JPWO2004042856A1 - 燃料電池用冷却液組成物 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池、特には自動車用燃料電池の冷却に使用される冷却液組成物に関するものであり、該組成物は、２級アルコール類、３級アルコール類、および２級アルコール類または３級アルコール類の誘導体の中から選ばれる１種または２種以上、若しくはそれらの水溶液からなる基剤を用いたことを特徴としており、低導電性および不凍性に優れると共に、長期使用においても低導電性を維持することができる。

Description

本発明は、燃料電池、特には自動車用燃料電池の冷却に使用される冷却液組成物に関し、詳細には低導電性および不凍性に優れ、かつ長期使用においても低導電性を維持する燃料電池用冷却液組成物に関する。

燃料電池は、一般に発電単位である単セルとセパレータとが交互に積層した多層構造のスタックによって構成されている。また、発電時にはスタックから熱が発生するので、スタック温度を一定に保つため、数セル毎にスタックを冷却するための冷却板が挿入されていた。冷却板内部には冷却液通路が形成されており、この通路を冷却液が流れることにより、スタックが冷却されるようになっていた。
このように、燃料電池の冷却液は、発電を実行しているスタック内を循環して該スタックを冷却するため、冷却液の電気伝導率が高いと、スタックで生じた電気が冷却液側へと流れて電気を損失し、該燃料電池における発電力を低下させることになる。
このため、従来の燃料電池の冷却液には、スタック外部への漏電を防ぐために導電性が低い、換言すれば電気絶縁性が高い純水が使用されていた。
ところが、例えば自動車用燃料電池など、間欠運転型燃料電池の場合、非作動時に冷却液は周囲の温度まで低下してしまう。特に氷点下での使用可能性がある場合、純水では凍結してしまい、冷却液の体積膨張による冷却板の破損など、燃料電池の電池性能を損なう恐れがあった。
また、自動車用燃料電池等の冷却システムを考慮した場合、軽量化の観点から、冷却板や熱交換器などにはアルミ系材料が使用されることが予測される。アルミ系材料は防錆性に乏しく、腐食を発生し易く、腐食が発生した場合、導電率が上昇することになる。
このような事情から、燃料電池、特には自動車用燃料電池の冷却液には、低導電性、不凍性及び防錆性が要求されていた。
また、従来の別の燃料電池の冷却液として、特開２０００−１６４２４４号公報に記載のものがある。この冷却液は、基剤中にアルキルグルコシドなどの添加剤を添加することで、該冷却液の導電率を低導電率に維持するようにしたものである。
ところがこの冷却液にあっては、基剤中にアルキルグルコシドなどの添加剤を添加しても、長期使用において該冷却液の導電率を低導電率に維持するのに十分ではなかった。
本発明者は、上記技術的課題に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至ったものである。すなわち本発明は、低導電性および不凍性に優れ、かつ長期使用においても低導電性を維持する燃料電池用冷却液組成物を提供することを目的とするものである。
また本発明の別の目的は、低導電性、不凍性および防錆性に優れ、かつ長期使用においても低導電性を維持する燃料電池用冷却液組成物を提供することである。

以下、本発明の燃料電池用冷却液組成物（以下、単に組成物という）をさらに詳しく説明する。本発明の組成物は、燃料電池、特には自動車用燃料電池の冷却に使用される冷却液組成物に関するものであり、２級アルコール類、３級アルコール類、および２級アルコール類または３級アルコール類の誘導体の中から選ばれる１種または２種以上、若しくはそれらの水溶液からなる基剤を用いたことを特徴としている。
燃料電池の冷却に使用される冷却液組成物における基剤には、低導電性であり、かつ不凍性に優れるものが求められる。本発明の組成物では、このような要求を十分に満たす基剤として、２級アルコール類、３級アルコール類、および２級アルコール類または３級アルコール類の誘導体の中から選ばれる１種または２種以上、若しくはそれらの水溶液からなるものを用いた。
上記基剤は、低導電性および不凍性に優れると共に、長期使用においても導電性の上昇が小さいという優れた作用効果を奏するものであり、前記２級アルコール類、３級アルコール類、および２級アルコール類または３級アルコール類の誘導体の中でも、２級アルコール類または３級アルコール類の１価アルコール、あるいは２級アルコール類または３級アルコール類の多価アルコール、若しくはその誘導体の中から選ばれる１種若しくは２種以上を好ましい例として挙げることができる。
２級アルコール類または３級アルコール類の１価アルコールとしては、例えば２−プロパノール、２−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、２−ペンタノール、３−ペンタノール、２−メチル−２−プロパノール、３−メチル−２−プロパノール、２−ヘキサノール、３−ヘキサノール、２−メチル−２−ペンタノール、３−メチル−２−ペンタノール、４−メチル−２−ペンタノール、２−メチル−３−ペンタノール、３−メチル−３−ペンタノール、２−ヘプタノール、３−ヘプタノール、４−ヘプタノール、２−オクタノール、３−オクタノール、および４−オクタノールのいずれかを挙げることができる。
２級アルコール類または３級アルコール類の多価アルコール、若しくはその誘導体としては、例えば１，２−プロパンジオール、グリセリン、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、２，３−ブタンジオール、１，２，３−ブタントリオール、１，２，４−ブタントリオール、２−メチル−１，２−プロパンジオール、２−メチル−１，２，３−プロパントリオール、１，２−ペンタンジオール、１，３−ペンタンジオール、１，４−ペンタンジオール、２，３−ペンタンジオール、２，４−ペンタンジオール、２−メチル−１，２−ブタンジオール、３−メチル−１，２−ブタンジオール、２−メチル−１，３−ブタンジオール、３−メチル−１，３−ブタンジオール、２−メチル−２，３−ブタンジオール、ポリイソプロピレングリコール、ポリイソブチレングリコール、ポリ−１−メチル−１，３−プロパンジオール、およびそれらのメチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、あるいはヘキシルエーテル、またはホルム、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、あるいはヘキシルエステルのいずれかを挙げることができる。
２級アルコール類または３級アルコール類の多価アルコールの中でも、２，３−ブタンジオール、２，３−ペンタンジオール、２，４−ペンタンジオール、および２−メチル−２，３−ブタンジオールは、上記２級アルコール類または３級アルコール類の１価アルコールと同じく、導電性の上昇が小さいという点でより好ましい。
また本発明の組成物における基剤は、前記２級アルコール類または３級アルコール類の１価アルコールから選ばれる１種若しくは２種以上と、２級アルコール類または３級アルコール類の多価アルコール、若しくはその誘導体から選ばれる１種若しくは２種以上とを併用した形態を採ることもできる。
また本発明の組成物には、さらに防錆添加剤を含ませることができる。防錆添加剤としては特に限定されず、従来より公知の防錆添加剤を使用することができるが、上記基剤中に添加したとき、該組成物の導電率を１０μＳ／ｃｍ以下に維持でき、かつ長期に亘って使用した場合でも、導電率の変動を０〜１０μＳ／ｃｍの範囲内に維持できるものがより望ましい。
このような防錆添加剤としては、基剤の酸化を抑制して、冷却液組成物の導電率の上昇を防止する物質、又は冷却システム内に溶出するイオンを封鎖して、前記冷却液組成物の導電率の上昇を防止する物質を挙げることができる。
基剤の酸化を抑制して、導電率の上昇を防止する物質としては、例えばフェノールスルホン酸、クロロフェノール、ニトロフェノール、ブロモフェノール、アミノフェノール、ジヒドロキシベンゼン、オキシン、ヒドロキシアセトフェノン、メトキシフェノール、２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−ｐ−クレゾール、ｔｅｒｔ−ブチル−４−メトキシフェノール、２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−４−エチルフェノール、４，４−ブチリデンビス−（３−メチル−６−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール）、２，２−メチレンビス−（４−メチル−６−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール、２，２−ビス（ｐ−ヒドロキシフェニル）プロパンの中から選ばれる１種若しくは２種以上からなるフェノール化合物を挙げることができる。
イオンを封鎖して、導電率の上昇を防止する物質としては、炭化水素カルボニル化合物、アミド化合物、イミド化合物、及びジアゾール化合物のいずれかを挙げることができる。
炭化水素カルボニル化合物としては、例えば２，４−ペンタンジオン、３−メチル−２，４−ペンタンジオン、３−エチル−２，４−ペンタンジオン、３−プロピル−２，４−ペンタンジオン、３−ｎ−ブチル−２，４−ペンタンジオン、２，３−ヘプタンジオン、２，５−ヘキサンジオン、フタルアルデヒド、ベンズアルデヒド、ジヒドロキシベンズアルデヒド、ペンタノン、２−アセチルシクロペンタノン、シクロヘキサノン、シクロヘキサンジオン、２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオンの中から選ばれる１種若しくは２種以上からなるものを挙げることができる。
アミド化合物としては、例えばベンズアミド、メチルベンズアミド、ニコチン酸アミド、ピコリン酸アミド、アントラニルアミド、コハク酸アミド、シュウ酸ジアミド、アセトアミド、２−ピロリドン、カプロラクタムの中から選ばれる１種若しくは２種以上からなるものを挙げることができる。
イミド化合物としては、例えばコハク酸イミド、フタル酸イミド、マレイン酸イミド、グルタル酸イミド、１，８−ナフタルイミド、アロキサン、プルプル酸の中から選ばれる１種若しくは２種以上からなるものを挙げることができる。
ジアゾール化合物としては、例えばイミダゾリン、１，３−ジアゾール、メルカプトイミダゾリン、メルカプトイミダゾール、ベンズイミダゾール、メルカプトベンズイミダゾール、メチルイミダゾール、ジメチルイミダゾール、イミダゾール−４，５−ジカルボン酸、１，２−ジアゾール、メチルピラゾールの中から選ばれる１種若しくは２種以上からなるものを挙げることができる。
防錆添加剤の含有量としては、基剤に対し、０．００１〜１０．０重量％の範囲とするのが望ましい。上記範囲よりも防錆添加剤の含有量が少ない場合には、充分な防錆力を得ることができず、上記範囲よりも防錆添加剤の含有量が多い場合には、増えた分だけの効果が得られず、不経済となる。
なお、本発明の組成物には、前記の成分以外に例えば消泡剤、着色剤等を含有させても良いし、他の従来公知の防錆添加剤である、モリブデン酸塩、タングステン酸塩、硫酸塩、硝酸塩及び安息香酸塩などを該組成物の低導電率を阻害しない範囲で併用しても良い。
本発明を実施する最良の態様
以下、本発明の組成物を実施例に従いさらに詳しく説明する。下記表１には、本発明の組成物の好ましい実施例として実施例１〜４を示すとともに、比較として、イオン交換水を基剤とし、これに不凍性を持たせる目的でエチレングリコールを添加したもの（比較例１）、イオン交換水に１−プロパノールを添加したもの（比較例２）、イオン交換水に１，４−ブタンジオールを添加したもの（比較例３）、イオン交換水にエチレングリコールを添加し、さらに組成物の導電率を低導電率に維持する目的でアルキルグルコシドを添加したもの（比較例４）、および従来技術であるイオン交換水のみ（比較例５）を挙げた。

上記表１に示す実施例１〜４、並びに比較例１〜５の各組成物について、導電率（μＳ／ｃｍ）、耐久試験後の導電率（μＳ／ｃｍ）、および凍結温度（℃）を測定した。その結果を表２に示す。尚、耐久試験後の導電率の測定に関し、通常、燃料電池を冷却する冷却液の液温は８０℃程度であるが、加速を目的として耐久試験では１２０℃に加熱し、１６８時間後の導電率を測定した。

表２から、実施例１および実施例２に示す２級アルコール類または３級アルコール類を用いた組成物の耐久性試験後の導電率は、１級アルコール類を用いた比較例１〜３の組成物と比較して、導電率の上昇が小さいという結果が見られ、長期使用において低導電性を維持することが確認された。また、組成物の導電率を低導電率に維持するようにした従来技術としての比較例４の組成物と対比したとき、同じ添加剤を添加した実施例３の組成物は、導電率の上昇が小さいという結果が見られ、実施例３に係る組成物が従来技術に比較して長期使用において低導電性に優れていることが確認された。さらに比較例５に示すように、イオン交換水のみからなる組成物については、導電率の上昇は小さいものの、凍結温度が０℃と高く、寒冷地での使用時に不具合が発生する恐れがあることが確認された。これに対し、実施例１〜４の組成物の場合、いずれも氷点以下の凍結温度となっており、寒冷地での使用にも十分に対応できることが確認された。

発明の効果

本発明の組成物は、２級アルコール類、３級アルコール類、および２級アルコール類または３級アルコール類の誘導体の中から選ばれる１種または２種以上、若しくはそれらの水溶液からなる基剤を用いたことから、低導電性および不凍性に優れると共に、長期使用においても低導電性を維持することができる。

【０００３】
に使用される冷却液組成物に関するものであり、２級アルコール類、３級アルコール類、および２級アルコール類または３級アルコール類の誘導体の中から選ばれる１種または２種以上、若しくはそれらの水溶液からなる基剤を用いたことを特徴としている。
燃料電池の冷却に使用される冷却液組成物における基剤には、低導電性であり、かつ不凍性に優れるものが求められる。本発明の組成物では、このような要求を十分に満たす基剤として、２級アルコール類、３級アルコール類、および２級アルコール類または３級アルコール類の誘導体の中から選ばれる１種または２種以上、若しくはそれらの水溶液からなるものを用いた。
上記基剤は、低導電性および不凍性に優れると共に、長期使用においても導電性の上昇が小さいという優れた作用効果を奏するものであり、前記２級アルコール類、３級アルコール類、および２級アルコール類または３級アルコール類の誘導体の中でも、２級アルコール類または３級アルコール類の１価アルコール、あるいは２級アルコール類または３級アルコール類の多価アルコール、若しくはその誘導体の中から選ばれる１種若しくは２種以上を好ましい例として挙げることができる。
２級アルコール類または３級アルコール類の１価アルコールとしては、例えばｔｅｒｔ−ブタノール、２−ペンタノール、３−ペンタノール、２−メチル−２−プロパノール、３−メチル−２−プロパノール、２−ヘキサノール、３−ヘキサノール、２−メチル−２−ペンタノール、３−メチル−２−ペンタノール、４−メチル−２−ペンタノール、２−メチル−３−ペンタノール、３−メチル−３−ペンタノール、２−ヘプタノール、３−ヘプタノール、４−ヘプタノール、２−オクタノール、３−オクタノール、および４−オクタノールのいずれかを挙げることができる。
２級アルコール類または３級アルコール類の多価アルコール、若しくはその誘

【０００４】
導体としては、例えば１，２−プロパンジオール、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、２，３−ブタンジオール、１，２，３−ブタントリオール、１，２，４−ブタントリオール、２−メチル−１，２−プロパンジオール、２−メチル−１，２，３−プロパントリオール、１，２−ペンタンジオール、１，３−ペンタンジオール、１，４−ペンタンジオール、２，３−ペンタンジオール、２，４−ペンタンジオール、２−メチル−１，２−ブタンジオール、３−メチル−１，２−ブタンジオール、２−メチル−１，３−ブタンジオール、３−メチル−１，３−ブタンジオール、２−メチル−２，３−ブタンジオール、ポリイソプロピレングリコール、ポリイソブチレングリコール、ポリ−１−メチル−１，３−プロパンジオール、およびそれらのメチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、あるいはヘキシルエーテル、またはホルム、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、あるいはヘキシルエステルのいずれかを挙げることができる。
２級アルコール類または３級アルコール類の多価アルコールの中でも、２，３−ブタンジオール、２，３−ペンタンジオール、２，４−ペンタンジオール、および２−メチル−２，３−ブタンジオールは、上記２級アルコール類または３級アルコール類の１価アルコールと同じく、導電性の上昇が小さいという点でより好ましい。
また本発明の組成物における基剤は、前記２級アルコール類または３級アルコール類の１価アルコールから選ばれる１種若しくは２種以上と、２級アルコール類または３級アルコール類の多価アルコール、若しくはその誘導体から選ばれる１種若しくは２種以上とを併用した形態を採ることもできる。
また本発明の組成物には、さらに防錆添加剤を含ませることができる。防錆添加剤としては特に限定されず、従来より公知の防錆添加剤を使用することができるが、上記基剤中に添加したとき、該組成物の導電率を１０μＳ／ｃｍ以下に維持でき、かつ長期に亘って使用した場合でも、導電率の変動を０〜１０μＳ／ｃｍの範囲内に維持できるものがより望ましい。

【０００６】
酸アミド、ピコリン酸アミド、アントラニルアミド、コハク酸アミド、シュウ酸ジアミド、アセトアミド、２−ピロリドン、カプロラクタムの中から選ばれる１種若しくは２種以上からなるものを挙げることができる。
イミド化合物としては、例えばコハク酸イミド、フタル酸イミド、マレイン酸イミド、グルタル酸イミド、１，８−ナフタルイミド、アロキサン、プルプル酸の中から選ばれる１種若しくは２種以上からなるものを挙げることができる。
ジアゾール化合物としては、例えばイミダゾリン、１，３−ジアゾール、メルカプトイミダゾリン、メルカプトイミダゾール、ベンズイミダゾール、メルカプトベンズイミダゾール、メチルイミダゾール、ジメチルイミダゾール、イミダゾール−４，５−ジカルボン酸、１，２−ジアゾール、メチルピラゾールの中から選ばれる１種若しくは２種以上からなるものを挙げることができる。
防錆添加剤の含有量としては、基剤に対し、０．００１〜１０．０重量％の範囲とするのが望ましい。上記範囲よりも防錆添加剤の含有量が少ない場合には、充分な防錆力を得ることができず、上記範囲よりも防錆添加剤の含有量が多い場合には、増えた分だけの効果が得られず、不経済となる。
なお、本発明の組成物には、前記の成分以外に例えば消泡剤、着色剤等を含有させても良いし、他の従来公知の防錆添加剤である、モリブデン酸塩、タングステン酸塩、硫酸塩、硝酸塩及び安息香酸塩などを該組成物の低導電率を阻害しない範囲で併用しても良い。
本発明を実施する最良の態様
以下、本発明の組成物を実施例に従いさらに詳しく説明する。下記表１には、本発明の組成物の好ましい実施例として実施例１及び２を示すとともに、比較として、イオン交換水を基剤とし、これに不凍性を持たせる目的でエチレングリコールを添加したもの（比較例１）、イオン交換水に１−プロパノールを添加した

【０００８】

上記表１に示す実施例１及び２、並びに比較例１〜５の各組成物について、導電率（μＳ／ｃｍ）、耐久試験後の導電率（μＳ／ｃｍ）、および凍結温度（℃）を測定した。その結果を表２に示す。尚、耐久試験後の導電率の測定に関し、通常、燃料電池を冷却する冷却液の液温は８０℃程度であるが、加速を目的として耐久試験では１２０℃に加熱し、１６８時間後の導電率を測定した。

【０００９】

表２から、実施例１に示す３級アルコール類を用いた組成物の耐久性試験後の導電率は、１級アルコール類を用いた比較例１〜３の組成物と比較して、導電率の上昇が小さいという結果が見られ、長期使用において低導電性を維持することが確認された。また、組成物の導電率を低導電率に維持するようにした従来技術としての比較例４の組成物と対比したとき、同じ添加剤を添加した実施例２の組成物は、導電率の上昇が小さいという結果が見られ、実施例２に係る組成物が従来技術に比較して長期使用において低導電性に優れていることが確認された。さらに比較例５に示すように、イオン交換水のみからなる組成物については、導電率の上昇は小さいものの、凍結温度が０℃と高く、寒冷地での使用時に不具合が発生する恐れがあることが確認された。これに対し、実施例１及び２の組成物の場合、いずれも氷点以下の凍結温度となっており、寒冷地での使用にも十分に対応できることが確認された。

Claims (8)

1. 燃料電池を冷却する冷却液組成物であって、２級アルコール類、３級アルコール類、および２級アルコール類または３級アルコール類の誘導体の中から選ばれる１種または２種以上、若しくはそれらの水溶液からなる基剤を用いたことを特徴とする、長期使用においても低導電性を維持する燃料電池用冷却液組成物。
2. 基剤が、２級アルコール類または３級アルコール類の１価アルコールの中から選ばれる１種若しくは２種以上であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用冷却液組成物。
3. ２級アルコール類または３級アルコール類の１価アルコールが、２−プロパノール、２−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、２−ペンタノール、３−ペンタノール、２−メチル−２−プロパノール、３−メチル−２−プロパノール、２−ヘキサノール、３−ヘキサノール、２−メチル−２−ペンタノール、３−メチル−２−ペンタノール、４−メチル−２−ペンタノール、２−メチル−３−ペンタノール、３−メチル−３−ペンタノール、２−ヘプタノール、３−ヘプタノール、４−ヘプタノール、２−オクタノール、３−オクタノール、および４−オクタノールのいずれかであることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用冷却液組成物。
4. 基剤が、２級アルコール類または３級アルコール類の多価アルコール、若しくはその誘導体の中から選ばれる１種若しくは２種以上であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用冷却液組成物。
5. ２級アルコール類または３級アルコール類の多価アルコール、若しくはその誘導体が、１，２−プロパンジオール、グリセリン、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、２，３−ブタンジオール、１，２，３−ブタントリオール、１，２，４−ブタントリオール、２−メチル−１，２−プロパンジオール、２−メチル−１，２，３−プロパントリオール、１，２−ペンタンジオール、１，３−ペンタンジオール、１，４−ペンタンジオール、２，３−ペンタンジオール、２，４−ペンタンジオール、２−メチル−１，２−ブタンジオール、３−メチル−１，２−ブタンジオール、２−メチル−１，３−ブタンジオール、３−メチル−１，３−ブタンジオール、２−メチル−２，３−ブタンジオール、ポリイソプロピレングリコール、ポリイソブチレングリコール、ポリ−１−メチル−１，３−プロパンジオール、およびそれらのメチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、あるいはヘキシルエーテル、またはホルム、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、あるいはヘキシルエステルのいずれかであることを特徴とする請求項４記載の燃料電池用冷却液組成物。
6. ２級アルコール類または３級アルコール類の多価アルコールが、２，３−ブタンジオール、２，３−ペンタンジオール、２，４−ペンタンジオール、２−メチル−２，３−ブタンジオールのいずれかであることを特徴とする請求項４記載の燃料電池用冷却液組成物。
7. 基剤が、２級アルコール類または３級アルコール類の１価アルコールから選ばれる１種若しくは２種以上と、２級アルコール類または３級アルコール類の多価アルコール、若しくはその誘導体から選ばれる１種若しくは２種以上とからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用冷却液組成物。
8. さらに防錆添加剤を含有することを特徴とする請求項１〜７記載の燃料電池用冷却液組成物。