专利名称：用于燃料电池堆的环境友好的廉价介电冷却剂的制作方法
背景技术：
本发明一般涉及液体冷却的燃料电池，更具体地涉及燃料电池、系统和冷却燃料电池的方法。
发明概述燃料电池依靠氢氧化和氧还原产生电能。这些催化反应的副产物为水。热力学上，氢燃料在阳极处的氧化和氧在阴极处的还原应提供约1.23V的电池电位，其中阳极和阴极都位于燃料电池内。但是，实际测得的值一般为大约1V。这种电池电压差异主要由于阴极的缓慢动力学造成，其等于几乎200mV的电池电压损失。这种电池电压损失的结果是燃料电池内过量热的表达。这种过量热的移去对提高燃料电池元件的有效寿命是必不可少的。
由于在堆中排列多个燃料电池以提高电输出，热产生量变得相当高。因此，为了移去这种过量的热，使用具有高热容并在约-40℃和约140℃之间的温度下物理上稳定的冷却剂。常规内燃机车辆使用的水溶性冷却剂在这个范围内，并一般包括乙二醇和水的混合物。但是，目前燃料电池堆的设计需要冷却剂应基本不导电(介电)。如果冷却剂有明显的导电性，将导致各种导电冷却剂引起的堆问题，包括降低燃料效率的分路电流，顶部区域的气体逸出(O2和H2)在燃料电池内形成增加的压力，需要排气，着色剂降解、氧化剂降解、堆元件包括涂层起泡和腐蚀加速。
本发明人认识到对燃料电池堆液体冷却剂技术改进的需要。
本发明通过提供燃料电池堆用环境友好的、便宜的和易于得到的介电冷却剂满足上述需要，冷却剂能很好地适用于利用燃料电池技术驱动的车辆。术语“环境友好的”是指介电冷却剂是无毒的可生物降解的材料。尽管本发明不限于具体的优点或功能，但注意到由于冷却剂为介电的，并且不允许任何离子传输，因此它不会影响堆元件，并且不允许由堆顶部区域上分路电流造成的任何性能损失。因此，不需要添加腐蚀抑制剂来阻止燃料电池元件的溶解。尽管本发明的介电冷却剂的热容稍微低于水基冷却剂，但本发明的冷却剂具有相对低的运动粘度，这使它在较高的流速下被泵送来移去废热，而寄生抽吸功率没有明显增加。此外，介电冷却剂相对高的沸点使在较高温度(～140℃)下运行燃料电池堆和冷却剂循环成为可能，这增加了将热从散热器排出到环境的能力。
在一种实施方案中，本发明提供一种设计使燃料与氧反应产生电流和至少一种反应产物的燃料电池。燃料电池包括电化学催化反应电池，该反应电池被设计包括燃料流道、氧气流道和与燃料流道和氧气流道流体分离的冷却剂流道。冷却剂流道限定为包括流体介电冷却剂的冷却剂隔离歧管，流体介电冷却剂包括植物油基介电流体。
在另一种实施方案中，本发明提供一种包括燃料电池堆的系统，燃料电池堆包括多个燃料电池，其中每个燃料电池被设计使燃料与氧反应产生电流和至少一种反应产物。每个燃料电池包括电化学催化反应电池，该反应电池被设计包括燃料流道、氧气流道和与燃料流道和氧气流道流体分离的冷却剂流道。冷却剂流道限定为包括流体介电冷却剂的冷却剂隔离歧管，流体介电冷却剂包括植物油基介电流体。
在又一种实施方案中，本发明的系统还提供车体。燃料电池堆被设计用于至少部分为车体提供动力。
在还一种实施方案中，本发明提供一种冷却燃料电池的方法，包括提供设计使燃料与氧反应产生电流和至少一种反应产物的燃料电池。该方法包括设计燃料电池包括电化学催化反应电池，该反应电池被设计包括燃料流道、氧气流道和与燃料流道和氧气流道流体分离的冷却剂流道。该方法还包括设计冷却剂流道限定为包括流体介电冷却剂的冷却剂隔离歧管，流体介电冷却剂包括植物油基介电流体。
从下面结合附图的本发明详细描述中将能更充分理解本发明的这些和其它特征和优点。注意权利要求的范围由其叙述限定，而不是由本发明中所述特征和优点的具体讨论来限定。
附图简述当结合下面的图阅读时可最好地理解本发明实施方案的以下详细描述，其中相同的结构用相同的引用数字标示，其中
图1为根据本发明的系统的示意图；图2为根据本发明的还包括车体的系统的示意图；和图3显示了在存在根据本发明的植物油基介电冷却剂时在不锈钢试样上得到的电流瞬态。
技术人员能认识到图中的元件被简单明了示出，并没有必要按比例描绘。例如，图中一些元件的尺寸可相对于其它元件被扩大，以帮助提高对本发明实施方案的理解。
部分发明实施方案的详细描述按照本发明的一种实施方案，提供一种被设计使燃料(典型地，气态氢)与氧反应产生电流和至少一种反应产物的燃料电池。其中下面将更详细地描述燃料电池的其它元件，燃料电池包括限定为冷却剂隔离歧管的冷却剂流道。歧管包括流体介电冷却剂，其被用于冷却燃料电池和增加电池组件的有效寿命。
流体介电冷却剂包括植物油基介电流体，其可包括至少一种植物油。典型地，植物油基介电流体包括约98.5％的植物油。植物油可从植物物质中得到，并一般包括由多元醇骨架如甘油形成的混合甘油酯，其中构成羟基被相等或接近相等数目的脂肪酸分子酯化。许多有用的植物油为甘油三酯，即三个脂肪酸分子与甘油骨架化学键合的甘油酯。这类甘油三酯通常具有下式 其中R1、R2和R3各自独立地为烷基或烯基，烷基或烯基可为直链或支链的，可为饱和或不饱和的，可为未取代的或被一个或多个官能或非官能单元取代的。植物油还可限定为食用种子基酯，该酯可包括包含直链的脂肪酸甘油三酯，其中直链具有14和22个之间的碳原子和0和3个之间的双键。
植物油功能性质的差异通常可归因于它们的构成脂肪酸分子的变化。存在几种不同的脂肪酸，包括下面的，它们全部可存在于本发明的植物油中肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸、花生酸、二十烯酸、二十二酸、芥酸、palmitiolic acid、二十二碳二烯酸、lignoseric acid、二十四烯酸(tetracossenoic acid)、十七酸、十七碳一烯酸(margaroleic acid)、顺9二十碳烯酸、辛酸、癸酸、月桂酸、十五烷酸、十七酸和它们的组合。这些脂肪酸分子还可在不饱和度上有差别，并因此可包括单不饱和和多不饱和脂肪酸，以及饱和脂肪酸，或它们的组合。更特别地，本发明的植物油基介电流体可包括23.8％±0.1％的单不饱和脂肪酸、59.9％±0.1％的多不饱和脂肪酸和15.7％±0.1％的饱和脂肪酸。
脂肪酸分子可按任意数量的方式排列在多元醇骨架上，并且每个多元醇可具有一个、两个或几个不同的构成脂肪酸分子。甘油三酯分子上的三个脂肪酸分子例如可为相同的，或可包括两个或三个不同的脂肪酸分子。尽管植物物质中存在的甘油三酯化合物的组成在种与种之间不同，并且在特定种的系与系之间差异较小，但从单一的植物种系得到的植物油通常具有相同的脂肪酸组成。
每种自然存在的甘油三酯都具有一组独特的性质。例如，一些甘油三酯比其它一些更易于氧化。根据本发明，一般使用脂肪酸分子包括不饱和度至少为1(即至少一个C＝C双键)的组分的油。这种选择达到了氢气逸出中氧化作用与所需还原之间的平衡。已发现含有单不饱和化合物的油没有多饱和的油氧化快，因此在本发明中一般被使用。适用于本发明的具体的代表性植物油包括下面这些蓖麻油、椰子油、玉米油、棉籽油、crambie油、加州希蒙得木油、lesquerella油、亚麻子油、橄榄油、棕榈油、油菜籽(改良油菜籽油)油、红花油、葵花油、豆油、veronia油和它们的组合。
形成本发明的植物油基介电流体的植物油可单独使用，或可与一种或多种其它植物油混合在一起。在合适的情况下，植物油或植物油混合物还可与一种或多种合成油混合，包括从石油得到的矿物油。当植物油与或植物油混合物与一种或多种合成油混合时，得到的混合物中的非植物油组分的数量和/或特征应不妨碍植物油基介电流体的有益性质。因此，例如，任何有效量的氯化流体(芳香族氯化化合物如三氯苯或多氯联苯)将否定植物油组分的多种正环境属性。当使用这类混合物时，混合物应包含不超过约50wt％的从石油得到的矿物油。或者，混合物可包含不超过约30wt％或不超过约20wt％的这种从石油得到的矿物油。此外，植物油基介电流体应基本不含氯化的化合物，以便它包含少于约20wt％的氯化流体。或者，介电流体可包含少于约5wt％或少于约1wt％的这种氯化流体。植物油基介电流体还可为“食品级”，即它不包含任何被认为有毒性或另外在生物学上有害的组分。
植物油基介电流体具有基本透明的外观，在需要时，可用合适的染料或颜料着色或上色。例如，介电流体可带绿色以便象征它的环境友好或“绿色”特性。任何已知的染料或颜料可用于此目的，大多数可作为食品添加剂从商业上得到。最有用的染料和颜料为可溶于油的那些。
本发明的植物油基介电流体作为冷却剂的使用可延长燃料电池的有效寿命，这不象水基冷却剂，植物油基介电流体不会使堆元件降解。因此，不需要向本发明的流体介电冷却剂中加入腐蚀抑制剂。
尽管其它非介电水基冷却剂比本发明的植物油基介电流体具有更高的热容，但植物油基介电流体的相对低运动粘度使它能以较高的流速被泵送。根据本发明，植物油基介电流体在100℃下可具有在约2和约15cSt之间的粘度，在100℃下更尤其小于或约为9cSt，在40℃下小于或约为110cSt，在40℃下更尤其小于或约为40cSt。另外，植物油基介电流体的热容(比热)可大于或约为0.3cal/g·℃，在25℃下更尤其为0.45(cal/gm/℃)，或在100℃下为2.39J/g/K(和水4.2J/g/K相比)和50℃下为2.10J/g/K。这有利于废热从燃料电池中除去而没有寄生抽吸功率的相当大损耗。通过使用具有附加开放冷却剂流道的双极板可降低循环流体介电冷却剂需要的抽吸功率。
本发明的植物油基介电流体在低温下的性能在某些应用中如在寒冷天气环境下非常重要。一些植物油本身不具有足够低至适合寒冷环境中标准燃料电池冷却剂应用的倾点值。不象一些常规的矿物油，植物油还可能在被冷却至刚刚稍微超过它们的倾点温度较长时间后就固化或成冻胶。典型的燃料电池应用需要冷却剂具有低于约-20℃的倾点。可改性本发明的植物油基介电流体以确保在寒冷天气环境中一般遇到的适度低温(低于约-20℃)下的流动性。介电流体的合适改性包括加入降倾点剂，以便植物油基介电流体具有小于或约为-20℃的倾点。合适的降倾点剂包括聚醋酸乙烯酯低聚物和聚合物，丙烯酸低聚物和聚合物，和它们的组合。
还可通过审慎地混合油改善低温特性。某些油混合物例如比它们的单独成分油具有低的倾点。例如，分别与成分(I)和(II)油的-15℃和-16℃相比，25wt％的豆油(I)和75wt％的油菜籽油(II)的混合物具有-24℃的倾点。表现出倾点类似有利降低的其它植物油混合物包括25％的大豆油+75％的油酸酯改性油；50％的大豆油+50％的油酸酯改性油；和25％的大豆油+75％的葵花油。应理解这种油混合物的列表不是唯一的，仅仅是被提供以说明本发明的特点。
在温度范围的另一端，植物油基介电流体的沸点大于或约为330℃。另外，植物油基介电流体具有耐火性能，并表现出大于或约为300℃的闪点，或闭杯更尤其约316℃和开杯约330℃，燃点大大超过常规和高燃点、“可燃性低”的介电流体的可接受的300℃最小标准。可燃性低的流体被National Electrical Safety Code(AccreditedStandards Committee C2)的第15节视为防火。本发明的植物油基介电流体作为列出的可燃性低的液体，满足National ElectricalCode Section 450-23的要求。它被OSHA Article§1910.305，Section(v)包含。按NEC Article 450-23，本发明的介电流体为FactoryMutual Approved and UL Calssified“Less-Flammable”，按NEC符合Listed Product的定义。植物油基介电流体可包括几种油，例如，一般燃点大于或约为340℃、更尤其是开杯约360℃的油。植物油基介电流体冷却剂的热导率25℃下可达到并包括约4.0×10-4cal/(cm·sec·℃)。
本发明的植物油基介电流体特征在于介电强度大于或约为30kV/100密耳间隙，25℃更尤其为约56kV(0.080”间隙)或25℃下47kV，25℃时的膨胀系数为约7.4×10-4/℃，25℃时的介电常数或相对电容率为约3.2，25℃时的耗散或功率因数小于或约为0.05％，25℃时更尤其小于或约为0.03％，25℃时的体积电阻率为约30×1012Ω-cm，25℃时的击穿电势大于或约为47kV。此外，植物油基介电流体特征还在于冲击强度(球对球)在0.15”间隙时为约226kV，产气趋势为约-79μL/min，25℃时的比重为约0.92，25℃时的界面张力大于或约为20mN/m，25℃时更尤其为约27mN/m，pH为约5.8，中和(酸)值小于或约为0.07mg KOH/g，更尤其约0.022mg KOH/g。介电流体在20℃下表现出小于或约为0.01mm Hg的蒸汽压，在水中的溶解度小于或约为0.1％，并包含少于或约0.001g/L的一种或多种挥发性有机化合物。
由于对介电性能的负面效应，因此植物油基介电流体中水、极性污染物的存在是不受欢迎的。流体中的水往往提高了植物油中脂肪酸酯化学分解的速度，并与这类反应可用的水量成比例。这种反应的最明显指标是中和值的显著升高。
燃料电池必须操作的宽温度范围使这种问题更复杂。已知矿物油的介电击穿特性和其它介电性质直接与油中存在水的饱和度相关。油的水饱和点又为温度的函数。当达到饱和点时，介电强度迅速下降。一般用作介电冷却剂的矿物油的水饱和点在室温下为大约65ppm，但在约100℃下超过500ppm。暴露于宽温度变化的燃料电池可经历介电流体中水饱和度的波动，在高操作温度(约140℃)下溶解的或汽/液平衡中的水在油温度降低时会沉淀或冷凝。
与矿物油相比，植物油通常具有高得多的水分饱和点；室温下一般在500ppm以上。因此，新燃料电池系统中使用的植物油中可接受的水分水平可比常规矿物油的那些高得多。但是，由于植物油中水的存在可导致成分脂肪酸酯的另外分解，因此对于饱和度，制备植物油基介电流体中使用的水分去除方法应争取能达到矿物油一般要求的那些以下的水分水平。室温下植物油中小于或约为200ppm、更尤其约20mg/kg的水分含量，或约为5-10％之间、更尤其为约1-2％之间的水分饱和度是典型的。此外，本发明的植物油基介电流体特征在于1大气压和25℃下空气溶解性为约16％。还可通过过滤或其它合适的方式除去颗粒和其它杂质来加工油。这可按照与处理和加工常规矿物油基介电材料的技术类似的方式来完成。
可通过使用任何已知的提高介电流体稳定性或性能的常规方法来提高本发明的植物油基介电流体的长期稳定性。例如，可向介电流体中加入一种或多种防老化或抗菌化合物。用于此目的的有用抗氧化化合物可直接溶解在包括植物油的介电流体中，并包括例如BHA(丁基化氢化苯甲醚)、BHT(丁基化氢化甲苯)、TBHQ(叔丁基氢醌)、THBP(四氢butrophenone)、抗坏血酸棕榈酸酯(迷迭香油)、没食子酸丙酯和α-、β-或δ-生育酚(维生素E)。通常还需要在介电流体中包括一种或多种抑制微生物生长的添加剂。任何与介电流体相容的抗菌物质都可混合到流体内。在一些情况下，用作防老剂的化合物也可用作抗菌剂。已知例如酚类防老剂如BHA还表现对细菌、霉菌、病毒和原生动物的一定活性，尤其当与其它抗菌物质如山梨酸钾、山梨酸或单酸甘油酯一起使用时，维生素E、抗坏血酸棕榈酸酯和其它已知的化合物还适于用作介电流体的抗菌添加剂。
本发明的植物油基介电流体特征在于“环境友好”。因此，介电流体被特别地配制以最小化健康和环境危险。它由本文描述的可再生的、可循环的和可再用的天然资源、商品食品级种子油和食品级性能增强添加剂制成。不需要基因改变的种子油。植物油基介电流体可用作燃料电池用石油得到的流体冷却剂的替代物，石油得到的流体冷却剂消耗不可再生的资源。
本发明的介电流体为无毒性的、非生物累积的和可容易生物降解的，从而它能在土壤和水生环境中快速和完全地生物降解。它的生物降解比例符合Environmental Protection Agency’s(EPA)标准参考材料(柠檬酸钠)，并按照EPA Test OPPTS 835.3100被认为“可最终生物降解”。植物油基介电流体不包含可能有害的石油、卤或硅酮化合物，因此流体如果发生意外溢出会提供降低的环境影响。流体在薄层暴露于热和气流时聚合的能力有助于防止沿表面迁移并进入到地下的土壤内。
植物油基介电流体特征在于生物化学需氧量对化学需氧量(BOD/COD)的比为约45％，5天生物化学需氧量大于或约为200ppm，21天生物降解比例大于或约为99％，LC50小于或约为250mg/L，在按照Trout Fly Acute Toxicity Test OECD G.L.203测试时达到零死亡率。
根据本发明的另一种实施方案，提供一种系统，包括组合形成燃料电池堆的多个燃料电池。堆内的每个燃料电池被设计使燃料与氧反应产生电流和至少一种反应产物。堆中包括冷却剂流道，其限定为冷却剂隔离歧管。歧管包括包含植物油基介电流体的流体介电冷却剂。
当选择燃料电池堆冷却剂时，流体介电冷却剂的传导性非常重要。这主要是因为堆设计使用顶部区域分配反应气体以及冷却剂到冷却剂流道。在这个顶部区域，容易地达到10V/cm的电场。含水冷却剂的离子污染可提高传导性到引起顶部区域分路电流的不可接受水平。
但是，本发明的植物油基冷却剂为介电的，其不允许离子传输。因此，即使被污染时，植物油基介电流体冷却剂也不会影响堆元件，也不会允许由于堆顶部区域上的分路电流而引起性能损失。而且不象在超过90℃的温度下过早热降解的离子交换树脂，本发明的介电冷却剂能在高得多的温度下没有离子交换剂地运行，以便有效地排出散热器处的废热。
本发明的燃料电池和系统各自还包括电化学催化反应电池，该电池被设计包括燃料流道、氧气流道和与燃料流道和氧气流道流体分离地冷却剂流道。燃料流道可包括被设计通过每个燃料电池的至少一部分输送燃料的阳极流道。电化学催化反应电池可还包括与阳极流道流体连通的阳极，在其上设计发生与燃料的催化反应。另外，氧气流道可包括被设计通过每个燃料电池的至少一部分输送氧的阴极流道。电化学催化反应电池可还包括与阴极流道流体连通的阴极，在阴极上设计发生与氧的催化反应。此外，膜可被布置在阳极和阴极之间，以便在燃料电池或系统运行过程中在其之间建立电解质联系。
各自包括冷却剂流道的本发明的燃料电池和系统可各自还包括循环装置，循环装置包括循环流道、泵和散热器。冷却剂隔离歧管可还包括进口和出口。循环流道从冷却剂隔离歧管进口延伸，并流体连接泵和散热器到冷却剂隔离歧管出口。设计循环装置通过冷却剂流道循环冷却剂，从而从燃料电池或燃料电池堆中抽出废热并通过循环流道输送到散热器。散热器可为能有效从加热的介电冷却剂中移去热并循环回到冷却剂隔离歧管的任何散热器。
尽管不打算限制本发明到任何特定的燃料电池结构上，但现在还是参考图1，提供按照本发明使用的典型燃料电池或系统的示意图作为实例。燃料电池堆1包括多个可电串联、并联或两者混联的独立燃料电池。在燃料电池堆1的燃料侧11，可经由阀24和管线26从供应源22将燃料(典型地，为气态氢H2)通过燃料流道供到电化学催化反应电池，燃料流道位于燃料电池内。燃料因此在进口28处进入燃料电池堆1，而包含未消耗氢和水的燃料排气在出口30处离开燃料电池堆1。在收集容器32中接受冷凝下来的水，而部分离开氢可借助泵34回到进口28。其余的燃料侧排气可通过阀50和管线36供给到燃烧器设备38，燃料侧排气在这里与来自鼓风机40的空气一起被燃烧，从而排气燃烧，主要是氮气和水蒸气通过管线42离开燃料电池堆1。在容器32中收集的水可通过排出阀44定期排出。
在燃料电池堆1的燃料侧11处，还可有在储器46中的氮气N2供应源。当燃料电池堆1关闭时，可关闭阀24并打开阀48以便通过管线26引入氮气N2到燃料电池中的燃料流道内，以从燃料电池中置换氢气H2。然后可在燃烧器38中在控制条件下燃烧氢气H2，从而降低了燃料电池中氢气H2聚集的危险。燃烧设备38不需要连续操作，并可通过阀50与燃料侧11线路隔离。
氧气O2通过管线52进入燃料电池堆1的氧气侧13，并可通过电机54驱动的压缩机56压缩。在通过压缩机56后，氧气O2通过管线58到氧气进口60，它在这里通过氧气流道进入燃料电池内的电化学催化反应电池。排气主要由水蒸气、氮气和氧气组成，从燃料电池堆1的氧气出口62离开，在这里水蒸气可被收集到容器64内，而剩余的排气通过管线66和阀67被排出到大气。可使用任选的辅助压缩机68或压缩机56启动系统，辅助压缩机68也由电机驱动(未示出)。对于系统的燃料侧11，可使用阀65选择性地使容器64中收集的水被排出系统。
根据本发明，循环装置16被描述成回路以确保在系统操作过程中充分冷却燃料电池堆1。装置16相对于燃料侧11和氧气侧13是自动的，从而装置16中的介电冷却剂(植物油基介电流体)不会与燃料电池内氢气H2和氧气O2之间的反应产生的流体混合。装置16还包括带有泵18和散热器20的封闭循环流道。
现在参考图2，本发明的系统还可包括车体75。包含在车体75内的燃料电池堆1被设计至少部分为车体75提供动力。可提供燃料的供应源22，其一般为气态氢。尽管图2中所示的车为客车，但可预料到车可为现在已知的或最新发展的能通过燃料电池系统供应动力或推进的任何车，如例如汽车(即小汽车、轻型或重型卡车或拖车)、农场设备、航空器、铁路机车等。图2所示的系统可通过本文描述的具有环境友好性质(即无毒或者在生物学上无害)的植物油基介电流体冷却，植物油基介电流体能有效减少燃料电池堆1内分路电流的发生。
根据本发明的又一实施方案，提供一种冷却燃料电池的方法，包括提供按上文所述设计的燃料电池，和通过冷却剂隔离歧管循环流体介电冷却剂，从而流体介电冷却剂从燃料电池吸热，产生加热的流体介电冷却剂。流体介电冷却剂可包括植物油基介电流体，如上文更详细所述。该方法还包括通过循环流道从冷却剂隔离歧管循环加热的流体介电冷却剂到散热器，在散热器中冷却加热的流体介电冷却剂，和返回冷却的流体介电冷却剂到主管进口。
为了本发明可更容易地被理解，参考下面的实施例，其用于说明本发明，而不是限制它的范围。
在电场(5V/cm)下在EnvirotempFR3TM冷却剂(可从Cooper PowerSystems，Waukesha，WI得到)存在时在316L不锈钢试样上得到的电流瞬态。图3显示了在80℃和5V的施加电势下测得的分路电流和时间之间的关系，没有检测到可测量的分路电流。
尽管参考一些实施方案描述了本发明，但应理解在所述本发明思想的精神和范围内可作出大量变化。因此，本发明不旨在限制于公开的实施方案，而是在于下面的权利要求的语言所允许的全部范围。
权利要求
1.一种设计使燃料与氧反应产生电流和至少一种反应产物的燃料电池，其中所述燃料电池包括电化学催化反应电池，该反应电池被设计包括燃料流道、氧气流道和与所述燃料流道和所述氧气流道流体分离的冷却剂流道；和所述冷却剂流道限定为冷却剂隔离歧管，其中所述冷却剂隔离歧管包括流体介电冷却剂，所述流体介电冷却剂包括植物油基介电流体。
2.权利要求1的燃料电池，其中所述燃料流道包括被设计通过所述燃料电池的至少一部分输送所述燃料的阳极流道；和所述氧气流道包括被设计通过所述燃料电池的至少一部分输送所述氧气的阴极流道。
3.权利要求3的燃料电池，其中所述电化学催化反应电池还包括与所述阳极流道流体连通的阳极，并在其上设计发生与所述燃料的催化反应；与所述阴极流道流体连通的阴极，并在其上设计发生与所述氧气的催化反应；和布置在所述阳极和所述阴极之间的膜，以便在所述燃料电池运行过程中在其之间建立电解质联系。
4.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体包括至少一种植物油。
5.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体包括两种或多种植物油的混合物。
6.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体包括一种或多种植物油和一种或多种合成油的混合物。
7.权利要求6的燃料电池，其中所述合成油为从石油得到的矿物油。
8.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体包括一种或多种植物油和不超过约50wt％的从石油得到的矿物油的混合物。
9.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体包括一种或多种植物油和不超过约30wt％的从石油得到的矿物油的混合物。
10.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体包括一种或多种植物油和不超过约20wt％的从石油得到的矿物油的混合物。
11.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体包括约98.5％的植物油。
12.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体基本不含氯化的化合物。
13.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体为食品级。
14.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体包括具有下式的甘油三酯 其中R1、R2和R3各自独立地为烷基或烯基。
15.权利要求14的燃料电池，其中所述烷基包括选自直链烷基、支链烷基、饱和烷基、不饱和烷基、未取代烷基、取代烷基和它们的组合中的基团。
16.权利要求15的燃料电池，其中所述取代烷基包括一个或多个官能或非官能单元。
17.权利要求14的燃料电池，其中所述烯基包括直链烯基、支链烯基、饱和烯基、不饱和烯基、未取代烯基、取代烯基和它们的组合中的基团。
18.权利要求17的燃料电池，其中所述取代烯基包括一个或多个官能或非官能单元。
19.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体包括包含不饱和度至少为1的一个或多个脂肪酸分子。
20.权利要求19的燃料电池，其中所述一个或多个脂肪酸分子选自肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸、花生酸、二十烯酸、二十二酸、芥酸、palmitiolic acid、二十二碳二烯酸、lignoseric acid、二十四烯酸、十七酸、十七碳一烯酸、顺9二十碳烯酸、辛酸、癸酸、月桂酸、十五烷酸、十七酸和它们的组合。
21.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体包括单不饱和脂肪酸、多不饱和脂肪酸、饱和脂肪酸或它们的组合。
22.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体包括食用种子基酯。
23.权利要求22的燃料电池，其中所述食用种子基酯包括包含直链的脂肪酸甘油三酯，其中直链具有14和22个之间的碳原子和0和3个之间的双键。
24.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体包括选自蓖麻油、椰子油、玉米油、棉籽油、crambie油、加州希蒙得木油、lesquerella油、亚麻子油、橄榄油、棕榈油、改良油菜籽油、红花油、葵花油、豆油、veronia油和它们的组合中的植物油。
25.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体还包括抗氧化化合物。
26.权利要求25的燃料电池，其中所述抗氧化化合物选自丁基化氢化苯甲醚、丁基化氢化甲苯、叔丁基氢醌、四氢butrophenone、抗坏血酸棕榈酸酯、没食子酸丙酯和α-、β-或δ-生育酚和它们的组合。
27.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体还包括抗菌物质。
28.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体还包括染料或颜料。
29.权利要求28的燃料电池，其中所述染料或颜料可溶于油。
30.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于热容大于或约为0.3cal/g·℃。
31.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于热容在100℃下为约2.39J/g/K。
32.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于热容在50℃下为约2.10J/g/K。
33.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于热导率在25℃下至多并包括约4.0×10-4cal/(cm·sec·℃)。
34.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于沸点大于或约为330℃。
35.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于闪点大于或约为300℃。
36.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于燃点大于或约为340℃。
37.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于倾点小于或约为-20℃。
38.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体还包括降倾点剂。
39.权利要求38的燃料电池，其中所述降倾点剂选自聚醋酸乙烯酯低聚物和聚合物，丙烯酸低聚物和聚合物，和它们的组合。
40.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于25℃时的膨胀系数为约7.4×10-4/℃。
41.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于介电强度大于或约为30kV/100密耳间隙。
42.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于25℃时的介电常数为约3.2。
43.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于25℃时的耗散因数小于或约为0.05％。
44.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于25℃时的体积电阻率为约30×1012Ω-cm。
45.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于25℃时的击穿电势大于或约为47kV。
46.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于冲击强度为约226kV。
47.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于产气趋势为约-79μL/min。
48.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于25℃时的比重为约0.92。
49.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于25℃时的界面张力大于或约为20mN/m。
50.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于pH为约5.8。
51.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于中和值小于或约为0.07mg KOH/g。
52.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于20℃时蒸汽压小于或约为0.01mm Hg。
53.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于在水中的溶解度小于或约为0.1％。
54.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体包含少于或约0.001g/L的一种或多种挥发性有机化合物。
55.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于在100℃下粘度在约2和约15cSt之间。
56.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于在100℃下粘度小于或约为9cSt。
57.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于在40℃下粘度小于或约为110cSt。
58.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于在40℃下粘度小于或约为40cSt。
59.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于水分含量小于或约为200ppm。
60.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于水分饱和度约为5-10％。
61.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于水分饱和度约为1-2％。
62.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于在25℃和1大气压下空气溶解性为约16％。
63.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于生物化学需氧量对化学需氧量的比为约45％。
64.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于5天生物化学需氧量大于或约为200ppm。
65.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于21天生物降解比例大于或约为99％。
66.权利要求1的燃料电池，其中所述植物油基介电流体特征在于LC50小于或约为250mg/L。
67.权利要求1的燃料电池，其中所述燃料电池还包括循环装置，所述循环装置包括循环流道、泵和散热器，所述冷却剂隔离歧管还包括进口和出口，和所述循环流道与所述冷却剂隔离歧管进口和所述冷却剂隔离歧管出口流体相连。
68.一种系统，包括包括多个燃料电池的燃料电池堆，其中每个所述燃料电池被设计使燃料与氧反应产生电流和至少一种反应产物，和其中每个所述燃料电池包括电化学催化反应电池，该反应电池被设计包括燃料流道、氧气流道和与所述燃料流道和所述氧气流道流体分离的冷却剂流道；和所述冷却剂流道限定为冷却剂隔离歧管，其中所述冷却剂隔离歧管包括流体介电冷却剂，所述流体介电冷却剂包括植物油基介电流体。
69.权利要求68的系统，其中所述燃料流道包括被设计通过每个所述燃料电池的至少一部分输送所述燃料的阳极流道；和所述氧气流道包括被设计通过每个所述燃料电池的至少一部分输送所述氧气的阴极流道。
70.权利要求69的系统，其中所述电化学反应电池还包括与所述阳极流道流体连通的阳极，并在其上设计发生与所述燃料的催化反应；与所述阴极流道流体连通的阴极，并在其上设计发生与所述氧气的催化反应；和布置在所述阳极和所述阴极之间的膜，以便在每个所述燃料电池运行过程中在其之间建立电解质联系。
71.权利要求68的系统，其中所述燃料电池还包括循环装置，所述循环装置包括循环流道、泵和散热器，所述冷却剂隔离歧管还包括进口和出口，和所述循环流道与所述冷却剂隔离歧管进口和所述冷却剂隔离歧管出口流体相连。
72.权利要求68的系统，其中所述系统还包括车体，其中所述燃料电池堆被设计至少部分为所述车体提供动力。
73.一种冷却燃料电池的方法，包括提供设计使燃料与氧反应产生电流和至少一种反应产物的燃料电池；设计所述燃料电池包括电化学催化反应电池，该反应电池被设计包括燃料流道、氧气流道和与所述燃料流道和所述氧气流道流体分离的冷却剂流道；和设计所述冷却剂流道限定为冷却剂隔离歧管，所述冷却剂隔离歧管包括流体介电冷却剂，所述流体介电冷却剂包括植物油基介电流体。
74.权利要求73的方法，还包括设计所述燃料流道包括被设计通过所述燃料电池的至少一部分输送所述燃料的阳极流道；和设计所述氧气流道包括被设计通过所述燃料电池的至少一部分输送所述氧气的阴极流道。
75.权利要求74的方法，还包括设计所述电化学催化反应电池还包括与所述阳极流道流体连通的阳极，并在其上设计发生与所述燃料的催化反应；与所述阴极流道流体连通的阴极，并在其上设计发生与所述氧气的催化反应；和布置在所述阳极和所述阴极之间的膜，以便在所述燃料电池运行过程中在其之间建立电解质联系。
76.权利要求73的方法，还包括提供循环装置，所述循环装置包括循环流道、泵和散热器，其中所述冷却剂隔离歧管还包括进口和出口；设计所述循环装置使得所述循环流道与与所述冷却剂隔离歧管进口和所述冷却剂隔离歧管出口流体相连；通过所述冷却剂隔离歧管循环所述流体介电冷却剂，借此所述流体介电冷却剂从所述燃料电池吸热产生加热的流体介电冷却剂；和通过所述循环流道循环所述加热的流体介电冷却剂从所述冷却剂隔离歧管出口到所述散热器，借此所述加热的流体介电冷却剂被冷却并返回到所述冷却剂隔离歧管进口。
全文摘要
一种用于燃料电池堆的环境友好的廉价介电冷却剂。本发明涉及燃料电池、系统和冷却燃料电池的方法。燃料电池被设计使燃料与氧反应产生电流和至少一种反应产物，并包括电化学催化反应电池，该反应电池被设计包括燃料流道、氧气流道和与燃料流道和氧气流道流体分离的冷却剂流道。冷却剂流道限定为冷却剂隔离歧管，其包括流体介电冷却剂，流体介电冷却剂包括植物油基介电流体。
文档编号H01M8/04GK1748331SQ200380109625
公开日2006年3月15日 申请日期2003年11月24日 优先权日2002年12月9日
发明者M·H·阿布德埃尔哈米德, Y·M·米克海尔, R·H·布伦克, D·J·利西, S·乔德 申请人:通用汽车公司