JP2005509259A - 電気系統用の冷却装置及び冷却回路におけるポリマーの使用 - Google Patents

Abstract

電気機器の冷却装置におけるポリアリーレンスルフィドまたは液晶ポリエステルの使用について記載する。これらのポリマーの使用によって、絶縁冷却液の導電率を連続操作の間に低いままに維持することができる。燃料電池は特に好適な電気機器である。

Description

本発明は、冷却剤が充電部(electrische-spannungsfuhrenden Teilen)と直接接触している冷却回路における選択したポリマーの使用、及びこの種の冷却回路におけるこれらのポリマーの使用に関する。

反応体の連続供給により電気化学反応を介して電気エネルギーと熱とを得るための電気化学要素などの電気機器は、現在、精力的に開発が続けられている。この目的の一つは、自動車におけるエネルギー源としての利用、または分散熱電気複合利用若しくは可搬形発電機での利用がある。

設計及び操作の程度によるが、燃料中にあるエネルギーの約30〜70%を電気エネルギーに転換することができる。このレベルの電気効率は、エネルギー転換プロセスの間に遊離した70〜30%の熱により補完される。この熱は、操作時の過熱をさけるために系から分散させなければならない。同時に、このエネルギーは、加熱する目的のための熱源として使用することができる。従って、そのような電気化学エネルギー変換器の機能は、この反応からの熱損失を分散させるために熱伝導流体を使用し、この系を一定の操作温度に保持する冷却系を含まなければならない。充電部に接触していると、短絡または電力損失を引き起こすことがあるので、この熱媒体は電気絶縁体でなければならないことに注目すべきである。

燃料電池系で使用する場合に考慮すべきもう一つの点は、冷却剤に移動できる金属イオンの量を最小化することである。特にポリマー電解質膜(PEM)の電解質層での反応は、金属イオンに暴露した際に電力損失を伴う。

さらに、この冷却剤は安価で、非毒性で、且つ取り扱いが容易でなければならない。水と、一価若しくは多価、または重合体のアルコールとから構成される混合物は、これらの要求条件に合う。たとえば、水とグリコールとの混合物は、慣用の系における熱媒体としてうまく使用できることが証明されている。

この冷却剤が非常に低導電性であることは、既に認識されている。日本特許出願公開第JP-A-90-92,314号は、固体電解質をもち、且つクロム成分の拡散が乾燥空気を使用することによって最小化された燃料電池について記載している。

冷却剤の導電率を制限し、且つその純度を維持するために熱交換器管としてコーティングした金属管を使用することが記載されている。米国特許出願第US-A-3,964,930号は、フルオロポリマーで熱交換器管をコーティングすることについて記載する。

PCT国際公開第WO-A-98/40,655号は、燃料電池で使用するための導電性材料として銅またはステンレススチールから構成される熱導電性の管を外部コーティングするためにフルオロポリマーを使用することについて記載する。この目的を達成するために、一方の管をもう一方の管に通し、これらの管はいずれもこれら材料から構成されていて、外側の管は、収縮によって内側の管の表面に適用される。

冷却回路でイオン交換器またはイオンフィルタを使用することは、既に記載されている。これらの追加の装置は、冷却剤の導電率を低く維持し、且つそのイオン含有量を減らし易くしようとするものである。

この種の系は、日本特許出願公開第JP-A-2000-208,157号、同第JP-A-80/83,991号及びPCT国際公開第WO-A-1998-2247856号に例が記載されている。
他の明細書、たとえば日本特許出願公開第JP-A-2000-113,900号または欧州特許出願公開第EP-A-1,056,148号は冷却系を開示しているが、部品の材料の選択の詳細については記載していない。

公知材料または材料の組み合わせは高価であるか、及び／または加工するのが複雑であるか、あるいはイオン交換器などの追加の装置を使用しなければならない。このイオン交換器のフィルターカートリッジは連続操作で消耗し、取り替えなければならないので、これらの装置はコストが高くつく。

従って、この冷却剤の導電率が上昇しないように強力で且つ低コストの冷却系に対する需要がいまだにある。
従って、本発明の目的は、冷却液の導電率が上昇しないか、あるいは操作時にわずかだけ上昇する電気系統用冷却系統を開発することである。この目的のために、冷却回路の流体に関して非常に高い耐薬品性と高い機械的強度とを併せもつ好適な材料を見つけることが必要であった。

この材料は、さらに、これらの冷却系統の製造コストを低く維持するために、大量生産プロセス用に好適であることが必要である。

本目的は、本発明の冷却回路によって、及び選択材料を使用することによって達成される。
本発明は、絶縁冷却液がその中を循環する電気機器用の冷却装置であって、充電部と接触している冷却液用の供給ラインと排出ラインとを包含し、ここで前記冷却液と接触している冷却装置の少なくとも前記部品は、ポリアリーレンスルフィド及び／または液晶ポリエステルから構成されているか、またはこれらのポリマーから構成されるコーティングをもつ、前記装置を提供する。

本明細書の目的に関して、電気機器とは、充電部をもち、且つ絶縁流体によって冷却される任意の装置である。
熱損失を分散させなければならない電気機器の例としては、変圧器、インバータ、電気モーターまたは、特に燃料電池における電気エネルギーの発生用の電気化学要素である。

この冷却装置は、通常、少なくとも充電部の領域で、これらを冷却するための流体の供給及び排出用の管系統、発生した熱を交換し且つ流体を冷却するための一つ以上の熱交換器、及び／または流体の(単数または複数種類の)リザーバと、この冷却装置で流体を循環させるポンプと、それぞれの場合に応じて、たとえば回路内での流体の循環速度に影響を与えるために使用する制御ループの部品であってもよいセンサとから構成される。

使用する流体は、全く導電性を持たないか、または導電性が低く、且つ先述の如く、発生した熱を分散させ得る任意の液体、気体または超臨界媒体を含むことができる。この流体の典型的な導電率は、10μS/cm未満、好ましくは５μS/cmの範囲である。超臨界媒体、特に液体は、これらが優れた熱容量をもつので好ましい。その導電率が＜10μS/cm、特に＜５μS/cmである、水とアルコール、特にグリコール、たとえばエチレングリコール及び／またはポリエチレングリコールとから構成される混合物が特に好ましい。

充電部と接触している、及び／またはこれらと非常に近接している冷却装置の部品は、少なくともその電気機器の充電部領域で、ポリアリーレンスルフィド及び／または液晶ポリエステルから構成されているか、またはこれらのポリマーから構成されるコーティングを含む。

充電部と接触しているか、これらと非常に近接している冷却装置の全部品は、これらのポリマーによって全体が構成されていてもよい。これらのポリマーで全体を形成した部品の代わりに、金属、たとえば銅、ステンレススチール、またはアルミニウムと、これらのポリマーから構成されるコーティングとの組み合わせから構成された部品を使用するのが好ましい。

従って、この冷却装置のこれらの部品は、液晶ポリエステル及び／またはポリアリーレンスルフィドから構成される成形材料から構成される少なくとも一つの層を含む。この層は、ポリマーと一緒に他の添加剤、たとえば繊維強化材料、たとえばガラス繊維、炭素繊維、ボロン繊維若しくはウィスカー；またはフィラー、たとえばタルク若しくは炭酸カルシウム、あるいはこれらの添加剤が流体の長期安定性に悪影響を与えない限り、ポリマーの加工に本質的に慣用の他の助剤及び添加剤も含むことができる。

本発明で使用する成形用組成物は、それぞれの場合に応じて、ポリアリーレンスルフィド及び／または液晶ポリエステルと一緒に、他のプラスチック及び／または金属と混合することもできる。

本発明で使用するポリアリーレンスルフィドは、本質的に公知である。これらは通常、式I：

｛式中、Arは二価の芳香族基であり、好ましくはメタ-及び／またはパラ-フェニレンである｝の繰り返し構造単位を含む線状ポリマーである。
ポリアリーレンスルフィドは、二ハロゲン化芳香族化合物を経由して製造することができる。好ましい二ハロゲン化芳香族化合物としては、p-ジクロロベンゼン、m-ジクロロベンゼン、2,5-ジクロロトルエン、p-ジブロモベンゼン、1,4-ジクロロナフタレン、1-メトキシ-2,5-ジクロロベンゼン、4,4'-ジクロロビフェニル、3,5-ジクロロ安息香酸、4,4'-ジクロロジフェニルエーテル、4,4'-ジクロロジフェニルスルホン、4,4'-ジクロロジフェニルスルホキシド、及び4,4'-ジクロロジフェニルケトンがある。他のハロゲン化化合物、たとえば三ハロゲン化芳香族を少量、このポリマー特性を厳密に制御するために使用することができる。

本発明に従って、使用する好ましいポリアリーレンスルフィドは、ポリフェニレンスルフィドである。
ポリフェニレンスルフィド(PPS)は、式II：

｛式中、n＞１である｝の部分結晶質ポリマーであり、このポリマーは200g/molを超える分子量(Mw)をもつ。
架橋ポリアリーレンスルフィドを使用することも可能であるが、好ましいタイプは線状のもので、特にアリーレン単位をベースとしてp-フェニレン由来が90mol%を超えるものである。

その溶融粘度が30〜1500Pa・秒[ASTM D3835に従って400/秒の剪断勾配(Schergefalle)、316℃で測定]である、線状ポリフェニレンスルフィドを使用するのが特に好ましい。
本発明に従って、本質的に公知の液晶プラスチックを使用することも可能である。使用する材料のタイプには制限はないが、熱可塑的に加工し得るものが好都合な材料である。たとえば、好適な材料は、本明細書中、参照として含まれる、Saechtling、Kunststoff-Taschenbuch[Plastics Handook]、Hanser-Verlag、第27版、517〜521頁に記載されている。都合よく使用し得る材料としては、ポリテレフタレート、ポリイソフタレート、PET-LCP、PBT-LCP、ポリ(m-フェニレンイソフタルイミド)、PMPI-LCP、ポリ(p-フェニレンテレフタルイミド)、PPTA-LCP、ポリアリレート、PAR LCP、ポリエステルカーボネート、PEC-LCP、ポリアゾメチン、ポリチオエステル、ポリエステルアミド、ポリエステルイミド、及びポリアリーレンオキシドがある。特に好都合な材料は、p-ヒドロキシ安息香酸をベースとする液晶プラスチックであり、たとえばコポリエステル及びコポリエステルアミドがある。非常に好都合に使用される液晶プラスチックは、通常、異方性溶融物を形成し、且つ2000〜200,000、好ましくは3,500〜50,000、特に4000〜30,000g/molの平均分子量(Mw＝重量平均)をもつ全芳香族ポリエステルである。本明細書中、参照として含まれる米国特許第US-A-4,161,470号は、好適な種類の液晶ポリマーについて記載している。これらは式III及びIV：

｛式中、Tはそれぞれ１〜４個の炭素原子を持つアルキル基、アルコキシ基、またはハロゲン、好ましくは塩素、臭素若しくはフッ素から選択され、ｓは０または１、２、３若しくは４の整数であり、２個以上の基Tがある場合には、これらは互いに独立して、同一または異なる｝の繰り返し構造単位を持つナフトイルコポリエステルである。このナフトイルコポリエステルは式Iの構造単位を10〜90mol%、好ましくは25〜40mol%と、式IIの構造単位を90〜10mol%、好ましくは85〜55mol%含み、この式Iと式IIの構造単位の合計は全部で100mol%となる。

本明細書中、参照として含まれる欧州特許第EP-A0 278 066号及び米国特許第3,637,595号は、本発明の目的に好適な他の液晶ポリエステルについて記載する。
意外にもポリアリーレンスルフィド(PPS)、たとえばFortron(登録商標)も、液晶ポリエステルも、絶縁冷却液、たとえばグリコール/水混合物の導電率を、高温においてさえも実質的に上昇させないことが知見された。

本発明は、電気機器の充電部に接触している冷却回路でのポリアリーレンスルフィド及び／または液晶ポリエステルの使用も提供する。本発明に従って使用し得る材料は、熱交換器、冷却器、ポンプ、センサ及びかかる冷却回路用のバルブ用の部品を製造するのに特に適している。

以下の実施例は、本発明を説明するものであり、本発明を限定するものではない。
実施例１
非強化ポリ(p-フェニレンスルフィド)(Fortron：登録商標)ペレット50グラムを、冷却液(脱イオン水：グリコール、１：１；容積部)500ml中、80℃で貯蔵した。この溶液の導電率は、市販の導電率計(Knick製)により定期的に測定した。

比較のために、全くペレットを含まないブランク試料を試験した。
長時間後でさえも、伝熱流体(Warmertragerfluid)の導電率は５μS/cm未満であった。
表１は、この伝熱流体の導電率を列記する(RTとは室温＝25℃である)。

比較例１
５mm×５mm×１mmのアルミニウムチップ50グラムを、グリコール/水混合物中に実施例１に記載の如く貯蔵し、この液体の導電率を測定した。表２に見られるように、導電率は短時間の貯蔵後でさえも急上昇した。

実施例２
ガラス繊維40%で強化したFortron(登録商標)50グラムを実施例１に記載の如く貯蔵し、伝熱流体の導電率を測定した。この結果を以下の表３に示す。

比較例２
５mm×５mm×１mmの銅チップ50グラムを、グリコール/水混合物中に実施例１に記載の如く貯蔵し、この液体の導電率を測定した。表４に見られるように、導電率は短時間の貯蔵後でさえも急上昇した。

実施例３
非強化液晶ポリエステル(Vectra：登録商標)50グラムを実施例１に記載の如く貯蔵し、伝熱流体の導電率を測定した。この結果を以下の表５に示す。

比較例３
ガラス繊維強化PPA(ポリフタルアミド、A model von BP Amoco)50グラムを実施例１に記載の如くグリコール/水混合物中で貯蔵し、この液体の導電率を測定した。表６から見られるように、導電率は短時間の貯蔵後でさえも急上昇した。

比較例４
非強化ポリアミド(ナイロン-6,6)50グラムを実施例１に記載の如くグリコール/水混合物中に貯蔵し、この液体の導電率を測定した。表７から見られるように、導電率は短時間の貯蔵後でさえも急上昇した。

比較例５
非強化耐熱性ポリアミド(DuPont製HTN耐熱性ナイロン)50グラムを実施例１に記載の如くグリコール/水に貯蔵し、この液体の導電率を測定した。表８から見られるように、導電率は短時間の貯蔵後でさえも急上昇した。

Claims (7)

1. 絶縁冷却液がその中を循環する電気機器用の冷却装置であって、充電部と接触している冷却液用の供給ラインと排出ラインとを包含し、ここで前記冷却液と接触している冷却装置の少なくとも前記部品は、ポリアリーレンスルフィド及び／または液晶ポリエステルから構成されているか、またはこれらのポリマーから構成されるコーティングをもつ、前記装置。
2. 前記電気機器が燃料電池、特にポリマー電解質膜を備えた燃料電池を含む、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記絶縁冷却液が、５μS/cm未満の導電率をもつ、水とアルコール、特にグリコールとから構成される混合物である、請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記電気機器の少なくとも充電部領域において、前記絶縁冷却液と接触している冷却装置の部品が、ポリアリーレンスルフィド若しくは液晶ポリエステルから構成されているか、またはこれらのポリマーから構成されるコーティングをもつ、請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記ポリアリーレンスルフィドがポリ(p-フェニレンスルフィド)である、請求項４に記載の冷却装置。
6. 電気機器の充電部と接触している冷却剤回路におけるポリアリーレンスルフィド及び／または液晶ポリエステルの使用。
7. 前記電気機器が燃料電池を含む、請求項６に記載の使用。