des Betriebs der Brennstoffzelle hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend, dass zumindest ein Anteil der polaren inneren Phase durch Sieden der polaren inneren Phase in dem Kühlmittelisolierverteiler bei einer im Wesentlichen konstanten Temperatur und einem im Wesentlichen konstanten Druck verdunstet wird.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Anteil der polaren inneren Phase kleiner als etwa 5% ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die im Wesentlichen konstante Temperatur der Siedepunkt der polaren inneren Phase ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der im Wesentlichen konstante Druck etwa 1 Atmosphäre beträgt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Verdunsten der polaren inneren Phase in dem Kühlmittelisolierverteiler die innere Temperatur der elektrochemischen Zelle für katalytische Reaktion verringert.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle, umfassend, dass: eine Brennstoffzelle vorgesehen wird, die Brennstoff mit Sauerstoff reagiert, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, wobei ein Reaktionsprodukt Abwärme ist; die Brennstoffzelle derart ausgebildet wird, dass sie eine elektrochemische Zelle für katalytische Reaktion umfasst, die einen Brennstoffströmungspfad, einen Sauerstoffströmungspfad und einen Kühlmittelströmungspfad umfasst, der fluidmäßig von dem Brennstoffströmungspfad und dem Sauerstoffströmungspfad entkoppelt ist; der Kühlmittelströmungspfad derart ausgebildet wird, dass ein Kühlmittelisolierverteiler definiert wird, wobei der Kühlmittelisolierverteiler einen Einlass, einen Auslass und ein dielektrisches Kühlfluid enthält, das eine Emulsion umfasst, wobei die Emulsion eine polare innere Phase und eine äußere Kohlenwasserstoffphase definiert, wobei: die polare innere Phase eine azeotrope Mischung umfasst, wobei die azeotrope Mischung eine oder mehrere polare Verbindungen umfasst, die aus Wasser, Alkohol oder deren Kombinationen gewählt sind, wobei das Wasser deionisiertes Wasser umfasst, und die äußere Kohlenwasserstoffphase Petroleum umfasst; eine Umwälzanordnung vorgesehen wird, die einen Umwälzströmungspfad, eine Pumpe und einen Kühler umfasst, und die Umwälzanordnung derart ausgebildet wird, so dass der Umwälzströmungspfad den Einlass und Auslass des Kühlmittelisolierverteilers fluidmäßig verbindet; und zumindest ein Anteil der polaren inneren Phase durch Sieden der polaren inneren Phase in dem Kühlmittelisolierverteiler bei einer im Wesentlichen konstanten Temperatur und einem im Wesentlichen konstanten Druck verdampft wird, wodurch die latente Wärme der polaren inneren Phase die Abwärme von der Brennstoffzelle abzieht, wobei ein erhitzter Dampf erzeugt wird, und wobei: der Anteil der polaren inneren Phase kleiner als etwa 5% ist; die im Wesentlichen konstante Temperatur der Siedepunkt der polaren inneren Phase ist; und der im Wesentlichen konstante Druck etwa 1 Atmosphäre beträgt; der erhitzte Dampf von dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers an den Kühler über den Umwälzströmungspfad umgewälzt wird, wodurch der erhitzte Dampf gekühlt und kondensiert wird, um eine kondensierte Flüssigkeit zu bilden; und die kondensierte Flüssigkeit in das dielektrische Kühlfluid rückemulgiert wird und das dielektrische Kühlfluid an den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers rückgeführt wird.