DE10154242A1 - Kühlvorrichtung für elektrische Einrichtungen und Verwendung von Polymeren in Kühlkreisläufen - Google Patents

Kühlvorrichtung für elektrische Einrichtungen und Verwendung von Polymeren in Kühlkreisläufen

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Abstract

Beschrieben wird der Einsatz von Polyarylensulfiden oder flüssigkristallinen Polyestern in Kühlvorrichtungen für elektrische Einrichtungen. Mit dem Einsatz dieser Polymeren kann sichergestellt werden, dass die elektrische Leitfähigkeit von isolierenden Kühlfluiden im Dauerbetrieb niedrig bleibt. Als elektrische Einrichtungen sind insbesondere Brennstoffzellen geeignet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft den Einsatz ausgewählter Polymerer in Kühlkreisläufen, bei denen das Kühlmedium in direktem Kontakt zu elektrischspannungsführenden Teilen steht sowie die Verwendung dieser Polymeren in derartigen Kühlkreisläufen.
  • Elektrische Einrichtungen, wie galvanische Elemente zur Gewinnung von elektrischer Energie und Wärme durch eine elektrochemische Reaktion mit kontinuierlicher Zuführung der Reaktanden, werden derzeit intensiv weiterentwickelt. Ziel ist unter anderem der Einsatz als Energiequelle in Kraftfahrzeugen, die Verwendung in dezentralen kombinierten Heizkraftanlagen oder in transportablen Stromgeneratoren.
  • Ungefähr 30% bis 70% der im Brennstoff enthaltenen Energie kann je nach Konstruktion und Betriebspunkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Diesem elektrischen Wirkungsgrad stehen dann entsprechend 70% bis 30% thermische Energie gegenüber, die bei der Energieumwandlung freigesetzt wird. Diese thermische Energie muss aus dem System abgeführt werden. um Überhitzungen während des Betriebes zu vermeiden. Gleichzeitig kann diese Energie als Wärmequelle für Heizzwecke genutzt werden. Daher ist für das Funktionieren von solchen elektrochemischen Energiewandlern ist ein Kühlsystem unverzichtbar, das mit Hilfe von fluiden Wärmeträgern die Verlustwärme der Reaktion abführt und die das System auf konstanter Betriebstemperatur hält. Es ist dabei zu beachten, dass der Wärmeträger ein elektrischer Isolator sein muss, da sonst in Kontakt mit spannungsführenden Teilen Kurzschlüsse oder Leistungsverluste auftreten können.
  • Bei Verwendung in Brennstoffzellensystemen ist zusätzlich darauf zu achten, dass möglichst keine Metallionen in das Kühlmedium übertreten können. Besonders die Elektrolytschicht von Polymer-Elektrolytmembran-(PEM)- Brennstoffzellen reagiert mit Leistungsverlusten auf die Einwirkung von Metallionen.
  • Zusätzlich sollte das Kühlmedium billig, ungiftig und einfach zu Handhaben sein. Mischungen aus Wasser mit ein- oder mehrwertigen auch polymeren Alkoholen erfüllen diese Anforderungen. So haben sich Mischungen von Wasser mit Glykolen im Einsatz in konventionellen Systemen als Wärmeträger bewährt.
  • Die Bedeutung der niedrigen Leitfähigkeit des Kühlmediums ist bereits erkannt. Die JP-A-90-92,314 beschreibt eine Brennstoffzelle mit Feststoff-Elektrolyt, bei der die Diffusion von Chrom-Komponenten durch den Einsatz von getrockneter Luft möglichst gering gehalten wird.
  • Um die Leitfähigkeit des Kühlmediums zu begrenzen und seine Reinheit zu erhalten ist die Verwendung von beschichteten Metallrohren als Wärmetauscherrohre beschrieben worden. In der US-A-3,964,930 wird die Beschichtung der Wärmetauscherrohre mit Fluorpolymeren beschrieben.
  • In der WO-A-98/40,655 wird der Einsatz von Fluorpolymeren zu äußeren Beschichtung von wärmeleitfähigen Rohren aus Kupfer oder rostfreiem Stahl leitfähigem Material für den Einsatz in Brennstoffzellen beschrieben. Dazu werden zwei Rohre aus diesen Materialien ineinandergeführt und das äußere Rohr wird durch Schrumpfen auf die Oberfläche des inneren Rohres aufgebracht.
  • Auch der Einsatz von Ionentauschern oder Ionenfiltern im Kühlkreislauf ist bereits beschrieben. Diese Zusatzgeräte sollen die Leitfähigkeit des Kühlmediums gering halten und dessen Ionenfracht vermindern helfen.
  • Derartige Systeme sind beispielsweise in der JP-A-2000-208,157; der JP-A-80/83,991 und der WO-A-1998-2247856 beschrieben.
  • Weitere Schriften, wie JP-A-2000-113,900 oder EP-A-1,056,148 offenbaren ein Kühlsystem, ohne auf die Materialauswahl der Komponenten einzugehen.
  • Die bekannten Materialien oder Materialkombinationen sind entweder teuer und/oder aufwendig zu verarbeiten oder man muss Zusatzgeräte, wie Ionentauscher, einsetzen. Diese Maßnahmen wiederum führen zu erhöhten Kosten, da die Filterpatronen der Ionentauscher im Dauerbetrieb sich erschöpfen und ausgewechselt werden müssen.
  • Es besteht demnach weiterhin ein Bedarf nach leistungsfähigen und preiswerten Kühlsystemen, die sicherstellen, dass keine Erhöhung der Leitfähigkeit des Kühlmediums erfolgt.
  • Es bestand daher die Aufgabe, Kühlsysteme für elektrische Anlagen zu entwickeln, welche die Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit während des Betriebs nicht oder nur unwesentlich erhöhen. Dazu waren geeignete Materialien aufzufinden, die eine hohe mechanische Festigkeit in Verbindung mit sehr großer chemischer Beständigkeit gegen Fluide in Kühlkreisläufen aufweisen.
  • Die geforderten Materialien sollen außerdem für Serienfertigungsverfahren geeignet sein, um die Herstellkosten derartiger Kühlsysteme niedrig zu halten.
  • Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Kühlkreislauf sowie durch die Verwendung ausgewählter Materialien gelöst.
  • Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für elektrische Einrichtungen, durch die ein elektrisch isolierendes Kühlfluid im Kreislauf geführt wird, umfassend Zu- und Ableitungen für ein in Kontakt mit den elektrische Spannung führenden Teilen stehendes Kühlfluid. Die Kühlvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die mit dem Kühlmedium in Kontakt stehenden Teile der Kühlvorrichtung aus Polyarylensulfid und/oder aus flüssig-kristallinem Polyester bestehen oder eine Beschichtung aus diesen Polymeren aufweisen.
  • Unter elektrischen Einrichtungen sind im Rahmen dieser Beschreibung alle Einrichtungen mit Teilen zu verstehen, die unter einer elektrische Spannung stehen und die mittels einem elektrisch isolierenden Fluid gekühlt werden.
  • Beispiele für elektrische Einrichtungen, bei denen Verlustwärme abzuführen ist, sind Transformatoren, Wechselrichter, Elektromotoren oder galvanische Elemente zur Erzeugung von elektrischer Energie, insbesondere Brennstoffzellen.
  • Die Kühlvorrichtungen bestehen im allgemeinen aus einem Rohrsystem zum Zu- und Ableiten des Fluids zumindest in den Bereich der elektrische Spannung führenden Teile zu deren Kühlung, einem oder mehreren Wärmetauschern zum Austausch der erzeugten Wärme und Abkühlung des Fluids und/oder Vorratsbehälter(n) für das Fluid sowie Pumpen, mit denen eine Umwälzung des Fluids in der Kühlvorrichtung bewirkt wird und gegebenenfalls von Sensoren, die Teile eines Regelkreises darstellen können, mit dem z. B. die Umlaufgeschwindigkeit des Fluids im Kreislauf beeinflusst wird.
  • Als Fluid kann jedes elektrisch nicht oder wenig leitende flüssige, gasförmige oder überkritische Medium eingesetzt werden, das in der Lage ist, die erzeugte Wärme bestimmungsgemäß abzuführen. Typische Leitfähigkeiten des Fluids bewegen sich im Bereich unterhalb von 10 µS/cm, vorzugsweise unterhalb von 5 µS/cm. Überkritische Medien oder insbesondere Flüssigkeiten sind wegen ihrer guten Wärmekapazität bevorzugt. Ganz besonders bevorzugt ist ein Gemisch aus Wasser und Alkohol, insbesondere einem Glykol, wie Ethylenglykol und/oder Polyethylenglykol, das eine elektrische Leitfähigkeit von < 10 µS/cm, insbesondere von < 5 µS/cm, aufweist.
  • Die mit den elektrische Spannung führenden Teilen in Kontakt stehenden und/oder diesen nahekommenden Teile der Kühlvorrichtung bestehen zumindest im Bereich dieser spannungsführenden Teile der elektrischen Einrichtung aus Polyarylensulfid und/oder aus flüssigkristallinem Polyester oder enthalten eine Beschichtung aus diesen Polymeren.
  • Alle Teile der Kühlvorrichtung, die mit den elektrische Spannung führenden Teilen in Kontakt kommen oder diesen nahe kommen, können vollständig aus diesen Polymeren bestehen. Anstelle einer vollständigen Ausbildung der Teile aus diesen Polymeren bestehen diese vorzugsweise aus der Kombination eines Metalls, beispielsweise aus Kupfer, aus rostfreiem Stahl oder aus Aluminium, und einer Beschichtung aus diesen Polymeren.
  • Derartige Teile der Kühlvorrichtung umfassen also mindestens eine Schicht aus einer Formmasse, die aus einem flüssigkristallinen Polyester und/oder einem Polyarylensulfid besteht. Diese Schicht kann neben dem Polymeren noch weitere Zusätze enthalten, wie beispielsweise faserförmige Verstärkungsstoffe, wie Glasfasern, Carbonfasern, Borfasern oder Whisker; oder Füllstoffe, wie Talk oder Kalziumarbonat, oder andere an sich übliche Additive und Hilfsstoffe zur Verarbeitung der Polymeren, solange diese Zusätze die Lanzeitstabilität des Fluids nicht nachteilig beeinflussen.
  • Die erfindungsgemäß eingesetzten Formmassen können neben Polyarylensulfid oder flüssigkristallinem Polyester gegebenenfalls auch mit weiteren Kunststoffen und/oder Metallen kombiniert werden.
  • Die erfindungsgemäß eingesetzten Polyarylensulfide sind an sich bekannt. Dabei handelt es sich üblicherweise um lineare Polymere enthaltend die wiederkehrende Struktureinheit der Formel I

    -Ar-S- (I),

    worin Ar ein zweiwertiger aromatischer Rest, vorzugsweise meta- und/oder para-Phenylen ist.
  • Polyarylensulfide können über dihalogenierte aromatische Verbindungen hergestellt werden. Bevorzugte dihalogenierte aromatische Verbindungen sind p-Dichlorbenzol, m-Dichlorbenzol, 2,5-Dichlortoluol, p-Dibrombenzol, 1,4- Dichlornaphthalin, 1-Methoxy-2,5-dichlorbenzol, 4,4-Dichlorbiphenyl, 3,5- Dichlorbenzoesäure, 4,4'-Dichlordi-phenylether, 4,4-Dichlodiphenylsulfon, 4,4'- Dichlordiphenylsulfoxid und 4,4'-Dichlordi-phenylketon. Andere halogenierte Verbindungen, wie beispielsweise trihalogenierte Aromaten können in geringen Mengen eingesetzt werden, um die Eigenschaften des Polymeren gezielt zu beeinflussen.
  • Erfindungsgemäß wird als Polyarylensulfid bevorzugt Polyphenylensulfid eingesetzt.
  • Polyphenylensulfid (PPS) ist ein teilweise kristallines Polymer mit der allgemeinen Formel II

    -(C6H4-S)n- (II)

    wobei n > 1 ist und das Polymer mindestens eine Molmasse (Mw) von größer 200 g/mol besitzt.
  • Es können auch vernetzte Polyarylensulfide eingesetzt werden; bevorzugt werden lineare Typen, insbesondere solche, die sich zu mehr als 90 Mol%, bezogen auf die Aryleneinheiten, von p-Phenylen ableiten.
  • Besonders bevorzugt werden lineare Polyphenylensulfide eingesetzt, die Schmelzviskositäten (gemessen bei 316°C und einem Schergefälle von 400/Sek. gemäß ASTM D3835) von 30-1500 Pa.sec aufweisen.
  • Erfindungsgemäß können ferner die an sich bekannten flüssigkristallinen Kunststoffe eingesetzt werden. Bezüglich des Typs der verwendeten Materialien bestehen keine Einschränkungen, vorteilhaft sind jedoch Materialien, die sich thermoplastisch verarbeiten lassen. Besonders geeignete Materialien sind zum Beispiel in Saechtling, Kunststoff-Taschenbuch, Hanser- Verlag, 27. Ausgabe, auf den Seiten 517 bis 521 beschrieben, worauf Bezug genommen wird. Vorteilhaft einsetzbare Materialien sind Polyterephthalate, Polyisophthalate, PET-LCP, PBT-LCP, Poly(m-phenylenisophthalimid), PMPI- LCP, Poly(p-phenylenphthalimid), PPTA-LCP, Polyarylate. PAR LCP, Polyestercarbonate, PEC-LCP, Polyazomethine, Polythioester, Polyesteramide, Polyesterimide sowie Polyarylenoxide.
  • Besonders vorteilhaft sind auf p-Hydroxybenzoesäure basierende flüssigkristalline Kunststoffe wie Copolyester und Copolyesteramide. Ganz besonders vorteilhaft als flüssigkristalline Kunststoffe einzusetzen sind im allgemeinen vollaromatische Polyester, die anisotrope Schmelzen bilden und mittlere Molekulargewichte (Mw = Gewichtsmittel) von 2000 bis 200.000, bevorzugt von 3.500 bis 50.000 und insbesondere von 4000 bis 30.000 g/mol aufweisen. Eine geeignete Klasse flüssigkristalliner Polymerer ist beschrieben in US-A-4 161 470, worauf Bezug genommen wird. Es handelt sich dabei um Naphthoyl-Copolyester mit wiederkehrenden Struktureinheiten der Formel III und IV


    worin T ausgewählt ist aus einem Alkylrest, einem Alkoxyrest, jeweils mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder einem Halogen, vorzugsweise Chlor, Brom oder Fluor, s bedeutet Null oder eine ganze Zahl 1, 2, 3 oder 4, wobei im Falle mehrerer Reste T diese unabhängig voneinander gleich oder verschieden sind. Die Naphthoyl-Copolyester enthalten 10 bis 90 Mol%, vorzugsweise 25 bis 45 Mol% Struktureinheiten der Formel I und 90 bis 10 Mol%, vorzugsweise 85 bis 55 Mol% Struktureinheiten der Formel II, wobei sich die Anteile der Struktureinheiten der Formeln I und II auf 100 Mol% ergänzen.
  • Weitere für den erfindungsgemäßen Zweck geeignete flüssigkristalline Polyester sind in EP-A-0 278 066 und US-A-3 637 595 beschrieben, worauf Bezug genommen wird.
  • Überraschend wurde gefunden, dass Polyarylensulfide ("PPS"), wie Fortron®, und auch flüssigkristalline Polyester selbst bei erhöhten Temperaturen die Leitfähigkeit von isolierenden Kühlfluiden, wie von Glykol-Wassergemischen, nicht wesentlich erhöht.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung von Polyarylensulfid und/oder flüssig-kristallinem Polyester in Kühlkreisläufen, die mit spannungsführenden Teilen von elektrischen Einrichtungen in Kontakt stehen. Besonders geeignet sind die erfindungsgemäß einsetzbaren Materialien zur Herstellung von Teilen für Wärmetauscher, Kühler, Pumpen, Sensoren und Ventilen für derartige Kühlkreisläufe.
  • Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung ohne diese zu begrenzen.
    • Beispiel 1
  • 50 Gramm unverstärktes Poly-(p-phenylensulfid) (Fortron®) Granulat wurden in 500 ml einer Kühlflüssigkeit (VE-Wasser : Glykol 1 : 1; Vol. Teile) bei 80°C gelagert. Die Leitfähigkeit der Lösung wurde in regelmäßigen Abständen mit Hilfe eines handelsüblichen Konduktometers (Hersteller Fa. Knick) bestimmt.
  • Vergleichend wurde eine Blindprobe ohne Granulateinwaage vermessen.
  • Selbst nach langer Zeit war die Leitfähigkeit des Wärmeträgerfluids noch unter 5 µS/cm.
  • Die Leitfähigkeit des Wärmeträgerfluids ist in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführt (RT bedeutet Raumtemperatur = 25°C)


    • Vergleichsbeispiel 1
  • 50 Gramm Aluminium-Chips der Größe 5 mm × 5 mm × 1 mm wurden wie in Beispiel 1 beschrieben in einem Glykol/Wasser-Gemisch gelagert und die Leitfähigkeit der Flüssigkeit bestimmt. Wie in Tabelle 2 zu sehen ist, steigt die Leitfähigkeit schon nach kurzer Zeit stark an.

    • Beispiel 2
  • Wie in Beispiel 1 beschrieben wurden 50 g Fortron® verstärkt mit 40% Glasfaser gelagert und die Leitfähigkeit des Wärmeträgerfluids bestimmt. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 3 dargestellt.

    • Vergleichsbeispiel 2
  • 50 Gramm Kupfer-Chips der Größe 5 mm × 5 mm × 1 mm wurden wie in Beispiel 1 beschrieben in einem Glykol/Wasser-Gemisch gelagert und die Leitfähigkeit der Flüssigkeit bestimmt. Wie in Tabelle 4 zu sehen ist, steigt die Leitfähigkeit schon nach kurzer Zeit stark an.

    • Beispiel 3
  • Wie in Beispiel 1 beschrieben wurden 50 g eines flüssigkristallinen Polyesters (Vectra®) unverstärkt gelagert und die Leitfähigkeit des Wärmeträgerfluids bestimmt. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 5 dargestellt.

    • Vergleichsbeispiel 3
  • 50 Gramm Glasfaser-verstärktes PPA (PolyPhthalAmid, Amodel von BP- Amoco) wurden wie in Beispiel 1 beschrieben in einem Glykol/Wasser-Gemisch gelagert und die Leitfähigkeit der Flüssigkeit bestimmt. Wie in Tabelle 6 zu sehen ist, steigt die Leitfähigkeit schon nach kurzer Zeit stark an.

    • Vergleichsbeispiel 4
  • 50 Gramm unverstärktes Polyamid (Nylon PA6.6) wurden wie in Beispiel 1 beschrieben in einem Glykol/Wasser-Gemisch gelagert und die Leitfähigkeit der Flüssigkeit bestimmt. Wie in Tabelle 7 zu sehen ist, steigt die Leitfähigkeit schon nach kurzer Zeit stark an.

    • Vergleichsbeispiel 5
  • 50 Gramm unverstärktes Hochtemperatur-Polyamid (High Temperature Nylon; HTN von DuPont) wurden wie in Beispiel 1 beschrieben in einem Glykol/Wasser-Gemisch gelagert und die Leitfähigkeit der Flüssigkeit bestimmt. Wie in Tabelle 8 zu sehen ist, steigt die Leitfähigkeit schon nach kurzer Zeit stark an.

Claims (7)

1. Kühlvorrichtung für elektrische Einrichtungen, durch die ein elektrisch isolierendes Kühlfluid im Kreislauf geführt wird, umfassend Zu- und Ableitungen für ein in Kontakt mit den elektrische Spannung führenden Teilen stehendes Kühlfluid, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die mit dem Kühlmedium in Kontakt stehenden Teile der Kühlvorrichtung aus Polyarylensulfid und/oder aus flüssigkristallinem Polyester bestehen oder eine Beschichtung aus diesen Polymeren aufweisen.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der elektrischen Einrichtung um eine Brennstoffzelle, insbesondere um eine Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolytmembranen handelt.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Kühlfluid eine Mischung aus Wasser und einem Alkohol, vorzugsweise einem Glykol, mit einer elektrischen Leitfähigkeit von weniger als 5 µS/cm ist.
4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem elektrisch isolierenden Kühlfluid in Kontakt stehenden Teile der Kühlvorrichtung zumindest im Bereich der spannungsführenden Teile der elektrischen Einrichtungen aus Polyarylensulfid oder aus flüssigkristallinem Polyester bestehen oder eine Beschichtung aus diesen Polymeren aufweisen.
5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyarylensulfid Poly-(p-phenylensulfid) ist.
6. Verwendung von Polyarylensulfid und/oder flüssig-kristallinem Polyester in Kühlkreisläufen, die mit spannungsführenden Teilen von elektrischen Einrichtungen in Kontakt stehen.
7. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der elektrischen Einrichtung um eine Brennstoffzelle handelt.
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