CN108102616B - 低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液及其制作方法 - Google Patents

低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了防冻冷却液领域内的一种低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液及其制作方法，防冻液的组成及含量为：乙二醇为10~70wt%，8‑羟基喹啉为0.001~0.01wt%，尿嘧啶为0.005~0.02wt%，4‑乙酰氨基酚为0.01~0.03wt%，苯丙三氮唑为0.01~0.05wt%，N‑溴代丁二酰亚胺为0.005~0.05wt%，肌苷为0.001~0.01 wt%，余量为去离子水。防冻液的制作方法包括如下步骤：按照质量百分比，将防冻冷却液的各组分投入反应釜中；搅拌混合30~90min，使各组分充分溶解并混合均匀，用压力泵，使得混合液通过一道阴、阳离子混合交换树脂，得到燃料电池防冻冷却液。本发明的低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液，呈弱碱性，能够防冻和防沸，具有低电导率、超长效和高缓蚀的性能。

Description

低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液及其制作方法
技术领域
本发明属于防冻冷却液领域，特别涉及一种用于燃料电池的低电导率超长效有机型防冻冷却液及其制作方法。
背景技术
防冻冷却液是一种含有特殊添加剂的冷却液，主要用于液冷式发动机冷却系统，防冻冷却液具有冬天防冻、夏天防沸和全年防水垢的性能。防冻冷却液是由不同物质混合而成的，可以用于降低冰点、高效换热并能防止金属腐蚀。防冻冷却液的主要成分通常由防冻剂和缓蚀剂组成。目前，市场上使用的防冻液主要分为醇类、无机类和多糖类等，其中醇类使用最多，醇类中使用的大部分是乙二醇的水基型防冻液；防冻液中的缓蚀剂主要采用硅酸盐、磷酸盐或有机羧酸，该防冻液用于燃油发动机冷却系统是很好的选择。
随着新能源汽车的普及，燃料电池以其高能量转换率、零污染排放等优点，未来将被广泛应用于汽车动力和储能领域。在氢燃料电池系统中，任何与膜电极有直接或间接接触的流体，都不应含有对膜电极造成潜在危害的离子，所以氢燃料电池发动机冷却液需要经去离子器进行处理；氢燃料电池发动机冷却液也需要降温处理。
燃料电池的工作特性要求其防冻冷却液必须具备低电导率(10μs/cm以下)、离子浓度低、耐高和低温的特点，这对防冻液提出了较高的要求。现有技术中的有机型防冻冷却液，用于燃油发动机冷却系统是很好的选择，但不能满足燃料电池的冷却系统的要求。有机型防冻液防腐蚀机理是利用有机物，例如乙二醇，在金属表面吸附成膜，起到隔离、防护的作用，然而其不足之处在于：防冻冷却液在使用过程中，乙二醇与氧气接触，生成乙二酸，防冻液的组份变化，其pH值变成酸性，酸性环境下冷却系统的管道等金属部件被腐蚀，发生脱附反应，防冻液中产生大量金属离子，造成溶液电导率的急剧升高，电导率增加到120μs/cm以上，影响燃料电池的质子交换；乙二醇被氧化后，导致防冻液的冰点升高、沸点降低，影响防冻液的防冻、防沸性能。目前燃料电池防冻冷却液主要还是以进口为主，价格普遍较高，交货周期长。为此，急待开发一种新型的燃料电池防冻冷却液用于电池行业，来满足日益增长的市场需求。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液，能够使得防冻液呈弱碱性，可以有效抑制醇类物质的酸化，不影响醇类物质降低防冻液的冰点，具有防冻、防沸性能；避免冷却系统的金属部件离子化，保证防冻液的电导率较低，不影响燃料电池的质子交换，且满足防冻液对铝合金高缓蚀的要求。
本发明的目的是这样实现的：一种低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液，所述防冻冷却液的组成及含量为：乙二醇为10~70wt%，8-羟基喹啉为0.001~0.01wt %，尿嘧啶为0.005~0.02wt%，4-乙酰氨基酚为0.01~0.03wt%，苯丙三氮唑为0.01~0.05wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.005~0.05wt%，肌苷为0.001~0.01 wt%，余量为去离子水；所述防冻冷却液的各组成成分百分含量之和为百分之百。
本发明的防冻冷却液用于燃料电池的冷却系统中。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：在金属腐蚀过程中，无论是化学腐蚀还是电化学腐蚀，都是金属元素的价态升高而介质中某一物质中元素价态降低的氧化还原反应，防腐蚀的关键就是如何阻止金属的离子化。本发明的防冻冷却液中的8-羟基喹啉、尿嘧啶、4-乙酰氨基酚、苯丙三氮唑、N-溴代丁二酰亚胺和肌苷均是杂环有机物，根据硬软酸碱原理，利用电负性合适的杂环有机物在冷却系统的金属部件与防冻冷却液界面上形成螯合物结构，环状有机物像螃蟹的大钳一样紧紧夹在金属部件上，这种多齿配体键合结构比一般配合物更稳定，形成牢固的保护膜掩蔽金属离子，避免金属部件氧化后的离子进入防冻冷却液中，实现非离子防冻冷却液环境，保证防冻液的电导率较低，不影响燃料电池的质子交换，且满足防冻液对铝合金高缓蚀的要求；本防冻冷却液利用各组分间的协同、互溶作用，构建弱碱性、低电导率的防冻冷却液环境，可以有效抑制醇类物质的酸化，不影响醇类物质降低防冻液的冰点，具有防冻、防沸性能，实现高效散热的同时，最大程度地保护冷却系统的金属部件、密封部件，防冻液的使用时间可以达到五年以上，达到一次添加超长效使用的效果。
作为本发明的改进，所述防冻冷却液的pH值为7.4~7.6，电导率为0.079~0.081µs/cm。防冻冷却液的pH值为弱碱性，可以有效抑制醇类物质的酸化，不影响醇类物质降低防冻液的冰点，具有防冻、防沸性能；防冻冷却液的低电导率不影响燃料电池的质子交换，可以用于燃料电池的冷却系统。
作为本发明的进一步改进，所述防冻冷却液的pH值为7.5，电导率为0.08µs/cm。
作为本发明的进一步改进，所述防冻冷却液的组成及含量为：乙二醇为30~50wt%，8-羟基喹啉为0.003~0.008wt%，尿嘧啶为0.01~0.015wt%，4-乙酰氨基酚为0.015~0.025wt%，苯丙三氮唑为0.02~0.04wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.01~0.03wt%，肌苷为0.003~0.008 wt%，余量为去离子水。
本发明的目的之二是提供一种用于制作上述低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液的方法，能够快速高效地制作出燃料电池防冻冷却液，且制作成本较低，便于推广应用于市场当中。
本发明的目的是这样实现的：一种低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液的制作方法，包括如下步骤：将防冻冷却液的上述各组成成分投入反应釜中，使得反应釜中各组成成分的含量为：乙二醇为10~70wt%，8-羟基喹啉为0.001~0.01wt %，尿嘧啶为0.005~0.02wt%，4-乙酰氨基酚为0.01~0.03wt%，苯丙三氮唑为0.01~0.05wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.005~0.05wt%，肌苷为0.001~0.01 wt%，余量为去离子水；在室温下搅拌混合物30~90min，使各组成成分充分溶解并混合均匀，然后使用压力泵，使得反应釜中的混合液通过一道阴、阳离子混合交换树脂，去除离子后得到燃料电池防冻冷却液。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：先将防冻冷却液的各组成成分在反应釜中混合均匀，再用阴、阳离子混合交换树脂，将混合液中的残留离子去除，得到燃料电池防冻冷却液。本发明的制作方法步骤简单，快速高效，且制作成本较低，便于推广应用于市场当中。
作为本发明的进一步改进，投料时，先将乙二醇和去离子水投入反应釜，在室温下搅拌3~8min，然后再依次将8-羟基喹啉、尿嘧啶、4-乙酰氨基酚、苯丙三氮唑、N-溴代丁二酰亚胺和肌苷投入反应釜，在室温下搅拌30~90min。先将乙二醇和去离子水混合均匀，得到防冻剂，再将杂环有机物加入防冻剂中，混合搅拌后充分溶解，得到由防冻剂和缓蚀剂组成的燃料电池防冻冷却液。
作为本发明的优选，所述反应釜的搅拌速率设置为200～450 r/min，压力泵为齿轮泵或螺杆泵。
具体实施方式
实施例1
本实施例的低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液，所述防冻冷却液的组成及含量为：乙二醇为10wt%，8-羟基喹啉为0.001wt %，尿嘧啶为0.02wt%，4-乙酰氨基酚为0.01wt%，苯丙三氮唑为0.05wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.05wt%，肌苷为0.001 wt%，余量为去离子水；所述防冻冷却液的各组成成分百分含量之和为百分之百。
所述防冻冷却液的pH值为7.5，电导率为0.08µs/cm。
本实施例的低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液的制作方法，包括如下步骤：将防冻冷却液的上述各组成成分投入反应釜中，投料时，先将乙二醇和去离子水投入反应釜，在室温下搅拌5min，然后再依次将8-羟基喹啉、尿嘧啶、4-乙酰氨基酚、苯丙三氮唑、N-溴代丁二酰亚胺和肌苷投入反应釜，在室温下搅拌混合60min，使得各杂环有机物充分溶解并混合均匀；使得反应釜中各组成成分的含量为：乙二醇为10wt%，8-羟基喹啉为0.001wt%，尿嘧啶为0.02wt%，4-乙酰氨基酚为0.01wt%，苯丙三氮唑为0.05wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.05wt%，肌苷为0.001wt%，余量为去离子水；然后使用压力泵，使得反应釜中的混合液通过一道阴、阳离子混合交换树脂，去除离子后得到燃料电池防冻冷却液。
所述反应釜的搅拌速率设置为350 r/min，压力泵为齿轮泵。
本实施例的防冻冷却液的电导率为0.08µs/cm，将铝合金片放置在加入本实施例的防冻冷却液的去离子水中，浸泡3天后，观察铝合金片表面无腐蚀痕迹。
实施例2
本实施例的低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液，所述防冻冷却液的组成及含量为：乙二醇为70wt%，8-羟基喹啉为0.01wt %，尿嘧啶为0.005wt%，4-乙酰氨基酚为0.03wt%，苯丙三氮唑为0.01wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.005wt%，肌苷为0.01 wt%，余量为去离子水；所述防冻冷却液的各组成成分百分含量之和为百分之百。
所述防冻冷却液的pH值为7.4，电导率为0.081µs/cm。
本实施例的低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液的制作方法，包括如下步骤：将防冻冷却液的上述各组成成分投入反应釜中，投料时，先将乙二醇和去离子水投入反应釜，在室温下搅拌3min，然后再依次将8-羟基喹啉、尿嘧啶、4-乙酰氨基酚、苯丙三氮唑、N-溴代丁二酰亚胺和肌苷投入反应釜，在室温下搅拌混合30min，使得各杂环有机物充分溶解并混合均匀；使得反应釜中各组成成分的含量为：乙二醇为70wt%，8-羟基喹啉为0.01wt%，尿嘧啶为0.005wt%，4-乙酰氨基酚为0.03wt%，苯丙三氮唑为0.01wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.005wt%，肌苷为0.01wt%，余量为去离子水；然后使用压力泵，使得反应釜中的混合液通过一道阴、阳离子混合交换树脂，去除离子后得到燃料电池防冻冷却液。
所述反应釜的搅拌速率设置为450 r/min，压力泵为螺杆泵。
本实施例的防冻冷却液的电导率为0.081µs/cm，将铝合金片放置在加入本实施例的防冻冷却液的去离子水中，浸泡3天后，观察铝合金片表面无腐蚀痕迹。
实施例3
本实施例的低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液，所述防冻冷却液的组成及含量为：乙二醇为40wt%，8-羟基喹啉为0.005wt %，尿嘧啶为0.012wt%，4-乙酰氨基酚为0.02wt%，苯丙三氮唑为0.03wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.025wt%，肌苷为0.005 wt%，余量为去离子水；所述防冻冷却液的各组成成分百分含量之和为百分之百。
所述防冻冷却液的pH值为7.6，电导率为0.079µs/cm。
本实施例的低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液的制作方法，包括如下步骤：将防冻冷却液的上述各组成成分投入反应釜中，投料时，先将乙二醇和去离子水投入反应釜，在室温下搅拌8min，然后再依次将8-羟基喹啉、尿嘧啶、4-乙酰氨基酚、苯丙三氮唑、N-溴代丁二酰亚胺和肌苷投入反应釜，在室温下搅拌混合90min，使得各杂环有机物充分溶解并混合均匀；使得反应釜中各组成成分的含量为：乙二醇为40wt%，8-羟基喹啉为0.005wt%，尿嘧啶为0.012wt%，4-乙酰氨基酚为0.02wt%，苯丙三氮唑为0.03wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.025wt%，肌苷为0.005wt%，余量为去离子水；然后使用压力泵，使得反应釜中的混合液通过一道阴、阳离子混合交换树脂，去除离子后得到燃料电池防冻冷却液。
所述反应釜的搅拌速率设置为200 r/min，压力泵为螺杆泵。
本实施例的防冻冷却液的电导率为0.079µs/cm，将铝合金片放置在加入本实施例的防冻冷却液的去离子水中，浸泡3天后，观察铝合金片表面无腐蚀痕迹。
实施例4
本实施例的低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液，所述防冻冷却液的组成及含量为：乙二醇为30wt%，8-羟基喹啉为0.003wt %，尿嘧啶为0.01wt%，4-乙酰氨基酚为0.015wt%，苯丙三氮唑为0.02wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.01wt%，肌苷为0.003 wt%，余量为去离子水；所述防冻冷却液的各组成成分百分含量之和为百分之百。
所述防冻冷却液的pH值为7.4，电导率为0.08µs/cm。
本实施例的低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液的制作方法，包括如下步骤：将防冻冷却液的上述各组成成分投入反应釜中，投料时，先将乙二醇和去离子水投入反应釜，在室温下搅拌6min，然后再依次将8-羟基喹啉、尿嘧啶、4-乙酰氨基酚、苯丙三氮唑、N-溴代丁二酰亚胺和肌苷投入反应釜，在室温下搅拌混合70min，使得各杂环有机物充分溶解并混合均匀；使得反应釜中各组成成分的含量为：乙二醇为30wt%，8-羟基喹啉为0.003wt%，尿嘧啶为0.01wt%，4-乙酰氨基酚为0.015wt%，苯丙三氮唑为0.02wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.01wt%，肌苷为0.003wt%，余量为去离子水；然后使用压力泵，使得反应釜中的混合液通过一道阴、阳离子混合交换树脂，去除离子后得到燃料电池防冻冷却液。
所述反应釜的搅拌速率设置为300 r/min，压力泵为齿轮泵。
本实施例的防冻冷却液的电导率为0.08µs/cm，将铝合金片放置在加入本实施例的防冻冷却液的去离子水中，浸泡3天后，观察铝合金片表面无腐蚀痕迹。
实施例5
本实施例的低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液，所述防冻冷却液的组成及含量为：乙二醇为50wt%，8-羟基喹啉为0.008wt %，尿嘧啶为0.015wt%，4-乙酰氨基酚为0.025wt%，苯丙三氮唑为0.04wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.03wt%，肌苷为0.008 wt%，余量为去离子水；所述防冻冷却液的各组成成分百分含量之和为百分之百。
所述防冻冷却液的pH值为7.5，电导率为0.08µs/cm。
本实施例的低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液的制作方法，包括如下步骤：将防冻冷却液的上述各组成成分投入反应釜中，投料时，先将乙二醇和去离子水投入反应釜，在室温下搅拌5min，然后再依次将8-羟基喹啉、尿嘧啶、4-乙酰氨基酚、苯丙三氮唑、N-溴代丁二酰亚胺和肌苷投入反应釜，在室温下搅拌混合60min，使得各杂环有机物充分溶解并混合均匀；使得反应釜中各组成成分的含量为：乙二醇为50wt%，8-羟基喹啉为0.008wt%，尿嘧啶为0.015wt%，4-乙酰氨基酚为0.025wt%，苯丙三氮唑为0.04wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.03wt%，肌苷为0.008wt%，余量为去离子水；然后使用压力泵，使得反应釜中的混合液通过一道阴、阳离子混合交换树脂，去除离子后得到燃料电池防冻冷却液。
所述反应釜的搅拌速率设置为250 r/min，压力泵为齿轮泵。
本实施例的防冻冷却液的电导率为0.08µs/cm，将铝合金片放置在加入本实施例的防冻冷却液的去离子水中，浸泡3天后，观察铝合金片表面无腐蚀痕迹。
对比例
采用市场上买到的普通乙二醇的水基型防冻冷却液，经测试，该防冻冷却液的电导率为60µs/cm，将铝合金片放置在加入该防冻冷却液的去离子水中，浸泡3天后，观察铝合金片表面发生50%的面积腐蚀。
用表格表示上述5个实施例和1个对比例的防冻冷却液的电导率、缓蚀性能，结果如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
根据上表可以得出，本发明的低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液的电导率为0.079~0.081µs/cm，远小于10µs/cm，可以用于燃料电池的冷却系统，不影响燃料电池的质子交换，本发明的燃料电池防冻冷却液相对于铝合金具有高缓蚀性能。本发明的燃料电池防冻冷却液具有防冻、防沸性能，实现高效散热的同时，最大程度地保护冷却系统的金属部件、密封部件，防冻液的使用时间可以达到五年以上，达到一次添加超长效使用的效果。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液，其特征在于，所述防冻冷却液的组成及含量为：乙二醇为30~50wt%，8-羟基喹啉为0.003~0.008wt%，尿嘧啶为0.01~0.015wt%，4-乙酰氨基酚为0.015~0.025wt%，苯丙三氮唑为0.02~0.04wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.01~0.03wt%，肌苷为0.003~0.008 wt%，余量为去离子水；所述防冻冷却液的各组成成分百分含量之和为百分之百，所述防冻冷却液的pH值为7.4~7.6，电导率为0.079~0.081µs/cm。
2.根据权利要求1所述的一种低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液，其特征在于，所述防冻冷却液的pH值为7.5，电导率为0.08µs/cm。
3.根据权利要求1或2所述的一种低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：将防冻冷却液的上述各组成成分投入反应釜中，使得反应釜中各组成成分的含量为：乙二醇为30~50wt%，8-羟基喹啉为0.003~0.008wt%，尿嘧啶为0.01~0.015wt%，4-乙酰氨基酚为0.015~0.025wt%，苯丙三氮唑为0.02~0.04wt%，N-溴代丁二酰亚胺为0.01~0.03wt%，肌苷为0.003~0.008 wt%，余量为去离子水；在室温下搅拌混合物30~90min，使各组成成分充分溶解并混合均匀，然后使用压力泵，使得反应釜中的混合液通过一道阴、阳离子混合交换树脂，去除离子后得到燃料电池防冻冷却液。
4.根据权利要求3所述的一种低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液的制作方法，其特征在于，投料时，先将乙二醇和去离子水投入反应釜，在室温下搅拌3~8min，然后再依次将8-羟基喹啉、尿嘧啶、4-乙酰氨基酚、苯丙三氮唑、N-溴代丁二酰亚胺和肌苷投入反应釜，在室温下搅拌30~90min。
5.根据权利要求3或4所述的一种低电导率超长效有机型燃料电池防冻冷却液的制作方法，其特征在于，所述反应釜的搅拌速率设置为200～450 r/min，压力泵为齿轮泵或螺杆泵。
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