JP4272143B2 - 燃料電池誘電性冷却剤及びこれを使用した蒸発冷却プロセス - Google Patents
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Description
(a) 電流及び少なくとも1つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成され、該反応生成物の一つが廃熱であるところの燃料電池を提供し、
(b) 燃料流れ経路と、酸素流れ経路と、該燃料流れ経路及び該酸素流れ経路から流体的に分離した冷却剤流れ経路とを有する電気化学的触媒反応電池を備えるように、燃料電池を構成する工程と、
(c) 冷却剤流れ経路を、冷却剤隔離マニホルドを形成するように構成する工程であって、該冷却剤隔離マニホルドは、入口と、出口と、エマルジョンを含む流体誘電性冷却剤とを有し、該エマルジョンは、極性内部相と、炭化水素外部相とを形成し、該極性内部相は、アゼオトロープ混合物を含み、該アゼオトロープ混合物は、水成分と、不凍剤成分とを含む、前記工程と、
(d) 再循環流れ経路と、ポンプと、ラジエータとを有する再循環アッセンブリを提供し、該再循環アッセンブリを再循環流れ経路が冷却剤隔離マニホルドの入口と出口とを流体的に接続するように構成する工程と、
(e) 冷却剤隔離マニホルド内で極性内部相のアゼオトロープ混合物の少なくとも一部を蒸発させ、これによって、該極性内部相のアゼオトロープ混合物の潜熱が燃料電池から廃熱を引き出し、加熱された蒸気を生成する工程と、
(f) 加熱された蒸気を、冷却剤隔離マニホルドの出口から再循環流れ経路を介してラジエータまで循環させる工程であって、これによって、該加熱された蒸気が冷却され、凝結液体を形成するように凝結される、前記工程と、
(g) 流体誘電性冷却剤内の凝結液体を再乳状化し、該流体誘電性冷却剤を冷却剤隔離マニホルドの入口に戻す工程と、
を備える。
粘性率 < 〜2cP 約80℃で
< 〜15cP 約0℃で
熱伝導率 > 〜0.4W/mK
電気抵抗 > 〜0.25Mオームcm
炭化水素外部相は、エマルジョンのうち約50乃至約99パーセントを占めることができ、灯油系炭化水素を含むことができる。「灯油系炭化水素」とは、C10乃至C16の範囲にある、少なくともパラフィン系及び/又はナフテン系の炭化水素を含む、精製石油留分を意味している。灯油系炭化水素は、灯油であってもよい。灯油系炭化水素は、約2.5J/g/K以内の熱容量を持っているが、低い動粘性率を持ち、より高い流速で流動させることが可能になる。より詳しくは、灯油系炭化水素の粘性率は、約80℃で約10cP以下であり、約0℃で約40cP以下であり得る。これは、寄生的なポンプ出力の相当の増大なしに、燃料電池から浪費熱を除去することを促進する。流体誘電性冷却剤を循環させるために要求されるポンプ出力は、追加の開放式冷却剤流れ経路を有する二極式プレートを使用することにより減少させることができる。
図4は、灯油だけで6v/o及び水相1v/oで20v/oの水性内部相(水が32/2ブタノールが68)に関して、各々、水相及び総冷却剤濃度に基づき、水と同様の温度負荷を生成するため蒸発させる必要量を示している。以下の式1及び2は、図4で与えられたデータを計算するため使用された。ここで、スタック温度降下(Tout−Tin)が10℃に等しく、水及び冷却剤の流量が等しいという「混合ルール」が、水相及び冷却剤のCp及び潜熱を計算するため使用され、ここにw=水、a=水相、c=冷却剤、及び、E=蒸発率を表している。
Claims (31)
- エマルジョンを含む流体誘電性冷却剤であって、
前記エマルジョンは、連続した灯油系炭化水素外部相と、その中に分散した不連続の極性内部相とを含み、
前記極性内部相は、アゼオトロープ混合物を含み、
前記アゼオトロープ混合物は、水成分と、不凍剤成分とを含む、流体誘電性冷却剤。 - 前記エマルジョンは、2.8J/g/K以内の熱容量を有する、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。
- 前記極性内部相は、前記エマルジョンのうち1乃至50%を占める、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。
- 前記不凍剤成分は、アルコールを含む、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。
- 前記水成分は、前記極性内部相のうち5%から40%を占める、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。
- 前記不凍剤成分は、前記極性内部相のうち60%から95%を占める、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。
- 前記水成分は、脱イオン水である、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。
- 前記不凍剤成分は、エチレングリコール、プロピレングリコール、エタノール、メタノール、アセトン、アセトニトリル、2−ブタノール、ジクロロエタン、トリエチルアミン、アセタル、アリルアルコール、シクロヘキサン、プロパノール、プロピルアセテート、1,3プロパンジオル、又は、それらの組み合わせから選択される、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。
- 前記極性内部相は、
2.5J/g/K以上の熱容量、
60℃以上の沸点、
−35℃以下の凝固点、
80℃で2cP以下の粘性率、
0.4W/mK以上の熱伝導率、及び、
0.25Mオームcm以上の電気抵抗を有する、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。 - 前記極性内部相は、
60℃乃至100℃の沸点、
−35℃乃至−40℃の凝固点、
0℃で15cP以下の粘性率、
0.05乃至0.4W/mKの熱伝導率、及び、
0.25乃至40Mオームcmの電気抵抗を有する、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。 - 前記灯油系炭化水素外部相は、前記エマルジョンのうち50乃至99%を占める、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。
- 前記灯油系炭化水素外部相は、灯油を含む、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。
- 前記灯油系炭化水素外部相は、2.5J/g/K以内の熱容量を有する、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。
- 前記灯油系炭化水素外部相は、
80℃で10cP以下の粘性率、
−35℃以下の凝固点、
85℃以上の沸点、
0.15W/mK以内の熱伝導率、及び、
18Mオームcm以上の電気抵抗を有する、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。 - 前記灯油系炭化水素外部相は、
0℃で40cP以下の粘性率、
−40℃乃至0℃の凝固点、
175℃乃至325℃の沸点、
0.05乃至0.04W/mKの熱伝導率、及び、
0.25乃至40Mオームcm以上の電気抵抗を有する、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。 - 前記灯油系炭化水素外部相は、37.7℃乃至65.5℃の引火点を有し、該灯油系炭化水素外部相は、228℃で自動点火する、請求項1に記載の流体誘電性冷却剤。
- 電流及び少なくとも1つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成された燃料電池であって、
前記燃料電池は、燃料流れ経路と、酸素流れ経路と、該燃料流れ経路及び該酸素流れ経路から流体的に分離した冷却剤流れ経路とを有し、
前記冷却剤流れ経路は、冷却剤隔離マニホルドを形成し、該冷却剤隔離マニホルドは、エマルジョンを含む流体誘電性冷却剤を有し、該エマルジョンは、連続した灯油系炭化水素外部相と、その中に分散した不連続の極性内部相とを含み、該極性内部相は、アゼオトロープ混合物を含み、該アゼオトロープ混合物は、水成分と、不凍剤成分とを含む、燃料電池。 - 前記燃料流れ経路は、前記燃料を前記燃料電池の少なくとも一部分を通して回送するように構成されたアノード流れ経路を備え、
前記酸素流れ経路は、前記酸素を前記燃料電池の少なくとも一部分を通して回送するように構成されたカソード流れ経路を備える、請求項17に記載の燃料電池。 - 前記電気化学的触媒反応電池は、
前記アノード流れ経路と流体的に連通し、前記燃料との触媒反応が生じるところのアノードと、
前記カソード流れ経路と流体的に連通し、前記酸素との触媒反応が生じるところのカソードと、
前記燃料電池の作働中に、前記アノード及び前記カソードの間で電解質を介した連通が確立されるように該アノード及び該カソードの間に配置された膜と、
を更に備える、請求項18に記載の燃料電池。 - 前記燃料電池は、再循環アッセンブリを更に備え、該再循環アッセンブリは、再循環流れ経路と、ポンプと、ラジエータとを有し、
前記冷却剤隔離マニホルドは、入口及び出口を備え、
前記再循環流れ経路は、前記冷却剤隔離マニホルドの前記入口と前記出口とを流体的に接続する、請求項17に記載の燃料電池。 - システムを更に備え、
該システムは、前記燃料電池を複数備える燃料電池スタックを有する、請求項17に記載の燃料電池。 - 前記システムは、車両ボディを更に備え、
前記燃料電池スタックは、前記車両ボディに少なくとも部分的に原動力を提供するように構成されている、請求項21に記載の燃料電池。 - 燃料電池を冷却する方法であって、
電流及び少なくとも1つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成され、前記反応生成物の一つが廃熱であるところの燃料電池を提供し、
燃料流れ経路と、酸素流れ経路と、該燃料流れ経路及び該酸素流れ経路から流体的に分離した冷却剤流れ経路とを有する電気化学的触媒反応電池を備えるように、前記燃料電池を構成する工程と、
前記冷却剤流れ経路を、冷却剤隔離マニホルドを形成するように構成する工程であって、該冷却剤隔離マニホルドは、入口と、出口と、エマルジョンを含む流体誘電性冷却剤とを有し、該エマルジョンは、連続した灯油系炭化水素外部相と、その中に分散した不連続の極性内部相とを含み、該極性内部相は、アゼオトロープ混合物を含み、該アゼオトロープ混合物は、水成分と、不凍剤成分とを含む、前記工程と、
再循環流れ経路と、ポンプと、ラジエータとを有する再循環アッセンブリを提供し、該再循環アッセンブリを前記再循環流れ経路が前記冷却剤隔離マニホルドの前記入口と前記出口とを流体的に接続するように構成する工程と、
前記冷却剤隔離マニホルド内で前記アゼオトロープ混合物の少なくとも一部を蒸発させ、これによって、該アゼオトロープ混合物の潜熱が前記燃料電池から前記廃熱を引き出し、加熱された蒸気を生成する工程と、
前記加熱された蒸気を、前記冷却剤隔離マニホルドの出口から前記再循環流れ経路を介して前記ラジエータまで循環させる工程であって、これによって、該加熱された蒸気が冷却され、凝結液体を形成するように凝結される、前記工程と、
前記流体誘電性冷却剤内の前記凝結液体を再乳状化し、該流体誘電性冷却剤を前記冷却剤隔離マニホルドの入口に戻す工程と、
を備える、方法。 - 前記燃料流れ経路を、前記燃料が前記燃料電池の少なくとも一部分を通して回送されるようになったアノード流れ経路を備えるように構成し、
前記酸素流れ経路を、前記酸素が前記燃料電池の少なくとも一部分を通して回送されるようになったカソード流れ経路を備えるように構成する、各工程を更に備える、請求項23に記載の方法。 - 前記電気化学的触媒反応電池が、
前記アノード流れ経路と流体的に連通し、前記燃料との触媒反応が生じるところのアノードと、
前記カソード流れ経路と流体的に連通し、前記酸素との触媒反応が生じるところのカソードと、
前記燃料電池の作働中に、前記アノード及び前記カソードの間で電解質を介した連通が確立されるように該アノード及び該カソードの間に配置された膜と、
を更に有するように前記電気化学的触媒反応電池を構成する工程を更に備える、請求項24に記載の方法。 - 前記アゼオトロープ混合物の少なくとも一部を、前記冷却剤隔離マニホルド内の該極性内部相を実質的に一定の温度及び圧力で沸騰させることにより、蒸発させる工程を更に備える、請求項23に記載の方法。
- 前記アゼオトロープ混合物の前記一部は、5%より少ない、請求項26に記載の方法。
- 前記実質的に一定の温度は、前記極性内部相の沸点である、請求項26に記載の方法。
- 前記実質的に一定の圧力は、約1気圧である、請求項26に記載の方法。
- 前記冷却剤隔離マニホルド内の前記アゼオトロープ混合物を蒸発させる工程では、前記電気化学的触媒反応電池の内部温度を減少させる、請求項23に記載の方法。
- 燃料電池を冷却する方法であって、
電流及び少なくとも1つの反応生成物を発生するため燃料を酸素と反応させるように構成され、前記反応生成物の一つが廃熱であるところの燃料電池を提供し、
燃料流れ経路と、酸素流れ経路と、該燃料流れ経路及び該酸素流れ経路から流体的に分離した冷却剤流れ経路とを有する電気化学的触媒反応電池を備えるように、前記燃料電池を構成する工程と、
前記冷却剤流れ経路を、冷却剤隔離マニホルドを形成するように構成する工程であって、該冷却剤隔離マニホルドは、入口と、出口と、エマルジョンを含む流体誘電性冷却剤とを有し、該エマルジョンは、連続した灯油系炭化水素外部相と、その中に分散した不連続の極性内部相とを含み、該極性内部相は、アゼオトロープ混合物を含み、該アゼオトロープ混合物は、脱イオン水成分と、不凍剤成分とを含む、前記工程と、
再循環流れ経路と、ポンプと、ラジエータとを有する再循環アッセンブリを提供し、該再循環アッセンブリを前記再循環流れ経路が前記冷却剤隔離マニホルドの前記入口と前記出口とを流体的に接続するように構成する工程と、
前記冷却剤隔離マニホルド内で前記極性内部相を略一定の温度及び圧力で沸騰させることにより、該アゼオトロープ混合物の少なくとも一部分を蒸発させ、これによって、該アゼオトロープ混合物の潜熱が前記燃料電池から前記廃熱を引き出し、加熱された蒸気を生成する工程であって、前記アゼオトロープ混合物の前記一部分が5%より小さく、前記略一定の温度が前記極性内部相の沸点であり、前記略一定の圧力が1気圧である、前記工程と、
前記加熱された蒸気を、前記冷却剤隔離マニホルドの出口から前記再循環流れ経路を介して前記ラジエータまで循環させる工程であって、これによって、該加熱された蒸気が冷却され、凝結液体を形成するように凝結される、前記工程と、
前記流体誘電性冷却剤内の前記凝結液体を再乳状化し、該流体誘電性冷却剤を前記冷却剤隔離マニホルドの入口に戻す工程と、
を備える、方法。
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