KR101207886B1 - 부식 억제제, 부식 억제 열 전달 유체, 및 이들의 사용 - Google Patents

부식 억제제, 부식 억제 열 전달 유체, 및 이들의 사용 Download PDF

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Abstract

200μS/cm 미만의 전도도를 갖는 열 전달 유체에 사용되는 부식 억제제가 개시되며, 상기 부식 억제제는 아졸 화합물, 및 실록산 기제 계면활성제, 콜로이드상 실리카, 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 가진다. 또한, 200μS/cm 이하의 전도도를 가지며, 개시된 부식 억제제를 포함하는, 부식 억제 열 전달 유체가 개시된다. 또한, 대체 전력원 및 대체 전력원과 열적으로 통하는 열 전달 시스템을 포함하는 어셈블리가 제공되며, 상기 열 전달 시스템은 개시된 부식 억제 열 전달 유체를 포함한다. 또한, 부식 억제 열 전달 유체의 제조 방법이 개시되며, 여기서 개시된 부식 억제제가 200μS/cm 미만의 전도도를 갖는 열 전달 유체에 첨가된다.
부식 억제, 열 전달 유체, 연료전지, 대체 전력원, 전도도

Description

부식 억제제, 부식 억제 열 전달 유체, 및 이들의 사용{CORROSION INHIBITORS, CORROSION INHIBITING HEAT TRANSFER FLUIDS, AND THE USE THEREOF}
본 출원은 2004년 9월 8일자 출원된 미국 가 출원 제60/607,898호의 이익을 주장한다.
본 발명은 부식 억제제, 낮은 전도도를 갖는 부식 억제 열 전달 유체, 더 구체적으로는 열 전달 시스템과 열적으로 통하는 전력원을 포함하는 용도 및 물품에서 사용되는 부식 억제 열 전달 유체에 관한 것이다.
전력원이 작동하는 동안 발생하는 열을 조절하기 위해서 전력원과 열적으로 통하는 열 전달 시스템이 이용되고 있다. 예를 들어, 자동차는 가솔린 내연엔진의 부산물로서 생긴 열을 전달하여 방산시키는 냉각제 및 냉각 시스템을 채용하고 있다. 이 경우, 냉각제 및 냉각 시스템은 엔진이 최적 환경에서 작동하고 바람직하지 않은 고온에 노출되지 않도록 한다.
그러나, 이제는 종래의 가솔린 내연엔진에 대한 대체제, 특히 환경 및 천연자원의 관리에 관한 공공의 관심을 다루는 대체제가 바람직하다. 결국, 새로운 전력원 기술, 특히 에너지 효율의 개선을 제공하는 기술이 계속 개발되어야 한다. 개발된 대체 전력원의 예는, 제한은 없지만 배터리, 연료전지, 태양전지 또는 광전 지, 및 증기응축, 천연가스, 디젤, 수소 및/또는 등등을 동력으로 하는 내연엔진을 포함한다. 이러한 대체 전력원은 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있으며, 예를 들어 하이브리드 차량에 채용된 것들이 있다.
이러한 대체 전력원은 대체로 가솔린 내연엔진에 비해 에너지 효율이 개선되지만, 이들은 여전히 열 전달 시스템 및 열 전달 유체의 사용을 필요로 한다. 특히, 열 전달 시스템 및 유체는, 특히 온도에 관하여 최적의 작동 조건을 유지하는데 필수적이다.
그러나, 불행하게도, 종래 선행기술의 냉각 시스템 및 냉각제는 대체 전력원, 특히 전기나 전기전하를 채용한 것들과 함께 사용하는데 부적합하다(또는 최적이지 않다). 예를 들어, 종래 선행기술의 냉각제는 일반적으로 매우 높은 전도도, 대체로 3000μS/cm 이상의 범위의 전도도를 특징으로 한다. 전도성이 높은 열 전달 유체를 전기 기반 대체 전력원과 함께 사용하는 것은 전기 쇼크, 부식 증가 및/또는 전기회로의 단락을 초래할 수 있다.
결과적으로, 종래의 열 전달 유체는 대체 전력원, 특히 전기 기반 대체 전력원과 함께 사용하는데 부적합하다.
깨끗하고 효율적인 작동 때문에 연료전지는 특히 매력적인 대체 전력원이다. 연료전지는 많은 용도에서 사용하도록 제안되었다.
예를 들어, 연료전지는 자동차에서 현재 사용되는 내연엔진을 대신하도록 제안되었다. 몇 가지 상이한 종류의 연료전지가 현재 개발중이며, 자동차 용도에 사용하기로 약속되어 있다. 예로서 양자교환 막 또는 중합체 전해질 막(PEM) 연료전 지, 인산(PA) 연료전지, 용융 탄산염(MC) 연료전지, 고체 산화물(SO) 연료전지 및 알칼리성 연료전지가 있다.
연료전지 어셈블리는 일반적으로 양극, 음극, 및 두 전극 사이에 있는 전해질을 포함한다. 통상, 산화반응(예를 들어, H2 → 2H+ + 2e)은 양극에서 일어나고, 환원반응(예를 들어, O2 + 2H2O + 4e → 4OH-)은 음극에서 일어난다. 전극에서 발생하는 전기화학반응은 발열반응, 즉 열을 생성하는 반응이다.
내연엔진을 연료전지로 성공적으로 치환하는 데는 최적 작동 조건이 달성되어 유지되는 것을 필요로 하는데, 즉 연료전지는 연료전지 성분의 분해 없이 바람직한 전류밀도 수준을 달성해야 한다. 따라서, 전기화학반응 동안 생성된 발열반응의 열을 제어하는 것이 필수적이다.
예를 들어, 최적 작동 조건을 달성하기 위해서, PEM 연료전지 어셈블리의 정상 작동 온도는 60℃ 내지 95℃의 범위 내에 유지되도록 제어된다. 전기화학반응의 발열성 때문에, 바람직한 작동 온도 범위 내의 작동 온도로 전극 어셈블리를 유지하는 열 전달 유체를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 전기전하의 존재는 선행기술의 열 전달 시스템 및 유체를 연료전지와 함께 사용하는 것을 어렵게 한다.
더욱이, 충분한 동력을 생산하기 위해서, 연료전지 기반 자동차 엔진에서는 많은 연료전지가 함께 직렬 연결되어 연료전지 스택을 형성할 수 있다. 개개의 연료전지는 0.6 내지 1.0 V DC의 작동 전압을 가질 수 있다. 한 예로서 약 100 내지 600개의 연료전지가 직렬 연결될 수 있다고 고려된다. 결과적으로, 자동차 연료전지 스택을 가로지른 DC 전기전압은 매우 높을 수 있는데, 일반적으로 125 내지 450 V DC 범위이다.
동일한 전압이 자동차 연료전지 스택의 각 연료전지의 열 전달 유체 시스템에도 적용된다. 전기 쇼크의 위험을 방지하거나 최소화하기 위해서, 열 전달 유체는 매우 낮은 전도도를 가져야 한다. 또한, 연료전지 열 전달 유체의 낮은 전기 전도도는 열 전달 유체 시스템에서 전류 분로의 감소와 시스템 효율 감소의 최소화를 위해 바람직하다.
따라서, 대체 전력원과 열적으로 통하는 열 전달 시스템에서 사용하기 위한 "저 전도도" 열 전달 유체를 제공하는 것이 필요하다.
낮은 전기 전도도에 더하여, 또한, 대체 전력원과 함께 사용되는 열 전달 유체는 높은 열용량, 낮은 점도, 및 높은 열 전도도를 가져야 한다. 이러한 특성은 열 전달 요건을 계속해서 충족하면서 압력 강하를 최소화하고 펌핑 파워 요구를 감소시키는 것을 돕는다. 또한, 대체 전력원과 함께 사용되는 열 전달 유체는 표면 습윤 특성이 우수한 것이 바람직하다. 우수한 표면 습윤 특성을 갖는 열 전달 유체는 일정 유속의 조건에서 압력 강하를 줄이는데 도움이 된다.
바람직한 열 전달 유체의 다른 중요한 특성은 내부식성이다. 대체 전력원과 함께 사용되는 많은 열 전달 유체 시스템은 흔히 몇 가지 금속 성분을 가진다. 대체 전력원과 함께 사용되는 열 전달 시스템에서 발견되는 금속의 예는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 황동, 브레이즈 합금 등과 같은 철 및 비철 합금을 포함한다. 그 러나, 그러한 금속은 열 전달 유체와 접촉한 결과로서 생기는 부식에 취약하다.
따라서, 대체 전력원과 함께 사용되는 열 전달 시스템에서는 부식을 최소화하고 열 전달 시스템의 사용 수명을 연장하는 부식 억제 열 전달 유체를 제공하는 것이 필요하다. 더 구체적으로, 대체 전력원과 열적으로 통하는 열 전달 시스템의 부식을 억제하는 저 전도도 열 전달 유체에 대한 필요성이 남아 있다.
발명의 개요
200μS/cm 이하의 전도도를 갖는 열 전달 유체에 사용되는 부식 억제제가 개시되며, 상기 부식 억제제는 아졸 화합물, 및 실록산 기제 계면활성제, 콜로이드상 실리카, 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 포함한다.
또한, 200μS/cm 이하의 전도도를 가지며, 아졸 화합물, 및 실록산 기제 계면활성제, 콜로이드상 실리카, 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는 부식 억제제를 포함하는, 부식 억제 열 전달 유체가 개시된다.
또한, 10μS/cm 미만의 전도도를 가지며 개시된 부식 억제제를 포함하는 부식 억제 열 전달 유체의 유로를 한정하는 순환 루프를 포함하는, 열 전달 시스템이 개시된다.
대체 전력원에 의해 동력이 공급되는 어셈블리가 개시되며, 상기 어셈블리는 대체 전력원 및 대체 전력원과 열적으로 통하는 열 전달 시스템을 포함하고, 열 전달 시스템은 액체 유로를 한정하는 순환 루프, 및 대체 전력원과 열적으로 통하는 부식 억제 열 전달 유체를 포함하며, 상기 부식 억제 열 전달 유체는 10μS/cm 미만의 전도성을 가지며, 아졸 화합물, 및 실록산 기제 계면활성제, 콜로이드상 실리 카, 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는 부식 억제제를 포함한다. 한 전형적인 구체예에서, 대체 전력원은 양극, 음극 및 전해질을 포함하는 전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 포함한다.
마지막으로, 부식 억제 열 전달 유체의 제조 방법이 개시되며, 상기 방법은 200μS/cm 미만의 전도도를 갖는 열 전달 유체에 부식 억제제를 첨가하는 단계를 포함하고, 상기 부식 억제제는 아졸 화합물, 및 실록산 기제 계면활성제, 콜로이드상 실리카, 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 포함한다.
도 1은 대체 전력원 및 열 전달 시스템, 더 구체적으로 하이브리드 차량 냉각 시스템을 포함하는 어셈블리를 예시한 도식도이다.
대체 전력원, 특히 연료전지를 포함하는 어셈블리에서 사용되는 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 매우 낮은 전도도를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "열 전달 유체"는 제 1 지점에서 제 2 지점으로 어떤 양의 열 에너지를 전달 및/또는 방산시킬 수 있는 유체 또는 액체를 말한다. 한 구체예에서, 개시된 열 전달 유체는 냉각제라고도 언급될 수 있다. 다른 구체예에서, 개시된 열 전달 유체는 또한 부동액이라고도 언급될 수 있는데, 이는 어떤 열 전달 유체는 빙점 저하제로서 기능할 수 있기 때문이다.
본원에서 사용된 용어 "저 전도도"는 일반적으로 200μS/cm 이하의 전기 전도도를 말한다. 한 구체예에서, 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 150μS/cm 미만의 전도도를 가지며, 다른 구체예에서 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 50μS/cm 미만의 전도도를 가질 것이다.
다른 구체예에서, 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 0.02μS/cm 내지 200μS/cm 이하의 전기 전도도를 가질 것이다. 한 구체예에서, 연료전지에서 사용되는 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 0.2μS/cm 내지 100μS/cm의 전도도를 가질 것이다. 또 다른 구체예에서, 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 0.05μS/cm 내지 50μS/cm 미만의 전도도를 가지고, 한 전형적인 구체예에서 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 0.05μS/ cm 내지 25μS/cm 이하의 전도도를 가질 것이다. 특히 전형적인 구체예에서, 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 0.05μS/cm 내지 10μS/cm 이하의 전기 전도도를 가질 것이다. 한 특히 전형적인 구체예에서, 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 0.05μS/cm 내지 5μS/cm 이하의 전기 전도도를 가질 것이다.
개시된 부식 억제 열 전달 유체의 전기 전도도는 ASTM D1125에 설명된 시험 방법, 즉 "물의 전기 전도도 및 저항의 표준 시험법" 또는 상응하는 방법을 이용하여 측정될 수 있다.
본원에 사용된 "부식 억제 열 전달 유체"는 충분한 양의 한 가지 이상의 부식 억제제를 가짐으로써, 부식 억제제가 빠진 것을 제외하고는 모든 점에서 동일한 열 전달 유체에서의 부식과 비교하여, 상기 유체에 잠긴 금속 성분의 부식 속도가 감소하는 그러한 열 전달 유체를 말한다.
어떤 구체예에서, 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 아졸 화합물, 및 실록산 기제 계면활성제, 콜로이드상 실리카, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하는 부식 억제제를 포함할 것이다. 다른 구체예에서, 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 필요한 부식 억제제에 더하여 한 가지 이상의 알코올을 포함할 것이다. 한 전형적인 구체예에서, 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 필요한 부식 억제제, 한 가지 이상의 알코올, 및 물을 포함할 것이다. 또 다른 전형적인 구체예에서, 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 필요한 부식 억제제, 물, 한 가지 이상의 알코올, 및 선택적으로 착색제, 습윤제, 소포제, 살생물제, 거품제거제, 고미제, 비-이온성 분산제, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본원에서 사용된 "열 전달 유체"는 부식 억제제의 농축 용액과 알코올 또는 물/알코올의 혼합물을 말할 뿐만 아니라, 이것과 물, 바람직하게는 탈이온수를 혼합한 희석 용액을 말하기도 한다. 열 전달 유체는 한 가지 이상의 알코올과 부식 억제제로 주로 구성된 농축 용액으로 구매, 수송 또는 사용될 수 있으며, 그러한 농축액은 대체로 연료전지에 통합되거나 연료전지에서 사용되기 전에 물, 특히 탈이온수로 희석된다는 것이 인정될 것이다. 희석 비율은 1:4 내지 4:1(탈이온수:열 전달 유체)가 일반적이며, 전형적인 구체예에서는 40%:60% 내지 60%:40%의 비율이 사용된다. 이와 같이, 본원에서 사용된 용어 "열 전달 유체"는 개시된 열 전달 유체의 농축 용액 및 희석 용액을 모두 말한다.
적합한 아졸 화합물은 1 내지 4개 질소 원자를 가진 5-원 헤테로고리 화합물이다. 예는 하기 화학식 (I), (II), (III) 및 (IV)의 이미다졸, 트리아졸, 티아졸 및 테트라졸, 예를 들어 벤조트리아졸, 톨리트리아졸, 알킬 벤조트리아졸, 예를 들어 4-메틸 벤조트리아졸, 5-메틸 벤조트리아졸, 및 부틸 벤조트리아졸 등, 벤지미다졸, 할로벤조트리아졸, 예를 들어 클로로메틸벤조트리아졸, 테트라졸, 치환된 테트라졸, 티아졸, 예를 들어 2-메르캅토벤조티아졸 등을 포함한다.
한 구체예에서, 아졸 화합물은 하기 화학식 (I), (II), (III), 또는 (IV)을 가질 것이다:
Figure 112007019165890-pct00001
상기 식에서, R은 수소, 또는 Cl 또는 Br과 같은 할로겐, 또는 C1-C20 알킬기이고; R'은 수소, C1-C20 알킬기, 또는 SH 또는 SR 기 중 하나 이상이고; X는 N, C-SH 또는 CH이고; Y는 N, C-R 또는 CH 기로부터 선택되고, R은 상기와 같이 정의된다. 한 전형적인 구체예에서, 아졸 화합물은 X가 N인 화학식 (I)을 가질 것이다. 한 특히 전형적인 구체예에서, 아졸 화합물은, X가 N이고 R이 수소 또는 1 내지 10개 미만의 탄소를 갖는 알킬기인, 화학식 (I)을 가질 것이다.
본원에서 사용된 용어 "알킬"은 특정한 수의 탄소 원자를 가진 분지 및 포화 지방족 탄화수소기를 포함한다. 본원에서 사용된 용어 C1-C7 알킬은 1 내지 약 7개의 탄소 원자를 가진 알킬기를 나타낸다. C0-Cn 알킬이 본원에서 다른 기, 예를 들어 헤테로시클로알킬(C0-C2 알킬)과 함께 사용된 경우, 지시된 기, 이 경우에는 헤테로시클로알킬은 단일 공유결합(C0)에 의해 직접 결합하거나, 특정한 수의 탄소 원자, 이 경우 1 내지 약 2개의 탄소 원자를 가진 알킬 사슬에 의해 부착된다. 알킬의 예는, 제한은 없지만, 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, 3-메틸부틸, t-부틸, n-펜틸, 및 sec-펜틸을 포함한다.
적합한 아졸 화합물의 예로는 벤조트리아졸, 톨리트리아졸, 메틸 벤조트리아졸, 즉 4-메틸 벤조트리아졸 및 5-메틸 벤조트리아졸, 부틸 벤조트리아졸, 메르캅토벤조티아졸, 벤지미다졸, 할로벤조트리아졸, 예를 들어 클로로메틸벤조트리아졸 등이 있다. 한 구체예에서, 아졸 화합물은 벤조트리아졸, 톨리트리아졸, 또는 메르캅토벤조티아졸이고, 한 전형적인 구체예에서, 아졸 화합물은 벤조트리아졸일 것이다.
한 구체예에서, 열 전달 유체의 총 중량을 기준으로, 아졸 화합물은 1ppm 내지 약 5000ppm의 양으로 부식 억제 열 전달 유체에 존재할 수 있으며, 한 전형적인 구체예에서, 아졸 화합물은 10ppm 내지 약 500ppm의 양으로 존재할 것이다.
아졸 화합물에 더하여, 저 전도도 열 전달 유체를 위한 개시된 부식 억제제는 실록산 기제 계면활성제, 콜로이드상 실리카 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 필요로 한다.
본원에서 사용된 실록산 기제 계면활성제는 일반적으로 폴리실록산 및 하나 이상의 규소-탄소 결합을 포함하는 유기실란 화합물을 말한다.
한 구체예에서, 적합한 폴리실록산은 일반적으로 R"3-Si-[O-Si(R")2]x-OSiR"3의 일반식을 갖는다고 생각되는 폴리실록산이며, 여기서 R"은 1 내지 200개의 탄소를 갖는 알킬기 또는 폴리알킬렌 옥시드 공중합체이고, x는 0 내지 100일 수 있다. 한 전형적인 구체예에서, 적합한 폴리실록산은 2 내지 6개 탄소, 특히 2 내지 4개의 탄소를 갖는 하나 이상의 알킬렌 옥시드의 폴리알킬렌 옥시드 공중합체와 같은 친수성 기인 R" 기를 하나 이상 가질 것이다.
또한, 구조가 알려지지 않거나 상기 일반식의 범위 외의 상업적으로 이용가능한 폴리실록산이 개시된 부식 억제제 및 연료전지 열 전달 유체에 사용하기 적합할 수 있다는 것이 당업자에게 인정될 것이다.
예를 들어, 한 구체예에서, 적합한 폴리실록산은 적합한 상업적으로 이용가능한 폴리실록산, 예를 들어 GE Silicones/OSi Specialities의 Silwet
Figure 112007019165890-pct00002
실록산 계면활성제 및 Dow Corning 및 다른 공급업체로부터 구입가능한 다른 유사한 실록산-폴리에테르 공중합체와의 유사성에 의해서 한정될 수 있다. 한 전형적인 구체예에서, 적합한 실록산 기제 계면활성제는 Silwet
Figure 112007019165890-pct00003
L-77, Silwet
Figure 112007019165890-pct00004
L-7650, Silwet
Figure 112007019165890-pct00005
L-7600, Silwet
Figure 112007019165890-pct00006
L-7657, Silwet
Figure 112007019165890-pct00007
L-7200, Silwet
Figure 112007019165890-pct00008
L-7210 등으로 예시될 것이다.
적합한 유기실란 화합물은, 물의 존재 하에서 가수분해하여 실라놀, 즉 하나 이상의 Si-OH 기를 갖는 화합물을 형성할 수 있는 규소-탄소 결합을 하나 이상 포함하는 실란 화합물이다. 한 구체예에서, 적합한 유기실란 화합물은, Z 기가 방향족기, 지환족기, 알킬기, 알콕시기, 또는 알킬렌기일 수 있고, N, S 등과 같은 헤테로원자를 아미노기, 에폭시기 등과 같은 작용기 형태로 함유할 수 있는, 일반식 RSi(OZ)3을 갖는 것들이다. 한 구체예에서, 적합한 유기실란 화합물은 Z'가 방향족기, 지환족기, 알킬기, 알콕시기 또는 알킬렌기 중 하나 이상일 수 있고, N, S 등과 같은 헤테로원자를 아미노기, 에폭시기 등과 같은 작용기 형태로 함유할 수 있으며, Z는 1 내지 5개 탄소의 알킬기인, 일반식 Z'Si(OZ)3을 갖는 것들이다.
구조가 알려지지 않거나 상기 일반식의 범위 외의 상업적으로 이용가능한 유기실란도 개시된 부식 억제제 및 연료전지 열 전달 유체에 사용하기 적합할 수 있다는 것이 당업자에게 인정될 것이다.
예로서, 한 구체예에서, 적합한 유기실란은 GE Silicones/OSi Specialities 및 다른 공급업체로부터의 Silquest
Figure 112007019165890-pct00009
또는 Formasil
Figure 112007019165890-pct00010
계면활성제와 같은 적합한 상업적으로 이용가능한 유기실란에 대한 유사성에 의해 한정될 수 있다. 한 전형적인 구체예에서, 적합한 실록산 기제 계면활성제는 Formasil 891, Formasil 593, Formasil 433, Silquest Y-5560 실란(즉, 폴리알킬렌옥시드알콕시실란), Silquest A-186(2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란), Silquest A-187(3-글리시독시프로필트리메톡시실란) 또는 GE Silicones, Osi Specialties나 다른 공급업체 등으로부터 구입가능한 다른 Silquest 실란으로 예시될 것이다.
상업적으로 이용가능한 적합한 실록산 기제 계면활성제의 예인 다른 적합한 유기실란은 3-아미노프로필트리에톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, 옥틸트리에톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-메르캅토프로필트리메톡시실란, 이소부틸트리메톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 및 유사한 구조를 가지지만 탄소의 수가 다른 그 밖의 이러한 실록산 기제 계면활성제를 포함한다.
한 구체예에서, 실록산 기제 계면활성제는 열 전달 유체의 전체 중량을 기준으로 하여, 0.01wt% 내지 약 10wt%의 양으로 부식 억제 열 전달 유체에 존재할 수 있고, 한 전형적인 구체예에서, 실록산 기제 계면활성제는 열 전달 유체의 전체 중량을 기준으로 하여, 0.02wt% 내지 약 2wt%의 양으로 부식 억제 열 전달 유체에 존재할 것이다.
실록산 기제 계면활성제에 더하여 또는 이것 대신에, 부식 억제 열 전달 유체는 또한 실리카를 포함할 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "실리카"는 콜로이드상 실리카, 나노-형태 실리카 또는 이들의 조합을 말한다. 용어 "콜로이드상 실리카" 및 "실리카"는 본원에서 호환가능하게 사용된다. 특정 이론에 얽매이는 것을 바라진 않지만, 특정 평균 입자 크기를 갖는 실리카의 사용은 열 전달 효율 및/또는 연료 전지 열 전달 유체의 열용량의 개선을 제공한다.
어떤 구체예에서, 적합한 콜로이드상 실리카는 약 1nm 내지 약 200nm의 작은 입자 크기를 가질 것이다. 한 전형적인 구체예에서, 적합한 콜로이드상 실리카는 약 1nm 내지 약 100nm의 평균 입자 크기를 가지고, 한 특히 전형적인 구체예에서, 적합한 콜로이드상 실리카는 1nm 내지 약 40nm의 평균 입자 크기를 가질 것이다.
적합한 입자 크기를 갖는 적합한 콜로이드상 실리카는, DuPont 또는 Grace Davidson로부터 Ludox
Figure 112007019165890-pct00011
브랜드로, Akzo Nobel 또는 Eka Chemicals로부터 Nyacol
Figure 112007019165890-pct00012
또는 Bindzil
Figure 112007019165890-pct00013
브랜드로, Nissan Chemical로부터 Snowtex
Figure 112007019165890-pct00014
브랜드로 시중 구입가능하다. 적합한 실리카의 다른 공급업체는 Nalco 등을 포함한다.
한 구체예에서, 콜로이드상 실리카는 10,000ppm 이하의 양으로 부식 억제 열 전달 유체에 사용될 것이고, 한 전형적인 구체예에서 콜로이드상 실리카는 2000ppm 미만의 양으로 사용될 것이다.
또한, 부식 억제 열 전달 유체의 부식 억제제는, 실록산 기제 계면활성제와 콜로이드상 실리카의 조합을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 한 구체예에서, 부식 억제제는 아졸 화합물과 개시된 실록산 화합물의 조합을 포함할 것이다. 한 특히 전형적인 구체예에서, 부식 억제제는 아졸과 실록산 조합으로 구성될 것이다.
한 구체예에서, 부식 억제 열 전달 유체는 또, 열 전달 유체에 착색을 제공하는데 필요한 착색제의 사용 농도에서, 한 가지 이상의 알코올 또는 알코올과 물의 혼합물에서 가용성 또는 분산성인 비-이온성 또는 약한 이온성 종인 하나 이상의 비-전도성 착색제를 포함할 것이다. 본원에서 사용된 용어 "비-전도성"은 표준 용액의 총 중량을 기준으로 하여 0.2중량% 이하의 최대 농도로 탈이온수 표준 용액에 도입되었을 때 약 10μS/cm 미만의 전도도 증가를 야기하는 착색제를 말한다. 한 전형적인 구체예에서, 적합한 비-전도성 착색제는 연료전지 작동 조건에서, 즉 약 40℃ 내지 약 100℃의 전형적인 온도에서 알코올과 물의 혼합물에서 우수한 안정성을 지닐 것이다.
한 구체예에서, 비-전도성 착색제는 수성 알코올 또는 알킬렌 글리콜 용액에서 가수분해에 의해 이온 종을 형성하는 작용기들이 실질적으로 없는 비-전도성 착색제일 것이다. 본원에서 사용된 "실질적으로 없는"은 부식 억제 열 전달 유체의 전도도를 10μS/cm 이상으로 만드는 양을 초과하지 않는 양을 말한다. 다른 구체예에서, 비-전도성 착색제는 카르복실레이트 기, 술포네이트 기, 포스포네이트 기, 4차 아민, 양 전하를 지닌 기, 및 음 전하를 지닌 기로 구성된 군으로부터 선택되는 작용기를 실질적으로 갖지 않는다. 양 전하를 지닌 기의 예는 Na+, Cu2 +, -N+R3 (여기서, R은 수소, C1-C20 알킬기 또는 방향족 고리 함유 기이다), Fe3 +, 이들의 조합 등을 포함한다. 음 전하를 지닌 기의 예는 Cl-, Br-, I-, 이들의 조합 등을 포함한다.
적합한 열 전달 유체 착색제는 다음의 발색단 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 안트라퀴논, 트리페닐메탄, 디페닐메탄, 아조 함유 화합물, 디스아조 함유 화합물, 트리스아조 함유 화합물, 디아조 함유 화합물, 크산텐, 아크리딘, 인덴, 프탈로시아닌, 아자아뉼렌, 니트로소, 니트로, 디아릴메탄, 트리아릴메탄, 메틴, 인다민, 아진, 옥사진, 티아진, 퀴놀린, 인디고이드, 인도페놀, 락톤, 아미노케톤, 히드록시케톤, 스틸벤, 티아졸, 하나 이상 공액된 방향족 기, 하나 이상 공액된 헤테로고리 기(예를 들어, 스틸켄 및/또는 베스트리아제닐아미노스틸켄 및/또는 피라졸린 및/또는 쿠마린 형 분자 또는 이들의 혼합물), 하나 이상 공액된 탄소-탄소 이중결합(예를 들어, 카로텐), 및 이들의 조합. 한 전형적인 구체예에서, 열 전달 유체 착색제는 디아릴메탄, 트리아릴메탄, 트리페닐메탄, 디페닐메탄, 하나 이상 공액된 방향족 기, 아조, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함할 것이다. 한 특히 전형적인 구체예에서, 열 전달 유체 착색제는 발색단으로서 적어도 하나 이상 공액된 방향족 기를 포함할 것이다.
다른 구체예에서, 비-전도성 착색제는 알킬렌옥시 기 또는 알콕시 기 및 상기 설명된 발색단 중 하나 이상을 함유할 것이다. 한 구체예에서, 착색제에 함유된 발색단은 안트라퀴논, 트리페닐메탄, 디페닐메탄, 아조 함유 화합물, 디스아조 함유 화합물, 트리스아조 함유 화합물, 디아조 함유 화합물, 하나 이상 공액된 방향족 기, 하나 이상 공액된 헤테로고리 기, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택될 것이다.
또는 달리, 적합한 비-전도성 착색제는 하기 일반식으로 설명될 수 있다:
R{Ak[(B)nR1]m}x
상기 식에서, R은 안트라퀴논, 트리페닐메탄, 디페닐메탄, 아조 함유 화합물, 디스아조 함유 화합물, 트리스아조 함유 화합물, 디아조 함유 화합물, 크산텐, 아크리딘, 인덴, 티아졸, 하나 이상 공액된 방향족 기, 하나 이상 공액된 헤테로고리 기, 또는 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택된 유기 발색단이고; A는 상기 발색단의 연결 부분으로서, O, N 및 S로 구성되는 군으로부터 선택되고; k는 0 또는 1이고; B는 1 내지 8개 탄소 원자를 함유하는 하나 이상의 알킬렌옥시 기 또는 알콕시 기로 구성되는 군으로부터 선택되고; n은 1 내지 100의 정수이고; m은 1 또는 2이고; x는 1 내지 5의 정수이고; R1은 H, C1-C6 알킬 또는 1 내지 8개 탄소 원자를 함유하는 알콕시 기, 또는 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택된다.
한 전형적인 구체예에서, 적합한 비-전도성 착색제는 상기 일반식의 착색제로서, A가 N 또는 O이고; B가 2 내지 4개 탄소 원자를 함유하는 하나 이상의 알킬렌옥시 성분의 군으로부터 선택되고, n이 1 내지 30이고, m이 1 또는 2이고, X가 바람직하게 1 또는 2이고, R1이 바람직하게 H 또는 C1-C4 알킬 또는 1 내지 6개 탄소 원자를 함유하는 알콕시 기인 것들이다.
비-전도성 착색제는 미국특허 제4,284,729호, 미국특허 제6,528,564 B1호 또는 Milliken & Company(미국 사우스 캘리포니아 스파르탄버그)에 의해 발행된 그 밖의 특허에 설명된 것과 같은 여러 공지의 방법에 의해 제조될 수 있다.
예를 들어, 적합한 착색제는 1차 아미노기를 함유하는 염료 중간체를 상응하는 중합체 화합물로 전환하고, 결과의 화합물을 사용하여 분자 내에 발색성 기를 갖는 화합물을 생성함으로써 제조될 수 있다.
아조 염료의 경우에, 이것은 공지의 과정에 따라서 1차 방향족 아민을 적합한 양의 알킬렌 옥시드 또는 알킬렌 옥시드 혼합물, 예를 들어 에틸렌 옥시드 등과 반응시키고, 그 다음 결과의 화합물을 방향족 아민의 디아조늄 염과 커플링시킴으로써 달성될 수 있다.
트리아릴메탄 부류의 액체 착색제를 제조하기 위해서, 상기 설명된 바와 같이 알킬렌 옥시드와 반응된 방향족 아민을 방향족 알데히드와 축합하고, 결과의 축합 생성물을 산화시켜 트리아릴메탄 액체 착색제를 형성한다.
다른 적합한 착색제도 또 이들 및 다른 공지의 과정에 의해 제조될 수 있다. 오염 이온 종을 함유하는 착색제가 사용될 수 있는데, 이 경우 정제 방법이 이용된다. 정제 및 화학적 분리 기술의 예는 이온교환 수지로의 처리, 역삼투, 추출, 흡수, 증류, 여과 등, 및 이온 종을 제거하여 전기적으로 비-전도성인 정제된 착색제를 얻는데 사용되는 유사한 과정을 포함한다.
개시된 부식 억제 열 전달 유체 및 방법에 사용되는 적합한 비-전도성 착색제의 상업적으로 이용가능한 예는 Milliken Chemical(미국 사우스 캘리포니아 스파르탄버그)의 Liquitint
Figure 112007019165890-pct00015
Red ST 또는 그 밖의 다른 유사한 중합체 착색제들, 또는 Chromatech(미국 미시간 캔톤)의 착색제들을 포함한다. 예는 다음을 포함한다: 리퀴틴트 레드 ST, 리퀴틴트 블루 RE, 리퀴틴트 레드 XC, 리퀴틴트 페이턴트 블루, 리퀴틴트 브라이트 옐로우, 리퀴틴트 브라이트 오렌지, 리퀴틴트 로얄 블루, 리퀴틴트 블루 N-6, 리퀴틴트 브라이트 블루, 리퀴틴트 수프라 블루, 리퀴틴트 블루 HP, 리퀴틴트 블루 DB, 리퀴틴트 블루 II, 리퀴틴트 Exp. 옐로우 8614-6, 리퀴틴트 옐로우 BL, 리퀴틴트 옐로우 II, 리퀴틴트 선빔 옐로우, 리퀴틴트 수프라 옐로우, 리퀴틴트 그린 HMC, 리퀴틴트 바이올렛, 리퀴틴트 레드 BL, 리퀴틴트 레드 RL, 리퀴틴트 체리 레드, 리퀴틴트 레드 II, 리퀴틴트 티일, 리퀴틴트 옐로우 LP, 리퀴틴트 바이올렛 LS, 리퀴틴트 크림슨, 리퀴틴트 아쿠아마린, 리퀴틴트 그린 HMC, 리퀴틴트 레드 HN, 리퀴틴트 레드 ST, 및 이들의 조합.
어떤 전형적인 구체예에서, 비-전도성 착색제는 Milliken의 Liquitint
Figure 112007019165890-pct00016
Red ST, Chromatech의 Liquitint
Figure 112007019165890-pct00017
Red XC, Chromatech 사의 Chromatint
Figure 112007019165890-pct00018
Yellow 1382 또는 Chromatech의 Liquitint
Figure 112007019165890-pct00019
Blue RE 중 한 가지 이상일 것이며, 특히 전형적인 구체예에서, 비-전도성 착색제는 Milliken의 Liquitint
Figure 112007019165890-pct00020
Red ST 또는 Chromatech의 Liquitint
Figure 112007019165890-pct00021
Red XC일 것이다.
한 구체예에서, 비-전도성 착색제는 부식 억제 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 0 내지 0.2중량%의 양으로 연료전지 열 전달 유체에 존재할 것이다. 다른 구체예에서, 비-전도성 착색제는 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 0.0001 내지 0.1중량%의 양으로 열 전달 유체에 존재하며, 한 전형적인 구체예에서 비-전도성 착색제는 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 0.0002 내지 0.05중량%의 양으로 사용될 것이다.
개시된 열 전달 유체에 사용되는 적합한 알코올의 예는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 푸르푸롤, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 1,2-프로필렌 글리콜, 1,3-프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 부틸렌 글리콜, 글리세롤, 글리세롤의 모노에틸에테르, 글리세롤의 디메틸에테르, 1,2,6-헥산트리올, 트리메틸올프로판, 메톡시에탄올, 또는 이러한 알코올 중 한 가지 이상을 포함하는 조합이다. 특히 적합한 알코올의 예는 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜, 부틸 글리콜, 글리세롤, 디에틸렌 글리콜 등을 포함하며, 이들의 혼합물도 포함한다. 한 구체예에서, 알코올은 에틸렌 글리콜 또는 1,2-프로필렌 글리콜 또는 1,3-프로필렌 글리콜이고, 한 전형적인 구체예에서, 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 에틸렌 글리콜을 포함할 것이다.
어떤 구체예에서, 알코올은 부식 억제 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 10-99.9중량%의 양으로 열 전달 유체에 존재할 것이다. 또 다른 구체예에서, 한 가지 이상의 알코올이 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 20-99.9중량%의 양으로 열 전달 유체에 존재하고, 한 전형적인 구체예에서 한 가지 이상의 알코올이 부식 억제 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 20 내지 99.9중량%의 양으로 사용될 것이다.
앞서 나타낸 바와 같이, 개시된 부식 억제 연료전지 열 전달 유체에는 물이 존재할 수 있다. 한 전형적인 구체예에서는 탈이온수가 사용될 것이다. 어떤 구체예에서, 물은 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 0-90중량%의 양으로 부식 억제 열 전달 유체에 존재할 것이다. 또 다른 구체예에서, 물은 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 0.1-80중량%의 양으로 열 전달 유체에 존재하고, 어떤 전형적인 구체예에서, 물은 부식 억제 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 0.1 내지 70중량%의 양으로 사용될 것이다.
예를 들어, 농축된 열 전달 유체에는 물이 0wt%, 즉 전혀 존재하지 않을 수 있지만, 농축액의 총 중량을 기준으로 어떤 농축액에서는 약 50wt% 이하의 양으로 존재할 수 있다. 희석된 열 전달 유체와 관련하여 물은 20wt% 내지 90wt% 이하의 양으로 존재할 수 있다.
필요한 부식 억제제에 더하여 선택적인 부식 억제제가 또한 사용될 수 있다. 그러한 선택적인 부식 억제제는 알루미늄 및 알루미늄 기제 합금 부식 억제제, 구리 및 구리 기제 합금 부식 억제제, 에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 옥틸아민 및 모르폴린 같은 아민, US 2004/0028971 A1에 설명된 오르토실리케이트 에스테르 등이 있다. 그러한 선택적인 부식 억제제는 단지 개시된 필요한 부식 억제제에 더하여 사용될 수 있으며, 그것을 대신하여 사용될 수는 없다. 한 전형적인 구체예에서, 선택적 부식 억제제는 1 내지 20개 탄소 원자의 알킬기를 갖는 하나 이상의 테트라알킬오르토실리케이트 에스테르일 것이다. 예로는 테트라메틸오르토실리케이트, 테트라에틸오르토실리케이트 등이 있다. 한 전형적인 구체예에서, 이러한 테트라알킬오르토실리케이트 에스테르는 연료전지 열 전달 유체의 총 중량을 기준으로 하여 0wt% 내지 5wt%의 양으로 사용될 수 있다.
또한, 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 착색제, 습윤제, 소포제, 살생물제, 거품제거제, 고미제, 비-이온성 분산제 또는 이들의 조합과 같은 추가의 첨가제를, 부식 억제 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 10중량% 이하의 양으로 포함할 수 있다.
한 구체예에서, 개시된 부식 억제 열 전달 유체는, 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여, 20-99.9중량%의 한 가지 이상의 알코올 또는 알코올 혼합물, 0.1-90중량%의 물, 1ppm 내지 5000ppm의 아졸 화합물, 및 0.01wt% 내지 10wt% 양의 실록산 기제 계면활성제 또는 10.000ppm 이하의 양의 콜로이드상 실리카 중 한 가지 이상, 그리고 0.0 내지 10중량%의 다른 선택적 열 전달 유체 첨가제를 포함할 것이다. 한 전형적인 구체예에서, 개시된 열 전달 유체는, 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여, 20-99.9중량%의 한 가지 이상의 알코올 또는 알코올 혼합물, 0.1-90중량%의 물, 10ppm 내지 500ppm의 아졸 화합물 및 0.02wt% 내지 2wt% 양의 실록산 기제 계면활성제 또는 2000ppm 미만의 양의 콜로이드상 실리카 중 한 가지 이상, 그리고 0.0 내지 10중량%의 다른 열 전달 유체 첨가제를 포함할 것이다.
부식 억제 열 전달 유체는 성분들을 함께 혼합함으로써 제조될 수 있다. 일반적으로 먼저 알코올과 물이 함께 혼합되는 것이 바람직하다. 다음으로, 알코올-물 혼합물에 다른 첨가제를 첨가하여 혼합하고 충분히 교반한다.
개시된 열 전달 유체는 하나 이상의 대체 전력원을 포함하는 다양한 어셈블리에서 사용될 수 있다는 것이 인정될 것이다. 본원에서 사용된 용어 "대체 전력원"은 에너지 효율, 환경문제, 폐기물 생성 및 관리 문제, 천연자원 관리 등에 있어서 개선점을 제공하는 전력원 기술을 말한다. 개발된 대체 전력원의 예는, 제한은 없지만 배터리, 연료전지, 태양전지 또는 태양전지판, 광전지, 및 증기응축, 천연가스, 디젤, 수소 및/또는 등등을 동력으로 하는 내연엔진을 포함한다. 한 구체예에서, 용어 "대체 전력원"은 순수한 열 전달 시스템, 즉 열 전달 유체에 있는 이온 종의 농도에 기여하지 않는 열 전달 시스템을 사용하여 작동되는 내연엔진을 동력으로 하는 장치를 포함한다. 이러한 대체 전력원은 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있으며, 예를 들어 하이브리드 차량에 채용된 것들이 있다.
그러한 대체 전력원을 포함하는 어셈블리는, 자동차, 보트, 발전기, 라이트, 항공기 및 비행기, 기차 또는 기관차, 군용수송차량, 정치기관 등과 같은, 종래의 내연엔진을 동력으로 하는 어떤 물품을 포함한다는 것이 인정될 것이다. 또한, 어셈블리는 대체 전력원의 적절한 이용을 위해 필요한 추가의 시스템 또는 장치, 예를 들어 전기모터, DC/DC 컨버터, DC/AC 인버터, 전기발전기, 및 다른 전력 전자장치 등을 포함한다. 또한, 어셈블리는 대체 전력원의 적절한 이용을 위해 필요한 시스템 또는 장치, 예를 들어 전기모터, DC/CC 컨버터, DC/AC 인버터, 전기발전기, 및 다른 전력 전자 및 전기 장치 등을 포함할 수 있다.
특히 적합한 용도는 낮은 전도도를 갖는 열 전달 유체를 필요로 하는 열 전달 시스템을 갖는 것들이다. 예로는 유리 및 금속 제조 공정이 있는데, 여기서는 유리나 스틸과 같은 재료를 용융 상태로 유지하기 위해서 사용된 전극에 높은 전기 전압/전류가 적용된다. 이러한 공정은 일반적으로 전극을 냉각시키기 위해서 낮은 전도도를 갖는 열 전달 유체를 필요로 한다.
개시된 어셈블리는 일반적으로 대체 전력원 및 대체 전력원과 열적으로 통하는 열 전달 시스템을 포함할 것이다. 한 구체예에서, 열 전달 시스템은 200μS/cm 미만의 전도도를 갖는 부식 억제 액체 열 전달 유체의 유로를 한정하는 순환 루프를 포함할 것이다. 한 전형적인 구체예에서, 열 전달 시스템은 200μS/cm 미만의 전도도를 갖고, 아조 화합물 및 실록산 기제 계면활성제, 콜로이드상 실리카 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는 부식 억제제를 포함하는, 부식 억제 액체 열 전달 유체의 유로를 한정하는 순환 루프를 포함할 것이다.
개시된 어셈블리의 예를 도 1에서 볼 수 있다. 냉각 시스템의 주 구성요소, 및 냉각 매체로서 냉각제 또는 열 전달 유체의 사용이 필요할 수 있는 메인 시스템 구성요소(16)가 도 3에 도시된다. 도 3에 나타낸 대로, 어셈블리는 내연엔진(5), 또는 차량 주 전력원(7)으로서 연료전지(5)나 태양전지(5)를 함유할 수 있다. 이것은 또한 차량의 회생 제동 시스템에 의해 충전될 수 있는 충전식 2차 배터리(12) 또는 선택적인 울트라-커패시터(13)를 함유한다. 이 구체예에서, 배터리(12) 및/또는 울트라-커패시터(13)는 2차 전력원으로 작용할 수 있다. 또한, 이 어셈블리는 DC/DC 컨버터(10), DC/AC 인버터(10), 발전기(8), 전력분할장치(9), 및/또는 전압 승압 컨버터(11) 등과 같은 전력 전자장치를 함유할 수 있다. 게다가, 어셈블리는 또한 연료전지 또는 태양전지 "주변장치"(BOP) 서브시스템(6)을 함유할 수 있다. 이들은 공기 압축기, 펌프, 전력 조절기 등일 수 있다. 어셈블리는 또 HAVC 시스템(14), 예를 들어 차량 내부 공간의 기후 제어를 위한 공기-조절 시스템을 함유한다. 이들은 도 1에 예시된 시스템에서 차량 시스템(16)에 포함되며, 온도 제어를 위한 냉각제 또는 열 전달 유체의 사용을 필요로 할 수 있다. 다른 차량 냉각 시스템과 유사하게, 예시된 어셈블리는 또한 냉각제 재순환 펌프(1), 냉각제 유로(4), 냉각제 탱크(2), 및 라디에이터 또는 열 교환기(3), 및 환풍기(15)를 함유한다. 환풍기는 외부 냉각원, 예를 들어 자체의 냉각 매체와는 다른(또는 분리된) 냉각 시스템으로 대체될 수 있다.
한 구체예에서 대체 전력원은 연료전지일 것이다. 연료전지가 개시된 열 전달 시스템 및 유체와 열적으로 통하고 있다는 것이 인정되며, 한 구체예에서 개시된 열 전달 유체의 전기 전도도는 10μS/cm 이하일 것이다. 연료전지를 포함하는 특히 전형적인 구체예에서, 개시된 열 전달 유체는 0.02 내지 10μS/cm 이하의 전기 전도도를 가질 것이다. 한 특히 전형적인 구체예에서, 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 0.05 내지 5μS/cm 이하의 전기 전도도를 가질 것이다.
개시된 부식 억제 열 전달 유체는 양극, 음극 및 전해질을 포함하는 전극 어셈블리를 포함하는 많은 상이한 종류의 연료전지, 및 전극 어셈블리 또는 연료전지와 열적으로 통하는 열 전달 유체와 함께 사용될 수 있다. 한 구체예에서, 열 전달 유체는 상기 연료전지와 열적으로 통하는 순환 루프 또는 열 전달 유체 흐름 채널에 의해 한정되는 채널 또는 유로에 함유되거나 흐를 수 있다.
적합한 연료전지 종류의 예는 PEM(양자교환 막 또는 중합체 전해질 막) 연료전지, AFC(알칼리성 연료전지), PAFC(인산 연료전지), MCFC(용융 탄산염 연료전지), SOFC(고체 산화물 연료전지) 등을 포함한다. 한 전형적인 구체예에서, 개시된 부식 억제 열 전달 유체는 PEM 및 AFC 연료전지에서 사용될 것이다.
단수형 "한" 및 "그"는 그 문맥이 명백히 다른 것을 규정하지 않는다면 복수의 지시대상을 포함한다. "선택적" 또는 "선택적으로"는 이어서 설명하고 있는 사건이나 환경이 일어날 수도 일어나지 않을 수도 있으며, 그 설명이 그 사건이 일어나는 경우의 예와 그것이 일어나지 않는 경우의 예를 포함함을 의미한다. 양과 관련하여 사용된 수식어인 "약"은 서술된 값의 처음과 마지막을 포함하며, 그 문맥에서 규정한 의미를 가진다(예를 들어, 특정한 양의 측정과 관련된 오차도를 포함한다).
본 발명은 바람직한 구체예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변화가 만들어질 수 있다는 것과 발명의 구성요소를 등가물로 치환할 수 있다는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 이에 더하여, 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않는 범위에서 특정한 상황이나 재료를 본 발명의 교시에 적합하도록 하는 많은 변형이 만들어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하는 최선의 방식으로 고려된 개시된 특정한 구체예에 제한되도록 의도되지 않으며, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위 내에 들어가는 모든 구체예를 포함할 것이다.
실시예 1
정전류 분극 하에서 알루미늄 합금 3003의 리패시베이션 전위를 측정하는 정전류 공식 전위 시험(변형 ASTM D6208 시험법)을 사용하여 다양한 부식 억제제를 포함하는 연료전지 열 전달 유체의 부식 방지 효과를 평가했다. 6개 시험 용액을 평가했는데, 각 용액은 베이스 용액 및 표 1의 2행에 있는 억제제 중 하나를 포함했다. 알루미늄과 그 합금의 공식 부식을 빠르고 재현성 있게 완화하는 억제제의 상대적 효과를 측정하는 시험 방법을 설계한다. 시험으로부터 얻어진 공식 방지 전위(또는 리패시베이션 전위)가 시험된 부식 억제제에 의한 연속된 공식 부식에 대한 방지 효과의 척도이다. 더 양의 값의 공식 전위는, 억제제가 시험 조건 하에서 알루미늄 3003에 공식 부식에 대한 보호를 제공하는데 더욱 효과적임을 시사한다. 시험 조건은 전극으로서 알루미늄 3003을 사용하고, 실온 및 100μA/㎠의 양극 전류 밀도를 사용했다.
베이스 용액 억제제 (ppm) 공식 보호 전위
(V/AgAgCl)
50% 에틸렌 글리콜 +
50ppm Cl- 		블랭크
5000 Ludox
Figure 112007019165890-pct00022
TMA
Silwet
Figure 112007019165890-pct00023
L-7650
5000 Nyacol
Figure 112007019165890-pct00024
215		 -0.4925
-0.4508
-0.4502
-0.4484
50% 에틸렌 글리콜 +
100ppm Cl- 		블랭크
1000 Nyacol
Figure 112007019165890-pct00025
215		 -0.4966
-0.4838
표 1에 주어진 결과는 2개의 콜로이드상 실리카 제품, 즉 Ludox
Figure 112007019165890-pct00026
TMA(공칭 입자 크기 22nm, 중성 pH 콜로이드상 실리카)와 Nyacol
Figure 112007019165890-pct00027
215(공칭 입자 크기 4nm, 콜리이드상 실리카)가 효과적인 알루미늄 부식 억제제임을 나타낸다. 실록산 폴리에테르 공중합체인 Silwet
Figure 112007019165890-pct00028
L-7650(MW=3000달톤, 모두 EO, 펜던트형 실록산 폴리에테르 공중합체)도 또한 효과적인 알루미늄 부식 억제제이다. 시험 조건 하에서 콜로이드상 실리카 Nyacol
Figure 112007019165890-pct00029
215가 가장 효과적인 Al 부식 억제제이다.
실시예 2
개시된 부식 억제 열 전달 유체의 부식 억제 작용을 변형 ASTM D1384 시험을 사용하여 평가했다. 52wt% 글리콜 + 48% 탈이온수의 베이스 용액을 사용했다. 5개의 시험 샘플과 블랭크를 표 2의 1행에 따라 제조했다. 시험 조건은 온도 88℃, 시험 기간 336시간이었다. 주조 Al 조각 1개와 황동 조각을 사용하여 다양한 시험 용액과의 접촉으로 야기된 부식 정도를 측정했다. 주: 음의 값의 질량 손실은 샘플 조각이 시험 종료시에 중량을 얻었음을 나타낸다. BZT는 벤조트리아졸이다.

억제제		 Al
질량손실
(mg)		 황동
질량손실
(mg)
Al 조각 외관		 Al
보호등급		 용액
전도도
(μS/cm)
블랭크 -2.1 47.1 표면의 16%에
국소적 공격		 3=최악 0.35
40ppm BZT -3.8 1.0 표면의 70% 염색 5 0.38
0.1wt% Silwet
L-77		 -2.6 33.9 표면의 25% 염색,
약간의 국소적
공격부위		 5 0.34
0.1wt% Silwet
L-77 + 40ppm BZT		 -3.7 0.9 겉으로 보이는
부식 공격 없음,
윤나는 표면		 10=최상 0.38
0.1wt% Silwet
L-7650		 -3.3 73.1 표면의 12%에
국소적 공격		 4 0.38
0.1wt% Silwet
L-7650 + 40ppm BZT		 -3.9 0.3 표면의 5% 염색,
작은 국소적
공격 부위		 7 0.36
표 2의 시험 결과는 다음의 사항을 나타낸다: (1) 2개의 Silwet
Figure 112007019165890-pct00030
실록산 폴리에테르 공중합체 계면활성제(L-77 및 L-7650)는 전도성이 아니다. 베이스 글리콜 열 전달 유체에 0.1wt% 계면활성제의 첨가 후에 용액의 전도도는 본질적으로 변화를 나타내지 않는다. (2) 베이스 열 전달 유체 용액에 40ppm BZT(벤조트리아졸)을 첨가해도 용액 전도도에 어떤 유의한 변화를 일으키지 않았다. 증가는 0.03μS/cm 이하이다. (3) 알루미늄의 전반적 부식율은 ASTM D1384 항목의 허용한계, 즉 30mg 미만의 중량 손실 이내였다. 질량 측정은 주조 알루미늄 조각에서 시험된 모든 억제제 조합이 블랭크 용액(즉, 베이스 글리콜-물 열 전달 유체 용액)과 비교하여 Al의 국소 부식 방지에 있어서 개선을 나타낸다는 것을 시사한다. 최상의 결과는 0.1wt% Silwet L-77 + 40ppm BZT를 함유하는 개시된 부식 억제 연료전지 열 전달 유체에서 얻어졌다. 0.1wt% Silwet L-7650 + 40ppm BZT는 두 번째로 좋은 결과를 야기했다. 이 결과는 실록산 기제 계면활성제와 아졸을 모두 함유하는 개시된 부식 억제제가 열 전달 유체 용액에서 알루미늄의 국소 부식을 방지하는데 대해 상승작용의 긍정적인 효과를 가짐을 예시한다. (4) BZT가 없는 용액에서는 황동 부식율이 허용한계, 즉 허용되는 질량 손실인 10mg 미만보다 모두 높았다.
실시예 3
개시된 부식 억제 열 전달 유체의 부식 억제 작용을 변형 ASTM D1384 시험을 사용하여 다시 평가했다. 50vol% 에틸렌 글리콜 + 50vol% 탈이온수의 베이스 용액을 사용했다. 2개의 시험 샘플과 블랭크를 표 3의 1행에 따라서 제조했다. 시험 조건은 온도 80℃, 시험 기간 336시간이었다. 주조 Al 조각 1개와 황동 조각 1개를 사용하여 다양한 시험 용액과의 접촉에 의해 야기된 부식 정도를 측정했다. 표 3은 시험 조각의 질량 손실 데이터를 나타낸다.
억제제
(ppm)		 주조 Al
(mg)		 Al 3003
(mg)		 황동
(mg)		 스테인리스
스틸 (mg)		 전도도
(μS/cm)
블랭크
200 Ludox SK
400 Ludox SK		 -3.4
2.4
3.6		 -0.7
0.2
0.4		 20.4
12.9
8.7		 0.0
0.1
0.1		 0.16
0.26
0.38
표 3의 결과는 다음의 사항을 나타낸다: (1) 12nm의 공칭 입자 크기를 갖는 중성 pH 콜로이드상 실리카 제품인 Ludox SK는 시험 조건 하에서 허용되는 부식 방지를 제공할 수 있다. 특히, 황동에 대한 부식 방지는 Ludox SK 농도가 증가할수록 개선된다. 400ppm Ludox SK 만으로도 ASTM D1384 시험 조각 질량 손실 항목에 따른 시험 조건 하에서 주조 알루미늄, Al 3003, 황동 및 스테인리스 스틸에 대한 만족할 만한 부식 방지를 제공하는데 충분하다. (2) Ludox SK는 200 내지 400ppm의 용량 수준에서 용액 전도도에 최소한의 증가를 가져온다.
실시예 4
52wt% 글리콜 + 48wt% 물 용액의 표면장력을 줄이는데 있어서 개시된 실록산 기제 계면활성제의 능력을 측정했다. 또, 몇 가지 다른 공지된 효과적인 표면장력 감소제를 시험했다. 표면장력은 평판법을 이용하는 Kruss K12 장력계, SN# 96415를 사용하여 측정했다. 이 장치의 정확도를 시험하기 위한 탈이온수의 표면장력은 72.45로 측정되었다(허용치와 비교하여 0.5% 오차). 결과를 표 4에 나타낸다. 또한, 상이한 계면활성제 농도 조건 하에서 몇 가지 개시된 실록산 기제 계면활성제를 갖는 50wt% 에틸렌 글리콜 + 50wt% 탈이온수 용액에서 유사한 표면장력 측정을 수행했다. 결과를 표 5에 나타낸다.
첨가제 첨가제 농도 (%) 표면장력 (mN/m)
없음 0 50.37
Silwet L-77 10 21.35
Silwet L-7657 10 23.82
Silwet L-7600 10 23.71
Dehypound HSC 5515 10 29.82
Silwet L-7650 10 24.46
다우코팅 강력 습윤제
Q2-5211		 10 21.44
실시예 4 - 추가의 표면장력 측정 결과
표면장력 측정 결과, 베이스 용액 : 50wt% EG + 50wt% 탈이온수 H2O
첨가제 Silwet L-7650 Silwet L-7657 Silwet L-77 다우코닝
Q2-5211
농도 (mg/L) 평균표면장력
(mN/m)		 평균표면장력
(mN/m)		 평균표면장력
(mN/m)		 평균표면장력
(mN/m)
0 51.2 48.82 53.7 55.52
45.5 41.49 30.4 28.81 30.32
115.4 34.48 28.74 25.84 25.99
166.7 33.21 28.24 24.29 24.66
205.9 32.41 27.94 23.45 24.03
250 32.37 27.62 22.86 23.39
주: 강력 습윤제 Q2-5211은 다우코닝(미시간 미들랜드)로부터 입수가능한
저분자량 비-이온성 실리콘 폴리에테르 계면활성제이다.
Dehypound HSC 5515는 Cognis Corp.(오하이오 신시네티)로부터 입수가능한
알킬 폴리글리코시드 및 비이온성 거품제거제에 기초한 계면활성제 블렌드이다.
표 4 및 5에 나타낸 대로, 개시된 실록산 기제 계면활성제는 모두 글리콜 기제 열 전달 유체의 표면장력을 줄이는데 매우 효과적이다. 시험된 화합물 중에서 Silwet L-77이 용액의 표면장력을 줄이는데 가장 효과적이다.

Claims (23)

  1. 아졸 화합물, 및 실록산 기제 계면활성제, 콜로이드상 실리카 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는 부식 억제제를 포함하며, 200μS/cm 이하의 전도도를 갖는 열 전달 시스템에 사용되는 부식 억제 열 전달 유체로서,
    상기 실록산 기제 계면활성제가 식 R3-Si-[O-Si(R)2]x-OSiR3을 가지며, 여기서 R은 1 내지 200개 탄소를 갖는 알킬기 또는 폴리알킬렌 옥시드 공중합체이고, x는 1 내지 100인 것을 특징으로 하는 부식 억제 열 전달 유체.
  2. 제 1 항에 있어서, 10μS/cm 미만의 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 부식 억제 열 전달 유체.
  3. 제 1 항에 있어서, 아졸 화합물이 벤조트리아졸, 톨리트리아졸, 4-메틸 벤조트리아졸, 5-메틸 벤조트리아졸, 부틸 벤조트리아졸, 메르캅토벤조티아졸, 벤지미다졸, 메틸 벤지미다졸, 클로로- 또는 브로모-메틸벤조트리아졸, 또는 이들의 조합 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 부식 억제 열 전달 유체.
  4. 제 1 항에 있어서, 실록산 기제 계면활성제가 폴리실록산, 하나 이상의 규소-탄소 결합을 포함하는 유기실란 화합물, 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 부식 억제 열 전달 유체.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 실록산 기제 계면활성제가, 2 내지 6개 탄소를 갖는 하나 이상의 알킬렌 옥시드의 폴리알킬렌 옥시드 공중합체인 R 기를 하나 이상 가지는 것을 특징으로 하는 부식 억제 열 전달 유체.
  7. 제 4 항에 있어서, 실록산 기제 계면활성제가 식 RSi(OR)3을 가지며, 여기서 R 기는 동일하거나 상이할 수 있고, 방향족 기, 고리지방족 기, 알킬기, 알콕시기, 또는 알킬렌기일 수 있는 것을 특징으로 하는 부식 억제 열 전달 유체.
  8. 제 7 항에 있어서, R 기 중 하나 이상이 N 또는 S와 같은 헤테로원자를 함유하는 것을 특징으로 하는 부식 억제 열 전달 유체.
  9. 제 4 항에 있어서, 실록산 기제 계면활성제가 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, 옥틸트리에톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-메르캅토프로필트리메톡시실란, 이소부틸트리메톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 또는 이들의 조합 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 부식 억제 열 전달 유체.
  10. 제 1 항에 있어서, 콜로이드상 실리카가 1nm 내지 200nm의 평균 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 부식 억제 열 전달 유체.
  11. 10μS/cm 미만의 전도도를 가지며,
    제 2 항의 부식 억제 유체를 포함하는,
    부식 억제 열 전달 유체의 유로를 한정하는 순환 루프를 포함하는 열 전달 시스템.
  12. 대체 전력원, 및 대체 전력원과 열적으로 통하는 제 11 항의 열 전달 시스템을 포함하는, 대체 전력원에 의해 동력이 공급되는 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서, 대체 전력원은 양극, 음극, 및 전해질을 포함하는 전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  14. 삭제
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