JP2005517796A - 燃料電池アセンブリのための高い電気抵抗を有する伝熱組成物 - Google Patents

Abstract

本発明は、一般的に、伝熱組成物に関する。更に詳しくは、本発明は、発電設備において又はエンジンにおいて使用するための高い電気抵抗を有する伝熱組成物に関する。前記組成物は、燃料電池アセンブリにおいて特に有用である。

Description

発明の分野
本発明は、一般的に、伝熱組成物に関する。更に詳しくは、本発明は、発電設備において又はエンジンにおいて使用するための高い電気抵抗を有する伝熱組成物に関する。前記組成物は、燃料電池アセンブリにおいて特に有用である。
発明の背景

内燃機関（ＩＣＥ）のための伝熱流体（例えば、冷却剤）は公知である。前記流体は、通常は、水を約５０％及びエチレングリコールを５０％（重量基準）を含み、また腐食防止剤を含む添加剤を極微量含む。しかしながら、ＩＣＥは、数十年のうちに時代遅れになると考えられる。燃料電池は、その可能な代替として出てきた。一般的に、燃料電池は、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーへと変換させる電気化学デバイスである。燃料電池は、ＩＣＥを超えるいつくもの利点を提供する。燃料電池は、燃料からエネルギーを抽出するときにより効率が良い（例えば、ターボディーゼルエンジンの４０％及びガソリンエンジンの３０％に比べて、その効率は６０％〜７０％である）。更に、燃料電池は、静かであり、また汚染物質の放出は無視できるほど少量である。また、燃料電池の主要な燃料源は、水素であり、ＩＣＥの燃料源（例えば、ガソリン）に比べて容易に利用することができる。しかしながら、ＩＣＥの代わりに燃料電池を用いるには、公知の伝熱流体も一緒に代える必要があるかもしれない。

典型的には、燃料電池は、アノード（陽極）、カソード（陰極）、及び前記２つの電極間に存在する電解質から成る。各電極は、触媒層で被覆される。アノードでは、燃料、例えば水素が、触媒的に転化されて、カチオンが生成し、そのカチオンは、電解質中を通ってカソードへと移動する。カソードでは、酸化剤、例えば酸素が、触媒層で反応して、アニオンを形成する。アニオンとカチオン間の反応により、反応生成物、電気及び熱が発生する。

燃料電池で生成される電流は、電極のサイズ（面積）に比例する。単一の燃料電池は、典型的には、比較的低い電圧（約１ボルト）を発生する。より高い電圧を発生させるためには、いくつかの燃料電池を、隣接している燃料電池を分離する複極板を介して直列に又は並列に接続する（すなわち、「積み重ねる」）。本願明細書中における燃料電池アセンブリとは、独立した燃料電池を指している。

燃料電池で用いられる最も一般的な燃料及び酸化剤は水素及び酸素である。そのような燃料電池において、アノード及びカソードで起こる反応は、以下の反応式：
アノード反応： Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ （１）
カソード反応： １／２Ｏ_２ ＋ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ （２）
で表される。燃料電池で用いられる酸素は、空気由来の酸素である。用いられる水素は、水素ガス又は「改質」水素の形態であることができる。改質水素は、燃料電池アセンブリにおける任意の構成要素である炭化水素燃料（例えば、メタノール、天然ガス、又はガソリンなど）を水素へと転換する改質装置によって製造される。改質反応は、熱ならびに水素を生成する。

現在、電解質（固体又は液体）、動作温度、及び燃料選択によって分類される５つのタイプの燃料電池が存在する。燃料電池のカテゴリーとしては：プロトン交換膜燃料電池（“ＰＥＭＦＣ”）、燐酸燃料電池（“ＰＡＦＣ”）、溶融カーボネート燃料電池（“ＭＣＦＣ”）、固体酸化物燃料電池（“ＳＯＦＣ”）及びアルカリ燃料電池（“ＡＦＣ”）が挙げられる。

ポリマー電解質膜燃料電池としても公知であるＰＥＭＦＣは、電解質としてイオン交換膜を用いる。前記の膜は、アノードとカソードとの間でプロトンのみを通すことができる。ＰＥＭＦＣでは、水素燃料は、アノードに導入し、そこで、触媒的に酸化され、電子を放出して、プロトンを形成する。その電子は、電流の形態で、外部回路を通ってカソードへと移動する。同時に、プロトンは、膜を通ってカソードの方へと拡散し、そこで、プロトンは、酸素と反応して、水を生成し、全てのプロセスが完了する。ＰＥＭＦＣは、比較的低温（約２００°Ｆ）で動作する。このタイプの燃料電池の欠点は、燃料の不純物に対して敏感な点である。

ＰＡＦＣは電解質として燐酸を使用する。ＰＡＦＣの動作温度範囲は、約３００〜４００°Ｆである。ＰＥＭＦＣとは異なり、ＰＡＦＣは燃料不純物に敏感ではない。このことから用いることができる燃料の選択の幅が広がる。しかしながら、ＰＡＦＣにはいくつかの欠点がある。一つの欠点は、ＰＡＦＣでは高価な触媒（白金）を使用する点である。もう一つの欠点は、ＰＡＦＣから得られる電流及び電力が、他のタイプの燃料電池に比べて低い点である。また、ＰＡＦＣは、一般的に、サイズが大きく重量も重い。

ＭＣＦＣでは、電解質として炭酸アルカリ金属（例えば、Ｌｉ^＋、Ｎａ^＋又はＫ^＋）を使用する。炭酸アルカリ金属が電解質として機能するためには、液体形態でなければならない。結果として、ＭＣＦＣは約１２００°Ｆの温度で動作する。前記の高い動作温度は、電解質の充分な導電性を得るために必要である。そのことにより、燃料（すなわち、改質水素）をより大きな柔軟性をもって選択できるが、同時に、電池部材の腐食及び破壊の可能性が高まる。

ＳＯＦＣでは、液体形態の電解質ではなく、電解質として固体非多孔質金属酸化物が使用される。ＭＣＦＣと同様に、ＳＯＦＣは、約７００℃〜約１０００℃（１２９０〜１８３０°Ｆ）の高温で動作する。ＳＯＦＣの高い動作温度は、ＭＣＦＣの動作温度と同じ利点及び欠点を有する。ＳＯＦＣの更なる利点は、その電解質の固相特性に由来し、それにより燃料電池アセンブリの配置は制限されない（すなわち、ＳＯＦＣは、面状又は管状の形状で設計できる）。

ＡＦＣとして公知の燃料電池の最後のタイプでは、電解質としてアルカリ水酸化カリウムの水溶液を使用する。それらの動作温度は約１５０℃〜約２００℃（約３００〜４００°Ｆ）である。ＡＦＣの利点は、カソード反応が、アルカリ性電解質では、酸性電解質の場合に比べて速いことである。しかしながら、ＡＦＣは、汚染に非常に敏感であるので、純粋な反応体、すなわち純粋な水素及び酸素が必要である。

一般的に、燃料電池アセンブリ内で起こる反応（すなわち、電気化学反応及び改質反応）は、発熱反応である。しかしながら、これらの反応で用いられる触媒は、熱に敏感である。最適に性能を発揮するためには、燃料電池は、積み重ねられている各電池にわたって殆ど均一な一定の温度に保つべきである。例えば、高温では、触媒が破壊される可能性があり、低温では、燃料電池アセンブリ内に氷が形成される可能性がある。而して、そのような温度に関する要求条件に適応させるために、伝熱組成物が必要である。

公知の伝熱組成物は、燃料電池アセンブリで使用するには適していない。従来の伝熱流体は、一般的に金属塩又は有機酸塩である腐食防止剤を含む。前記の塩は、溶液中においてイオンとして存在する。溶液中に有意量の陽イオン及び陰イオンが存在していると、「迷走電流」のための経路が提供される。前記の迷走電流は、いくつかの理由から、制限されなければならない。第一に、燃料電池の運転者に対して電撃の危険があり得る。第二に、前記の迷走電流によって、冷却システムにおいて高度に爆発性の水素ガスが加水分解から発生する可能性がある。最後に、燃料電池によって発生される電気の有意な一部が、電力を生成するのではなく、流体中を通ることによってショートし、燃料電池アセンブリの効率が低下する可能性がある。而して、燃料電池用途で用いられる伝熱流体は、ＩＣＥ用途で用いられる伝熱流体に比べて、導電性がより低くなければならない（すなわち、電気抵抗がより高い）。

電気抵抗に加えて、燃料電池伝熱流体を開発する場合に必要とされる更なる考慮事項がある。その一つは、伝熱流体の用途に関する。自動車用途における燃料電池伝熱流体は、ＩＣＥにおける燃料電池伝熱流体とは違って、金属に曝露される可能性が高い。例えば、燃料電池アセンブリは、ステンレス鋼、いくつかのアルミニウム合金、特に被覆アルミニウム及び絶縁ポリマーを含むことが予期されるのに対して、ＩＣＥは、鋳鉄、鋼、真鍮、はんだ及び銅を含む。而して、燃料電池伝熱流体は、異なるタイプの金属に適応しなければならない。もう一つの考慮事項は、伝熱流体の物理的性質に関する。燃料電池では、伝熱流体は、アセンブリ全体を流れて、触媒層全体を均一な温度に保つことができなければならない。このことは、伝熱流体の凝固点、蒸気圧、粘度、ポンパビリティー及び層流に左右される。これらの特性に加えて、ガスを吸着する伝熱流体の能力は、伝熱流体の導電性に影響を与える。最後の考慮事項としては、燃料電池伝熱流体は、公知の伝熱流体と同様に、費用対効果が大きくなければならない。

一般的に、燃料電池用途では、伝熱流体として、水又は脱イオン水を用いてきた。米国特許第５，２５２，４１０号；第４，３４４，８５０号；第６，１２０，９２５号；及び第５，８０４，３２６号を参照されたい。しかしながら、燃料電池伝熱流体として水を用いることにはいくつか欠点がある。第一に、燃料電池が、極端な環境条件、例えば広範な温度に曝露されるかもしれない点である。例えば、燃料電池の動作温度が、水の凝固点未満の温度まで低下すると、水の体積膨張によって、燃料電池に対して重大な損傷が引き起こされる可能性がある。更に、水は、燃料電池用途で用いられる様々な金属に関して腐食性であるかもしれない。結果として、長期の耐腐食性を提供するためには無機及び／又は有機の防止剤が必要であると考えられる。しかしながら、前記防止剤は、伝熱流体の電気抵抗を変化させる可能性がある。最後に、水の導電性は、劣化汚染物、副産物、及び錆が蓄積する結果として、時間の経過と共に変化する可能性がある。各前記事項は、燃料電池の性能にとって有害である。

水伝熱流体の凝固点を超える温度を維持しようとする試みは、燃料電池アセンブリの設計に向けられた。例えば、米国特許第６，２４８，４６２ Ｂｌ号 （｀４６２特許）では、燃料電池スタック全体に点在された冷却板を含む燃料電池スタックが開示されている。冷却板は、そのチャンネルを介して不凍液を循環させる。前記冷却板は、燃料電池スタックの残りの部分への不凍液の拡散を阻止する。冷却板は、伝熱流体として水を用いることに関連する第一の問題に対処するためのものであるが、完全に問題を排除できない。更に、燃料電池スタックに前記冷却板を加えると、燃料電池スタックの総重量及び総体積が増加する。

これらの欠点に対処する試みは、公知の不凍液を収容する燃料電池アセンブリの開発に向けられた。例えば、米国特許第６，３１６，１３５ Ｂｌ号及び公開国際特許出願第ＷＯ ０１／４７０５２ Ａｌ号では、伝熱流体として不凍液のみを用いている燃料電池アセンブリを開示している。前記燃料電池アセンブリは、ある種の「防水処理された」部材、すなわち実質的に疎水性の部材を含む。これらのアセンブリの設計は、不凍液が電解質及び触媒を汚染するのを防止し、それにより、燃料電池アセンブリの部材から不凍液を分離する（例えば、冷却板で）必要性が排除される。結果として、｀４６２特許で開示された燃料電池スタックに比べて、より軽い重量及びより小さい体積を有する燃料電池スタックを作製できる。しかしながら、前記の燃料電池アセンブリには、不凍液汚染及び防水材料によって引き起こされる冷却効果の低下を含むいくつかの問題がある。

新しい伝熱流体も開発されてきた。例えば、米国特許第５，８６８，１０５号；第６，１０１，９８８号；第６，０５３，１３２号；及び第６，２３０，６６９号のそれぞれにおいて、水の飽和温度に比べてより高い飽和温度を有する実質的に無水の沸騰可能な液体である伝熱流体が開示されている。開示されている伝熱流体の水含量は、最少含量、例えば５重量％未満である。伝熱流体の一つの例は、腐食を抑制する添加剤を有するプロピレングリコールである。プロピレングリコールの伝熱流体としての使用は制限を受ける。一つの重要な制限は、その粘度である。低い温度では、プロピレングリコールは高度に粘性である。それにより、燃料電池アセンブリ中の流量が低下し、その結果として、その熱除去効率が低下する。最終的には、燃料電池アセンブリの効率が低下する。

水とアルコールとの混合物も、燃料電池伝熱流体として用いられてきた。例えば、日本国特許公開公報第７−１８５３０３号を参照されたい。前記混合物に関しては、溶媒が気化することから生じる欠陥に悩まされている。メタノールのようなアルコールは、伝熱流体のいくらかを冷却層中へと気化させ得る。前記気化は冷却層の圧力を上昇させ、それにより、燃料電池アセンブリ中を一定速度で伝熱流体が流れることが妨害される。これは、触媒層全体を均一な温度に保つ伝熱流体の能力に影響を与える。

他の燃料電池伝熱流体も用いられてきた。例えば、水・グリコール混合物、Ｔｈｅｎｎｉｎｏｌ Ｄ−ｌ２（水素処理されたヘビーナフサ（石油）である）、及び誘電体液（例えば、鉱油及びシリコーン油）が、燃料電池で用いられてきた。例えば、米国特許第５，５６５，２７９号；第５，２５２，４１０号；第５，８０４，３２６号；及び第６，２１８，０３８号を参照されたい。国際ＰＣＴ公開第ＷＯ ０１／２３４９５号で開示されている燃料電池伝熱流体は、水、グリコール及び腐食防止剤を含む。上記伝熱流体のそれぞれは、易燃性及び導電性の増大（すなわち、抵抗率の低下）を含む欠陥を有する。

而して、腐食、凍結、気化及びガス吸着を阻止し、それと同時に、長期に持続する性能及び高い電気抵抗も提供する伝熱流体組成物に関するニーズが存在している。
発明の概要

本発明の一つの目的は、燃料電池アセンブリで使用するための伝熱組成物を提供することにある。

燃料電池アセンブリで使用するための高い電気抵抗を有する伝熱組成物を提供することは、本発明の別の目的である。

燃料電池アセンブリで使用するための約５ＫΩ・ｃｍを超える電気抵抗を有する伝熱組成物を提供することは、本発明の別の目的である。

腐食防止を付与する伝熱組成物を提供することは本発明の別の目的である。

凍結防止を付与する伝熱組成物を提供することは本発明の別の目的である。
詳細な説明

本発明が更に完全に理解されるために、以下で詳細に説明する。しかしながら、クレームによって開示される本発明が、以下の詳細な説明によって限定されることは意図していない。

本発明は、燃料電池アセンブリで使用するための伝熱組成物を提供する。更に詳しくは、本発明は：
（ａ）アルコールを約０重量％〜約９０重量％；
（ｂ）ポリアルキレンオキシドを約１重量％〜約９０重量％；
（ｃ）添加剤を約０重量％〜約５０重量％；
（ｄ）残りは水
を含む、燃料電池アセンブリで使用するための伝熱組成物を提供する。前記伝熱組成物は、燃料電池アセンブリで使用するのに特に充分に適していて、高い電気抵抗を提供しつつ、緩和熱（ａｓｓｕａｓｉｖｅ ｈｅａｔ）を除去し且つ適当な動作温度を維持する。

本発明の組成物における第一成分は、アルコールである。適当なアルコールとしては、一価アルコール又は多価アルコール、及びそれらの混合物が挙げられる。好ましいアルコールは、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、フルフロール、テトラヒドロフルフリルアルコール（ＴＨＦＡ）、エトキシル化フルフリル、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、１，２−プロピレングリコール、１，３−プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ブチレングリコール、グリセロール、グリセロールのモノエチルエーテル、グリセロールのジメチルエーテル、ソルビトール、１，２，６−ヘキサントリオール、トリメチロールプロパン、アルコキシアルカノール（例えば、メトキシエタノール）及びそれらの混合物である。更に好ましくは、アルコールは、エチレングリコール、１，２−プロピレングリコール、１，３−プロピレングリコール、グリセロール、テトラヒドロフルフリルアルコール、及びそれらの混合物である。

アルコールは、該組成物において、約０重量％〜約９０重量％（重量基準）、好ましくは約２０重量％〜約８０重量％の量で存在する。アルコールは、更に好ましくは約３０重量％〜約７０重量％、より更に好ましくは約４０重量％〜約６０重量％の量で存在する。

本発明組成物における第二成分は、ポリアルキレンオキシドである。本発明組成物において有用なポリアルキレンオキシドは、約５５〜約３８０，０００、更に好ましくは約１３５〜約１０，０００の平均分子量を有する。

適当なポリアルキレンオキシドは、ポリオキシエチレン（ＥＯ）ポリマー、オキシプロピレン（ＰＯ）ポリマー、オキシブチレン（ＢＯ）ポリマー、及びそれらの混合物である。好ましくは、ポリアルキレンオキシドは、ＥＯ対ＰＯの重量比が約１：１００〜約１００：１、好ましくは約１：３〜約３：１であるＥＯポリマーとＰＯポリマーとのコポリマーである。更に好ましくは、ポリアルキレンオキシドは、Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ／Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌから市販されているＵＣＯＮ ＬＢ−ｌ３５、ＵＣＯＮ ＬＢ−１６５−Ｙ２４、ＵＣＯＮ ＬＢ−ｌ６５Ｙ３、ＵＣＯＮ ＬＢ−１６５、ＵＣＯＮ １２８１、ＵＣＯＮ ＬＢ−６５、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−５５、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−２６０、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−ｌ００、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−５１００、ＵＣＯＮ ７５−Ｈ−１４００、ＵＣＯＮ ７５−Ｈ−９０，０００、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−２６０−Ｙ３、ＵＣＯＮ ＨＴＦ ５００、ＬＢ１６５ Ｙ２４、ＬＢ１６５Ｙ３；Ｈｌ４００、ＨＢ−１００、ＨＢ−２６０、５０−ＨＢ−２６０−Ｙ３、ＳＹＮＡＬＯＸ（登録商標）、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ２００、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ３００、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ４００、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ６００、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ９００、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅｌ０００、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅｌ４５０、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ３３５０、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ４５００、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ８０００、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ３００ＮＦ、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ４００ＮＦ、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ６００ＮＦ、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ９００ＮＦ、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ１０００ＮＦ、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ１４５０ＮＦ、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ３３５０ＮＦ、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ４５００ＮＦ、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｅ８０００ＮＦ、ＭＰＥＧ ３５０、ＭＰＥＧ ５５０、ＭＰＥＧ７５０、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｐ−４２５、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｐ−ｌ２００、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｐ−２００、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｐ−４０００、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｌ−９１０、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｌ−１１５０、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ １１２−２、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ １５−２００、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ ＥＰ５３０、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ２００、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ３００、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ４００、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ５４０ Ｂｌｅｎｄ、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ６００、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ９００、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ １０００、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ １４５０、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ３５００、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ４６００、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ８０００、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ３００ Ｓｅｎｔｒｙ、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ４００ Ｓｅｎｔｒｙ、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ６００ Ｓｅｎｔｒｙ、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ９００ Ｓｅｎｔｒｙ、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ １０００ Ｓｅｎｔｒｙ、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ １４５０ Ｓｅｎｔｒｙ、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ３３５０ Ｓｅｎｔｒｙ、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ４６００ Ｓｅｎｔｒｙ、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＰＥＧ ８０００ Ｓｅｎｔｒｙ、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＭＥＧ ３５０、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＭＥＧ ５５０、Ｃａｒｂｏｗａｘ ＭＥＧ ７５０、Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｇｌｙｃｏｌ ４２５、Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｇｌｙｃｏｌ １０２５及びＰｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｇｌｙｃｏｌ ２０２５、ＢＡＳＦから市販されているＰＬＵＲＡＣＯＬ Ｅ２００、ＰＬＵＰＡＣＯＬ Ｅ３００、ＰＬＵＲＡＣＯＬ Ｅ４００、ＰＬＵＲＡＣＯＬ Ｅ６００、ＰＬＵＲＡＣＯＬ Ｅ１０００、ＰＬＵＲＡＣＯＬ Ｅ１４５０、ＰＬＵＰＡＣＯＬ Ｅ２０００、ＰＬＵＰＡＣＯＬ Ｅ４０００、ＰＬＵＲＡＣＯＬ Ｅ４５００、ＰＬＵＲＡＣＯＬ Ｅ８０００、ＰＬＵＲＡＣＯＬ Ｐ４１０、ＰＬＵＲＡＣＯＬ Ｐ１０１０、ＰＬＵＲＡＣＯＬ Ｐ２０１０、ＰＬＵＲＡＣＯＬ Ｐ４０１０及びＰｌｕｒｏｎｉｃ Ｌ−９２、Ｏｌｉｎから市販されているＰＯＬＹ−Ｇ ２００、ＰＯＬＹ−Ｇ ３００、ＰＯＬＹ−Ｇ ４００、ＰＯＬＹ−Ｇ Ｂ１５３０、ＰＯＬＹ−Ｇ ６００、ＰＯＬＹ−Ｇ １０００、ＰＯＬＹ−Ｇ １５００、ＰＯＬＹ−Ｇ ２０００、ＰＯＬＹ−Ｇ ３００ＮＦ、ＰＯＬＹ−Ｇ ４００ＮＦ、ＰＯＬＹ−Ｇ ６００ＮＦ、ＰＯＬＹ−Ｇ Ｄ４００、ＰＯＬＹ−Ｇ Ｄ１２００、及びＰＯＬＹ−Ｇ Ｄ２０００；Ｏｓｉ Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓから市販されている
Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７２００、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７２３０、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６００、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６０４、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６０７、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６５７、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ-７６５０、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６６４、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−８６００、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−８６２０、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７７、Ｆｏｒｍａｓｉｌ ８９１、Ｆｏｒｍａｓｉｌ ５９３、Ｆｏｒｍａｓｉｌ ４３３、又はＦｏｒｍａｓｉｌ ８９１；又はＰａｔｈ Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ、Ｉｎｃ．から市販されているＴＢＦ−１９０である。

より更に好ましくは、ポリアルキレンオキシドは、ＵＣＯＮ ＬＢ−１３５、ＵＣＯＮ ＬＢ−ｌ６５−Ｙ２４、ＵＣＯＮ ＬＢ−１６５Ｙ３、ＵＣＯＮ ＬＢ−１６５、ＵＣＯＮ １２８１、ＵＣＯＮ ＬＢ−ＧＢ、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−５５、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−２６０、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−ｌ００、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−５ｌ００、ＵＣＯＮ ７５−Ｈ−ｌ４００、ＵＣＯＮ ７５−Ｈ−９０、０００、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−２６０−Ｙ３、ＵＣＯＮ ＨＴＦ ５００、ＬＢ１６Ｓ Ｙ２４、ＬＢ１６５Ｙ３；Ｈ１４００、ＨＢ−ｌ００、ＨＢ−２６０、５０−ＨＢ−２６０−Ｙ３、Ｐｌｕｒｏｎｉｃ Ｌ-９２、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｐ−４２５、Ｆｏｒｍａｓｉｌ ４３３、Ｆｏｒｍａｓｉｌ ８９１、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７２００、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７２３０、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６００、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６０４、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６０７、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６５７、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６５０、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ-７６６４、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−８６００、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−８６２０、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７７又はＴＢＦ-−１９０である。

ポリアルキレンオキシドは、組成物中において、約１％〜約９０％（重量基準）、好ましくは約２％〜約７５％の量で存在する。更に好ましくは、ポリアルキレンオキシドは、約３％〜約５０％、より更に好ましくは約５％〜約２５％（重量基準）の量で存在する。

好ましくは、アルコール対ポリアルキレンオキシドの重量比は、約３：１であり、更に好ましくは約５：１であり、より更に好ましくは約１５：１である。

本発明組成物の第三成分は、１種以上の添加剤である。前記添加剤としては、誘電体液［例えば、鉱物、合成、及びシリコーンの流体（例えば、Ｗｉｔｃｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているＡｒｍｕｌシリーズ）又は油及びそれらの混合物］；湿潤剤（Ｒｈｏｄｉａから市販されているＲｈｏｄａｆａｃ ＰＬ−６）；界面活性剤（例えば、ＢＡＳＦから市販されているＭａｚｏｎ ＲＩ又は１４ａシリーズ；Ｈｅｎｋｅｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌから市販されているＤｅｒｉｐｈａｔシリーズ；Ｒｈｏｄｉａから市販されているＲｈｏｄａｍｅｅｎ Ｔ−１５、Ｍｉｒａｎｏｌ ＣＳ Ｃｏｎｃ、Ｍｉｒａｐｏｌ ＷＴ、Ｍｉｒａｔａｉｎｅ Ｈ２Ｃ−ＨＡ及びＭｉｒａｍｉｎｅ ＴＯ−ＤＴ）；消泡剤及び／又は潤滑剤（例えば、ポリシロキサン及びポリジメチルシロキサン、Ｒｈｏｄｉａから市販されているＲｈｏｄａｆａｃ ＰＡ−３２、Ｌｕｂｒｏｐｈｏｓ ＲＤ−５７０及びＬｕｂｒｏｐｈｏｓ ＬＢ−４００；Ｐａｔｈ Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ，Ｉｎｃ．から市販されているＴＢＡ４４５６）；溶媒（例えば、ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌから市販されているＥｘｘｓｏｌシリーズ）；及び腐食防止剤（Ｐａｔｈ Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ，Ｉｎｃ．から市販されているＴＢＦ−７７Ａ及びＴＢＦ-５１９３）、及び電気抵抗を低下させることによって燃料電池アセンブリに悪影響を与えない当業において公知の他の添加剤が挙げられる。

添加剤は、組成物中において、約０％〜約５０％（重量基準）、好ましくは約１％〜約３０％の量で存在する。より更に好ましくは、添加剤は、約２％〜約２０％、なおより更に好ましくは約３％〜約１０％の量で存在する。

本発明の好ましい組成物を以下に記す。

一つの好ましい組成物は：
（ａ）アルコールを約２０重量％〜約８０重量％；
（ｂ）ポリアルケンオキシドを約２重量％〜約７５重量％；
（ｃ）添加剤を約１重量％〜約３０重量％；
（ｄ）残りは水
を含む。

更に好ましい組成物は：
（ａ）アルコールを約３０重量％〜約７０重量％；
（ｂ）ポリアルケンオキシドを約３重量％〜約５０重量％；
（ｃ）添加剤を約２重量％〜約２０重量％；
（ｄ）残りは水
を含む。

より更に好ましい組成物は：
（ａ）アルコールを約４０重量％〜約６０重量％；
（ｂ）ポリアルケンオキシドを約５重量％〜約２５重量％；
（ｃ）添加剤を約３重量％〜約１０重量％；
（ｄ）残りは水
を含む。

一つの態様にしたがって、本発明の伝熱組成物は、高い電気抵抗を提供する。前記伝熱組成物は、約５ＫΩ・ｃｍを超える電気抵抗値を有する。

別の態様にしたがって、本発明の伝熱組成物は、腐食、凍結、気化及びガス吸着を阻止すると同時に、電気抵抗を変化させることなく長期間持続する性能を提供する。

本発明の伝熱組成物は、濃縮物として調製できる。前記濃縮物は水で希釈できる。

また、本発明は、１つ以上の燃料電池アセンブリと、本発明の伝熱組成物とを含む燃料電池システムも提供する。前記燃料電池アセンブリは、ＰＥＭＦＣ、ＰＡＦＣ、ＭＣＦＣ、ＳＯＦＣ及びＡＦＣから成る群より選択される。

更に、本発明は、燃料電池アセンブリから熱を除去する方法を提供する。前記方法は、燃料電池アセンブリを、本発明の伝熱組成物と、直接に又は間接に接触させる工程を含む。前記燃料電池アセンブリは、ＰＥＭＦＣ、ＰＡＦＣ、ＭＣＦＣ、ＳＯＦＣ及びＡＦＣから成る群より選択される。

本発明を更に充分に理解できるように、以下の実施例を掲げる。
（実施例）

１３８の異なる伝熱組成物を調製した（実施例１〜１３８）。これらの組成物の成分は、以下の表１〜２３に記載してある。以下の表で用いた略語は次の通りである：すなわち、成分Ａはアルコールであり、成分Ｂはポリアルキレンオキシドであり、成分Ｃは添加剤であり、成分Ｄは水であり、ＥＧはエチレングリコールであり、ＰＧはプロピレングリコールであり、Ｇはグリセロールであり、そしてＴＨＦＡはテトラヒドロフルフロールアルコールである。

溶液抵抗の測定

電気抵抗Ｒは、特定の温度において一立方センチメートルの水溶液の対面間で測定されたオーム単位で表される交流抵抗としてＡＳＴＭ標準Ｄ１１２５に準拠して規定される。電気抵抗は、公知の表面積及び分離距離を有する平行白金プレートの間に交流駆動電圧を印加して、前記溶液の抵抗を測定することによって得られる。電池の実効抵抗Ｒ_ｘは、下式：
Ｒ_ｘ ＝ Ｒ・Ｌ／Ａ
［式中、Ｌはプレートの分離距離（ｃｍ）であり、Ａはプレートの横断面積（ｃｍ^２）であり、及びＲは流体の抵抗率（ＭΩ・ｃｍ）である］で表される。約５ＫΩ・ｃｍを超える抵抗率値は、燃料電池用途では許容可能であると考えられる。

溶液抵抗率の測定は、ガラス白金フロースループローブを有するＴｒａｃｅａｂｌｅ（登録商標）Ｂｅｎｃｈ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｍｅｔｅｒ ４１６３を用いて行った。前記機器は、ＮＩＳＴ（米国国立標準技術研究所）標準で較正した。まず最初に脱イオン（ＤＩ）水でプローブをすすぎ、乾燥させ、そして試験溶液中ですすいで、試験溶液の希釈及び汚染を防止した。次に、約５０ｍｌの試験溶液中にプローブを浸漬した。プローブを撹拌動作で溶液中を移動させて測定を行った。撹拌動作は分極を防止するのに役立つ。電気抵抗の測定はＡＳＴＭ試験法Ｄ１１２５に準拠して行った。

表１〜２３は、本発明の伝熱組成物が高い電気抵抗（すなわち、約５ＫΩ・ｃｍを超える電気抵抗値）を提供することを示している。例えば、実施例３５〜３７、３９〜４１、４３〜４５、４７〜４９、５１〜５３、６５〜６７、６９〜７０、７２〜７３、 ７７、９２、９４、９６、１０１、１０３、１０５、１０７、１０９、１１４〜１２１、１２３、１２５〜１２６、１２９、及び１３４〜１３７は、約１１．１〜約０．０３ＭΩ・ｃｍの電気抵抗を有する。それとは対照的に、無機不凍液（実施例１〜３）又は有機不凍液（実施例４〜６）を含む対照組成物は１．７〜０．３ＫΩ・ｃｍの低い電気抵抗を示す。
実験室用ＡＳＴＭ Ｄ−１３８４ − 「ガラス器中エンジン冷却剤に関する腐食試験のための標準試験法」

ＡＳＴＭ Ｄ１３８４に記載されている条件（以下で説明してあるように改変した）下で、１３の伝熱組成物を調製し評価した。その内容を本願明細書に引用したものとするＡｎｎｕａｌ Ｂｏｏｋ ｏｆ ＡＳＴＭ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ｓｅｃｔｉｏｎ １５，Ｖｏｌｕｍｅ １５．０５ （２０００）を参照されたい。ＡＳＴＭ Ｄ１３８４は、内燃機関の冷却システム及び／又は加熱システムにおいて典型的に見出される様々な金属の一般的な腐食に関する標準試験法である。ＡＳＴＭ Ｄ１３８４は、燃料電池アセンブリで用いられる金属を評価するために改変した。前記金属としては、ステンレス鋼、アルミニウム合金及び絶縁ポリマーが挙げられる。ＡＳＴＭ Ｄ１３８４は、「腐食性の水」（すなわち、すべてＮａ^＋塩として添加されるＳＯ_４ ^−２、ＨＣＯ_３ ⁻、及びＣｌ⁻それぞれを１００ｐｐｍ含むＤＩ水）で試験配合物が希釈されないように更に改変した。前記の希釈は、従来の不凍液濃縮物に加えられる水による変動に相当し、前記変動は燃料電池伝熱流体に関しては起こらないかもしれない。

組成物を調製し、ＡＳＴＭ Ｄ１３８４に記載されている試験手順を行った（金属標本を、伝熱組成物中に３３６時間浸漬し、８８℃の温度に維持した）後、金属標本の重量変化を測定した（二重反復測定値の平均）。マイナスの重量損失は、金属表面上の保護コーティングの形成に起因している重量増加を意味している。銅、真鍮、鋼、及び鋳鉄それぞれに関する１０ｍｇの重量損失、及びアルミニウムとはんだそれぞれに関する３０ｍｇは、ＡＳＴＭ Ｄ１３８４を合格できる最大値である。

表２４に示してあるように、本発明の伝熱組成物は、ステンレス鋼及びアルミニウムの両方に関して一般的な腐食抑制を提供する。例えば、実施例６６〜６７、１２３及び１２５〜１２６では、ステンレス鋼が＜０．３ｍｇの重量損失を示し、実施例６５〜６７、１２３及び１２５では、アルミニウムが１０ｍｇ以下の重量損失を示した。表２４も、ＡＳＴＭ Ｄ１３８４において、これらの配合物が、水に比べて（実施例７）、水／プロピレングリコール混合物（実施例１５及び１２７）に比べて、水／１，３−プロパンジオール混合物（実施例１２２）に比べて、及び水／エチレングリコール混合物（実施例１２８）に比べて、他の金属に関して有効な一般的な腐食防止剤であることを示している。

改変したＡＳＴＭ Ｄ１３８４の後、１０の伝熱組成物（実施例２１、６４〜６７、１２２〜１２６）に関して電気抵抗を測定した。表１１〜１２及び２１に示してあるように、本発明の組成物は、長時間の試験時間にわたって異なる金属表面に対して曝露された後でも、高い電気抵抗を提供する。例えば、実施例６５〜６７、１２３及び１２５〜１２６は、ＡＳＴＭ Ｄ１３８４試験後に、約１〜約０．０４ＭΩ・ｃｍの電気抵抗を示す。

Claims (25)

1. （ａ）アルコールを約０重量％〜約９０重量％；
   （ｂ）ポリアルケンオキシドを約１重量％〜約９０重量％；
   （ｃ）添加剤を約０重量％〜約５０重量％；
   （ｄ）残りは水
   を含み、且つ燃料電池アセンブリにおいて用いられる伝熱組成物。
2. 該組成物が、アルコールを約２０％〜約８０％含む請求項１記載の伝熱組成物。
3. 該組成物が、アルコールを約３０％〜約７０％含む請求項１記載の伝熱組成物。
4. 該組成物が、アルコールを約４０％〜約６０％含む請求項１記載の伝熱組成物。
5. 該アルコールが、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、フルフロール、テトラヒドロフルフリル、エトキシル化フルフリル、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、１，２−プロピレングリコール、１，３−プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ブチレングリコール、グリセロール、グリセロールのモノエチルエーテル、グリセロールのジメチルエーテル、ソルビトール、１，２，６−ヘキサントリオール、トリメチロールプロパン、メトキシエタノール及びそれらの混合物から成る群より選択される請求項１記載の伝熱組成物。
6. 該アルコールが、エチレングリコール、１，２−プロピレングリコール、１，３−プロピレングリコール、グリセロール、テトラヒドロフルフリルアルコール及びそれらの混合物から成る群より選択される請求項１記載の伝熱組成物。
7. 該組成物が、ポリアルキレンオキシドを約２％〜約７５％含む請求項１記載の伝熱組成物。
8. 該組成物が、ポリアルキレンオキシドを約３％〜約５０％含む請求項１記載の伝熱組成物。
9. 該組成物が、ポリアルキレンオキシドを約５％〜約２５％含む請求項１記載の伝熱組成物。
10. 該ポリアルキレンオキシドが、約５５〜約３８０，０００の平均分子量を有する請求項１記載の伝熱組成物。
11. 該ポリアルキレンオキシドが、約１３５〜約１０，０００の平均分子量を有する請求項１記載の伝熱組成物。
12. 該ポリアルキレンオキシドが、ポリオキシエチレンポリマー、オキシプロピレンポリマー、オキシブチレンポリマー及びそれらの混合物から成る群より選択される請求項１０記載の伝熱組成物。
13. 該ポリアルキレンオキシドが、ＵＣＯＮ ＬＢ−１３５、ＵＣＯＮ ＬＢ−１６５−Ｙ２４、ＵＣＯＮ ＬＢ−１６５Ｙ３、ＵＣＯＮ ＬＢ−１６５、ＵＣＯＮ １２８１、ＵＣＯＮ ＬＢ−６５、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−５５、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−２６０、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−１００、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−５１００、ＵＣＯＮ ７５−Ｈ−１４００、ＵＣＯＮ ７５−Ｈ−９０，０００、ＵＣＯＮ ５０−ＨＢ−２６０−Ｙ３、ＵＣＯＮ ＨＴＦ ５００、ＬＢ１６Ｓ Ｙ２４、ＬＢ１６５Ｙ３；Ｈ１４００、ＨＢ−１００、ＨＢ−２６０、５０−ＨＢ−２６０−Ｙ３、Ｐｌｕｒｏｎｉｃ Ｌ−９２、Ｐｏｌｙｇｌｙｃｏｌ Ｐ−４２５、Ｆｏｒｍａｓｉｌ ４３３、Ｆｏｒｍａｓｉｌ ８９１、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７２００、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７２３０、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６００、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６０４、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６０７、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６５７、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６５０、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７６６４、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−８６００、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−８６２０、Ｓｉｌｗｅｔ Ｌ−７７、及びＴＢＦ−１９０から成る群より選択される請求項１記載の伝熱組成物。
14. 該組成物が、添加剤を約１％〜約３０％含む請求項１記載の伝熱組成物。
15. 該組成物が、添加剤を約２％〜約２０％含む請求項１記載の伝熱組成物。
16. 該組成物が、添加剤を約３％〜約１０％含む請求項１記載の伝熱組成物。
17. 該添加剤が、誘電体液、湿潤剤、消泡剤、潤滑剤、界面活性剤、溶媒及び腐食防止剤から成る群より選択される請求項１記載の伝熱組成物。
18. 該添加剤が、ＴＢＡ−４４５６、Ｓｙｌｔｈｅｒｍ ＸＬＴ、ＴＢＦ−１９３、ＴＢＦ−７７Ａ、Ｍｉｒａｍｉｎｅ ＴＯ−ＤＴ、Ｓｌｙｔｈｅｒｍ ８００、Ｒｈｏｄａｆａｃ ＰＬ−６、Ｅｘｘｓｏｌ Ｄ１３０、Ｒｈｏｄａｆａｃ ＰＡ−３２、Ｒｈｏｄａｍｅｅｎ Ｔ−１５、Ｄｅｒｉｐｈａｔ ｌ５１Ｃ、Ｌｕｂｒｈｏｐｈｏｓ ＲＤ−５１０、Ｌｕｂｒｈｏｐｈｏｓ ＬＢ−４００及びＭａｚｏｎ ＲＩ−４ａから成る群より選択される請求項１７記載の伝熱組成物。
19. （ａ）アルコールを約２０重量％〜約８０重量％；
    （ｂ）ポリアルケンオキシドを約２重量％〜約７５重量％；
    （ｃ）添加剤を約１重量％〜約３０重量％；
    （ｄ）残りは水
    を含み、且つ燃料電池アセンブリにおいて用いられる伝熱組成物。
20. （ａ）アルコールを約３０重量％〜約７０重量％；
    （ｂ）ポリアルケンオキシドを約３重量％〜約５０重量％；
    （ｃ）添加剤を約２重量％〜約２０重量％；
    （ｄ）残りは水
    を含み、且つ燃料電池アセンブリにおいて用いられる伝熱組成物。
21. （ａ）アルコールを約４０重量％〜約６０重量％；
    （ｂ）ポリアルケンオキシドを約５重量％〜約２５重量％；
    （ｃ）添加剤を約５重量％〜約１０重量％；
    （ｄ）残りは水
    を含み、且つ燃料電池アセンブリにおいて用いられる伝熱組成物。
22. 該組成物が、約５ＫΩ・ｃｍを超える電気抵抗を有する請求項１、１９、２０又は２１のいずれか一つに記載の伝熱組成物。
23. １つ以上の燃料電池アセンブリと、請求項１、１９、２０又は２１のいずれか一つにしたがう伝熱組成物とを含む燃料電池システム。
24. 該燃料電池アセンブリが、ＰＥＭＦＣ、ＰＡＦＣ、ＭＣＦＣ、ＳＯＦＣ及びＡＦＣから成る群より選択される請求項２３記載の燃料電池システム。
25. 該方法が、該燃料電池アセンブリを、請求項１、１９、２０又は２１のいずれか一つにしたがう伝熱組成物と接触させる工程を含む、燃料電池アセンブリから熱を除去する方法。