CN111423856A - 一种低电导率燃料电池系统用冷却液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冷却液技术领域，具体涉及一种燃料电池系统冷却液及其制备方法，更为具体的涉及一种能有效防止燃料电池冷却系统腐蚀的低电导率冷却液。本发明所述冷却液按照重量百分比计算，包括0.5～1％脲嘧啶、22.4‑55.58％乙二醇、1～2％有机缓蚀剂、2～3％乳糖醇、100～300ppm的消泡剂，余量为超纯水。本发明中在保证较低电导率的情况下对添加剂进行了筛选，使制备出的冷却液具有使用性能稳定，防腐效果优越的特点，缓蚀率为70.23％，90天后冷却液的电导率依然低于3μS/cm。

Description

一种低电导率燃料电池系统用冷却液及其制备方法

技术领域

本发明属于冷却液技术领域，具体涉及一种燃料电池系统用冷却液及其制备方法。

背景技术

燃料电池冷却液主要用于燃料电池冷却系统，作为冷却系统热传导介质，将热量及时散发出去，保证燃料电池在适宜的温度下工作。目前市场销售冷却液具有较高的电导率不能满足燃料电池的运行要求，部分燃料电池厂家使用乙二醇水溶液直接作为冷却液使用，虽然在短时间内能起到一定作用，但随着系统运行会产生絮凝物堵塞燃料电池冷却水通道，而且还会对冷却系统形成腐蚀。

燃料电池冷却系统所使用的冷却液需要较低的电导率以保证系统稳定安全运行，国际著名燃料电池公司巴拉德要求其系统运行的冷却液电导率在5μs/cm以下，而普通的机动车冷却液电导率基本在2000μs/cm以上，无法满足其使用要求。国内燃料电池厂商目前使用较多的是乙二醇水溶液，该溶液使用初期能满足较低的电导率要求，但随着系统的运行其会因腐蚀使得其电导率升高而无法使用，且因乙二醇水溶液受热后会发生聚合形成絮状物堵塞燃料电池系统的冷却水通道。

铝合金由于质轻、导热性较好以及一定耐蚀性，常常大量应用在燃料电池冷却系统的冷板和冷却通道。尽管乙二醇冷却液的腐蚀性较低，然而在长期的使用过程中，铝合金常常发生腐蚀产生游离的铝离子导致冷却液电导率上升，同时散热器管道的腐蚀也会降低散热系统的稳定性，存在一定的安全隐患。

所以，开发一种低电导率、且具有缓蚀功能适合铝合金介质的燃料电池系统用冷却液具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是解决目前市场上燃料电池冷却液电导率初期偏高或电导率随使用过程显著上升的缺陷，提供一种低电导率燃料电池系统用冷却液。

本发明的另一个目的是解决传统燃料电池冷却液在使用过程中导致燃料电池冷却系统的铝合金冷板和冷却通道腐蚀的问题。

根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种低电导率燃料电池系统用冷却液，所述冷却液由以下成份构成：尿嘧啶、超纯水、乙二醇、有机缓蚀剂、乳糖醇和消泡剂。

优选的，所述有机缓蚀剂为苯并咪唑、甘露醇、丙三醇或苯并三氮唑；进一步优选为苯并三氮唑。

优选的，所述消泡剂为聚醚消泡剂，所述聚醚消泡剂GP型甘油聚醚、GPE型聚氧乙烯(聚氧丙烯)醚或PPG型聚丙二醇中任意一种。

优选的，所述冷却液按照重量百分比计算，0.5～1％脲嘧啶、22.4-55.58％乙二醇、1～2％有机缓蚀剂、2～3％乳糖醇、100～300ppm的消泡剂，余量为超纯水；进一步优选为1％脲嘧啶、45％乙二醇、2％有机缓蚀剂、2％乳糖醇、300ppm的消泡剂，余量为超纯水；

本发明在前期配方初筛时，为了解决冷却液对冷却系统的铝合金冷板和冷却通道腐蚀的问题，本发明引入了缓蚀剂，但是引入缓蚀剂势必会导致冷却液电导率的升高，所以为了避免引入缓蚀剂导致冷却液电导率升高，本发明采用了电导率低的有机物作为缓蚀剂，尤其是苯并三氮唑，这样能够使制备出冷却液在制备初期获得低电导率、且能够起到缓释作用。

另外，为了提高制备出的冷却液的稳定性(乙二醇/水冷却液在使用过程中会出现絮状物)，本发明惊奇的发现当添加乳糖醇作为稳定剂后，可使制备出的冷却液能够在较低的电导率条件下稳定运行，未出现絮状物，可能是由于乳糖醇能通过螯合金属离子。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种低电导率燃料电池系统用冷却液的制备方法，包括如下步骤：

1)在添加剂制备罐中加入超纯水，开启搅拌加入尿嘧啶，搅拌使其充分溶解得添加剂A的溶液备用；

2)在添加剂制备罐中加入超纯水，开启搅拌加入有机缓蚀剂，搅拌使其充分溶解得添加剂B放下备用；

3)在添加剂制备罐中加入超纯水，开启搅拌加入乳糖醇，搅拌使其充分溶解得添加剂C放下备用；

4)在冷却液制备罐中加入乙二醇，开启搅拌依次加入添加剂A、添加剂B、添加剂C，搅拌30分钟后加入用超纯水溶解的非离子消泡剂搅拌混匀即得。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明在燃料电池冷却液添加有机缓蚀剂，解决了燃料电池冷却液腐蚀导致燃料电池冷却系统的铝合金冷板和冷却通道腐蚀的问题；苯并三氮唑是燃料电池冷却液最佳的缓蚀剂，失重实验得出的缓蚀率为70.23％，90天后冷却液的电导率依然低于3μS/cm。

2)本发明在燃料电池冷却液中加入了乳糖醇，发现乳糖醇的引入解决了冷却液的稳定性差的缺陷，可使制备出的冷却液能够在较低的电导率条件下稳定运行，使用过程中未出现絮状物。

3)本发明制备出的冷却液综合性能优异，即不仅初始电导率低，且能够长时间内保持较低的电导率，使燃料电池冷却系统在较低电导率状态下稳定运行。

附图说明

图1为添加不同缓蚀剂溶液制备出的冷却液的电导率随时间变化曲线；

图2为实施例2制备的冷却液的电导率随时间变化曲线；

图3为实施例2制备的冷却液的耐腐蚀性模拟检测图；

图4为常规乙二醇/水冷却液的电导率随时间变化曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。

电导率测试：采用电导率仪(DDS-307，广州霄翰仪器有限公司)测定试样电导率，记录试样电导率变化情况。

腐蚀速率和缓蚀率：采用尺寸为50mm×25mm×4mm的ADC12铝合金作为失重实验的样品。首先打磨抛光，清洗、干燥后，称重。然后，将样品分别放入80℃的空白溶液及添加不同缓蚀剂的冷却液中进行168h的浸泡实验，每组实验设置三个平行样。结束后取出试片，铝片腐蚀后如图2-2，在浓硝酸中浸泡1～5分钟以去除腐蚀物质，取出清洗干燥之后用电子天平再次称重，以试片试验前后质量变化评价腐蚀。每次腐蚀速率V-可用公式(2-1)计算：

V^-＝(W₀-W₁)/S·t (2-1)

式中：V^-是金属腐蚀速率(g/m^-2·h^-1)；W₀是金属腐蚀前质量(g)；W₁是金属腐蚀后去除腐蚀产物后金属的质量；S是金属的表面积；t是腐蚀的时间(h)。

缓蚀率η可以用公式(2-2)计算：

式中：V^-0、V^-1分别为未添加、添加缓蚀剂的腐蚀速率。

实施例1有机缓蚀剂的选取

配置质量浓度为的燃料电池系统用冷却液，总重为1kg，重量百分比浓度如下：1％脲嘧啶、40％乙二醇、1％有机缓蚀剂、2％乳糖醇、300ppm的GP330甘油聚氧丙烯醚甘油聚醚消泡剂，余量为超纯水。

有机缓蚀剂分别选取苯并咪唑、甘露醇、丙三醇或苯并三氮唑，并采用纯化水作为空白比对。分别取不同有机缓蚀剂制备出的冷却液检测电导率和对ADC12铝合金腐蚀速率和缓蚀率。

图1为添加不同缓蚀剂溶液的电导率随时间变化曲线，由图可见，随时间的增加，溶液的电导率不断增大，这是由于乙二醇不断被氧化成草酸，使得溶液电导率上升。添加苯并咪唑的溶液电导率最高且不稳定，大约在5天后，其电导率超过了10μs/cm。这是由于苯并咪唑为弱碱性，乙二醇为弱酸性，易发生酸碱中和反应，可能生成了电导率较高的化合物。添加丙三醇、甘露醇、苯并三氮唑的溶液，电导率和空白相当，说明这三种物质在溶液中以分子的形式存在，电导率在25天后依然小于10μs/cm。

不同有机缓蚀剂制备出的冷却液对ADC12铝合金腐蚀速率和缓蚀率如表1所示：

表1铝片在添加不同缓蚀剂溶液中的腐蚀速率及缓蚀效率表

缓蚀剂	铝腐蚀速率V<sup>-</sup>/(g/m<sup>-2</sup>·h<sup>-1</sup>)	缓蚀率η/％
			——	0.00299	——
苯并咪唑	0.00229	23.41
			甘露醇	0.00127	57.53
丙三醇	0.00260	13.04
			苯并三氮唑	0.00089	70.23

由表可知，丙三醇对铝缓蚀率最小，由于丙三醇与草酸发生酯化反应，使得溶液粘度保持较大，使腐蚀介质的扩散速率较低，能及时生成致密的铝氧化膜，从而起到缓蚀作用。苯并咪唑次之，苯并咪唑分子中的1、3位的N原子易和金属形成配位键，吸附在金属表面，起到缓蚀作用，而在乙二醇的体系中由于存在其吸附能力在下降，降低了缓蚀效果。苯并三氮唑、甘露醇对铝的缓蚀效果较好，适合作为燃料电池冷却液缓蚀剂。与苯并咪唑相似，苯并三氮唑的三个N原子与铝形成配位键，吸附在金属表面，由于比苯并咪唑多了一个N原子，故吸附能更大，与铝结合得更加紧密，缓蚀率更大。甘露醇是大分子物质，溶液粘度增大，对腐蚀介质的扩散有明显的阻滞作用，使铝氧化膜能有充足的时间完整的覆盖在铝表面。

实施例2

配置质量浓度为的燃料电池系统用冷却液，总重为1kg，重量百分比浓度如下：1％脲嘧啶、45％乙二醇、2％苯并三氮唑、2％乳糖醇、300ppm的GP330甘油聚氧丙烯醚甘油聚醚消泡剂，余量为超纯水。

方法如下：

1)在添加剂制备罐中加入超纯水，开启搅拌加入尿嘧啶，搅拌使其充分溶解得添加剂A的溶液备用；

2)在添加剂制备罐中加入超纯水，开启搅拌加入苯并三氮唑，搅拌使其充分溶解得添加剂B放下备用；

3)在添加剂制备罐中加入超纯水，开启搅拌加入乳糖醇2公斤，搅拌使其充分溶解得添加剂C放下备用；

4)在冷却液制备罐中加入乙二醇，开启搅拌依次加入添加剂A、添加剂B、添加剂C，搅拌30分钟后加入用超纯水溶解的GP330甘油聚氧丙烯醚甘油聚醚非离子消泡剂搅拌混匀即得。其中步骤1)-4)中的超纯水添加量以溶解添加剂为准即可，最后补足总量即可。

对实施例2制备出的冷却液进行电导率检测，结果如图2所示。由图2可知，冷却液的初始电导率为1.65μs/cm，90天以后其电导率为2.2μs/cm，即可长时间保持低电导率，稳定性提高。

为了模拟冷却液使用过程中的耐腐蚀性，本发明采用Q/320582DKH7-2018的附录D(A法)中方法对冷却液进行检测，肉眼观察对相关部件的腐蚀情况及其冷却液中是否有沉淀和异物。结果如图3所示，由图3可以看出在相关部件上未发明明显腐蚀、且冷却液中未出现肉眼可可见的沉淀或异物。

对比例A

与实施例2相比，不添加苯并三氮唑和乳糖醇，其余原料配比和制备方法与实施例2相同。制备得出市场上常规的乙二醇冷却液，对其进行电导率测试，结果如图4所示。

由图4可以看出，相对于本发明实施例2制备出的冷却液，其电导率随时间延长显著增加，实施例2中90天内基本稳定在2.2μs/cm以下，可长时间保持低电导率；而图4中15天后电导率就增加到了5.21μs/cm以上了，电导率上升较快。

对比例B

与实施例2相比，不添加乳糖醇，其余原料用量和制备方法同实施例2。

对对比例B和实施例2制备出的冷却液进行稳定性测试，测试方法如下：

分别取实施例2样品和对比例B各100ml放入250ml具塞广口瓶中，将广口瓶做好标识后置入在70℃鼓风恒温烘箱中120小时后取出样品观察。

结果：实施例2样品无絮状物、对比例B有絮状物。

结论：乳糖醇可以作为燃料电池冷却液的稳定剂

尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。

Claims (7)

1.一种低电导率燃料电池系统用冷却液，所述冷却液包含以下成份构成：尿嘧啶、超纯水、乙二醇和消泡剂，其特征在于：还存在有机缓蚀剂和乳糖醇。

2.根据权利要求1所述的低电导率燃料电池系统用冷却液，其特征在于：所述有机缓蚀剂为苯并咪唑、甘露醇、丙三醇或苯并三氮唑中任意一种。

3.根据权利要求2所述的低电导率燃料电池系统用冷却液，其特征在于：所述有机缓蚀剂为苯并三氮唑。

4.根据权利要求1所述的低电导率燃料电池系统用冷却液，其特征在于：所述消泡剂为聚醚消泡剂，所述聚醚消泡剂GP型甘油聚醚、GPE型聚氧乙烯(聚氧丙烯)醚或PPG型聚丙二醇中任意一种。

5.根据权利要求1-4任一项所述的低电导率燃料电池系统用冷却液，其特征在于：所述冷却液按照重量百分比计算，0.5～1％脲嘧啶、22.4-55.58％乙二醇、1～2％有机缓蚀剂、2～3％乳糖醇、100～300ppm的消泡剂，余量为超纯水。

6.根据权利要求1-4任一项所述的低电导率燃料电池系统用冷却液，其特征在于：所述冷却液按照重量百分比计算，1％脲嘧啶、45％乙二醇、2％有机缓蚀剂、2％乳糖醇、300ppm的消泡剂，余量为超纯水。

7.一种权利要求1所述的低电导率燃料电池系统用冷却液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在添加剂制备罐中加入超纯水，开启搅拌加入尿嘧啶，搅拌使其充分溶解得添加剂A的溶液备用；

2)在添加剂制备罐中加入超纯水，开启搅拌加入有机缓蚀剂，搅拌使其充分溶解得添加剂B放下备用；

3)在添加剂制备罐中加入超纯水，开启搅拌加入乳糖醇，搅拌使其充分溶解得添加剂C放下备用；

4)在冷却液制备罐中加入乙二醇，开启搅拌依次加入添加剂A、添加剂B、添加剂C，搅拌30分钟后加入用超纯水溶解的非离子消泡剂搅拌混匀即得。

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