CN113429945A - 一种燃料电池冷却液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精细化工领域，具体涉及燃料电池冷却液及其制备方法。该燃料电池冷却液包括醇类化合物、骨胶、唑类化合物、酯类化合物和去离子水；所述醇类化合物选自乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或多种；所述唑类化合物选自甲基苯并三氮唑、苯并三氮唑、甲苯并三氮唑衍生物、甲苯并三氮唑衍生物中的一种或多种；所述酯类化合物选自三乙醇胺硼酸酯、硼酸酯，上述骨胶、唑类及酯类化合物占所述燃料电池冷却液总质量的0.01%~4.5%。本发明的氢燃料电池冷却液具有低电导率及金属防腐蚀性能，应用于氢燃料电池发动机。

Description

一种燃料电池冷却液及其制备方法

技术领域

本发明涉及化工技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池汽车的冷却液液组合物，特别地涉及一种具有防冻、防腐效果并能够保持冷却液低电导率性能。

背景技术

氢燃料电池是将氢气和氧气通过电化学反应直接转化为电能的装置。其具有转化效率高和产物仅为电、热和水等特点。氢燃料电池发热量大，必须通过冷却介质进行冷却，以便确保氢燃料电池的使用性能和使用寿命。冷却介质通入双极板带走氢燃料电池产生的热量，因为冷却介质与双极板直接接触，所以冷却液保持低电导率，以便防止燃料电池中产生的电力损失。通常情况下，氢燃料电池发动机温控系统的冷却介质要求具有优异的绝缘性，其电导率小于5uS/cm。

为了保持冷却介质的低电导率，以往经常使用高纯水，但是高纯水没有防冻功能，在气温低于0℃、燃料电池汽车停驶状态下会冻结，从而可能导致燃料电池发动机的冻裂。

为了解决燃料电池汽车用冷却介质的防冻、低电导率的要求，各厂商及科研机构从不同的技术路线开展了一系列的攻关工作，并申请了相应的专利。

中国专利CN109148915公开了一种燃料电池冷却液，其主要成分为乙二醇、三乙醇胺、烷基二乙醇酰胺、磷酸三酯、三唑类化合物、消泡剂和去离子水，具有防冻、防腐的功能。该发明采用三乙醇胺本身会造成电导率的增加。

美国专利US8187763B公开了燃料电池单元的冷却剂组合物，其包含至少一种在每个具有2至20个碳原子的分子中具有不饱和键的脂肪醇，解决冷却剂中乙二醇的氧化问题，从而保证冷却剂组合物保持冷却剂的电导率在10uS/cm或更低。该冷却液没有防腐的作用，不能抑制金属部件离子的析出。

美国专利20040086757公开燃料电池和燃料电池冷却剂组合物，由去离子水、凝固点抑制剂、聚合物离子抑制剂和有机腐蚀抑制剂等构成，确保冷却液的低电导率的特性。

综上所述，氢燃料电池对冷却液提出更为苛刻的要求，有必要提出氢燃料电池冷却液新技术和新方案，解决氢燃料电池热管理系统对冷却液防冻、离子抑制等要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种具有优异的低电导率、金属离子抑制析出的氢燃料电池冷却液及其制备方法与应用。

为了实现该目的，本发明的技术方案如下：

一种燃料电池冷却液，其特征在于，包括醇类化合物、骨胶、唑类化合物、酯类化合物和去离子水。

所述酯类化合物为三乙醇胺硼酸酯、硼酸酯的一种或多种，优选三乙醇胺硼酸酯。

所述醇类化合物和去离子水可以按照不同比例形成不同冰点的基液可以防止冻结，骨胶、唑类、脂类等化合物占基液的0.01～4.5%，用于对金属的防腐蚀、抑制金属离子的析出和控制电导率的上升。

所述的燃料电池冷却液，其特征在于，所述唑类化合物为甲基苯并三氮唑、苯并三氮唑、甲苯并三氮唑衍生物中的一种或多种，优选为甲基苯并三氮唑。

所述的燃料电池冷却液，其特征在于，所述醇类化合物为乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或多种，优选乙二醇、丙二醇。

所述的燃料电池冷却液，其特征在于，所述骨胶、脂类化合物和所述唑类化合物的质量比为0.01：（0.01～2）：（0.01～2）。

所述的燃料电池冷却液，其特征在于，所述去离子水的电阻率为18兆欧以上。

本发明针对醇类化合物和唑类化合物进行筛选，在大量的实验研究和测试实验的基础上，本发明确定了骨胶和唑类化合物的最佳选择，使之能够产生协同效果，即在低电导率的条件下提升金属防腐性能。

为了更进一步提高燃料电池冷却液的低电导率及防金属腐蚀性能，本发明针对上述燃料电池冷却液中各组分的用量进行了探究，确定了适宜的配比，具体如下：

所述燃料电池冷却液包括如下重量份的组分：

优选，所述燃料电池冷却液包括如下重量份的组分：

更优选，所述燃料电池冷却液包括如下重量份的组分：

作为优选的具体方案，本发明的燃料电池冷却液，包括如下重量份的组分：

或，

或，

或，

或，

或，

本发明中，所述燃料电池冷却液的电导率为0.1uS/cm～5uS/cm，优选为0.5uS/cm～2uS/cm。

本发明还提供了上述燃料电池冷却液的制备方法，包括如下步骤：

1）将所述骨胶、所述酯类化合物及所述唑类化合物与所述醇类化合物和去离子水基液中在30℃～40℃混合，得到完全溶解的溶液；

2）经过超精滤装置去除杂质后，经过spectrapure混合床半导体级DI树脂或罗门哈斯AMBERJET UP6040等离子交换树脂或离子交换过滤器PROTECT + ion Omniflow，直至形成电导率为0.1uS/cm～5uS /cm，得到所述的燃料电池冷却液。

本发明还提供了一种上述燃料电池冷却液或制备方法制得燃料电池冷却液在氢燃料电池发动机上使用，尤其是氢燃料电池汽车冷却系统中使用。

本发明的有益效果：

本发明的燃料电池冷却液具有低电导率、金属离子抑制能力和有效防护铝、铜、钢等金属的腐蚀。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

本发明具体实施方式部分所述超精滤采用1μm的超精滤装置进行，所用的去离子水的电阻率为18兆欧，所用的离子交换树脂为美国陶氏罗门哈斯UP6150核子级抛光混合树脂。

实施例1

本实施例提供一种燃料电池冷却液，包括如下重量份的组分：

所述燃料电池冷却液的制备方法如下：

将2份骨胶加入到2000份的乙二醇中加热到40℃进行搅拌50min，溶解后加入5份甲基苯并三氮唑保持温度40℃搅拌直至溶解，随后加入1份三乙醇胺硼酸酯溶解，然后经过超精滤过滤除掉杂质，然后再经过离子交换树脂，直至电导率为4.8uS/cm,然后获得的溶液与2000份的去离子水常温进行混合搅拌，最终得到燃料电池冷却液。

实施例2

本实施例提供一种燃料电池冷却液，包括如下重量份的组分：

所述燃料电池冷却液的制备方法如下：

将3份骨胶加入到2000份的乙二醇中加热到40℃进行搅拌30min，溶解后加入5份甲基苯并三氮唑保持温度40℃搅拌直至溶解，随后加入0.8份三乙醇胺硼酸酯溶解，然后经过超精滤过滤除掉杂质，然后再经过离子交换树脂，直至电导率为3.2uS/cm,然后获得的溶液与2000份的去离子水常温进行混合搅拌，最终得到燃料电池冷却液。

实施例3

本实施例提供一种燃料电池冷却液，包括如下重量份的组分：

所述电绝缘介质的制备方法如下：

将1份骨胶加入到1000份的乙二醇和1000份丙二醇混合溶液中加热到35℃进行搅拌30min，溶解后加入4份甲基苯并三氮唑保持温度35℃搅拌直至溶解，随后加入1份三乙醇胺硼酸酯溶解，然后经过超精滤过滤除掉杂质，然后再经过离子交换树脂，直至电导率为2.8uS/cm,然后获得的溶液与2000份的去离子水常温进行混合搅拌，最终得到燃料电池冷却液。

实施例4

本实施例提供一种燃料电池冷却液，包括如下重量份的组分：

所述电绝缘介质的制备方法如下：

将1份骨胶加入到2000份的乙二醇中加热到40℃进行搅拌35min，溶解后加入6份甲基苯并三氮唑保持温度40℃搅拌直至溶解，随后加入2份硼酸酯溶解，然后经过超精滤过滤除掉杂质，然后再经过离子交换树脂，直至电导率为1uS/cm,然后获得的溶液与2000份的去离子水常温进行混合搅拌，最终得到燃料电池冷却液。

实施例5

本实施例提供一种燃料电池冷却液，包括如下重量份的组分：

所述电绝缘介质的制备方法如下：

将2份骨胶加入到2000份的乙二醇中加热到40℃进行搅拌40min，溶解后加入4份甲基苯并三氮唑保持温度40℃搅拌直至溶解，随后加入2份三乙醇胺硼酸酯溶解，然后经过超精滤过滤除掉杂质，然后再经过离子交换树脂，直至电导率为0.5uS/cm,然后获得的溶液与2000份的去离子水常温进行混合搅拌，最终得到燃料电池冷却液。

实施例6

本实施例提供一种燃料电池冷却液，包括如下重量份的组分：

所述电绝缘介质的制备方法如下：

将3份骨胶加入到2000份的乙二醇中加热到40℃进行搅拌45min，溶解后加入2份甲基苯并三氮唑和1份苯并三氮唑保持温度40℃搅拌直至溶解，随后加入2份硼酸酯溶解，然后经过超精滤过滤除掉杂质，然后再经过离子交换树脂，直至电导率为0.1uS/cm,然后获得的溶液与2000份的去离子水常温进行混合搅拌，最终得到燃料电池冷却液。

对比例1

本对比例提供一种热传导介质，其组成按重量份计包括乙二醇2000份，去离子水2000份，其电导率为0.8uS/cm。

对比例2

本对比例提供一种热传导介质，其组成按重量份计包括丙二醇2000份，去离子水2000份，其电导率为0.8uS/cm。

对比例3

本对比例提供一种热传导介质，其制备方法与实施例2相同，区别仅在于：骨胶加入量为0，获得燃料电池冷却液，电导率为1uS/cm。

对比例4

本对比例提供一种热传导介质，其制备方法与实施例2相同，区别仅在于：以磷酸三乙酯替代三乙醇胺硼酸酯，电导率为3uS/cm。

对比例5

本对比例提供一种热传导介质，其制备方法与实施例2相同，区别仅在于：骨胶的重量份为5份，甲基苯并三氮唑的重量份为2份。

本试验例针对实施例1～6制得的燃料电池冷却液和对比例1～5制得的冷却液进行性能测试。对实施例和对比例的溶液按照SH/T 0085-1991规定中的铝、钢、黄铜金属试片和金属试片清洗方法进行测试，金属试片浸没在溶液中，并不形成电偶对，测试温度升高到150℃，试验周期为168h，测试样品的试验前后电导率、pH值、观察样品外观，金属腐蚀情况，具体测试结果如表1所示。

表1 实施例1～6和对比例1～5的热传导介质性能测试结果

综上，本发明的燃料电池冷却液具有优异的低电导率和金属离子抑制能力。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (8)

1.一种燃料电池冷却液，其特征在于，包括醇类化合物、骨胶、唑类化合物、酯类化合物和去离子水；所述酯类化合物为三乙醇胺硼酸酯、硼酸酯的一种或多种，优选三乙醇胺硼酸酯；所述醇类化合物和去离子水可以按照不同比例形成不同冰点的基液可以防止冻结，骨胶、唑类、脂类等化合物占基液的0.01-4.5%，用于对金属的防腐蚀、抑制金属离子的析出和控制电导率的上升。

2.根据权利要求1所述的燃料电池冷却液，其特征在于，所述唑类化合物为甲基苯并三氮唑、苯并三氮唑、甲苯并三氮唑衍生物中的一种或多种，优选为甲基苯并三氮唑，甲苯并三氮唑衍生物如BASF Irgamet 42。

3.根据权利要求2所述的燃料电池冷却液，其特征在于，所述醇类化合物为乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或多种，优选乙二醇、丙二醇。

4.根据权利要求3所述的燃料电池冷却液，其特征在于，所述骨胶、脂类化合物和所述唑类化合物的质量比为0.01：（0.01-2）：（0.01-2）。

5.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池冷却液，其特征在于，所述去离子水的电阻率为18兆欧以上。

6.根据权利要求1-5任一项所述的燃料电池冷却液，其特征在于，包括如下重量份的组分：

或，

或，

或，

或，

或，

7.根据权利要求1-6任一项所述的燃料电池冷却液，其特征在于，所述燃料电池冷却液的电导率为0.1uS/cm~2uS/cm。

8.权利要求1-7任一项所述的燃料电池冷却液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将所述骨胶、所述酯类化合物及所述唑类化合物与所述醇类化合物和去离子水基液中在30℃-40℃混合，得到完全溶解的溶液；

2）经过超精滤装置去除杂质后，经过spectrapure混合床半导体级DI树脂或罗门哈斯AMBERJET UP6040等离子交换树脂或离子交换过滤器PROTECT + ion Omniflow，直至形成电导率为0.1uS/cm~5uS/cm，得到所述的燃料电池冷却液。