DE10393789T5

DE10393789T5 - Kostengünstiges dielektrisches Kühlmittel für Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE10393789T5
Application number: DE10393789T
Authority: DE
Inventors: Mahmoud H. Warren Abd Elhamid; Youssef Morcos Sterling Heights Mikhail; Richard H. Macomb Blunk; Daniel John Eastpoint Lisi
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-09-23
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2023-09-06
Also published as: JP2006500739A; WO2004027892A2; AU2003270345A8; JP4339256B2; WO2004027892A3; CN1330032C; DE10393789B4; US6740440B2; US20040058210A1; AU2003270345A1; CN1701457A

Abstract

Brennstoffzelle zur Reaktion von Brennstoff mit Sauerstoff, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, wobei die Brennstoffzelle umfasst:
einen Anodenströmungspfad, um den Brennstoff durch zumindest einen Anteil der Brennstoffzelle zu führen;
eine Anode in Fluidverbindung mit dem Anodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Brennstoff stattfinden kann;
einen Kathodenströmungspfad, um den Sauerstoff durch zumindest einen Anteil der Brennstoffzelle zu führen;
eine Kathode in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Sauerstoff stattfinden kann;
eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, so dass dazwischen beim Betrieb der Brennstoffzelle eine Elektrolytverbindung hergestellt wird; und
zumindest einen Kühlmittelströmungspfad, der fluidmäßig von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad entkoppelt ist, wobei der Kühlmittelströmungspfad einen Kühlmittelisolierverteiler definiert, und wobei der Kühlmittelisolierverteiler ein dielektrisches Fluidkühlmittel umfasst, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellen und insbesondere eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellensystems.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen nutzen eine Wasserstoffoxidation und Sauerstoffreduktion, um elektrische Energie zu erzeugen. Das Nebenprodukt dieser katalytischen Reaktionen ist Wasser. Thermodynamisch betrachtet sollte die Oxidation von Wasserstoff-Brennstoff an einer Anode und die Reduktion von Sauerstoff an einer Kathode, wobei sowohl die Anode als auch die Kathode in einer Brennstoffzelle angeordnet sind, ein Zellenpotenzial von etwa 1,23 V ergeben. Jedoch ist der tatsächlich gemessene Wert typischerweise etwa 1 V. Dieser Unterschied der Zellenspannung ist hauptsächlich auf die langsame Kinetik der Kathode zurückzuführen, die zu einem Zellenspannungsverlust von nahezu 200 mV beiträgt. Das Ergebnis dieses Zellenspannungsverlustes ist die Erzeugung von Überschusswärme in der Brennstoffzelle. Die Entfernung derartiger Überschusswärme ist wesentlich, um die Nutzlebensdauer der Brennstoffzellenkomponenten zu steigern.
Wenn mehrere Brennstoffzellen in einem Stapel angeordnet sind, um die elektrische Abgabe zu erhöhen, wird die Wärmeerzeugung besonders hoch. Folglich wird, um eine derartige Überschusswärme zu entfernen, ein Kühlmittel verwendet, das eine hohe Wärmekapazität aufweist und bei einer Temperatur zwischen etwa –40°C und etwa 140°C physikalisch stabil ist. 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, dass das Kühlmittel nichtleitend (dielektrisch) ist. Wenn das Kühlmittel eine größere Leitfähigkeit besitzt, führt es zu einer Vielzahl von durch leitendes Kühlmittel bewirkter Stapelprobleme, die Nebenschlussströme, welche den Brennstoffwirkungsgrad verringern, eine Gasentwicklung (O₂ und H₂) in dem Sammelleitungsbereich, wodurch ein erhöhter Druck in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, der eine Entlüftung erfordert, eine Kühlmittelschädigung und Sauerstoffschädigung von Stapelkomponenten umfassen, die ein Abblättern der Beschichtung wie auch eine Korrosionsbeschleunigung umfassen.
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 ernsthaftem Winterwetter ausgesetzt sind, bei denen Temperaturen von –40°C erreichen können. Bei dieser Temperatur gefriert Wasser und stellt damit kein geeignetes Kühlmittel für den Stapel dar.
Ebenfalls ist die Verwendung eines reinen dielektrischen Kühlmittels (d. h. Therminol^®-D, von Solutia, Inc., St. Louis, MO erhältlich ist) bekannt. Als reines Dielektrikum lässt das Fluid keinen Stromfluss durch den Sammel leitungsbereich des Stapels zu. Jedoch machen die Kosten wie auch die Unverträglichkeit des Kühlmittels mit gegenwärtig in Brennstoffzellenstapeln verwendeten Dichtungen die Verwendung derartiger reiner dielektrischer Kühlmittel unpraktisch.
Demgemäß haben die vorliegenden Erfinder einen Bedarf nach Verbesserungen in der Flüssigkühlmitteltechnologie für Brennstoffzellenstapel erkannt.
Die vorliegende Erfindung kommt dem oben erwähnten Bedarf nach, indem ein kostengünstiges und leicht erhältliches dielektrisches Kühlmittel für Brennstoffzellenstapel vorgesehen wird. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf spezifische Vorteile oder eine spezifische Funktionalität beschränkt ist, sei angemerkt, dass, da das Kühlmittel ein Dielektrikum ist und keinen Ionentransport zulässt, dieses die Stapelkomponenten nicht beeinträchtigt und keinen Verlust an Leistungsfähigkeit zulässt, der durch Nebenschlussströme in dem Sammelleitungsbereich des Stapels bewirkt wird. Folglich müssen keine Korrosionshemmer zugesetzt werden, um eine O₂-Schädigung von Brennstoffzellenkomponenten zu vermeiden. Obwohl die Wärmekapazität des dielektrischen Kühlmittels der vorliegenden Erfindung geringfügig kleiner als die von auf Wasser basierenden Kühlmitteln ist, besitzt das vorliegende Kühlmittel eine niedrige kinematische Viskosität, die ermöglicht, dass es mit höheren Durchsätzen gepumpt werden kann, um Abwärme ohne merkliche Erhöhung parasitärer Pumpenleistung zu entfernen. Überdies erlaubt der relativ hohe Siedepunkt des dielektrischen Kühlmittels 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.
Bei einer Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle vor, die derart ausgebildet ist, damit Brennstoff mit Sauerstoff reagieren kann, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen. Die Brennstoffzelle umfasst einen Anodenströmungspfad, eine Anode, einen Kathodenströmungspfad, eine Kathode, eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, und zumindest einen Kühlmittelströmungspfad. Der Anodenströmungspfad ist derart ausgebildet, damit er den Brennstoff durch zumindest einen Anteil der Brennstoffzelle führen kann. Die Anode steht in Fluidverbindung mit dem Anodenströmungspfad, wobei an dieser eine katalytische Reaktion mit dem Brennstoff stattfinden kann. Der Kathodenströmungspfad ist derart ausgebildet, damit er den Sauerstoff durch zumindest einen Anteil der Brennstoffzelle führen kann. Die Kathode steht in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmungspfad, wobei an dieser eine katalytische Reaktion mit dem Sauerstoff stattfinden kann. Die Membran ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, so dass dazwischen beim Betrieb der Brennstoffzelle eine Elektrolytverbindung hergestellt wird. Der Kühlmittelströmungspfad ist fluidmäßig von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad entkoppelt. Der Kühlmittelströmungspfad definiert einen Kühlmittelisolierverteiler, der ein dielektrisches fluidartiges Kühlmittel umfasst, das einen Petroleum-Kohlenwasserstoff bzw. Kerosin-Kohlenwasserstoff umfasst.
Bei einer anderen Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle vor, die derart ausgebildet ist, damit Brennstoff mit Sauerstoff reagieren kann, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen. Die Brennstoffzelle umfasst einen Anodenströmungspfad, eine Anode, einen Kathodenströmungspfad, eine Kathode, eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, zumindest einen Kühlmittelströmungspfad und eine Umwälzanordnung.
Der Anodenströmungspfad ist derart ausgebildet, damit er den Brennstoff durch zumindest einen Anteil der Brennstoffzelle führen kann. Die Anode steht in Fluidverbindung mit dem Anodenströmungspfad, wobei an dieser eine katalytische Reaktion mit dem Brennstoff stattfinden kann. Der Kathodenströmungspfad ist derart ausgebildet, damit er den Sauerstoff durch zumindest einen Anteil der Brennstoffzelle führen kann. Die Kathode steht in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmungspfad, wobei an dieser eine katalytische Reaktion mit dem Sauerstoff stattfinden kann. Die Membran ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, so dass dazwischen beim Betrieb der Brennstoffzelle eine Elektrolytverbindung hergestellt wird. Der Kühlmittelströmungspfad ist fluidmäßig von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad entkoppelt. Der Kühlmittelströmungspfad definiert einen Kühlmittelisolierverteiler, der einen Einlass, einen Auslass und ein dielektrisches Fluidkühlmittel umfasst, das einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst. Die Umwälzanordnung umfasst einen Umwälzströmungspfad, eine Pumpe und einen Kühler. Der Umwälzströmungspfad verbindet den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers fluidmäßig mit dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, das einen Brennstoffzellenstapel umfasst, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist, wobei jede Brennstoffzelle derart ausgebildet ist, damit Brennstoff mit Sauerstoff reagieren kann, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen. Jede Brennstoffzelle umfasst einen Anodenströmungspfad, eine Anode, einen Kathodenströmungspfad, eine Kathode, eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, und zumindest einen Kühlmittelströmungspfad. Der Anodenströmungspfad ist derart ausgebildet, damit er den Brennstoff durch zumindest einen Anteil jeder Brennstoffzelle führen kann. Die Anode steht in Fluidverbindung mit dem Ano denströmungspfad, wobei an dieser eine katalytische Reaktion mit dem Brennstoff stattfinden kann. Der Kathodenströmungspfad ist derart ausgebildet, damit er den Sauerstoff durch zumindest einen Anteil jeder Brennstoffzelle führen kann. Die Kathode steht in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmungspfad, wobei an dieser eine katalytische Reaktion mit dem Sauerstoff stattfinden kann. Die Membran ist zwischen der Anode und Kathode angeordnet, so dass dazwischen beim Betrieb jeder Brennstoffzelle eine Elektrolytverbindung hergestellt wird. Der Kühlmittelströmungspfad ist fluidmäßig von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad entkoppelt. Der Kühlmittelströmungspfad definiert einen Kühlmittelisolierverteiler, der ein dielektrisches Fluidkühlmittel umfasst, das einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, das einen Brennstoffzellenstapel umfasst, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist, wobei jede Brennstoffzelle derart ausgebildet ist, damit Brennstoff mit Sauerstoff reagieren kann, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen. Jede Brennstoffzelle umfasst einen Anodenströmungspfad, eine Anode, einen Kathodenströmungspfad, eine Kathode, eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, zumindest einen Kühlmittelströmungspfad und eine Umwälzanordnung. Der Anodenströmungspfad ist derart ausgebildet, damit er den Brennstoff durch zumindest einen Anteil jeder Brennstoffzelle führen kann. Die Anode steht in Fluidverbindung mit dem Anodenströmungspfad, wobei an dieser eine katalytische Reaktion mit dem Brennstoff stattfinden kann. Der Kathodenströmungspfad ist derart ausgebildet, damit er den Sauerstoff durch zumindest einen Anteil jeder Brennstoffzelle führen kann. Die Kathode steht in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmungspfad, wobei an dieser eine katalytische Reaktion mit dem Sauerstoff stattfinden kann. Die Membran ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, so dass dazwischen beim Betrieb jeder Brennstoffzelle eine Elektrolytverbindung hergestellt wird. Der Kühlmittelströmungspfad ist fluidmäßig von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad entkoppelt. Der Kühlmittelströmungspfad definiert einen Kühlmittelisolierverteiler, der einen Einlass, einen Auslass und ein dielektrisches Fluidkühlmittel umfasst, das einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst. Die Umwälzanordnung umfasst einen Umwälzströmungspfad, eine Pumpe und einen Kühler. Der Umwälzströmungspfad verbindet den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers fluidmäßig mit dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle vor, das umfasst, dass eine Brennstoffzelle vorgesehen wird, die derart ausgebildet wird, um Brennstoff mit Sauerstoff zu reagieren und damit einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen. Das Verfahren umfasst ferner, dass die Brennstoffzelle derart ausgebildet wird, dass sie eine Anode, eine Kathode und eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, umfasst; ein Anodenströmungspfad und ein Kathodenströmungspfad ausgebildet werden, um den Brennstoff und Sauerstoff an die Anode bzw. die Kathode zu führen; und zumindest ein Kühlmittelströmungspfad derart ausgebildet wird, dass er fluidmäßig von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad entkoppelt ist. Der Kühlmittelströmungspfad definiert einen Kühlmittelisolierverteiler, und der Kühlmittelisolierverteiler umfasst ein dielektrisches fluidartiges Kühlmittel, das einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle vor, das umfasst, dass eine Brennstoffzelle vorgesehen wird, die derart ausgebildet wird, um Brennstoff mit Sauerstoff zu reagieren und damit einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen. Das Verfahren umfasst ferner, dass die Brennstoffzelle derart ausgebildet wird, dass sie eine Anode, eine Kathode und eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, umfasst; ein Anodenströmungspfad und ein Kathodenströmungspfad ausgebildet werden, um den Brennstoff und Sauerstoff an die Anode bzw. die Kathode zu führen; und zumindest ein Kühlmittelströmungspfad derart ausgebildet wird, dass er fluidmäßig von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad entkoppelt ist. Der Kühlmittelströmungspfad definiert einen Kühlmittelisolierverteiler, und der Kühlmittelisolierverteiler umfasst einen Einlass und einen Auslass und ein dielektrisches Fluidkühlmittel, das einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst. Zusätzlich umfasst das Verfahren, dass eine Umwälzanordnung ausgebildet wird, die einen Umwälzströmungspfad umfasst, so dass der Umwälzströmungspfad den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers fluidmäßig mit dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers verbindet, wobei die Umwälzanordnung ferner eine Pumpe und einen Kühler umfasst, das dielektrische Fluidkühlmittel durch den Kühlmittelisolierverteiler umgewälzt wird, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel Wärme von der Brennstoffzelle entnimmt, um ein erhitztes dielektrisches Fluidkühlmittel zu erzeugen, und das erhitzte dielektrische Fluidkühlmittel von dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers über den Umwälzströmungspfad an den Kühler umgewälzt wird, wodurch das erhitzte dielektrische Fluidkühlmittel gekühlt und an den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers rückgeführt wird.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems vor, das umfasst, dass ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen wird, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, wobei jede Brennstoffzelle derart ausgebil det wird, um Brennstoff mit Sauerstoff zu reagieren und damit einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen. Das Verfahren umfasst ferner, dass jede Brennstoffzelle derart ausgebildet wird, dass sie eine Anode, eine Kathode und eine Membran, die zwischen der Anode und Kathode angeordnet ist, umfasst; ein Anodenströmungspfad und ein Kathodenströmungspfad ausgebildet werden, um den Brennstoff und Sauerstoff an die Anode bzw. die Kathode zu führen; und zumindest ein Kühlmittelströmungspfad derart ausgebildet wird, dass er fluidmäßig von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad entkoppelt ist. Der Kühlmittelströmungspfad definiert einen Kühlmittelisolierverteiler, und der Kühlmittelisolierverteiler umfasst ein dielektrisches Fluidkühlmittel, das einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems vor, das umfasst, dass ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen wird, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, wobei jede Brennstoffzelle derart ausgebildet wird, um Brennstoff mit Sauerstoff zu reagieren und damit einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen. Das Verfahren umfasst ferner, dass jede Brennstoffzelle derart ausgebildet wird, dass sie eine Anode, eine Kathode und eine Membran, die zwischen der Anode und Kathode angeordnet ist, umfasst; ein Anodenströmungspfad und ein Kathodenströmungspfad ausgebildet werden, um den Brennstoff und Sauerstoff an die Anode bzw. die Kathode zu führen; und zumindest ein Kühlmittelströmungspfad derart ausgebildet wird, dass er fluidmäßig von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad entkoppelt ist. Der Kühlmittelströmungspfad definiert einen Kühlmittelisolierverteiler, und der Kühlmittelisolierverteiler umfasst einen Einlass und einen Auslass und ein dielektrisches Fluidkühlmittel, das einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst. Zusätzlich umfasst das Verfahren, dass eine Umwälzanordnung ausgebildet wird, die einen Umwälzströmungspfad umfasst, so dass der Umwälzströmungspfad den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers fluidmäßig mit dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers verbindet, wobei die Umwälzanordnung ferner eine Pumpe und einen Kühler umfasst, das dielektrische Fluidkühlmittel durch den Kühlmittelisolierverteiler umgewälzt wird, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel Wärme von der Brennstoffzelle entnimmt, um ein erhitztes dielektrisches Fluidkühlmittel zu erzeugen, und das erhitzte dielektrische Fluidkühlmittel von dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers über den Umwälzströmungspfad an den Kühler umgewälzt wird, wodurch das erhitzte dielektrische Fluidkühlmittel gekühlt und 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 nur durch den Wortlaut darin und nicht durch die spezifische Beschreibung von Merkmalen und Vorteilen, die in der vorliegenden Beschreibung dargelegt sind, beschränkt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist am besten unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen zu verstehen, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und wobei:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Für Fachleute ist offensichtlich, dass Elemente in der Figur einfach und deutlich dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind. Beispielsweise können die Abmessungen von einigen der Elemente in der Figur bezüglich anderer Elemente übertrieben dargestellt sein, um ein Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu unterstützen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINIGER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle vorgesehen, die derart ausgebildet ist, um Brennstoff (typischerweise gasförmigen Wasserstoff) mit Sauerstoff zu reagieren und damit einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen. Unter den anderen Komponenten der Brennstoffzelle, die nachfolgend detaillierter beschrieben werden, umfasst die Brennstoffzelle zumindest einen Kühlmittelströmungspfad, der einen Kühlmittelisolierverteiler definiert. Der Verteiler umfasst ein dielektrisches Fluidkühlmittel, das verwendet wird, um die Brennstoffzelle zu kühlen und die Nutzlebensdauer ihrer Komponenten zu erhöhen.
Bei dieser ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das dielektrische Fluidkühlmittel einen Petroleum-Kohlenwasserstoff. Mit "Petroleum-Kohlenwasserstoff ist jegliche raffinierte Erdölfraktion gemeint, die zumindest einige paraffinische und/oder naphthenische Kohlenwasserstoffe in dem C₁₀- bis C₁₆-Bereich umfasst. Der Petroleum-Kohlenwasserstoff kann Petroleum bzw. Kerosin sein. Obwohl andere nicht dielektrische, auf Wasser basierende Kühlmittel eine höhere Wärmekapazität als der Petroleum-Kohlenwasserstoff besitzen, erlaubt die niedrige kinematische Viskosität des Petroleum-Kohlenwasserstoffs, dass dieser mit höheren Durchsätzen gepumpt werden kann. Die Wärmekapazität des Petroleum-Kohlenwasserstoffs kann bis zu einschließlich etwa 2,5 J/g/K (im Vergleich zu 4,2 J/g/K für Wasser) betragen und besitzt eine Viskosität von weniger als oder etwa 10 cP bei etwa 80°C oder weniger als oder etwa 40 cP bei etwa 0°C. Dies erleichtert die Entfernung von Abwärme von der Brennstoffzelle ohne merkliche Erhöhung der parasitären Pumpleistung. Die Pumpleistung, die erforderlich ist, um das dielektrische Fluidkühlmittel umzuwälzen, kann dadurch verringert werden, dass bipolare Platten verwendet werden, die zusätzliche offene Kühlmittelströmungspfade besitzen.
Im Gegensatz zu auf Wasser basierenden Kühlmitteln, die in kalten Umgebungen gefrieren können, ist der Gefrierpunkt des Petroleum-Kohlenwasserstoff-Kühlmittels der vorliegenden Erfindung niedriger als oder etwa –35°C. Insbesondere kann der Gefrierpunkt des Petroleum-Kohlenwasserstoffs zwischen etwa –40°C und etwa 0°C liegen. Folglich kann der Petroleum-Kohlenwasserstoff in kalten Umgebungen ohne Gefahr eines Kühlmittelausfalls aufgrund von Gefrieren verwendet werden.
An dem anderen Ende des Temperaturspektrums ist der Siedepunkt des Petroleum-Kohlenwasserstoff-Kühlmittels der vorliegenden Erfindung größer als oder etwa 85°C. Insbesondere kann der Siedepunkt des Petroleum-Kohlenwasserstoffs zwischen etwa 175°C und etwa 325°C liegen. Zusätzlich besitzt der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen Flammpunkt zwischen etwa 37,7°C und etwa 65,5°C und kann sich bei etwa 444°F (228°C) selbst entzünden. Die Wärmeleitfähigkeit des Petroleum-Kohlenwasserstoff-Kühlmittels kann bis zu einschließlich etwa 0,15 W/m-K oder insbesondere zwischen etwa 0,05 und etwa 0,4 W/m-K liegen. Der spezifische elektrische Widerstand des Petroleum-Kohlenwasserstoff- Kühlmittels der vorliegenden Erfindung ist größer als oder liegt bei etwa 18 Mohm cm. Insbesondere kann der spezifische elektrische Widerstand des Petroleum-Kohlenwasserstoff-Kühlmittels zwischen etwa 0,25 und etwa 40 Mohm cm liegen.
Die Verwendung des Petroleum-Kohlenwasserstoffs als ein Kühlmittel kann die Nutzlebensdauer der Brennstoffzelle erweitern, da im Gegensatz zu auf Wasser basierenden Kühlmitteln Petroleum-Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Petroleum, die Stapelkomponenten nicht schädigen. Folglich müssen dem dielektrischen Fluidkühlmittel der vorliegenden Erfindung keine Korrosionshemmer zugesetzt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das dielektrische Fluidkühlmittel eine Emulsion aus Wasser in Petroleum umfassen. Es kann deionisiertes Wasser bei der Bildung der Emulsion mit zwischen etwa 0 und etwa 30% verwendet werden. Die Emulsion nutzt den Vorteil der erhöhten Wärmekapazität von Wasser (4,2 J/g/K), um die Wärmekapazität des Petroleum-Kohlenwasserstoff-Kühlmittels anzuheben. Demgemäß beträgt die Wärmekapazität des dielektrischen Fluidkühlmittels der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung, die die Emulsion von Wasser in Petroleum umfasst, etwa 2,3 J/g/K. Diese Erhöhung der Wärmekapazität wird erhalten, während dennoch der nicht leitende Charakter wie auch die niedrige Viskosität des reinen Petroleum-Kühlmittels der ersten Ausführungsform der Erfindung beibehalten werden. Ein typisches Beispiel einer Emulsion von Wasser in Petroleum ist PuriNOx^TM, einem die Umweltverschmutzung reduzierenden Dieselkraftstoff, der von The Lubrizol Corporation (Wickliffe, Ohio) erhältlich ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, die kombiniert sind, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Jede Brennstoffzelle in dem Stapel ist derart ausgebildet, um Brennstoff mit Sauerstoff zu reagieren und damit einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen. In dem Stapel ist zumindest ein Kühlmittelströmungspfad enthalten, der einen Kühlmittelisolierverteiler definiert. Der Verteiler umfasst ein dielektrisches Fluidkühlmittel, das ein Petroleum-Kohlenwasserstoff (d. h. Petroleum) oder eine Emulsion aus Wasser in Petroleum sein kann.
Die Leitfähigkeit des dielektrischen Fluidkühlmittels ist besonders wichtig, wenn ein Kühlmittel für Brennstoffzellenstapel gewählt wird. Dies ist hauptsächlich auf die Stapelkonstruktion zurückzuführen, die einen Sammelleitungsbereich verwendet, um die reaktiven Gase wie auch das Kühlmittel an den Kühlmittelströmungspfad zu verteilen. In diesem Sammelleitungsbereich wird leicht ein elektrisches Feld von 10 V/cm erreicht. Eine Ionenverunreinigung der wässrigen Kühlmittel kann die Leitfähigkeit auf unakzeptable Niveaus erhöhen, wodurch Nebenschlussströme in dem Sammelleitungsbereich bewirkt werden.
Jedoch stellen die Kühlmittel aus Petroleum und Emulsion von Petroleum in Wasser der vorliegenden Erfindung ein Dielektrikum dar, das keinen Ionentransport zulässt. Folglich beeinträchtigen sogar im verschmutzten Zustand die dielektrischen Fluidkühlmittel aus Petroleum-Kohlenwasserstoff nicht die Stapelkomponenten und lassen auch keinen Verlust an Leistungsfähigkeit aufgrund eines Nebenschlussstromes an dem Sammelleitungsbereich des Stapels zu. Außerdem kann im Gegensatz zu Ionentauscherharzen, die bei Temperaturen über 90°C vorzeitig thermisch geschädigt werden, das vorliegende dielektrische Kühlmittel ohne einen Ionentauscher bei wesentlich größeren Temperaturen arbeiten, um effizient Abwärme an den Kühler abzugeben.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, von denen jedes zumindest einen Kühlmittelströmungspfad und eine Umwälzordnung umfasst, die einen Umwälzströmungspfad, eine Pumpe und einen Kühler umfasst. Der Kühlmittelströmungspfad definiert einen Kühlmittelisolierverteiler, der einen Einlass, einen Auslass und ein dielektrisches Fluidkühlmittel umfasst, das einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfassen kann, wie beispielsweise Petroleum oder eine Emulsion von Wasser in Petroleum. 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 ein 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 Wärme von dem erhitzten dielektrischen Kühlmittel zur Rückumwälzung an den Kühlmittelisolierverteiler effektiv verteilen kann.
Die Brennstoffzelle wie auch das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung umfassen ferner jeweils einen Anodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um Brennstoff durch zumindest einen Anteil jeder Brennstoffzelle zu führen. Die Anode steht in Fluidverbindung mit dem Anodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Brennstoff stattfinden kann. Zusätzlich umfasst jede Brennstoffzelle einen Kathodenströmungspfad, der Sauerstoff durch zumindest einen Anteil jeder Brennstoffzelle führen kann. Die Kathode steht in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmungspfad, wobei an der Kathode eine katalytische Reaktion stattfinden kann. Überdies ist eine Membran zwischen der Ano de und Kathode angeordnet, so dass dazwischen im Betrieb der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellensystems eine Elektrolytverbindung hergestellt wird.
In 1 ist eine schematische Darstellung einer typischen Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellensystems zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Der Brennstoffzellenstapel 1 umfasst eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen, die elektrisch in Reihe, parallel oder einer Kombination daraus geschaltet sein können. An der Anodenseite 11 des Brennstoffzellenstapels 1 kann Brennstoff (typischerweise gasförmiger Wasserstoff H₂) von einer Versorgung 22 über ein Ventil 24 und eine Leitung 26 über den Anodenströmungspfad in die Anode zugeführt werden, die in der Brennstoffzelle positioniert ist. Der Brennstoff tritt daher in dem Brennstoffzellenstapel 1 an dem Einlass 28 ein, während Anodenabgase, 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 durch eine Pumpe 34 an den Einlass 28 zurückgeführt werden kann. Die verbleibenden anodenseitigen Abgase können über ein Ventil 50 und eine Leitung 36 an eine Brennervorrichtung 38 zugeführt werden, an der die anodenseitigen Abgase zusammen mit Luft von einem Gebläse 40 verbrannt werden, so dass die aus der Verbrennung stammenden Abgase, hauptsächlich Stickstoff und Wasserdampf, den Brennstoffzellenstapel 1 über Leitung 42 verlassen. Das Wasser, das sich in dem Behälter 32 angesammelt hat, kann periodisch über ein Ablassventil 44 abgelassen werden.
An der Anodenseite 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 ge schlossen sein, und das Ventil 48 kann geöffnet werden, um Stickstoff N₂ über eine Leitung 26 in den Anodenströmungspfad in der Brennstoffzelle einzuführen und damit den Wasserstoff H₂ von der Brennstoffzelle zu verdrängen. Der Wasserstoff H₂ kann dann unter gesteuerten Bedingungen in dem Brenner 38 verbrannt werden, wodurch die Gefahr einer Ansammlung von Wasserstoff H₂ in der Brennstoffzelle verringert wird. Die Verbrennungsvorrichtung 38 muss nicht kontinuierlich betrieben werden und kann von dem Kreislauf der Anodenseite 11 durch das Ventil 50 isoliert sein.
Sauerstoff O₂ tritt in die Kathodenseite 13 des Brennstoffzellenstapels 1 über eine Leitung 52 ein und kann durch einen Kompressor 56 komprimiert werden, der durch einen Motor 54 betrieben wird. Nach einem Durchgang durch den Kompressor 56 gelangt der Sauerstoff O₂ durch die Leitung 58 an den Kathodeneinlass 60, an dem dieser in die Kathode in der Brennstoffzelle über den Kathodenströmungspfad eintritt. Das Kathodenabgas, das hauptsächlich aus Wasserdampf, Stickstoff und Sauerstoff besteht, tritt aus dem Kathodenauslass 62 des Brennstoffzellenstapels 1 aus, wobei Wasserdampf in einem Behälter 64 gesammelt werden kann, während die verbleibenden Abgase über eine Leitung 66 und ein Ventil 67 an die Atmosphäre entlüftet werden. Ein optionaler Zusatzkompressor 68, der ebenfalls durch einen Motor (nicht gezeigt) betrieben wird, oder ein Kompressor 56 kann dazu verwendet werden, das Brennstoffzellensystem zu starten. Wie bei der Anodenseite 11 des Brennstoffzellensystems kann ein Ventil 65 dazu verwendet werden, selektiv Wasser, das sich in dem Behälter 64 angesammelt hat, von dem System abzulassen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Umwälzanordnung 16 als ein Kreislauf dargestellt, um eine angemessene Kühlung des Brennstoffzellenstapels 1 während des Systembetriebs sicherzustellen. Die Anordnung 16 ist bezüglich der Anodenseite 11 und der Kathodenseite 13 autonom, so dass das dielektrische Kühlmittel (ein Petroleum-Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Petroleum oder eine Emulsion von Wasser in Petroleum) sich in der Anordnung 16 nicht mit dem durch die Reaktion zwischen dem Wasserstoff H₂ und Sauerstoff O₂ an der Kathode erzeugten Fluid mischt. Die Anordnung 16 umfasst ferner einen geschlossenen Umwälzströmungspfad mit einer Pumpe 18 und einem Kühler 20.
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 zuvor beschrieben aufgebaut wird und das dielektrische Fluidkühlmittel durch den Kühlmittelisolierverteiler umwälzt, so dass das dielektrische Fluidkühlmittel Wärme von der Brennstoffzelle entnimmt, wodurch ein erhitztes dielektrisches Kühlmittel erzeugt wird. Das dielektrische Fluidkühlmittel kann einen Petroleum-Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Petroleum oder eine Emulsion aus Wasser in Petroleum umfassen, wie oben detaillierter beschrieben ist. Das Verfahren umfasst ferner, dass das erhitzte dielektrische Fluidkühlmittel von dem Kühlmittelisolierverteiler über den Umwälzströmungspfad an den Kühler umgewälzt wird, das erhitzte dielektrische Fluidkühlmittel in dem Kühler gekühlt wird und das gekühlte dielektrische Fluidkühlmittel an den Verteilereinlass rückgeführt wird.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei zu verstehen, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Schutzumfanges der beschriebenen erfinderischen Konzepte möglich sind. Demgemäß sei zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern den vollständigen durch den Wortlaut der nachfolgenden Ansprüche zugelassenen Schutzumfang besitzt.
Zusammenfassung
Kostengünstiges dielektrisches Kühlmittel für Brennstoffzellenstapel. Die vorliegende Erfindung ist auf eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem wie auch Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle und eines Brennstoffzellensystems gerichtet. Die Brennstoffzelle ist derart ausgebildet, dass sie Brennstoff mit Sauerstoff reagieren kann, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, und umfasst eine Anode, einen Anodenströmungspfad, eine Kathode, einen Kathodenströmungspfad und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Membran. Zumindest ein Kühlmittelströmungspfad ist von den Anoden- und Kathodenströmungspfaden fluidmäßig entkoppelt und definiert einen Kühlmittelisolierverteiler. Der Kühlmittelisolierverteiler umfasst ein dielektrisches Fluidkühlmittel, das einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst, der Petroleum oder eine Emulsion aus Wasser in Petroleum sein kann. Es sei angemerkt, dass diese Zusammenfassung derart vorgesehen ist, dass sie mit den an eine Zusammenfassung gestellten Regeln übereinstimmt, was einem Rechercheur oder anderen Leser ermöglicht, schnell den Gegenstand der technischen Offenbarung in Erfahrung zu bringen. Sie wird unter der Voraussetzung eingereicht, dass sie nicht dazu verwendet wird, den Schutzumfang oder die Bedeutung der Ansprüche zu interpretieren oder zu beschränken.

Claims

Brennstoffzelle zur Reaktion von Brennstoff mit Sauerstoff, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, wobei die Brennstoffzelle umfasst: einen Anodenströmungspfad, um den Brennstoff durch zumindest einen Anteil der Brennstoffzelle zu führen; eine Anode in Fluidverbindung mit dem Anodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Brennstoff stattfinden kann; einen Kathodenströmungspfad, um den Sauerstoff durch zumindest einen Anteil der Brennstoffzelle zu führen; eine Kathode in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Sauerstoff stattfinden kann; eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, so dass dazwischen beim Betrieb der Brennstoffzelle eine Elektrolytverbindung hergestellt wird; und zumindest einen Kühlmittelströmungspfad, der fluidmäßig von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad entkoppelt ist, wobei der Kühlmittelströmungspfad einen Kühlmittelisolierverteiler definiert, und wobei der Kühlmittelisolierverteiler ein dielektrisches Fluidkühlmittel umfasst, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff Petroleum umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff eine Wärmekapazität von bis zu einschließlich etwa 2,5 J/g/K besitzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff eine Viskosität von weniger als oder gleich etwa 10 cP bei etwa 80°C umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff eine Viskosität von weniger als oder gleich etwa 40 cP bei etwa 0°C umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen Gefrierpunkt von weniger als oder gleich etwa –35°C umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen Gefrierpunkt zwischen etwa –40 und etwa 0°C umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen Siedepunkt von größer als oder gleich etwa 85°C umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen Siedepunkt zwischen etwa 175 und etwa 325°C umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen Flammpunkt zwischen etwa 37,7°C und etwa 65,5°C umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff bei etwa 228°C selbst zündet.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu einschließlich etwa 0,15 W/m-K umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff eine Wärmeleitfähigkeit zwischen etwa 0,05 und etwa 0,4 W/m-K umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen spezifischen elektrischen Widerstand von größer als oder gleich etwa 18 Mohm cm umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen spezifischen elektrischen Widerstand zwischen etwa 0,25 und etwa 40 Mohm cm besitzt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel eine Emulsion von Wasser in Petroleum umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, wobei die Emulsion eine Wärmekapazität von bis zu einschließlich etwa 2,3 J/g/K umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, wobei die Emulsion zwischen etwa 0 und etwa 30% Wasser umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 16, wobei das Wasser deionisiertes Wasser umfasst.
Brennstoffzelle zur Reaktion von Brennstoff mit Sauerstoff, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, wobei die Brennstoffzelle umfasst: einen Anodenströmungspfad, um den Brennstoff durch zumindest einen Anteil der Brennstoffzelle zu führen; eine Anode in Fluidverbindung mit dem Anodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Brennstoff stattfinden kann; einen Kathodenströmungspfad, um den Sauerstoff durch zumindest einen Anteil der Brennstoffzelle zu führen; eine Kathode in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Sauerstoff stattfinden kann; eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, so dass dazwischen beim Betrieb der Brennstoffzelle eine Elektrolytverbindung hergestellt wird; zumindest einen Kühlmittelströmungspfad, der fluidmäßig von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad entkoppelt ist, wobei der Kühlmittelströmungspfad einen Kühlmittelisolierverteiler definiert, und wobei der Kühlmittelisolierverteiler einen Ein lass, einen Auslass und ein dielektrisches Fluidkühlmittel umfasst, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst; und eine Umwälzanordnung mit einem Umwälzströmungspfad, einer Pumpe und einem Kühler, wobei der Umwälzströmungspfad den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers fluidmäßig mit dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers verbindet.
Brennstoffzelle nach Anspruch 20, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff Petroleum umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 20, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel eine Emulsion von Wasser in Petroleum umfasst.
Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, wobei jede Brennstoffzelle derart ausgebildet ist, um Brennstoff mit Sauerstoff zu reagieren und damit einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, wobei jede Brennstoffzelle umfasst: einen Anodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um den Brennstoff durch zumindest einen Anteil jeder Brennstoffzelle zu führen; eine Anode in Fluidverbindung mit dem Anodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Brennstoff stattfinden kann; einen Kathodenströmungspfad, um den Sauerstoff durch zumindest einen Anteil jeder Brennstoffzelle zu führen; eine Kathode in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Sauerstoff stattfinden kann; eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, so dass dazwischen beim Betrieb jeder Brennstoffzelle eine Elektrolytverbindung hergestellt wird; und zumindest einen Kühlmittelströmungspfad, der fluidmäßig von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad entkoppelt ist, wobei der Kühlmittelströmungspfad einen Kühlmittelisolierverteiler definiert, und wobei der Kühlmittelisolierverteiler ein dielektrisches Fluidkühlmittel umfasst, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff Petroleum umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel eine Emulsion von Wasser in Petroleum umfasst.
Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, wobei jede Brennstoffzelle derart ausgebildet ist, um Brennstoff mit Sauerstoff zu reagieren und damit einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, wobei jede Brennstoffzelle umfasst: einen Anodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um den Brennstoff durch zumindest einen Anteil jeder Brennstoffzelle zu führen; eine Anode in Fluidverbindung mit dem Anodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Brennstoff stattfinden kann; einen Kathodenströmungspfad, um den Sauerstoff durch zumindest einen Anteil jeder Brennstoffzelle zu führen; eine Kathode in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmungspfad, an der eine katalytische Reaktion mit dem Sauerstoff stattfinden kann; eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, so dass dazwischen beim Betrieb jeder Brennstoffzelle eine Elektrolytverbindung hergestellt wird; zumindest einen Kühlmittelströmungspfad, der fluidmäßig von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad entkoppelt ist, wobei der Kühlmittelströmungspfad einen Kühlmittelisolierverteiler definiert, und wobei der Kühlmittelisolierverteiler einen Einlass, einen Auslass und ein dielektrisches Fluidkühlmittel umfasst, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst; und einer Umwälzanordnung mit einem Umwälzströmungspfad, einer Pumpe und einem Kühler, wobei der Umwälzströmungspfad den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers fluidmäßig mit dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers verbindet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff Petroleum umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel eine Emulsion von Wasser in Petroleum umfasst.
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; die Brennstoffzelle derart ausgebildet wird, dass sie eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Membran umfasst; ein Anodenströmungspfad und ein Kathodenströmungspfad ausgebildet werden, um den Brennstoff und Sauerstoff an die Anode bzw. die Kathode zu führen; und zumindest ein Kühlmittelströmungspfad derart ausgebildet wird, dass er von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad fluidmäßig entkoppelt ist, wobei der Kühlmittelströmungspfad einen Kühlmittelisolierverteiler definiert, und wobei der Kühlmittelisolierverteiler ein dielektrisches Fluidkühlmittel umfasst, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff Petroleum umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff eine Wärmekapazität von bis zu einschließlich etwa 2,5 J/g/K besitzt.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff eine Viskosität von weniger als oder gleich etwa 10 cP bei etwa 80°C umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff eine Viskosität von weniger als oder gleich etwa 40 cP bei etwa 0°C umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen Gefrierpunkt von weniger als oder gleich etwa –35°C umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen Gefrierpunkt zwischen etwa –40 und etwa 0°C umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen Siedepunkt von größer als oder gleich etwa 85°C umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen Siedepunkt zwischen etwa 175 und etwa 325°C umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen Flammpunkt zwischen etwa 37,7°C und etwa 65,5°C umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff bei etwa 228°C selbst zündet.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu einschließlich etwa 0,15 W/m-K umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff eine Wärmeleitfähigkeit zwischen etwa 0,05 und etwa 0,4 W/m-K umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen spezifischen elektrischen Widerstand von größer als oder gleich etwa 18 Mohm cm umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff einen spezifischen elektrischen Widerstand zwischen etwa 0,25 und etwa 0,4 Mohm cm besitzt.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 29, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel eine Emulsion von Wasser in Petroleum umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 44, wobei die Emulsion eine Wärmekapazität von bis zu einschließlich etwa 2,3 J/g/K umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 44, wobei die Emulsion zwischen etwa 0 und etwa 30 % Wasser umfasst.
Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 44, wobei das Wasser deionisiertes Wasser umfasst.
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; die Brennstoffzelle derart ausgebildet wird, dass sie eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Membran umfasst; ein Anodenströmungspfad und ein Kathodenströmungspfad ausgebildet werden, um den Brennstoff und Sauerstoff an die Anode bzw. die Kathode zu führen; zumindest ein Kühlmittelströmungspfad derart ausgebildet wird, dass er von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad fluidmäßig entkoppelt ist, wobei der Kühlmittelströmungspfad einen Kühlmittelisolierverteiler definiert, und wobei der Kühlmittelisolierverteiler einen Einlass, einen Auslass und ein dielektrisches Fluidkühlmittel umfasst, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst; eine Umwälzanordnung ausgebildet wird, die einen Umwälzströmungspfad umfasst, so dass der Umwälzströmungspfad den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers fluidmäßig mit dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers verbindet, wobei die Umwälzanordnung ferner eine Pumpe und einen Kühler umfasst; das dielektrische Fluidkühlmittel durch den Kühlmittelisolierverteiler umgewälzt wird, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel Wärme von der Brennstoffzelle entnimmt, um ein erhitztes dielektrisches Fluidkühlmittel zu erzeugen; und das erhitzte dielektrische Fluidkühlmittel von dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers über den Umwälzströmungspfad an den Kühler umgewälzt wird, wobei das erhitzte dielektrische Fluidkühlmittel gekühlt und an den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers rückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 48, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff Petroleum umfasst.
Verfahren nach Anspruch 48, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel eine Emulsion von Wasser in Petroleum umfasst.
Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems, umfassend, dass: ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen wird, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, wobei jede Brennstoffzelle derart ausgebildet wird, dass sie Brennstoff mit Sauerstoff reagiert, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen; wobei jede Brennstoffzelle derart ausgebildet wird, dass sie eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Membran umfasst; ein Anodenströmungspfad und ein Kathodenströmungspfad ausgebildet werden, um den Brennstoff und Sauerstoff an die Anode bzw. die Kathode zu führen; und zumindest ein Kühlmittelströmungspfad derart ausgebildet wird, dass er von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad fluidmäßig entkoppelt ist, wobei der Kühlmittelströmungspfad einen Kühlmittelisolierverteiler definiert, und wobei der Kühlmittelisolierverteiler ein dielektrisches Fluidkühlmittel umfasst, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff Petroleum umfasst.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel eine Emulsion von Wasser in Petroleum umfasst.
Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems umfassend, dass: ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen wird, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, wobei jede Brennstoffzelle derart ausgebildet wird, dass sie Brennstoff mit Sauerstoff reagieren kann, um einen elektrischen Strom und zumindest ein Reaktionsprodukt zu erzeugen; wobei jede Brennstoffzelle derart ausgebildet wird, dass sie eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Membran umfasst; ein Anodenströmungspfad und ein Kathodenströmungspfad ausgebildet werden, um den Brennstoff und Sauerstoff an die Anode bzw. die Kathode zu führen; zumindest ein Kühlmittelströmungspfad derart ausgebildet wird, dass er von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad fluidmäßig entkoppelt ist, wobei der Kühlmittelströmungspfad einen Kühlmittelisolierverteiler definiert, und wobei der Kühlmittelisolierverteiler einen Einlass, einen Auslass und ein die lektrisches Fluidkühlmittel umfasst, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel einen Petroleum-Kohlenwasserstoff umfasst; eine Umwälzanordnung ausgebildet wird, die einen Umwälzströmungspfad umfasst, so dass der Umwälzströmungspfad den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers fluidmäßig mit dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers verbindet, wobei die Umwälzanordnung ferner eine Pumpe und einen Kühler umfasst; das dielektrische Fluidkühlmittel durch den Kühlmittelisolierverteiler umgewälzt wird, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel Wärme von der Brennstoffzelle entnimmt, um ein erhitztes dielektrisches Fluidkühlmittel zu erzeugen; und das erhitzte dielektrische Fluidkühlmittel von dem Auslass des Kühlmittelisolierverteilers über den Umwälzströmungspfad an den Kühler umgewälzt wird, wobei das erhitzte dielektrische Fluidkühlmittel gekühlt und an den Einlass des Kühlmittelisolierverteilers rückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei der Petroleum-Kohlenwasserstoff Petroleum umfasst.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei das dielektrische Fluidkühlmittel eine Emulsion von Wasser in Petroleum umfasst.