專利名稱：處理過的離子交換樹脂、制造方法、包含其的組件和傳熱系統(tǒng)、以及使用方法
技術領域：
本發(fā)明涉及預處理過的離子交換樹脂，特別是腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂以及它們在傳熱系統(tǒng)中的應用、替代能源如燃料電池以及包含這種能源的組件。
背景技術：
與能源熱連通的傳熱系統(tǒng)已被用于調節(jié)能源工作過程中所產(chǎn)生的熱量。例如，機動車輛已經(jīng)采用了熱傳導流體和冷卻系統(tǒng)來轉移和消散作為汽油驅動的內燃發(fā)動機的副產(chǎn)物所產(chǎn)生的熱。在這種情況下，熱傳導流體和冷卻系統(tǒng)可以保證發(fā)動機工作在最佳環(huán)境下和不經(jīng)受不期望的高溫。
不過，現(xiàn)在人們期望的是傳統(tǒng)汽油驅動內燃發(fā)動機的替代物，特別是能解決公眾對有關環(huán)境和自然資源管理的憂慮的替代物。于是，不斷有新的能源技術被開發(fā)出來，特別是那些能夠在能量效率方面提供改進的新能源技術。已開發(fā)的替代能源的例子包括但不局限于電池、燃料電池、太陽能(或光電)以及由液化的蒸汽、天然氣、柴油、氫氣等驅動的內燃發(fā)動機。這些替代能源可單獨使用也可組合使用，如混合動力型汽車中所采用的那些。
盡管這些替代能源與汽油驅動的內燃發(fā)動機相比通常在能量效率方面有所改進，但它們仍然需要使用傳熱系統(tǒng)和熱傳導流體。特別地，傳熱系統(tǒng)和流體是保持最佳工作條件特別是溫度所必需的。
然而，可惜傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術冷卻系統(tǒng)和熱傳導流體并不適合(或非最優(yōu)化)用于替代能源，特別是那些使用電或電荷的能源。例如傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術熱傳導流體一般特征在于極高的傳導率，通常在3000μS/cm或以上的范圍內。在替代能源特別是基于電的替代能源中使用高導電性熱傳導流體可能會導致觸電、腐蝕加重和/或電流短路。
因此，常規(guī)的熱傳導流體并不適用于替代能源；特別是基于電的替代能源。
燃料電池由于其清潔性和高效的操作，是一種非常吸引人的替代能源。燃料電池已被提議用于多種應用。
例如，有人提出用燃料電池代替汽車中現(xiàn)用的內燃發(fā)動機。現(xiàn)有幾種不同的燃料電池正在開發(fā)之中，且看起來有希望用于汽車應用中。說明性的例子包括質子交換膜或聚合物電解質膜(PEM)燃料電池、磷酸(PA)燃料電池、熔融碳酸鹽(MC)燃料電池、固體氧化物(SO)燃料電池和堿性燃料電池。
燃料電池組件一般包括陽極、陰極和位于兩電極之間的電解質。通常，在陽極發(fā)生氧化反應(例如H2→2H++2e)，在陰極發(fā)生還原反應(例如O2+2H2O+4e→4OH-)。電極上發(fā)生的電化學反應是放熱的，即它們產(chǎn)生熱量。
要用燃料電池成功替換內燃發(fā)動機要求實現(xiàn)并保持最佳工作條件，即燃料電池必須實現(xiàn)所需的電流密度水平而不破壞燃料電池零件。因此必須控制電化學反應過程中所產(chǎn)生的放熱。
例如，為實現(xiàn)最佳工作條件，PEM燃料電池組件的正常工作溫度應控制在60℃-95℃的范圍內。由于電化學反應的放熱本性，可取地使用熱傳導流體或熱傳導流體來將電極裝置保持在工作溫度即保持在期望的工作溫度范圍。然而，電荷的存在使得使用具有現(xiàn)有技術的傳熱系統(tǒng)和流體的燃料電池非常困難。
此外，為產(chǎn)生足夠的能量，基于燃料電池的汽車發(fā)動機可能具有許多串聯(lián)在一起的燃料電池以構成燃料電池組。單個燃料電池可能工作電壓為0.6-1.0VDC。有時，可能會有100-600個單個燃料電池被串聯(lián)連接。從而，汽車燃料電池組的DC電壓可能非常高，一般為125-450VDC。
用于汽車燃料電池組中的單個燃料電池的熱傳導流體系統(tǒng)也會經(jīng)受此相同電壓。為防止或最小化電擊危害，熱傳導流體必須具有極低的傳導率。對于燃料電池熱傳導流體來說，低導電率在降低熱傳導流體系統(tǒng)中的分路電流和使系統(tǒng)效率降低最小化方面也是可取的。
因此需要提供用于與替代能源熱連通的傳熱系統(tǒng)中的″低導電率″的熱傳導流體。
除低導電率之外，與替代能源一起使用的熱傳導流體還必須具有高熱容、低粘度以及高熱導率。這些性能有助于在仍滿足熱交換要求的同時最小化壓降和降低泵送功率要求。對于用于替代能源的熱傳導流體，良好的表面潤濕性也是令人期望的。具有良好表面潤濕特性的熱傳導流體有助于在恒流速條件下減小壓降。
期望的熱傳導流體的另一重要特征是抑制腐蝕的性。用于替代能源的許多熱傳導流體系統(tǒng)常常具有若干金屬零件。在替代能源所采用的傳熱系統(tǒng)中出現(xiàn)的金屬的例子包括鐵和非鐵合金如不銹鋼、鋁、黃銅、銅焊合金等等。然而，這些金屬由于與熱傳導流體接觸易受腐蝕。
因此需要在用于替代能源的傳熱系統(tǒng)中使用能最小化腐蝕和延長傳熱系統(tǒng)使用壽命的抗腐蝕熱傳導流體。更具體地，仍存在對能防止與替代能源熱連通的傳熱系統(tǒng)腐蝕的低導電率熱傳導流體的需要。
人們提出了各種方法來在熱傳導流體中保持低導電率。例如，WO00/17951提出使用離子交換樹脂單元來保持燃料電池系統(tǒng)中純乙二醇和水熱傳導流體混合物的足夠純度。CA2435593公開了一種使用兩個熱交換回路布置和一個去離子元件來對燃料電池導熱介質去離子的方法，其中稀釋液流入一個熱交換回路流過燃料電池組，而濃縮流可以是第二熱交換回路的一部分。
燃料電池冷卻劑還必須具有高熱容、低粘度以及高熱導率。這些性能有助于在滿足熱交換要求的同時最小化壓降和降低泵送功率要求。良好的表面潤濕性對于燃料電池冷卻劑來說也是可取的。具有良好表面潤濕特性的熱傳導流體有助于在恒流速條件下減小壓降。
期望的熱傳導流體的另一重要特征是抑制腐蝕的性。傳熱系統(tǒng)常常具有若干金屬零件。用于燃料電池冷卻系統(tǒng)及其他傳熱系統(tǒng)的金屬的例子包括鐵和非鐵合金如不銹鋼、鋁、黃銅、銅焊合金等等。然而，這些金屬由于與熱傳導流體接觸而易被腐蝕。
因此需要提供能最小化金屬傳熱系統(tǒng)零件的腐蝕和延長燃料電池冷卻系統(tǒng)及其他傳熱系統(tǒng)使用壽命的抑制腐蝕的熱傳導流體。
但是，許多以前已知被用于內燃發(fā)動機冷卻劑中的腐蝕抑制劑并不適用于燃料電池熱傳導流體，因為它們通常是高傳導性的離子型物質。這種腐蝕抑制劑的說明性例子有硅酸鹽、亞硝酸鹽、鉬酸鹽、硝酸鹽、羧酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等等。由于燃料電池熱傳導流體要求具有極低的傳導率，所以這些離子型腐蝕抑制劑不能用于燃料電池熱傳導流體。離子交換樹脂或電去離子單元方法的一個主要缺陷在于它們可能會除去腐蝕抑制劑。從而，燃料電池熱傳導流體可能喪失其阻止燃料電池傳熱系統(tǒng)的金屬零件腐蝕的能力。
因此，現(xiàn)有技術未能提供解決與在用于包括替代能源如燃料電池的組件的抑制腐蝕的熱傳導流體中保持低導電率問題的有效手段。
發(fā)明概述公開了預處理過的離子交換樹脂、在熱傳導流體中保持低導電率的方法、組件、傳熱系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、在抑制腐蝕的熱傳導流體中保持低導電率的方法以及制造預處理過的離子交換樹脂的方法。
在一個實施方案中，預處理過的離子交換樹脂包含含有選自由在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的熱傳導流體組分產(chǎn)生的離子、劉易斯酸或劉易斯堿中至少之一的可交換基團且其總量占可交換基團總數(shù)的至少15％。適合的熱傳導流體組分的說明性例子包括著色劑、腐蝕抑制劑、消泡劑和/或抗起泡劑、苦味劑(bitterant)、分散劑或其組合。在一個實施方案中，適合的熱傳導流體組分在25℃的水溶液中pKa或pKb為5-14。
在一個具體公開的實施方案中，所述熱傳導流體組分為腐蝕抑制劑。由此，公開了一種腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂，它包含占可交換基團總數(shù)至少15％的含腐蝕抑制劑的可交換基團。
所公開的組件由替代能源驅動并包括替代能源和與該替代能源熱連通的傳熱系統(tǒng)，所述傳熱系統(tǒng)包括一個為導電率小于200μS/cm的熱傳導流體限定了流動途徑的循環(huán)回路，且在所述流動途徑中設置有離子交換樹脂，所述離子交換樹脂包含可離子交換基團，其中以可離子交換基團總量計至少15％的可交換基團包含由在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的熱傳導流體組分產(chǎn)生的離子、劉易斯酸或劉易斯堿。在一個示例性實施方案中，所述替代能源為燃料電池。
所公開的傳熱系統(tǒng)包括一個為導電率小于200μS/cm的熱傳導流體限定了流動途徑的循環(huán)回路，且在所述流動途徑中設置有離子交換樹脂，預處理過的離子交換樹脂包含含有由在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的熱傳導流體組分產(chǎn)生的離子、劉易斯酸或劉易斯堿的可交換基團且其總量為可交換基團總數(shù)的至少15％。
所公開的在抑制腐蝕的熱傳導流體中保持小于200μS/cm的導電率的方法包括使熱傳導流體穿過傳熱系統(tǒng)，其中所述熱傳導流體的導電率小于200μS/cm且所述傳熱系統(tǒng)包括一個為所述熱傳導流體限定了流動途徑的循環(huán)回路，且在所述流動途徑中設置有離子交換樹脂，所述離子交換樹脂包含含有由在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的熱傳導流體組分產(chǎn)生的離子、劉易斯酸或劉易斯堿的可交換基團且其總量為可交換基團總數(shù)的至少15％。在一個實施方案中，所述熱傳導流體組分為著色劑、腐蝕抑制劑、抗起泡劑、苦味劑、分散劑或其組合中的至少一種。在一個示例性實施方案中，所述熱傳導流體組分包含熱傳導流體腐蝕抑制劑。
還公開了一種制造處理過的離子交換樹脂的方法，包括使離子交換樹脂與包含在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的熱傳導流體組分的水性處理溶液接觸足夠長的時間以用所述熱傳導流體組分交換至少15％的可交換位置。在一個實施方案中，所述熱傳導流體組分為著色劑、腐蝕抑制劑、抗起泡劑、苦味劑、分散劑或其組合中的至少一種。在一個示例性實施方案中，所述熱傳導流體組分包含熱傳導流體腐蝕抑制劑。
還公開了一種燃料電池系統(tǒng)，包括至少一個含有陽極、陰極和電解質的燃料電池；和一個與所述至少一個燃料電池熱連通的傳熱系統(tǒng)，其包括一個為導電率小于200μS/cm的熱傳導流體限定了流動途徑的循環(huán)回路，且在所述流動途徑中設置有離子交換樹脂，所述離子交換樹脂包含含有由在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的熱傳導流體組分產(chǎn)生的離子、劉易斯酸或劉易斯堿的可離子交換基團且其總量為可交換基團總數(shù)的至少15％。在一個實施方案中，所述熱傳導流體組分為著色劑、腐蝕抑制劑、抗起泡劑、苦味劑、分散劑或其組合中的至少一種。在一個示例性實施方案中，所述熱傳導流體組分包含熱傳導流體腐蝕抑制劑。
附圖簡述

圖1是所公開的傳熱系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)的一種實施方案的示意圖。
圖2是說明試驗結果的曲線圖，顯示了在不存在離子交換樹脂的模擬燃料電池冷卻系統(tǒng)測試中所測得的熱傳導流體導電率隨時間的變化。
圖3是說明另一實施例試驗結果的曲線圖，顯示了在一模擬燃料電池冷卻系統(tǒng)測試中所測得的熱傳導液體導電率隨時間的變化，其中在流動回路中使用了包含150g Amberlite MB-150混合床樹脂的過濾器。
圖4是說明另一實施例試驗結果的曲線圖，顯示了在一模擬燃料電池冷卻系統(tǒng)測試中所測得的熱傳導液體導電率隨時間的變化，其中使用了在流動回路中包含6Og Dow強酸陽離子離子交換樹脂的過濾器。
圖5是說明另一實施例試驗結果的曲線圖，顯示了在燒杯測試中所測得的導電率隨時間的變化，其中有0.6g SYBRON強堿陰離子交換樹脂被添加到燃料電池冷卻系統(tǒng)的100g熱傳導流體中。
圖6是說明所公開的預處理過的離子交換樹脂從熱傳導流體中去除某種離子型物質能力的曲線圖。
圖7是說明所公開的預處理過的離子交換樹脂對金屬試樣的防腐效果的極化曲線測量結果。
圖8是一個包括替代能源和傳熱系統(tǒng)的說明性組件、更具體地一個混和動力型汽車冷卻系統(tǒng)的示意圖。
優(yōu)選實施方案詳述所公開的熱傳導流體適用于包含替代能源特別是燃料電池的組件且特征可在于具有極低的電導率。
此處所用術語″熱傳導流體″是指能夠從第一點向第二點傳遞和消散一定量熱能的流體。在一個實施方案中，所公開的熱傳導流體可被稱作冷卻劑。在另一實施方案中，所公開的熱傳導流體由于可被稱作防凍劑，因為某些熱傳導流體具有起凝固點抑制劑作用的能力。
此處所用″熱傳導流體″還指腐蝕抑制劑與醇或水/醇混合物的濃溶液及其與水優(yōu)選與去離子水混合形成的稀溶液。應當理解，熱傳導流體盡管可以以主要由一或多種醇與腐蝕抑制劑構成的濃溶液形式購買、運送或使用，但所述濃縮液在引入或用于燃料電池中之前常常用水特別是去離子水稀釋。稀釋比例一般為1∶3-3∶1(去離子水∶熱傳導流體)，在一個示例性實施方案中稀釋比例為40％∶60％-60％∶40％。因此，此處所用術語″熱傳導流體″既指所公開的熱傳導流體的濃溶液也指其稀釋液。
此處所用術語″低電導率″泛指不超過200μS/cm的電導率。在一個實施方案中，適合的熱傳導流體將具有小于150μS/cm的電導率，而在另一實施方案中，適合的熱傳導流體將具有小于50μS/cm的電導率。
在其它實施方案中，適合的熱傳導流體將具有從0.02μS/cm到不超過200μS/cm的電導率。在一個實施方案中，所公開的用于燃料電池的熱傳導流體將具有0.2-100μS/cm的電導率。在另一實施方案中，所公開的熱傳導流體將具有從0.05到小于50μS/cm的電導率，而在一示例性實施方案中，所公開的熱傳導流體將具有從0.05到不超過25μS/cm的電導率。在一特別地示例性實施方案中，所公開的熱傳導流體將具有從0.05到不超過10μS/cm的電導率。在一個特別地示例性實施方案中，所公開的熱傳導流體將具有從0.05到不超過5μS/cm的電導率。
所公開的熱傳導流體的電導率可以使用ASTM DI125中所述的測量方法即″水的電導率和電阻率的標準測量方法″或等效方法測量。
此處所用″抑制腐蝕的熱傳導流體″是指具有足量的一或多種腐蝕抑制劑從而浸于其中的金屬零件相對于其在其它所有方面均相同只是不含任何腐蝕抑制劑的熱傳導流體中具有降低的腐蝕速率的熱傳導流體。
在一個實施方案中公開了預處理過的離子交換樹脂、使用所述預處理過的離子交換樹脂的傳熱系統(tǒng)、使用所述傳熱系統(tǒng)的組件、使用所述傳熱系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)和使用所述預處理過的離子交換樹脂保持熱傳導流體中低電導率的方法。
在另一實施方案中，公開了腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂、使用所述樹脂的傳熱系統(tǒng)、使用所述傳熱系統(tǒng)的組件、使用所述傳熱系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)和保持抑制腐蝕的的燃料電池熱傳導流體中低電導率的方法。
在一個實施方案中，所公開的預處理過的離子交換樹脂包含含有由在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的熱傳導流體組分產(chǎn)生的離子、劉易斯酸或劉易斯堿的可交換基團且其總量占可交換基團總數(shù)的至少15％。
可被用于制造預處理過的樹脂的適合熱傳導流體組分包括所有能在25℃的水溶液中形成離子型物質的熱傳導流體或熱傳導液體組分。在一個實施方案中，適合的熱傳導流體組分在25℃的水溶液中pKa或pKb將為5-14。在一個示例性實施方案中，適合的熱傳導流體組分在25℃的水溶液中pKa或pKb將為從5到小于14。
適合的熱傳導流體組分的說明性例子包括著色劑、腐蝕抑制劑、消泡劑、苦味劑、分散劑或其組合。在一個實施方案中，存在于預處理過的樹脂中的熱傳導流體組分將為腐蝕抑制劑、著色劑或其組合中的至少一種。在一個示例性實施方案中，存在于預處理過的樹脂中的熱傳導流體組分將為腐蝕抑制劑。
在一個實施方案中，預處理過的離子交換樹脂如腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂通過用一或多種如上所述的處理熱傳導流體組分對離子交換樹脂進行預處理產(chǎn)生。在一個示例性實施方案中，所述熱傳導流體組分為處理腐蝕抑制劑。
在一個實施方案中，所公開的腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂可以通過用含有一或多種處理組分如腐蝕抑制劑的水性處理溶液接觸離子交換樹脂來制造。所述處理導致處理組分如腐蝕抑制劑與所述可離子交換樹脂中的至少一些可交換基團的交換。
適合的離子交換樹脂的說明性例子包括陰離子交換樹脂、陽離子交換樹脂、混合床離子交換樹脂及其混合物。所選擇的具體離子交換樹脂取決于用于熱傳導流體的熱傳導流體組分的類型。例如，在一個實施方案中，所選擇的具體離子交換樹脂取決于用于熱傳導流體的腐蝕抑制劑的類型。盡管在以下討論中使用了″腐蝕抑制劑″，但應當理解它僅僅是適用于制造和獲得處理過的離子交換樹脂的一類熱傳導流體組分的示例。
適用于制造在此所公開的任何預處理過的離子交換樹脂的離子交換樹脂通常具有聚合母體和與可交換性離子型“配對”的官能團。
根據(jù)離子可交換樹脂的類型，所述可交換離子型通常為Na+、H+、OH-或CI-離子中的一或多種。這些可交換離子與存在于水性腐蝕抑制劑處理溶液中的一或多種腐蝕抑制劑產(chǎn)生的離子相交換。這此可交換離子與存在于水性腐蝕抑制劑處理溶液中的一或多種腐蝕抑制劑產(chǎn)生的任何離子類型相交換，并有時與存在于抑制腐蝕的燃料電池熱傳導流體中的離子腐蝕抑制劑種類相交換。
例如，如果一種熱傳導流體組分如腐蝕抑制劑在溶液中變成帶負電荷的，即例如如果N-雜環(huán)化合物被用作腐蝕抑制劑，則離子交換樹脂應當為混合床樹脂、陰離子交換樹脂或其混合物?？缮藤彽年庪x子交換樹脂通常是OH-或Cl-形式的。在一個示例性實施方案中，所選陰離子交換樹脂是OH-形式的。
或者，如果一種熱傳導流體組分如抑制腐蝕的熱傳導流體中的腐蝕抑制劑在溶液中變成帶正電荷的，則應當使用混合床樹脂、陽離子交換樹脂或其混合物?？缮藤彽年栯x子交換樹脂通常是H+或Na+形式的。在一個示例性實施方案中，所選陽離子交換樹脂是H+形式的。
在一個實施方案中，只有在用水性組分溶液如水性腐蝕抑制劑溶液處理導致基本上所有Na+或Cl-離子型都被從離子交換樹脂去除時才使用Na+或Cl-形式的離子交換樹脂。例如，在一個示例性實施方案中，只有在用水性組分溶液處理導致產(chǎn)生具有至少90％包含適合的熱傳導流體組分如腐蝕抑制劑的可交換基團的腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂時才使用Na+或Cl-形式的離子交換樹脂。
說明性聚合基體的例子包括聚苯乙烯、聚苯乙烯和苯乙烯共聚物、聚丙烯酸酯、芳族取代的乙烯基共聚物、聚甲基丙烯酸酯、酚-甲醛、聚烷基胺及其組合等等。在一個實施方案中，聚合物基體為聚苯乙烯和苯乙烯共聚物、聚丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯；而在一個示例性實施方案中，聚合物基體為苯乙烯二乙烯基苯共聚物。
陽離子離子交換樹脂中的示例官能圖的例子包括磺酸基(-SO3H)、膦酸基(-PO3H)、次膦酸基(-PO2H)、羧酸基(-COOH或-C(CH3)-COOH)及其組合等等。在一個實施方案中，陽離子交換樹脂中的官能團為-SO3H、-PO3H或-COOH；而在一個示例性實施方案中，陽離子交換樹脂中的官能團為-SO3H。
陰離子交換樹脂中的示例性官能團的例子包括季銨基，例如芐基三甲基銨基(也稱作1類樹脂)、芐基二甲乙醇銨基(也稱作2類樹脂)、三烷基芐銨基(也稱作1類樹脂)；或叔胺官能團等等。在一個實施方案中，陰離子交換樹脂中的官能團為三烷基芐銨、三甲基芐銨或二甲基-2-羥基乙基芐銨；而在一個示例性實施方案中，陰離子交換樹脂中的官能團為三烷基芐銨。
適用于此的可商購離子交換樹脂有Rohm & Haas，Philadelphia，PA的AmberliteTM，AmberjetTM，DuoliteTM和ImacTM樹脂，Bayer，Leverkusen，德國的LewatitTM樹脂，Dow Chemical，Midland，MI的DowexTM樹脂，Mitsubishi Chemical，Tokyo，日本的DiaionTM和ReliteTM樹脂，Purolite，Bala Cynwyd，PA的PuroliteTM樹脂，Sybron，Birmingham，NJ的IonacTM樹脂和Resintech，West Berlin，NJ的等等。在一個實施方案中，適合的可商購離子交換樹脂為DowexTMMR-3 LC NGMix混合床樹脂、DowexTMMR-450 UPW混合床樹脂、Sybron IonacTMNM-60混合床樹脂或AmberliteTMMB-150混合床樹脂；而在一個示例性實施方案中，適合的可商購離子交換樹脂為DowexTMMR-3 LC NGMix。
使離子交換樹脂與包含一種適合的熱傳導流體組分如腐蝕抑制劑的水性處理溶液接觸。應當理解，如本文所述的其它組分同樣適用。適合的熱傳導流體組分可被稱作″處理組分″。
可被用于制造預處理過的樹脂的適合熱傳導流體組分包括所有能在25℃的水溶液中形成離子或劉易斯酸或劉易斯堿的熱傳導流體或熱傳導液體組分。在一個實施方案中，適合的熱傳導流體組分在25℃的水溶液中pKa或pKb將為5-14。在一個示例性實施方案中，適合的熱傳導流體組分在25℃的水溶液中pKa或pKb將為從5到小于14。
適合的處理熱傳導流體組分的一個例子是″處理腐蝕抑制劑″或″處理抑制劑″。適用于水性抑制劑處理溶液的處理抑制劑包括可溶于或分散在醇或一或多種醇與水的混合物中的弱離子型腐蝕抑制劑。
在一個實施方案中適合用作處理抑制劑的腐蝕抑制劑為酸時其在25℃的水溶液中的pKa值等于或大于5。在一個示例性實施方案，適合的處理抑制劑的pKa值為5-14。在一個特別地示例性實施方案中，適合的酸性處理抑制劑的pKa值為5到小于14。
如果處理抑制劑是堿，則適合的處理抑制劑的pKb值在25℃的水溶液中應等于或大于5。在一個示例性實施方案，適合的堿性處理抑制劑的pKb值為5-14。在一個特別地示例性實施方案中，適合的堿性處理抑制劑的pKb值為從5到小于14。
在一個示例性實施方案中，適合的處理抑制劑在燃料電池工作條件下，即通常為約40℃到約100℃的溫度下，在醇與水的混合物中具有良好的穩(wěn)定性。
在一個實施方案中，處理組分如處理抑制劑包含至少一些最少量的由于在醇或烷撐二醇的水溶液中水解而形成離子的官能團。在實施方案中，處理抑制劑可以每個處理抑制劑分子包含1-10個、更優(yōu)選地1-5個能形成離子的官能團。說明性的能形成離子的官能團為那些選自胺基、雜環(huán)芳基和其它含N基團和苯酚或萘酚衍生物的官能團。
在一個實施方案中，處理抑制劑包含吡咯化合物適合的吡咯化合物為具有1-4個氮原子的五元雜環(huán)化合物。說明性例子包括結構式為以下(I)、II)、(III)和(IV)的咪唑、三唑、噻唑和四唑，如苯并三唑，甲苯基三唑，烷基苯并三唑如4-甲基苯并三唑、5-甲基苯并三唑和丁基苯并三唑等等，苯并咪唑，鹵基苯并三唑如氯甲基苯并三唑，四唑，取代的四唑、噻唑如2-巰基苯并噻唑等等。
在一個實施方案中，所述吡咯化合物具有以下結構式(I)、(II)、(III)或(IV) 其中R為氫或鹵素如Cl或Br，或者是C1-C20的烷基；R′為氫、C1-C20的烷基或SH或SR基中至少之一；X為N、C-SH或CH；Y選自N、C-R或CH基，其中R的定義如上。在一個示例性實施方案中，吡咯化合物具有結構式(I)，其中X為N。在一個特別地示例性實施方案中，吡咯化合物具有結構式(I)，其中X為N，R為氫或具有1至少于10個C的烷基。
在此所用術語″烷基″包括具有指定碳原子數(shù)的支鏈和直鏈飽和脂族烴基團。術語C1-C7的烷基在此是指具有1到約7個碳原子的烷基。在此當C0-Cn烷基與另一基團合用時，例如雜環(huán)烷基(C0-C2烷基)，所指基團(在此為雜環(huán)烷基)通過單共價鍵(C0)直接連結，或者通過具有指定碳原子數(shù)(在此為1到約2個碳原子)的烷基鏈相連。烷基的例子包括但不限于甲基、乙基、正丙基、異丙基、正丁基、3-甲基丁基、叔丁基、正戊基和仲戊基。
適合的吡咯化合物的說明性例子包括苯并三唑、甲苯基三唑、甲基苯并三唑即4-甲基苯并三唑和5-甲基苯并三唑、丁基苯并三唑、巰基苯并噻唑、苯并咪唑、鹵素苯并三唑如氯甲基苯并三唑等等。在一個實施方案中，吡咯化合物為苯并三唑、甲苯基三唑或巰基苯并噻唑之一；而在一示例性實施方案中，吡咯化合物為苯并三唑。
用于制造腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂的水性抑制劑溶液中通常如上所述處理抑制劑的濃度在約2℃以上溫度下為至少1000ppm。在一個實施方案中，水性抑制劑溶液濃度為0.001-90wt％；而在另一實施方案中，水性抑制劑溶液的濃度為0.005-10wt％。
在一個示例性實施方案，水性抑制劑溶液使用去離子水制造。
在一個實施方案中，使離子交換樹脂與水性組分溶液接觸足夠長的時間以使處理組分如處理抑制劑與總量占離子交換樹脂中可交換離子總數(shù)為至少15％的可交換基團交換位置。也就是說，在一個實施方案中，腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂的抑制劑負荷應當為該離子交換樹脂交換容量的至少15％。在另一實施方案中，接觸時間足以使處理抑制劑與總量占離子交換樹脂中可交換離子總數(shù)的至少50％的可交換基團交換位置。在一個示例性實施方案中，接觸時間足以使處理抑制劑與總量占離子交換樹脂中可交換離子總數(shù)的至少75％的可交換基團交換位置。在另一示例性實施方案中，接觸時間足以使腐蝕抑制劑負荷量為所述樹脂總交換能力的15-99％或者為總量占離子交換樹脂中可交換離子總數(shù)的15-99％的可交換基團。
所得到的預處理過的離子交換樹脂和在一個示例性實施方案中腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂將用去離子水和/或清潔燃料電池熱傳導流體清洗以使意外引入雜質的幾率最小化。
在一個實施方案中，所公開的預處理過的離子交換樹脂被用于傳熱系統(tǒng)特別是燃料電池傳熱系統(tǒng)中。然而，應當理解所公開的預處理過的離子交換樹脂和流過所述樹脂以保持低電導率的熱傳導流體可被用于除燃料電池以外的需要熱傳導液體的其它應用。
特別適合的應用是那些具有需要低電導率熱傳導流體的傳熱系統(tǒng)的應用。說明性例子包括其中向電極施加高電壓/電流來將材料如玻璃或鋼保持在熔融狀態(tài)的玻璃或金屬制造工藝。所述工藝通常需要具有低電導率的熱傳導流體來冷卻電極。此處所公開的預處理過的離子交換樹脂適合于所述傳熱系統(tǒng)。
在一個示例性實施方案中，所公開的腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂被用于燃料電池傳熱系統(tǒng)中。在圖1所示的示例性實施方案中，適合的燃料電池傳熱系統(tǒng)10包括一個循環(huán)回路12，它限定了流動途徑14，流動途徑14與包括陽極18、陰極20和電解質22的至少一個燃料電池16相熱連通。術語″熱連通″在此是指能使燃料電池16中的放熱反應所產(chǎn)生的熱量通過熱傳導被傳遞到抑制腐蝕的熱傳導流體中的任何方案。
例如，在圖1所示的實施方案中，流動途徑14流過燃料電池16中的熱傳導流體通道26。在流動途徑14中設有腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂28，從而抑制腐蝕的熱傳導流體24必須從中流過。在一個實施方案中，腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂28可以放在位于循環(huán)回路12的流動途徑14中的過濾器30內。
可以理解，循環(huán)回路12的眾多結構都在本公開的范圍之內。例如，熱傳導流體通道26可以包括多個通道或者也可以設計成卷繞燃料電池16的結構?？傊?，熱傳導流體通道應當接近發(fā)生燃料的氧化反應和/或氧化劑的還原反應的電極組件表面，從而實現(xiàn)熱傳導流體與電極組件之間的有效熱傳遞。此外，熱傳導流體通道與燃料和氧化劑流動通道通常彼此機械隔離，由此不會發(fā)生燃料、氧化劑和熱傳導流體之間的不期望的干擾。
可以理解所公開的處理過的離子交換樹脂和/或熱傳導流體可以用于包括一或多種替代能源的各種組件。術語″替代能源″在此是指能提供能量效率、環(huán)境相關、廢物產(chǎn)生和管理問題、自然資源管理等等方面的改進的能源技術。已開發(fā)的替代能源的例子包括但不局限于電池、燃料電池、太陽能電池或太陽能電池板、光生伏打電池以及由液化的蒸汽、天然氣、柴油、氫氣等等驅動的內燃發(fā)動機。在一個實施方案中，術語″替代能源″包括由使用清潔傳熱系統(tǒng)即不會提高熱傳導流體中離子濃度的傳熱系統(tǒng)的內燃發(fā)動機驅動的裝置。這些替代能源可單獨使用也可組合使用，如混和動力型汽車中所采用的那些。
可以理解，包含這種替代能源的組件可以包括任何傳統(tǒng)上由內燃發(fā)動機驅動的裝置，如機動車輛、船、發(fā)電機、燈、飛船和飛機、列車或火車機車、軍用運輸車輛、固定的發(fā)動機等等。所述組件還包括需要恰當利用替代能源的其它系統(tǒng)或裝置，如電動機、DC/DC轉換器、DC/AC換流器、發(fā)電機以及其它電子設備等等。所述組件還包括需要恰當利用替代能源的其它系統(tǒng)或裝置，如電動機、DC/CC轉換器、DC/AC換流器、發(fā)電機以及其它能源電子設備或電器等等。
所公開的組件通常包括替代能源和與替代能源熱連通的傳熱系統(tǒng)。在一個實施方案中，傳熱系統(tǒng)包括一個為導電率小于200μS/cm的抑制腐蝕的熱傳導流體限定了流動途徑的循環(huán)回路。在一個示例性實施方案中，傳熱系統(tǒng)包括一個為電導率小于200μS/cm的抑制腐蝕的液態(tài)熱傳導流體限定了流動途徑的循環(huán)回路，且該液態(tài)熱傳導流體包括含有吡咯化合物和選自硅氧烷基表面活性劑、膠態(tài)氧化硅或其混合物中至少一個的腐蝕抑制劑。
作為所公開組件的說明性例子可以見圖1。圖中顯示了冷卻系統(tǒng)的主要零件，和可能需要使用冷卻劑或熱傳導流體作為冷卻介質的主要系統(tǒng)零件16。如其中所示，組件可以包含內燃發(fā)動機5、或燃料電池5或太陽能電池5作為車輛主動力源7。它還可包含一個能通過車輛再生制動系統(tǒng)充電的可充電二次電池12或任選性的超電容13。在此實施方案中，電池12和/或超電容13可以充當二次能源。組件中還可包括能源電子設備，如DC/DC轉換器10、DC/AC換流器10、發(fā)電機8、功率分配裝置9和/或升壓轉換器11等等。此外，組件還可包含燃料電池或太陽能電池″設備平衡″子系統(tǒng)6。它們可以為空氣壓縮機、泵、功率調節(jié)器等等。組件還包含HAVC系統(tǒng)14，例如用于車內空間的氣候調節(jié)的空調系統(tǒng)。它們包括在圖1所示的可能需要使用冷卻劑或熱傳導流體來進行溫度控制的說明性組件中的車輛系統(tǒng)16中。與其它車輛冷卻系統(tǒng)類似，此說明例中的組件也包含冷卻劑循環(huán)泵1、冷卻劑流動路徑4、冷卻劑箱2、散熱器或換熱器3，以及風扇15。所述風扇可用外部冷卻源例如具有其自己的冷卻介質的不同(或分離的)冷卻系統(tǒng)代替。
在一個實施方案中，所述替代能源為燃料電池?？梢岳斫?，燃料電池與所公開的傳熱系統(tǒng)和流體熱連通，所公開的熱傳導流體的電導率在一個實施方案中不超過10μS/cm。在一個特別地包含燃料電池的示例性實施方案中，所公開的熱傳導流體具有從0.02到不超過10μS/cm的電導率。在一個特別地示例性實施方案中，所公開的抑制腐蝕的熱傳導流體具有從0.05到不超過5μS/cm的電導率。
所公開的抑制腐蝕的熱傳導流體可用于許多不同類型燃料電池，它們包含電極組件和與電極組件或燃料電池熱連通的熱傳導流體，其中所述電極組件包括陽極、陰極和電解質。在一個實施方案中，熱傳導流體可包含在或流入由循環(huán)回路限定的通道或流動途徑或與所述燃料電池熱連通的熱傳導流體流動通道中。
適合的燃料電池類型的例子包括PEM(質子交換膜或聚合物電解質膜)燃料電池、AFC(堿性燃料電池)、PAFC(磷酸燃料電池)、MCFC(熔融碳酸鹽燃料電池)、SOFC(固體氧化物燃料電池)等等。在一個示例性實施方案中，所公開的抑制腐蝕的熱傳導流體被用于PEM和AFC燃料電池。
在一個實施方案中，所公開的傳熱系統(tǒng)、組件和燃料電池系統(tǒng)采用適合的如上所述特征可在于具有極低電導率的熱傳導流體。
在一個實施方案中，適合的熱傳導流體包含本文所述的熱傳導流體抑制劑。在另一實施方案中，適合的熱傳導流體除熱傳導流體抑制劑之外還包含至少一種醇。在一個示例性實施方案中，所述抑制腐蝕的燃料電池熱傳導流體包含腐蝕抑制劑、至少一種醇和水。在另一示例性實施方案中，所述抑制腐蝕的燃料電池熱傳導流體包含本文所述的腐蝕抑制劑、水、至少一種醇、著色劑和任選地一或多種添加劑如消泡劑、苦味劑、潤濕劑、非離子型分散劑等等。
如上所述，在一個示例性實施方案中，用于所公開的傳熱系統(tǒng)、組件和燃料電池系統(tǒng)的熱傳導流體是包含至少一種腐蝕抑制劑的抑制腐蝕的熱傳導流體。用于所述抑制腐蝕的熱傳導流體的腐蝕抑制劑，即″熱傳導流體腐蝕抑制劑″，可以與上面所述的用于水性處理溶液的處理抑制劑相同或不同。
在一個實施方案中，用于處理溶液中的熱傳導流體組分也是熱傳導流體中的一種組分。但是，在一個示例性實施方案中，存在額外的組分作為熱傳導流體的一部分。
在一個實施方案中，存在于腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂中的至少一種處理抑制劑與用于抑制腐蝕的熱傳導流體中的至少一種熱傳導流體腐蝕抑制劑相同。在另一實施方案中，存在于腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂中的至少一種處理抑制劑與用于抑制腐蝕的熱傳導流體中的至少一種熱傳導流體抑制劑相同，其中所述抑制腐蝕的熱傳導流體用在采用所述腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂的傳熱系統(tǒng)中。在一個示例性實施方案中，存在于腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂中的處理抑制劑與用于采用所述腐蝕抑制劑處理過的離子交換樹脂的傳熱系統(tǒng)的熱傳導流體中的熱傳導流體抑制劑相同。
在一個示例性實施方案中，用于處理溶液中的腐蝕抑制劑還用作熱傳導流體的腐蝕抑制劑。但是，在一個示例性實施方案中，存在額外的組分作為熱傳導流體腐蝕抑制劑的一部分。在一特別地示例性實施方案中，熱傳導流體抑制劑包含吡咯化合物和選自硅氧烷基表面活性劑、膠態(tài)氧化硅或其混合物中的至少一種。
適合的吡咯化合物為具有1-4個氮原子的五元雜環(huán)化合物。說明性例子包括結構式為以下(I)、II)、(III)和(IV)的咪唑、三唑、噻唑和四唑，如苯并三唑，甲苯基三唑，烷基苯并三唑如4-甲基苯并三唑5-甲基苯并三唑和丁基苯并三唑等等，苯并咪唑，鹵基苯并三唑如氯甲基苯并三唑，四唑，取代的四唑、噻唑如2-巰基苯并噻唑等等。在一個實施方案中，所述吡咯化合物具有以下結構式(I)、(II)、(III)或(IV) 其中R為氫或鹵素如Cl或Br，或者是C1-C20脂族基或烷基；R′選自氫、C1-C20脂族基、或SH或SR；X選自N(或氮原子)、C-SH或CH；Y選自N(或氮原子)、C-R或CH基。在一個示例性實施方案中，吡咯化合物具有結構式(I)，其中X為N。在一個特別地示例性實施方案中，吡咯化合物具有結構式(I)，其中X為N，R為氫或具有1至低于10個碳的烷基。
在此術語″烷基″包括具有指定碳原子數(shù)的支鏈和直鏈飽和脂族烴基團。術語C1-C7的烷基在此是指具有1到約7個碳原子的烷基。在此當C0-Cn的烷基與另一基團例如雜環(huán)烷基(C0-C2烷基)一起使用時，所指基團(在此為雜環(huán)烷基)通過單共價鍵(C0)直接連結，或者通過具有指定碳原子數(shù)(在此為1到約2個碳原子)的烷基鏈附著。烷基的例子包括但不限于甲基、乙基、正丙基、異丙基、正丁基、3-甲基丁基、叔丁基、正戊基和仲戊基。
適合的吡咯化合物的說明性例子包括苯并三唑、甲苯基三唑、甲基苯并三唑即4-甲基苯并三唑和5-甲基苯并三唑、丁基苯并三唑、巰基苯并噻唑、苯并咪唑、鹵代苯并三唑如氯甲基苯并三唑等等。在一個實施方案中，吡咯化合物為苯并三唑、甲苯基三唑或巰基苯并噻唑之一，而在一示例性實施方案中，吡咯化合物為苯并三唑。
在一個實施方案中，存在于抑制腐蝕的熱傳導流體中的吡咯化合物基于熱傳導流體的總重量計可以為1到約5000ppm；而在一示例性實施方案中，吡咯化合物的存在量為從10到約500ppm。
在一示例性實施方案中，用于抑制劑處理溶液的吡咯化合物與用于燃料電池熱傳導流體的腐蝕抑制劑的吡咯化合物相同。
在一個實施方案中，用于燃料電池熱傳導流體的腐蝕抑制劑也具有硅氧烷基表面活性劑、膠態(tài)氧化硅或其混合物中的至少一種。
在此所用硅氧烷基表面活性劑泛指含有至少一個硅-碳鍵的聚硅氧烷和有機硅烷化合物。
在一個實施方案中，適合的聚硅氧烷通常是那些被認為具有通式R″3-Si-[O-Si(R″)2]x-OSiR″3的聚硅氧烷，其中R″為1-200個碳的烷基或聚環(huán)氧烷共聚物，x可以為0-100。在一個示例性實施方案中，適合的聚硅氧烷具有至少一個R″基即親水基，如一或多個具有2-6個碳特別是2-4個碳的環(huán)氧烷的聚環(huán)氧烷共聚物。
本領域技術人員可以理解，結構未知或在此式范圍之外的可商購聚硅氧烷也可能適用于燃料電池熱傳導流體的腐蝕抑制劑。
例如，在一個實施方案中，適合的聚硅氧烷可大致限定為適合的可商購聚硅氧烷如GE Silicones/Osi Specialities的Silwet硅氧烷表面活性劑，和可從Dow Corning或其它供應商獲得的其它類似的硅氧烷-聚醚共聚物。在一個示例性實施方案中，適合的硅氧烷基表面活性劑的例子為SilwetL-77、SilwetL-7650、SilwetL-7600、SilwetL-7657、SilwetL-7200、SilwetL-7210等等。
適合的有機硅烷化合物是那些含有至少一個能在有水存在的情況下水解形成硅烷醇即具有一或多個Si-OH基的化合物的硅-碳鍵的硅烷化合物。在一個實施方案中，適合的有機硅烷化合物是那些具有通式ZSi(OZ)3的，其中Z基可以為芳基、環(huán)脂基、烷基、烷氧基或亞烷基，且可以含有官能團如氨基、環(huán)氧基等形式的雜原子如N、S等。在一個實施方案中，適合的有機硅烷化合物具有通Z′Si(OZ)3的，其中Z′可以為芳基、環(huán)脂基、烷基、烷氧基或亞烷基中的至少一種，且可以含有官能團如氨基、環(huán)氧基等形式的雜原子如N、S等，Z是C1-C5烷基。
本領域技術人員還可理解，結構未知或在此式范圍之外的可商購有機硅烷也可能適用于燃料電池熱傳導流體的腐蝕抑制劑。
例如，在一個實施方案中，適合的有機硅烷可大致限定為適合的可商購有機硅烷如來自GE Silicones/Osi Specialities和其它供應商的Silquest或Formasil表面活性劑。在一個示例性實施方案中，適合的硅氧烷基表面活性劑的例子為Formasil891、Formasil593、Formasil433、Silquest Y-5560硅烷(即聚環(huán)氧烷烷氧基硅烷(polyalkyleneoxidealkoxysilane))、Silquest A-186(2-(3，4-環(huán)氧基環(huán)己基)乙基三甲氧基硅烷)、Silquest A-187(3-環(huán)氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷)或可從GE Silicones、Osi Specialties或其它供應商獲得的其它Silquest硅烷等等。
其它被認為可商購和可以作為適合硅氧烷基表面活性劑例子的適合有機硅烷包括3-氨丙基三乙氧基硅烷、N-2-(氨乙酸)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧甲硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-巰基丙基三甲氧基硅烷、異丁基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷和其它具有類似結構但碳原子數(shù)不同的此類硅氧烷基表面活性劑。
在一個實施方案中，硅氧烷基表面活性劑在抑制腐蝕的熱傳導流體中的含量可以為基于熱傳導流體總重量的0.01wt％到約10wt％；而在一個示例性實施方案中，硅氧烷基表面活性劑在抑制腐蝕的熱傳導流體中的含量為基于熱傳導流體總重量的0.02wt％到約2wt％。
除了或替換所述硅氧烷基表面活性劑，抑制腐蝕的的熱傳導流體可以還包含二氧化硅。此處所用術語″二氧化硅″是指膠態(tài)氧化硅或納米形式的二氧化硅或兩者的結合。在此術語″膠態(tài)氧化硅″和″二氧化硅″可互換。不希望受某一理論限制，據(jù)信使用特定平均粒度的膠態(tài)氧化硅能提供燃料電池熱傳導流體的傳熱效率和/或熱容量方面的改進。
在一個實施方案中，適合的二氧化硅具有約1-約200nm的標稱粒徑。在一個示例性實施方案中適合的二氧化硅具有約1-約100nm的平均粒徑，而在一個特別地示例性實施方案中，適合的二氧化硅具有1到約40nm的平均粒徑。
具有適當粒徑的合適二氧化硅能以Ludox商標從DuPont或GraceDavidson、以Nyacol或Bindzil商標從Akzo Nobel或Eka Chemicals、以Snowtex商標從Nissan Chemical商購。適合的二氧化硅的其他供應商包括Nalco等。
在一個實施方案中，抑制腐蝕的熱傳導流體中的二氧化硅用量不超過10000ppm；而在一個示例性實施方案中，二氧化硅用量小于2000ppm。
還可理解，抑制腐蝕的熱傳導流體的腐蝕抑制劑還可包含硅氧烷基表面活性劑與二氧化硅的組合。在一個實施方案中，所述腐蝕抑制劑包含吡咯化合物與所公開的硅氧烷化合物的組合。在一個特別地示例性實施方案中，所述腐蝕抑制劑由吡咯和硅氧烷的組合構成。
在一個實施方案中，設計用于所公開的預處理過的離子交換樹脂或用于所公開的傳熱系統(tǒng)、組件或燃料電池系統(tǒng)的熱傳導流體還包含著色劑。在一個實施方案中，熱傳導流體包含可溶于或可分散在至少一種醇或所公開的醇與水的混合物中的非離子或弱離子形式的著色劑。
在一個實施方案中，適合的著色劑為基本上不含由于在醇或亞烷基二醇水溶液中水解而形成離子的官能團的非導電性著色劑。此處所用″基本上不含″是指含量不超過會導致熱傳導流體的導電率高于5μS/em的量。所述會產(chǎn)生少量離子的官能團的例子包括許多含N化合物，例如吖啶、胺、噻唑、甲酚等等。含磺酸基、膦酸基、羧酸基等的化合物在于水溶液中水解時也會產(chǎn)生離子。由于這些基團具有更小的pKa值，所述溶液比上述基團(即含N化合物)更離子性或導電性更好。
在一個具體實施方案中，非導電性熱傳導流體著色劑將基本上不含選自羧酸酯基、磺酸酯基、膦酸酯基、季銨陽離子基團、帶正電荷基團和帶負電荷基團的官能團。帶正電荷基團的說明性例子包括Na+、Cu2+、N+(CH3)3、Fe3+及其組合等等。帶負電荷基團的說明性例子包括Cl-、Br-、SO42-及其組合等等。
適合的熱傳導流體著色劑可以包含以下發(fā)色團中的至少一種蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、含偶氮的化合物、含有二重氮的化合物、含三偶氮的化合物、含重氮的化合物、呫噸、吖啶、茚、酞菁、氮雜輪烯、亞硝基、硝基、二芳基甲烷、三芳基甲烷、甲川、吲達胺、吖嗪、嗪、噻嗪、喹啉、靛青、靛酚、內酯、氨基酮、羥基酮、芪、噻唑、一或多個共軛的芳族基、一或多個共軛的雜環(huán)基團(例如stilkene和/或bestriazenylamino-stilkene、和/或吡唑啉、和/或香豆素(coumarine)型分子或它們的混合物)、一或多個共軛的碳-碳雙鍵(例如胡羅卜素)及其組合。在一個示例性實施方案中，熱傳導流體著色劑包含二芳基甲烷、三芳基甲烷、三苯甲烷、二苯甲烷、一或多個共軛的芳族基、偶氮或其組合中的至少一種。在一個特別地示例性實施方案中，熱傳導流體著色劑至少包含一或多個共軛的芳族基作為發(fā)色團。
在另一實施方案中，熱傳導流體著色劑包含非導電性烷氧基化合物與至少一種上述發(fā)色團的反應產(chǎn)物。適合的非導電性烷氧基化合物的說明性例子包括那些具有1-30個碳的。說明性烷氧基化合物包括環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷、環(huán)氧丁烷等等，其中環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷特別適合。在一個實施方案中，與醇反應的發(fā)色團選自蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、二芳基甲烷、三芳基甲烷、含偶氮的化合物、含二重氮的化合物、含三偶氮的化合物、含重氮的化合物及其組合。
或者，適合的熱傳導流體著色劑也可描述為那些具有以下結構式的著色劑R{Ak[(B)nR1]m}x
其中R是選自蒽醌、三苯甲烷、二苯甲烷、含偶氮化合物、含二重氮化合物、含三偶氮的化合物、含重氮化合物、呫噸、吖啶、茚、酞菁、氮雜輪烯、亞硝基、硝基、二芳基甲烷、三芳基甲烷、甲川、吲達胺、吖嗪、嗪、噻嗪、喹啉、靛青、靛酚、內酯、氨基酮、羥基酮、芪、噻唑、兩個或多個共軛的芳族基、兩個或多個共軛的雜環(huán)基團或其組合的有機發(fā)色團；A是所述發(fā)色團中的連結部分，選自O、N或S；k為0或1；B選自含有1-8個碳原子的一或多個亞烷氧基或烷氧基。n是1-100的整數(shù)；m為1或2；x是1-5的整數(shù)；R1選自H、C1-C6烷基或含1-8個碳原子的烷氧基或其組合。
在一個示例性實施方案中，適合的熱傳導流體著色劑是具有上式的那些著色劑，其中B選自一或多個含有2-4個碳原子的亞烷氧基成分，n為1-30，m為1或2，X優(yōu)選地為1或2，R1優(yōu)選地為H或C1-C4的烷基或含1-6個碳原子的烷氧基。在一個示例性實施方案中，適合的熱傳導流體著色劑是那些含有二芳基甲烷、三芳基甲烷、三苯甲烷、二苯甲烷、共軛芳族基或共軛碳-碳雙鍵或其組合中的一或多種的著色劑，因為這種著色劑預計將不會導致導電率由于所述發(fā)色團而升高。換句話說，這些發(fā)色團結構不具有會水解的基團。在所列連接基團中，O也不太可能會在水溶液中水解。
熱傳導流體著色劑可以通過在上面處理抑制劑中所述的各種已知方法制備。
可商購的適合用在適用于所公開的燃料電池和燃料電池系統(tǒng)的抑制腐蝕的熱傳導流體中的熱傳導流體著色劑包括來自MillikenChemical，Spartanburg，SC，USA的Liquitint紅ST或其它類似的聚合物著色劑，或來自Chromatech，Canton，MI，USA的著色劑(例如Liquitint藍RE)。其它說明性著色劑包括下列Liquitint紅ST、Liquitint藍RE、Liquitint紅XC、Liquitint專利藍、Liquitint亮黃、Liquitint鮮橙、Liquitint品藍、Liquitint藍N-6、Liquitint亮藍、LiquitintSupra藍、Liquitint藍HP、Liquitint藍DB、Liquitint藍II、LiquitintExp.黃8614-6、Liquitint黃BL、Liquitint黃II、Liquitint日光黃、LiquitintSupra黃、Liquitint綠HMC、Liquitint紫、Liquitint紅BL、Liquitint紅RL、Liquitint櫻桃紅、Liquitint紅II、LiquitintTeal、Liquitint黃LP、Liquitint紫LS、Liquitint深紅、Liquitint海藍、Liquitint綠HMC、Liquitint紅HN、Liquitint紅ST及其組合。
在一個示例性實施方案中，，熱傳導流體著色劑是來自Milliken的Liquitint紅ST、來自Chromatech的Liquitint紅XC、來自Milliken的Liquitint專利藍、來自Chromatech的Chromatint黃1382或來自Chromatech的Liquitint藍RE中的至少一種，而在一個特別地示例性實施方案中，所述非導電性著色劑為來自Chromatech的LiquitintTM藍RE。
在一個示例性實施方案中，熱傳導流體著色劑在抑制腐蝕的熱傳導流體中的含量基于抑制腐蝕的熱傳導流體的總量計為0.0001-0.2wt％。在另一實施方案中，熱傳導流體著色劑在熱傳導流體中的含量以熱傳導流體的總量計為0.0005-0.1wt％，而在一個示例性實施方案中，熱傳導流體著色劑的用量基于熱傳導流體的總量計為0.0005-0.05wt％。
適用于所公開的熱傳導流體的醇的說明性例子有甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、糠醛、乙二醇、二甘醇、三甘醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、二丙二醇、丁二醇、丙三醇、丙三醇一乙基醚、丙三醇二甲醚、1，2，6-己三醇、三羥甲基丙烷、甲氧基乙醇或含有一或多種所述醇的組合。特別適合的醇的說明性例子包括乙二醇、丙二醇、丁基乙二醇、丙三醇、二甘醇等，以及它們的混合物。在一個實施方案中，所述醇為乙二醇或1，2-丙二醇或1，3-丙二醇；而在一個示例性實施方案中，所公開的熱傳導流體中包含乙二醇。
在一個實施方案中，醇在熱傳導流體中的含量基于熱傳導流體的總量計為10-99.9wt％。在另一實施方案中，所述至少一種醇在熱傳導流體中的含量以熱傳導流體的總量計為20-99.9wt％，而在一個示例性實施方案中，所述至少一種醇的用量基于熱傳導流體的總量計為20-99.9wt％。
如前所述，在所公開的抑制腐蝕的熱傳導流體中可以存在水。在一個示例性實施方案中，使用了去離子水。在一個實施方案中，水在抑制腐蝕的熱傳導流體中的含量基于熱傳導流體的總量計為0.1-90wt％。在另一實施方案中，水在熱傳導流體中的含量以熱傳導流體的總量計為0.1-80wt％，而在一個示例性實施方案中，水的用量基于熱傳導流體的總量計為0.1-70wt％。
例如，在熱傳導流體的濃縮形式中可以完全不含水即含量為0wt％，但在某些濃縮液中含量可以為最高約50wt％，而在其它實施方案中，水在濃縮液中的含量可為最高約20wt％。對于稀釋的熱傳導流體，水含量可以為從20wt％直到90％wt。
適合的任選性的腐蝕抑制劑包括鋁和鋁基合金腐蝕抑制劑，銅和銅基合金腐蝕抑制劑，黑色金屬腐蝕抑制劑，胺如乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、辛胺和嗎啉，如US2004/0028971A1中所述的原硅酸酯等等。在一個實施方案中，一或多種任選性的腐蝕抑制劑在熱傳導流體中的含量基于熱傳導流體的總量計為0.0-10.0wt％。在另一實施方案中，一或多種腐蝕抑制劑在熱傳導流體中的含量基于熱傳導流體的總量計為0.0-5wt％。
適合的熱傳導流體可以還包含其他添加劑如消泡劑、表面活性劑、防垢劑、分散劑、潤濕劑、苦味劑等及其組合，含量基于熱傳導流體的總量計為最高10重量％。
在一個實施方案中，適合的熱傳導流體含有基于熱傳導流體的總量計為20-99.9wt％的至少一種醇或醇混合物、0.1-80wt％的水和0.0001-0.1重量％的非導電性著色劑，以及0.0-10wt％的其它任選性的熱傳導流體添加劑。在一個示例性實施方案中，所公開的燃料電池熱傳導流體含有基于熱傳導流體的總量計為20-99.9wt％的至少一種醇或醇混合物、0.1-80wt％的水和0.0001-0.1重量％的非導電性著色劑，以及0.0-10wt％的其它熱傳導流體添加劑。
在另一示例性實施方案中，適合的熱傳導流體含有20-99.9wt％的至少一種醇、0.1-80wt％的水、0-5wt％的一種或多種腐蝕抑制劑、和0.0001-0.1重量％的非導電性著色劑、以及可選的0.0-0.1wt％的消泡劑，均基于熱傳導流體總量計。
所公開的熱傳導流體可以通過將所述組分混合在一起來制備。通常優(yōu)選地先將醇與水混合在一起。然后通過混合和充分的攪拌將其它添加劑加入醇水混合物中。
所公開的預處理過的離子交換樹脂的有利之處在于它們能夠從處理溶液或熱傳導流體中去除離子、保持熱傳導流體的低導電率和向傳導流體提供有益性能如顏色。所公開的預處理過的離子交換樹脂的有利之處還在于它們能夠同時從熱傳導流體中除去離子、保持熱傳導流體的低導電率和向抑制腐蝕的熱傳導流體提供有益性能如顏色。
除非在上下文中另外指出，單數(shù)形式的″一″、″一個″和″所述″包括復數(shù)對象?！迦芜x性的″或″任選地″是指下面所述事件或情況可能發(fā)生或可能不發(fā)生，且所述說明包括所述事件發(fā)生和不發(fā)生的情形。用于某一量的修飾詞″約″包括所述值在內并具有上下文所指的含義(例如，包括與具體量的測量有關的誤差度)。
盡管已經(jīng)參考優(yōu)選實施方案對本發(fā)明進行了說明，但本領域技術人員可以理解，在不偏離本發(fā)明范圍的基礎上可對本發(fā)明做出各種改變并可以用等同物替代其中的元件。此外，在不偏離本發(fā)明教導的實質范圍的基礎上可以對其做出許多修改來適應某種具體情況或材料。因此，本發(fā)明并不限于所公開作為實施本發(fā)明的最佳方式的具體實施方案，而是包括落入附加的權利要求書范圍之內的所有實施方案。
實施例1評價了混合床離子交換樹脂對燃料電池系統(tǒng)的電導率的影響。測試在一個具有傳熱系統(tǒng)的模擬燃料電池組中進行。測試裝置包含一個模擬燃料電池組，其中一個在另一個之上地交替堆疊的硅橡膠墊圈和不銹鋼板來模擬燃料電池組。所述電池組模擬了50個串聯(lián)連接的電池。在測試中，向模擬電池組上施加50-60伏的直流電壓。測試單元還包含熱傳導流體罐、試件支架、流量和壓力計、電熱器、泵、pH、溫度和電導傳感器等以模擬燃料電池傳熱系統(tǒng)。用計算機控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄所述傳感器的輸出。由測試獲得的數(shù)據(jù)顯示在下圖2、3、4和5中?？梢钥闯?，對于幾個小時以上的運行，需要混合床離子交換樹脂來將燃料電池熱傳導流體的電導率保持在低于4μS/cm。
實施例2測試旨在評價在延長的接觸中苯并三唑(即BZT)是否被混合床離子交換樹脂除去。向三個各自含有1000ml、500ml和250ml含50％乙二醇溶液的BZT的玻璃燒杯中加入10克Dow混合床樹脂。BZT的濃度測定為1284ppm。借助于帶聚四氟乙烯涂層的磁力攪拌棒對溶液進行攪拌。在暴露于所述樹脂22小時前后測量電導率和BZT濃度。結果如下圖1所示?？梢钥闯鯞ZT被混合床樹脂從溶液中除去。溶液的電導率在用所述離子交換樹脂處理之后也被降低。
表1
試驗3如表2所示評價了實施例2的BZT處理過的混合樹脂在降低被離子型物質(例如30ppm NaCl)污染的燃料電池熱傳導流體的電導率方面的效果。此外，還評價了流過所公開的BZT處理過的混合樹脂的熱傳導流體在防止銅鋅合金(70％Cu-30％Zn)腐蝕方面的抑制腐蝕的性能。所述熱傳導流體是50％vol EG+100ppm Cl的80℃水溶液。注意在100ml含30ppm NaCl的50％EG溶液中對BZT進行交換。
表2
圖6、圖7和表2所示的結果表明1.BZT處理過的混合床樹脂在去除乙二醇基燃料電池熱傳導流體中的離子污染方面仍然有效；2.BZT被熱傳導流體中的離子型物質從樹脂中交換出去；3.通過使用BZT處理過的混合床樹脂作為處理方法可以在乙二醇基熱傳導流體中獲得優(yōu)秀的腐蝕保護和低電導率。
實施例4采用改進的ASTM D1384測試評價含所公開的腐蝕抑制劑的熱傳導流體對各種金屬的防腐效果。制備如表3所示具有不同腐蝕抑制劑的試樣以及一個空白樣。所述測試在88℃下進行336小時。用于所有試樣的基液為52％wt乙二醇+48％去離子水。用三個鑄鋁試樣(UNS A23190)和三個黃銅試樣(UNS C26000)評價各個熱傳導流體試樣的防腐性能。下面列出了鋁和黃銅的質量損失、鋁試樣的外觀、以及樣品熱傳導流體的最初和最終電導率。
表3
注意質量損失數(shù)據(jù)是本組數(shù)據(jù)中3個值的平均實施例5采用改進的ASTM D1384測試再次評價含所公開的腐蝕抑制劑的熱傳導流體對各種金屬的防腐效果。制備如表4所示具有不同腐蝕抑制劑的試樣以及一個空白樣。所述測試在88℃下進行336小時。用于所有試樣的基液為52％wt乙二醇+48％去離子水。用一個鑄鋁試樣(UNSA23190)和一個黃銅試樣(UNS C26000)評價各個熱傳導流體試樣的防腐性能。下面列出了鋁和黃銅的質量損失、鋁試樣的外觀、以及樣品熱傳導流體的最初和最終電導率。
表權利要求
1.一種預處理過的離子交換樹脂，其包含含有由在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的熱傳導流體組分產(chǎn)生的離子、劉易斯酸或劉易斯堿中至少之一的可交換基團總數(shù)的至少15％，基于可交換基團總數(shù)計。
2.根據(jù)權利要求1所述的預處理過的離子交換樹脂，其中熱傳導流體組分在25℃的水溶液中pKa或pKb為5-14。
3.根據(jù)權利要求1所述的預處理過的離子交換樹脂，其中熱傳導流體組分為著色劑、腐蝕抑制劑、消泡劑、苦味劑、分散劑或其組合中的至少一種。
4.一種離子交換樹脂，包含占可交換基團總數(shù)至少15％的含腐蝕抑制劑的可交換基團。
5.根據(jù)權利要求4所述的離子交換樹脂，其中腐蝕抑制劑包括以下結構式(I)、(II)、(III)或(IV)所表示的至少一種吡咯化合物 其中R為氫或鹵素如Cl或Br，或者是C1-C20烷基；R′為氫、C1-C20烷基或SH或SR基中至少之一；X為N、C-SH或CH；且Y選自N、C-R或CH基，其中R的定義如上。
6.根據(jù)權利要求5所述的離子交換樹脂，其中腐蝕抑制劑包含苯并三唑、甲苯基三唑或巰基苯并噻唑中至少之一。
7.一種傳熱系統(tǒng)，包括為電導率小于200μS/cm的熱傳導流體限定流動途徑的循環(huán)回路，和位于所述流動途徑中的離子交換樹脂，所述離子交換樹脂具有包含由在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的熱傳導流體組分產(chǎn)生的離子、劉易斯酸或劉易斯堿中至少一種的可交換基團的至少15％，基于可交換基團總數(shù)計。
8.根據(jù)權利要求7所述的傳熱系統(tǒng)，其中處理腐蝕抑制劑包含吡咯化合物。
9.根據(jù)權利要求7所述的傳熱系統(tǒng)，其中抑制腐蝕的熱傳導流體的電導率小于200μS/cm。
10.根據(jù)權利要求9所述的傳熱系統(tǒng)，其中抑制腐蝕的熱傳導流體的電導率為0.05-10μS/cm。
11.根據(jù)權利要求7所述的傳熱系統(tǒng)，其中離子交換樹脂中包含占可交換基團總數(shù)至少50％的包含處理腐蝕抑制劑的可交換基團。
12.根據(jù)權利要求11所述的傳熱系統(tǒng)，其中離子交換樹脂中包含占可交換基團總數(shù)至少75％的包含處理腐蝕抑制劑的可交換基團。
13.根據(jù)權利要求7所述的傳熱系統(tǒng)，其中吡咯化合物是以下結構式(I)、(II)、(III)或(IV)至少之一 其中R為氫或鹵素如Cl或Br，或者是C1-C20烷基；R′為氫、C1-C20烷基或SH或SR基中至少之一；X為N、C-SH或CH；且Y選自N、C-R或CH基，其中R的定義如上。
14.根據(jù)權利要求7所述的傳熱系統(tǒng)，其中抑制腐蝕的熱傳導流體進一步包含下列中至少一種的醇甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、糠醛、乙二醇、二甘醇、三甘醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、二丙二醇、丁二醇、丙三醇、丙三醇一乙基醚、丙三醇二甲醚、1，2，6-己三醇、三羥甲基丙烷、甲氧基乙醇或其組合。
15.根據(jù)權利要求7所述的傳熱系統(tǒng)，其中熱傳導流體包含熱傳導流體腐蝕抑制劑。
16.根據(jù)權利要求15所述的傳熱系統(tǒng)，其中熱傳導流體腐蝕抑制劑包含吡咯化合物。
17.根據(jù)權利要求15所述的傳熱系統(tǒng)，其中處理腐蝕抑制劑與熱傳導流體腐蝕抑制劑包含相同的吡咯化合物。
18.根據(jù)權利要求17所述的傳熱系統(tǒng)，其中熱傳導流體腐蝕抑制劑進一步包含硅氧烷基表面活性劑、膠態(tài)二氧化硅或其混合物中的至少一種。
19.一種由替代能源驅動的組件，包括替代能源，和與該替代能源熱連通的傳熱系統(tǒng)，所述傳熱系統(tǒng)包括為電導率小于200μS/cm的熱傳導流體限定流動途徑的循環(huán)回路，和位于所述流動途徑中的離子交換樹脂，所述離子交換樹脂包含可離子交換基團，其中離子交換基團總數(shù)的至少15％包含由在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的熱傳導流體組分產(chǎn)生的離子、劉易斯酸或劉易斯堿中的至少一種。
20.根據(jù)權利要求19所述的組件，其中離子由處理腐蝕抑制劑產(chǎn)生。
21.一種在抑制腐蝕的熱傳導流體中保持小于200μS/cm的電導率的方法，包括使熱傳導流體通過傳熱系統(tǒng)，其中所述熱傳導流體的電導率小于200μS/cm且所述傳熱系統(tǒng)包括為所述熱傳導流體限定流動途徑的循環(huán)回路，和位于所述流動途徑中的離子交換樹脂，所述離子交換樹脂包含含有由在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的熱傳導流體組分產(chǎn)生的離子、劉易斯酸或劉易斯堿中至少一種的可交換基團的至少15％，基于可交換基團總數(shù)計。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中熱傳導流體組分在25℃的水溶液中pKa或pKb為5-14。
23.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中熱傳導流體組分為著色劑、腐蝕抑制劑、消泡劑和苦味劑、分散劑或其組合中的至少一種。
24.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中熱傳導流體組分包括熱傳導流體腐蝕抑制劑。
25.一種制造處理過的離子交換樹脂的方法，包括使離子交換樹脂與包含在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的熱傳導流體組分的抑制劑水溶液接觸足夠長的時間以用所述熱傳導流體組分交換至少15％的可交換位置。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中熱傳導流體組分在25℃的水溶液中pKa或pKb為5-14。
27.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中熱傳導流體組分為著色劑、腐蝕抑制劑、消泡劑、苦味劑、分散劑或其組合中的至少一種。
28.根據(jù)權利要求27所述的方法，其中熱傳導流體組分包括熱傳導流體腐蝕抑制劑。
29.一種燃料電池系統(tǒng)，包括至少一個含陽極、陰極和電解質的燃料電池；和與所述至少一個燃料電池熱連通的傳熱系統(tǒng)，包括為電導率小于200μS/cm的熱傳導流體限定流動途徑的循環(huán)回路，和位于所述流動途徑中的離子交換樹脂，所述離子交換樹脂包含含有由在25℃的水溶液中pKa或pKb大于5的熱傳導流體組分產(chǎn)生的離子、劉易斯酸或劉易斯堿中至少之一的可交換基團總數(shù)的至少15％，基于可交換基團總數(shù)計。
全文摘要
公開了一種預處理過的離子交換樹脂，包含含有由在25℃的水溶液中pK
文檔編號B01J47/00GK101015084SQ200580030031
公開日2007年8月8日 申請日期2005年9月8日 優(yōu)先權日2004年9月8日
發(fā)明者B·楊, F·J·馬林霍, P·M·沃伊西塞斯, A·V·格爾申 申請人:霍尼韋爾國際公司