JP2005206805A - 燃料電池誘電性冷却剤及びこれを使用した蒸発冷却プロセス - Google Patents

Abstract

【課題】スタックのヘッダー領域の分流電流、水素、酸素の放散及びプレート分解により引き起こされる性能損失を無くし、腐食防止剤の追加が不要な、燃料電池の誘電性冷却剤と、該冷却剤を使用した蒸発冷却プロセスの提供。
【解決手段】水、アルコール又はそれらの組み合わせから選択された１つ以上の極性化合物を含むアゼオトロープ混合物を含み、極性内部相と、炭化水素外部相とを形成するエマルジョンを含んでなる冷却剤。また、燃料電池は、燃料を酸素と反応させるように構成され、燃料流れ経路と、酸素流れ経路と、該燃料流れ経路及び該酸素流れ経路から流体的に分離した冷却剤流れ経路とを有するように構成された電気化学的触媒反応電池を備え、上記した流体誘電性冷却剤を含む冷却剤隔離マニホルドを形成し、冷却剤隔離マニホルド内で流体誘電性冷却剤エマルジョンの極性内部相を蒸発させて燃料電池を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、液体冷却式燃料電池に係り、より詳しくは、燃料電池誘電性冷却剤及びこれを使用した蒸発冷却プロセスに関する。

燃料電池は、電気的エネルギーを生成するため水素の酸化及び酸素の還元に依存している。これらの触媒反応の副産物は水である。燃料電池は、化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換し、これにより内燃エンジンよりも熱力学的により効率的になるが、大きなカソードの過電位及び有限の電子／イオン抵抗により引き起こされる不可逆性が存在する。

熱力学的には、アノードにおける水素燃料電池の酸化、並びに、カソードにおける酸素の還元によって、燃料電池内部に配置されたアノード及びカソードの両方は、約１．２３Ｖの電池電位を与えるべきである。しかし、実際の測定値は、典型的には、約１Ｖである。電池電圧におけるこの差異は、主としてカソードのゆっくりとした動力学に起因しており、これは、電池電圧においてほとんど２００ｍＶの損失となる。電池電圧におけるこの損失の結果は、燃料電池内部の過剰熱からくるものである。そのような過剰熱の除去は、温度による劣化の防止、並びに、燃料電池構成部品の有用寿命を増加させる上で、重要である。

多数の燃料電池が、電気的出力を増大させるためスタック内に配列されているので、熱の発生は、かなり大きくなる。その結果、そのような余剰熱を除去するため、高い熱容量（Ｃｐ）、低い粘性率、及び、約−４０℃乃至約１４０℃の間の温度で物理的に安定した冷却剤が用いられる。Ｃｐが高くなればなるほど、熱を除去しこれと同時に有効な加湿のため必要とされるスタック温度を均一に維持するため要求される冷却剤の流量がより低くて済むようになる。この低い冷却剤の流量は、低いポンプ輸送量の寄生的損失をもたらす。従来の内燃エンジン車両で使用される水性冷却剤は、この範囲内に落ち、典型的には、エチレングリコール及び水の混合物を含んでいる。しかし、電気化学的安定性の見地からは、今日の燃料電池スタックの設計は、冷却剤が非伝導性（誘電性）であるべきことを要求している。冷却剤が有意に伝導性を持つ場合、導電冷却剤が誘発する様々なスタック問題を生じさせる。このような問題には、燃料効率を減少させる分流電流、燃料電池スタック内で圧力上昇を生み出し排気の必要があるヘッダー領域におけるガス放散（Ｏ_２及びＨ_２）、冷却剤の劣化、並びに、コーティング膨れ及び腐食加速を始めとしたスタック構成要素の酸素劣化が含まれている。

冷却剤において不純物を除去し、その低い伝導度を維持するため当該技術分野で知られているものは、消イオン水と共にイオン交換樹脂を使用することである。しかし、消イオン水の使用は、温度が−４０℃に達し得る厳しい冬の天候を経験する領域では制限される。この温度では、水は凍結し、スタックにとって適切な冷却剤とはならないであろう。更には、イオン交換器は、コストを増大させ、再生利用されなければならず、約８０℃を超える温度で熱的な安定性を損なう特性を示す。

また知られているものは、純粋な誘電体冷却剤の使用である（即ち、ＭＯ、セントルイス、ソルティア社から販売されている、「Therminol(R)-D」）。純粋な誘電体を使用したとき、流体は、電流をスタックのヘッダー領域を通して流することを可能とされない。しかし、高いコスト及び低い熱容量、並びに、燃料電池スタック内で現在用いられるガスケットと当該冷却剤との非互換性は、そのような誘電性冷却剤の使用を実用的でなくさせる。

以上のように、本願発明者らは、燃料電池スタックのための液体冷却剤技術において改善の必要性を認識している。

本発明は、流体誘電性冷却剤と、燃料電池と、燃料電池スタックを備えるシステムと、該流体誘電性冷却剤を使用した蒸発冷却プロセスを備える燃料電池を冷却する方法を提供することにより上述した必要性を満足させる。流体誘電性冷却剤は、炭化水素外部相に分散された極性内部相を形成するエマルジョンを備えている。本発明は、特定の利点又は機能に限定されないが、電気的な抵抗性を有する炭化水素外部相は、イオンの輸送を可能にしないことが明記されるべきである。誘電性冷却剤は、高い電位を有する燃料電池スタックの領域を低い電位のものから効果的に絶縁し、これによって、スタックのヘッダー領域の分流電流、並びに、水素、酸素の放散及びプレート分解により引き起こされる性能損失を無くす。その結果、燃料電池の構成部品のＯ_２劣化を禁止するため、腐食防止剤を追加する必要はなくなる。

分散した極性内部相（例えば、アゼオトロープ水／不凍液滴）は、消費熱のより効率的な除去のため流体誘電性冷却剤の熱容量を増加させる。従って、燃料電池スタック温度を、より均一に維持することができ、有効な膜電極アッセンブリ加湿にとって有用となる。更には、本発明の誘電性冷却剤は、低い動粘性率を有し、寄生的なポンプ出力をかなり増大させること無しに消費熱を除去するため該冷却剤をより高い流速で流動させることを可能にする。誘電性冷却剤の比較的高い沸点は、より高い温度（〜１４０℃）で燃料電池スタック及び冷却剤ループを作働させることを可能にし、ラジエータから環境に熱を排出するための容量を増大させる。

流体誘電性冷却剤のエマルジョンの熱負荷能力は、本発明の冷却プロセスを用いることにより更に強化され、極性内部相の液滴は、燃料電池の内部で蒸発する。水／不凍剤の高い潜熱は、少ないパーセンテージの極性内部相の一部のみが効果的な熱除去のため蒸発するだけで済むため、効率的な蒸発冷却を可能にする。これは、熱輸送が起こるところのプレート壁に沿った「乾燥」の発生を減少させる。また、極性内部相のアゼオトロープ組成は、低温における燃料電池内の純水の分別蒸留及び凍結を防止する。

一実施形態では、本発明は、エマルジョンを含む流体誘電性冷却剤を提供する。エマルジョンは、極性内部相と、炭化水素外部相とを形成する。極性内部相は、水、アルコール又はそれらの組み合わせから選択された１つ以上の極性化合物を有するアゼオトロープ混合物を備える。

別の実施形態では、本発明は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成された燃料電池を提供する。該燃料電池は、燃料流れ経路と、酸素流れ経路と、該燃料流れ経路及び該酸素流れ経路から流体的に分離した冷却剤流れ経路とを有するように構成された電気化学的触媒反応電池を備える。該冷却剤流れ経路は、冷却剤隔離マニホルドを形成し、該冷却剤隔離マニホルドは、流体誘電性冷却剤を有する。該流体誘電性冷却剤は、エマルジョンを含み、該エマルジョンは、極性内部相と、炭化水素外部相とを形成する。該極性内部相は、アゼオトロープ混合物を含み、該アゼオトロープ混合物は、水、アルコール又はそれらの組み合わせから選択された１つ以上の極性化合物を含んでいる。

更に別の実施形態では、本発明は、燃料電池を冷却する方法を提供する。本方法は、
（ａ） 電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成され、該反応生成物の一つが消費熱であるところの燃料電池を提供し、
（ｂ） 燃料流れ経路と、酸素流れ経路と、該燃料流れ経路及び該酸素流れ経路から流体的に分離した冷却剤流れ経路とを有する電気化学的触媒反応電池を備えるように、燃料電池を構成する工程と、
（ｃ） 冷却剤流れ経路を、冷却剤隔離マニホルドを形成するように構成する工程であって、該冷却剤隔離マニホルドは、入口と、出口と、エマルジョンを含む流体誘電性冷却剤とを有し、該エマルジョンは、極性内部相と、炭化水素外部相とを形成し、該極性内部相は、アゼオトロープ混合物を含み、該アゼオトロープ混合物は、水、アルコール又はそれらの組み合わせから選択された１つ以上の極性化合物を含む、前記工程と、
（ｄ） 再循環流れ経路と、ポンプと、ラジエータとを有する再循環アッセンブリを提供し、該再循環アッセンブリを再循環流れ経路が冷却剤隔離マニホルドの入口と出口とを流体的に接続するように構成する工程と、
（ｅ） 冷却剤隔離マニホルド内で極性内部相を蒸発させ、これによって、該極性内部相の潜熱が燃料電池から消費熱を引き出し、加熱された蒸気を生成する工程と、
（ｆ） 加熱された蒸気を、冷却剤隔離マニホルドの出口から再循環流れ経路を介してラジエータまで循環させる工程であって、これによって、該加熱された蒸気が冷却され、凝結液体を形成するように凝結される、前記工程と、
（ｇ） 流体誘電性冷却剤内の凝結液体を再乳状化し、該流体誘電性冷却剤を冷却剤隔離マニホルドの入口に戻す工程と、
を備える。

本発明の上記及び他の特徴及び利点は、添付図面を参照して本発明の次の詳細な説明からより完全に理解されよう。なお、請求の範囲は、その記載により画定され、本説明に記載された特徴及び利点の特定の説明によっては限定されない。

本発明の実施例の次の詳細な説明は、添付図面と関連付けて読まれるとき、最も良く理解することができる。これらの図面では、類似の構成は、類似の参照番号で示されている。

当業者は、図面中の構成要素が簡単さ及び明瞭さのために図示されており、必ずしも縮尺通りに描かれていないということを認めるであろう。例えば、図面中の構成要素のうち幾つかの寸法は、本発明の構成要素の理解を向上させるため互いに対して誇張されている。

本発明の一実施例によれば、エマルジョンを含む流体誘電性冷却剤が、提供される。該エマルジョンは、極性内部相と炭化水素外部相とを形成する。極性内部相は、水、アルコール及びそれらの組み合わせから選択された１つ以上の極性化合物を含むアゼオトロープ混合物を備えている。より詳しくは、アゼオトロープ混合物は、該混合物が、水構成物及び不凍剤成分を含むように、水及び１つ以上のアルコールを含むことができる。その上、アゼオトロープ混合物は、例えば、三成分系のアセトニトリル／エタノール／トリチルアミン系等、１つ上のアルコールを含む非水性冷却剤を更に含むことができる。「不凍剤」とは、液体の凝固点を低下させるため該液体に追加することができる任意の物質を意味している。水は、消イオン水であってもよく、不凍剤はアルコールを含むことができる。本発明の不凍剤で使用するための典型的なアルコールは、エチレングリコール、メタノール、エタノール、プロピレングリコール、アセトン、アセトニトリル、ジクロロエタン、トリエチルアミン、アセタル、アリルアルコール、シクロヘキサン、プロパノール、プロピルアセテート、１，３プロパンジオル、２−ブタノール、及び、それらの組み合わせが揚げられるが、これらに限定するものではない。エマルジョンは、水の高い熱容量（４．２Ｊ／ｇ／Ｋ）が流体誘電性冷却剤（〜２．０Ｊ／ｇ／Ｋ）の熱容量を上げるという利点を奏する。これによって、流体誘電性冷却剤の熱容量を約２．８Ｊ／ｇ／Ｋ以内とすることができる。

極性内部相は、エマルジョンのうち約１乃至約５０パーセントを占めることができる。アゼオトロープ混合物が水成分とアルコール成分とを含む場合、水成分は、極性内部相のうち約５乃至約４０パーセントまで占めることができ、アルコール成分は、極性内部相のうち約６０乃至約９５パーセントまで占めることができる。従って、水成分を含むことにより熱容量の増大を達成すると共に、更に詳しく後述される炭化水素外部相の非伝導特性及び低い粘性率をなおも維持することができる。

図１に更に示されるように、本発明の流体誘電性冷却剤エマルジョンは、安定した非連続的なアゼオトロープ水と、連続的な炭化水素組成７内に懸濁された不凍剤即ち非水性組成５とを含むことができる。アゼオトロープ混合物の成分（例えば、水／不凍剤）は、相変化（即ち、液体から蒸気へ）の間に分離することができない。かくして、形成された蒸気の組成物は、その液体形態にある同じ組成物と同一若しくは略同一である。更には、アゼオトロープ組成物は、液体が蒸発したとき、実質的に一定の蒸気圧特性を示す。従って、蒸発冷却プロセスに関して本文中に説明されるように、アゼオトロープ組成物は、燃料電池装置のための冷却剤の成分として有用である。

本実施例によれば、極性内部相は、約６０℃以上の沸点、より詳しくは、約６０℃乃至約１００℃の間の沸点と、約−３５℃以下の凝固点、より詳しくは、約−３５℃乃至約−４０℃の間の凝固点とを有する。極性内部相は、次の物理的特徴を更に有することができる。

熱容量 ＞ 〜２．５Ｊ／ｇ／Ｋ
粘性率 ＜ 〜２ｃＰ 約８０℃で
＜ 〜１５ｃＰ 約０℃で
熱伝導率 ＞ 〜０．４Ｗ／ｍＫ
電気抵抗 ＞ 〜０．２５Ｍオームｃｍ
炭化水素外部相は、エマルジョンのうち約５０乃至約９０パーセントを占めることができ、灯油系炭化水素を含むことができる。「灯油系炭化水素」とは、Ｃ_１０乃至Ｃ_１６の範囲にある、少なくともパラフィン系及び／又はナフテン系の炭化水素を含む、精製石油留分を意味している。灯油系炭化水素は、灯油であってもよい。灯油系炭化水素は、約２．５Ｊ／ｇ／Ｋ以内の熱容量を持っているが、低い動粘性率を持ち、より高い流速で流動させることが可能になる。より詳しくは、灯油系炭化水素の粘性率は、約８０℃で約１０ｃＰ以下であり、約０℃で約４０ｃＰ以下であり得る。これは、寄生的なポンプ出力の相当の増大なしに、燃料電池から浪費熱を除去することを促進する。流体誘電性冷却剤を循環させるために要求されるポンプ出力は、追加の開放式冷却剤流れ経路を有する二極式プレートを使用することにより減少させることができる。

本発明の灯油系炭化水素の凝固点は、約−３５℃以下であり得る。より詳しくは、灯油系炭化水素の凝固点は、−４０℃乃至約０℃の間にあり得る。その結果、灯油系炭化水素は、凍結に起因した冷却剤不能のリスク無しに、寒冷環境で用いることができる。温度範囲の他方の端点では、本発明の灯油系炭化水素の沸点は、約８５℃以上とすることができる。より詳しくは、灯油系炭化水素の沸点は、約１７５℃乃至約３２５℃であり得る。加えて、灯油系炭化水素は、約３７．７℃乃至約６５．５℃の引火点を有し、約４４４°Ｆ（２２８℃）で自動点火し得る。灯油系炭化水素の熱伝導率は、約０．１５Ｗ／ｍＫ以内でおり、より詳しくは、約０．０５乃至約０．４Ｗ／ｍＫであり得る。本発明の灯油系炭化水素の電気抵抗は、約１８Ｍオームｃｍ以上であり得る。より詳しくは、灯油系炭化水素の電気抵抗は、約０．２５乃至約４０Ｍオームｃｍの範囲であってもよい。

冷却剤の構成要素としての灯油系炭化水素の使用は、水性ベースの冷却剤とは異なり、燃料電池の有用寿命を延ばすことができる。例えば灯油等の灯油系炭化水素は、スタック成分を劣化させないであろう。その結果、腐食防止剤を、本発明の流体誘電性冷却剤に追加する必要はなくなる。

本発明の別の実施例によれば、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため、燃料（典型的にはガス状水素）を酸素と反応させるように構成された燃料電池が提供される。更に詳細を後述される燃料電池の他の構成要素の中で、燃料電池は、冷却剤隔離マニホルドを形成する冷却剤流れ経路を備えている。該マニホルドは、流体誘電性冷却剤を含み、該冷却剤は、燃料電池を冷却し、その構成部品の有用寿命を延ばすため用いられる本発明の上記第１の実施例で説明されたエマルジョンを含んでいる。

本発明の更に別の実施例によれば、複数の燃料電池を有する燃料電池スタックを備えるシステムが提供される。スタック内の各々の燃料電池は、電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成されている。スタック内に備えられているものは、冷却剤隔離マニホルドを形成する冷却剤流れ経路である。該マニホルドは、本発明の上記第１の実施例で説明されたように、極性内部相及び炭化水素外部相を形成するエマルジョンを含む流体誘電性冷却剤を含んでいる。

流体誘電性冷却剤の伝導度は、燃料電池スタックのための冷却剤を選択するとき、かなり重要となる。これは、主要には、各々のガス並びに冷却剤を冷却剤流れ経路に分布させるためヘッダー領域を用いているスタック設計の故である。このヘッダー領域では、５乃至１０Ｖ／ｃｍの電場が容易に得られる。水性冷却剤のイオン汚染は、伝導度を受容できないレベルにまで増大させるおそれがあり、ヘッダー領域に分流電流を引き起こす。

しかし、本発明の流体誘電性冷却剤エマルジョンは、イオン輸送を可能としない誘電体である。その結果、冷却剤エマルジョンは、汚染されたときでさえ、スタック構成要素に影響を及ぼさず、スタックのヘッダー領域の分流電流に起因した性能損失を可能とはしない。８０℃を超える温度で時期尚早に熱的に劣化する従来技術のイオン交換樹脂とは異なり、本発明の流体誘電性冷却剤エマルジョンは、ラジエータのところで消費熱を効率的に排出するため、遙かに高い温度でイオン交換器無しでも作働することができる。

本発明の燃料電池及びシステムは、更に、燃料流れ経路と、酸素流れ経路と、該燃料流れ経路及び該酸素流れ経路から流体的に分離した冷却剤流れ経路と、を備えるように構成された、電気化学的触媒反応電池を各々備えている。燃料流れ経路は、各燃料電池の少なくとも一部分を通して燃料を回送するように構成されたアノード流れ経路を備えていてもよい。電気化学式触媒反応電池は、アノード流れ経路と流体連通されたアノードを更に備えていてもよく、該アノードでは、燃料との触媒反応が発生するように構成されている。加えて、酸素流れ経路は、燃料電池の少なくとも一部分を通して酸素を回送するように構成されたカソード流れ経路を備えていてもよい。電気化学式触媒反応電池は、カソード流れ経路と流体連通されたカソードを更に備えていてもよく、該カソードでは、酸素との触媒反応が発生するように構成されている。その上、膜をアノード及びカソードの間に配置し、燃料電池又はシステムの作働中に、それらの間で電解質を介した連通が確立されるようにしている。

本発明の燃料電池及びシステムは、各々冷却剤流れ経路を有し、更に、再循環流れ経路、ポンプ及びラジエータを有する再循環アッセンブリを各々備えている。冷却剤隔離マニホルドは、入口及び出口を更に備えることができる。再循環流れ経路は、冷却剤隔離マニホルド入口から延在し、ポンプ及びラジエータを冷却剤隔離マニホルド出口に流体的に接続する。再循環アッセンブリは、冷却剤流れ経路を通して冷却剤を循環させ、かくして、燃料電池及び燃料電池スタックから消費熱を引き出し、それを、再循環流れ経路を介してラジエータへと分配するように構成されている。ラジエータは、加熱された誘電性冷却剤から熱を除去し冷却剤隔離マニホルドに戻すための再循環のときに効率的に作働する任意のラジエータとすることができる。

本発明を任意の特定の燃料電池構成に制限するわけではないが、ここで図２を参照すると、本発明に従って使用するための典型的な燃料電池又は燃料電池システムの概略図が一例として提供されている。燃料電池スタック１は、電気的に直列に、並列に、又は、その両方の組み合わせで接続することができる複数の個々の燃料電池を備えている。燃料電池スタック１の燃料側１１では、燃料（典型的には、ガス状の水素Ｈ_２）を、供給部２２から、バルブ２４及びライン２６を介して電気化学的触媒反応電池へと燃料電池内部に配置された燃料流れ経路を介して供給することができる。従って、燃料は、入口２８のところで燃料電池スタック１に入り、未消費の水素及び水を含む燃料排気ガスが、出口３０のところで燃料電池スタック１から出て行く。凝結した水は、収集貯蔵容器３２内に収容することができ、出て行った水素の一部分を、ポンプ３４を用いて入口２８へと戻すことができる。残りの燃料側排気ガスは、バルブ５０及びライン３６を介して、燃焼器装置３８に供給することができ、該燃焼器装置では、燃料側排気ガスがファン４０からの空気と共に燃焼され、その結果、燃焼排気ガス、主要には窒素と水蒸気とが、ライン４２を介して燃料電池スタック１から出て行く。貯蔵容器３２内に収集された水は、ドレインバルブ４４を用いて定期的に排出することができる。

燃料電池スタック１の燃料側１１では、リザーバー４６内に窒素Ｎ_２の供給部を設けることができる。燃料電池スタック１が作働オフのとき、バルブ２４を閉じることができ、燃料電池から水素Ｈ_２を排気するため燃料電池内の燃料流れ経路へとライン２６を介して窒素Ｎ_２を導入するようにバルブ４８を開放することができる。燃焼器３８内の制御された条件下で水素Ｈ_２を燃焼し、これにより、燃料電池内で水素Ｈ_２が蓄積する危険性を減少させることができる。燃焼装置３８は、連続的に作働状態にある必要はなく、バルブ５０を用いて燃料側１１の回路から遮断することができる。

酸素Ｏ_２が燃料電池スタック１の酸素側１３にライン５２を介して入り、モーター５４により駆動されるコンプレッサ５６によって該酸素を圧縮することができる。コンプレッサ５６の通過後には、酸素Ｏ_２は、ライン５８を通ってカソード入口６２に至り、酸素流れ経路を介して燃料電池内の電気化学的触媒反応電池に入る。排気ガスは、主として水蒸気、窒素及び酸素からなり、燃料電池スタック１の酸素出口６２から出て行く。該出口のところから、貯蔵容器６４内に水蒸気を収集することができる。その一方で、残りの排気ガスは、ライン６６及びバルブ６７を介して大気中に排出される。モーター（図示せず）により駆動されるオプションの予備コンプレッサ６８、又は、コンプレッサ５６を、システムを始動するため使用することができる。本システムの燃料側１１に関しては、貯蔵容器６４内に収集された水をシステムから選択的に排出することを可能にするためバルブ６５を使用することができる。

本発明によれば、再循環アッセンブリ１６は、システム作働中に、燃料電池スタック１の適切な冷却を確保するためループとして表されている。該アッセンブリ１６は、燃料側１１及び酸素側１３から自立しており、アッセンブリ１６内の誘電性冷却剤（極性内部相及び炭化水素外部相を形成するエマルジョン）は、反応電池内部で水素Ｈ_２及び酸素Ｏ_２の間の反応により発生された流体とは混合しない。アッセンブリ１６は、ポンプ１８及びラジエータ２０を有する閉じた再循環流れ経路を更に備えている。

図３に参照されるように、本発明のシステムは、車両ボディ７２を更に備えることができる。車両ボディ７５内に埋め込むことができる燃料電池スタック１は、車両ボディ７５に動力を少なくとも部分的に供給するように構成される。典型的にガス状の水素である燃料の供給部２２を設けることができる。図３に示された車両は、乗用車であるが、当該車両は、燃料電池システムにより電力供給され又は推進されることができる、現在知られている任意車両又は後に開発される任意車両であってもよい。例えば、自動車（即ち、車、軽量若しくは大型重量トラック、又は、トレイラートラック）、農場設備、航空機、船、鉄道エンジン等々が挙げられる。図３に示されたシステムは、燃料電池スタック１内部の分流電流の発生を減少させる上で有効な特性を有する、本願で説明された流体誘電性冷却剤エマルジョンにより冷却することができる。

本発明の更に別の実施例によれば、燃料電池又は燃料電池システムを冷却する方法が、提供される。本方法は、前述されたように構成された燃料電池又は燃料電池スタックを提供し、冷却剤隔離マニホルド内で流体誘電性冷却剤エマルジョンの極性内部相を蒸発させる、各工程を備え、これによって、極性内部相の潜熱が燃料電池から消費熱を引き出し、加熱された蒸気を生成するようにしている。このことは、約８０℃乃至約９０℃の作働温度を典型的に有する電気化学的触媒反応電池の内部温度を減少させる。

略一定の温度（即ち、極性内部相の沸点）及び圧力（即ち約１気圧）で、冷却剤隔離マニホルド内で極性内部相を沸騰させることにより、該極性内部相を蒸発させることができる。燃料電池の冷却工程に影響を与えるためには、冷却剤隔離マニホルド内で、極性内部相の一部分のみ、例えば、極性内部相のうち約５％より少ない一部分のみを蒸発させるだけで済む。これは、燃料電池内の「乾燥」の発生を有意に減少させ、低い熱伝導率の大きな蒸気気泡をプレート壁に隣接して形成し、プレート温度を指数関数的に上昇させる。

本方法は、冷却剤隔離マニホルド出口からラジエータへ再循環経路を介して加熱蒸気を循環させる工程を更に備え、これによって、加熱蒸気が冷却され、凝結液体を形成するように凝結し、流体誘電性冷却剤内で凝結液体を再乳状化させ、流体誘電性冷却剤を冷却剤隔離マニホルド入口へと戻す。

冷却剤隔離マニホルド内で蒸発冷却（２相沸騰）を用いることによる、本実施例によれば、本方法は、非連続的な極性内部相を沸騰させて除去することを可能にすることによって、流体誘電性冷却剤のエマルジョンの温度負荷特性を強化する。従って、極性化合物の蒸発の大きな潜熱に起因した冷却剤温度の上昇が全くか又はほとんど無い状態で、有意な量の熱を、電気化学的触媒反応電池から散逸させることができる。

更には、蒸発及び凝結が繰り返し起こっている間に、結局のところ水／不凍剤の液滴が蒸発し、純粋な水及び純粋な不凍液滴へと凝結する状況で、低温（即ち、詳細で約−３７℃の凝固点）における極性内部相の分別蒸留及び凍結を防止するため、極性内部相は、そのアゼオトロープ組成又はその近傍の組成にあるように形成される。アゼオトロープという用語は、定沸騰組成、即ち、液体から沸騰した蒸気は、液体と同じ組成を有するということを意味している（即ち、蒸気組成は液体組成に等しい）。極性内部相がそのアゼオトロープ組成又はその近傍にある場合、それは、アゼオトロープ混合として及び純粋な不凍剤として細分化する組成であるべきである。他の場合では、純水液滴は、蒸留時に低温度で凍結するであろう。かくして、低凝固点の水性内部相がそのアゼオトロープ組成にある状態が典型的となる（例えば、２ブタノール／水、水／エタノール、水／プロパノール／プロピルアセテート等）。蒸気相組成が液層組成と同一であるため、分別蒸留は、起こり得ない。更には、沸騰は、圧力が一定のままであると仮定して、一定温度で起こる。しかし、アゼオトロープ組成が安定化することが困難である場合には、蒸留液滴は、アゼオトロープ組成及び純粋な不凍剤からなり、凍結する純水ではない、組成を用いるのが最良である。

本発明をより容易に理解するために、次の例を参照する。ここで、該例は、本発明を解説することが意図されており、本発明の範囲を制限するものではない。
図４は、灯油だけで６ｖ／ｏ及び水相１ｖ／ｏで２０ｖ／ｏの水性内部相（水が３２／２ブタノールが６８）に関して、各々、水相及び総冷却剤濃度に基づき、水と同様の温度負荷を生成するため蒸発させる必要量を示している。以下の式１及び２は、図４で与えられたデータを計算するため使用された。ここで、スタック温度降下（Ｔ_ｏｕｔ−Ｔ_ｉｎ）が１０℃に等しく、水及び冷却剤の流量が等しいという「混合ルール」が、水相及び冷却剤のＣｐ及び潜熱を計算するため使用され、ここにｗ＝水、ａ＝水相、ｃ＝冷却剤、及び、Ｅ＝蒸発率を表している。

本発明は、幾つかの実施例を参照して説明されたが、説明された本発明のコンセプトの精神及び範囲内で多数の変更をなすことができることが理解されるべきである。従って、本発明は、開示された実施例に限定されるものではなく、請求の範囲の言語により可能となる全ての範囲を網羅している。

図１は、炭化水素外部相に分散された極性内部相を示す、本発明の流体誘電性冷却剤乳濁駅の概略図である。 図２は、本発明に係る燃料電池スタックを備えるシステムの概略図である。 図３は、本発明に係る車両ボディを更に含むシステムの概略図である。 図４は、本発明に係る燃料電池の冷却工程に影響を与えるため蒸発される極性内部相のパーセンテージをプロットした図である。

Claims (32)

1. エマルジョンを含む流体誘電性冷却剤であって、
   前記エマルジョンは、極性内部相と、炭化水素外部相と、を形成し、
   前記極性内部相は、アゼオトロープ混合物を含み、
   前記アゼオトロープ混合物は、水、アルコール又はそれらの組み合わせから選択された１つ以上の極性化合物を含んでいる、流体誘電性冷却剤。
2. 前記エマルジョンは、約２．８Ｊ／ｇ／Ｋ以内の熱容量を有する、請求項１に記載の流体誘電性冷却剤。
3. 前記極性内部相は、前記エマルジョンのうち約１乃至約５０％を占める、請求項１に記載の流体誘電性冷却剤。
4. 前記アゼオトロープ混合物は、水成分と、アルコール成分とを含む、請求項１に記載の流体誘電性冷却剤。
5. 前記水成分は、前記極性内部相のうち約５％から約４０％を占める、請求項４に記載の流体誘電性冷却剤。
6. 前記アルコール成分は、前記極性内部相のうち約６０％から約９５％を占める、請求項４に記載の流体誘電性冷却剤。
7. 前記水は、消イオン水である、請求項１に記載の流体誘電性冷却剤。
8. 前記アルコールは、エチレングリコール、プロピレングリコール、エタノール、メタノール、アセトン、アセトニトリル、２−ブタノール、ジクロロエタン、トリエチルアミン、アセタル、アリルアルコール、シクロヘキサン、プロパノール、プロピルアセテート、１，３プロパンジオル、又は、それらの組み合わせから選択される、請求項１に記載の流体誘電性冷却剤。
9. 前記極性内部相は、
   約２．５Ｊ／ｇ／Ｋ以上の熱容量、
   約６０℃以上の沸点、
   約−３５℃以下の凝固点、
   約８０℃で約２ｃＰ以下の粘性率、
   約０．４Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率、及び、
   約０．２５Ｍオームｃｍ以上の電気抵抗を有する、請求項１に記載の流体誘電性冷却剤。
10. 前記極性内部相は、
    約６０℃乃至約１００℃の沸点、
    約−３５℃乃至約−４０℃の凝固点、
    約０℃で約１５ｃＰ以下の粘性率、
    約０．０５乃至約０．４Ｗ／ｍＫの熱伝導率、及び、
    約０．２５乃至約４０Ｍオームｃｍの電気抵抗を有する、請求項１に記載の流体誘電性冷却剤。
11. 前記炭化水素外部相は、前記エマルジョンのうち約５０乃至約９５％を占める、請求項１に記載の流体誘電性冷却剤。
12. 前記炭化水素外部相は、灯油系炭化水素を含む、請求項１に記載の流体誘電性冷却剤。
13. 前記灯油系炭化水素は、灯油を含む、請求項１２に記載の流体誘電性冷却剤。
14. 前記灯油系炭化水素は、約２．５Ｊ／ｇ／Ｋ以内の熱容量を有する、請求項１２に記載の流体誘電性冷却剤。
15. 前記灯油系炭化水素は、
    約８０℃で約１０ｃＰ以下の粘性率、
    約−３５℃以下の凝固点、
    約８５℃以上の沸点、
    約０．１５Ｗ／ｍＫ以内の熱伝導率、及び、
    約１８Ｍオームｃｍ以上の電気抵抗を有する、請求項１２に記載の流体誘電性冷却剤。
16. 前記灯油系炭化水素は、
    約０℃で約４０ｃＰ以下の粘性率、
    約−４０℃乃至約０℃の凝固点、
    約１７５℃乃至約３２５℃の沸点、
    約０．０５乃至約０．０４Ｗ／ｍＫの熱伝導率、及び、
    約０．２５乃至約４０Ｍオームｃｍ以上の電気抵抗を有する、請求項１２に記載の流体誘電性冷却剤。
17. 前記灯油系炭化水素は、約３７．７℃乃至約６５．５℃の引火点を有し、該灯油系炭化水素は、約２２８℃で自動点火する、請求項１２に記載の流体誘電性冷却剤。
18. 電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成された燃料電池であって、
    前記燃料電池は、燃料流れ経路と、酸素流れ経路と、該燃料流れ経路及び該酸素流れ経路から流体的に分離した冷却剤流れ経路とを有し、
    前記冷却剤流れ経路は、冷却剤隔離マニホルドを形成し、該冷却剤隔離マニホルドは、エマルジョンを含む流体誘電性冷却剤を有し、該エマルジョンは、極性内部相と、炭化水素外部相とを形成し、該極性内部相は、アゼオトロープ混合物を含み、該アゼオトロープ混合物は、水、アルコール又はそれらの組み合わせから選択された１つ以上の極性化合物を含んでいる、燃料電池。
19. 前記燃料流れ経路は、前記燃料を前記燃料電池の少なくとも一部分を通して回送するように構成されたアノード流れ経路を備え、
    前記酸素流れ経路は、前記酸素を前記燃料電池の少なくとも一部分を通して回送するように構成されたカソード流れ経路を備える、請求項１８に記載の燃料電池。
20. 前記電気化学的触媒反応電池は、
    前記アノード流れ経路と流体的に連通し、前記燃料との触媒反応が生じるところのアノードと、
    前記カソード流れ経路と流体的に連通し、前記酸素との触媒反応が生じるところのカソードと、
    前記燃料電池の作働中に、前記アノード及び前記カソードの間で電解質を介した連通が確立されるように該アノード及び該カソードの間に配置された膜と、
    を更に備える、請求項１９に記載の燃料電池。
21. 前記燃料電池は、再循環アッセンブリを更に備え、該再循環アッセンブリは、再循環流れ経路と、ポンプと、ラジエータとを有し、
    前記冷却剤隔離マニホルドは、入口及び出口を備え、
    前記再循環流れ経路は、前記冷却剤隔離マニホルドの前記入口と前記出口とを流体的に接続する、請求項１８に記載の燃料電池。
22. システムを更に備え、
    該システムは、前記燃料電池を複数備える燃料電池スタックを有する、請求項１８に記載の燃料電池。
23. 前記システムは、車両ボディを更に備え、
    前記燃料電池スタックは、前記車両ボディに少なくとも部分的に原動力を提供するように構成されている、請求項２２に記載の燃料電池。
24. 燃料電池を冷却する方法であって、
    電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成され、前記反応生成物の一つが消費熱であるところの燃料電池を提供し、
    燃料流れ経路と、酸素流れ経路と、該燃料流れ経路及び該酸素流れ経路から流体的に分離した冷却剤流れ経路とを有する電気化学的触媒反応電池を備えるように、前記燃料電池を構成する工程と、
    前記冷却剤流れ経路を、冷却剤隔離マニホルドを形成するように構成する工程であって、該冷却剤隔離マニホルドは、入口と、出口と、エマルジョンを含む流体誘電性冷却剤とを有し、該エマルジョンは、極性内部相と、炭化水素外部相とを形成し、該極性内部相は、アゼオトロープ混合物を含み、該アゼオトロープ混合物は、水、アルコール又はそれらの組み合わせから選択された１つ以上の極性化合物を含む、前記工程と、
    再循環流れ経路と、ポンプと、ラジエータとを有する再循環アッセンブリを提供し、該再循環アッセンブリを前記再循環流れ経路が前記冷却剤隔離マニホルドの前記入口と前記出口とを流体的に接続するように構成する工程と、
    前記冷却剤隔離マニホルド内で前記極性内部相を蒸発させ、これによって、該極性内部相の潜熱が前記燃料電池から前記消費熱を引き出し、加熱された蒸気を生成する工程と、
    前記加熱された蒸気を、前記冷却剤隔離マニホルドの出口から前記再循環流れ経路を介して前記ラジエータまで循環させる工程であって、これによって、該加熱された蒸気が冷却され、凝結液体を形成するように凝結される、前記工程と、
    前記流体誘電性冷却剤内の前記凝結液体を再乳状化し、該流体誘電性冷却剤を前記冷却剤隔離マニホルドの入口に戻す工程と、
    を備える、方法。
25. 前記燃料流れ経路を、前記燃料が前記燃料電池の少なくとも一部分を通して回送されるようになったアノード流れ経路を備えるように構成し、
    前記酸素流れ経路を、前記酸素が前記燃料電池の少なくとも一部分を通して回送されるようになったカソード流れ経路を備えるように構成する、各工程を更に備える、請求項２４に記載の方法。
26. 前記電気化学的触媒反応電池が、
    前記アノード流れ経路と流体的に連通し、前記燃料との触媒反応が生じるところのアノードと、
    前記カソード流れ経路と流体的に連通し、前記酸素との触媒反応が生じるところのカソードと、
    前記燃料電池の作働中に、前記アノード及び前記カソードの間で電解質を介した連通が確立されるように該アノード及び該カソードの間に配置された膜と、
    を更に有するように前記電気化学的触媒反応電池を構成する工程を更に備える、請求項２５に記載の方法。
27. 前記極性内部相の少なくとも一部分を、前記冷却剤隔離マニホルド内の該極性内部相を実質的に一定の温度及び圧力で沸騰させることにより、蒸発させる工程を更に備える、請求項２４に記載の方法。
28. 前記極性内部相の前記一部分は、約５％より少ない、請求項２７に記載の方法。
29. 前記実質的に一定の温度は、前記極性内部相の沸点である、請求項２７に記載の方法。
30. 前記実質的に一定の圧力は、約１気圧である、請求項２７に記載の方法。
31. 前記冷却剤隔離マニホルド内の前記極性内部相を蒸発させる工程では、前記電気化学的触媒反応電池の内部温度を減少させる、請求項２４に記載の方法。
32. 燃料電池を冷却する方法であって、
    電流及び少なくとも１つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成され、前記反応生成物の一つが消費熱であるところの燃料電池を提供し、
    燃料流れ経路と、酸素流れ経路と、該燃料流れ経路及び該酸素流れ経路から流体的に分離した冷却剤流れ経路とを有する電気化学的触媒反応電池を備えるように、前記燃料電池を構成する工程と、
    前記冷却剤流れ経路を、冷却剤隔離マニホルドを形成するように構成する工程であって、該冷却剤隔離マニホルドは、入口と、出口と、エマルジョンを含む流体誘電性冷却剤とを有し、該エマルジョンは、極性内部相と、炭化水素外部相とを形成し、該極性内部相は、アゼオトロープ混合物を含み、該アゼオトロープ混合物は、水、アルコール又はそれらの組み合わせから選択された１つ以上の極性化合物を含み、前記水は消イオン水を含み、前記炭化水素外部相は、灯油を含む、前記工程と、
    再循環流れ経路と、ポンプと、ラジエータとを有する再循環アッセンブリを提供し、該再循環アッセンブリを前記再循環流れ経路が前記冷却剤隔離マニホルドの前記入口と前記出口とを流体的に接続するように構成する工程と、
    前記冷却剤隔離マニホルド内で前記極性内部相を略一定の温度及び圧力で沸騰させることにより、該極性内部相の少なくとも一部分を蒸発させ、これによって、該極性内部相の潜熱が前記燃料電池から前記消費熱を引き出し、加熱された蒸気を生成する工程であって、前記極性内部相の前記一部分が約５％より小さく、前記略一定の温度が前記極性内部相の沸点であり、前記略一定の圧力が約１気圧である、前記工程と、
    前記加熱された蒸気を、前記冷却剤隔離マニホルドの出口から前記再循環流れ経路を介して前記ラジエータまで循環させる工程であって、これによって、該加熱された蒸気が冷却され、凝結液体を形成するように凝結される、前記工程と、
    前記流体誘電性冷却剤内の前記凝結液体を再乳状化し、該流体誘電性冷却剤を前記冷却剤隔離マニホルドの入口に戻す工程と、
    を備える、方法。

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