KR20050004782A

KR20050004782A - 연료 전지 어셈블리용 고전기저항을 갖는 열전이 조성물

Info

Publication number: KR20050004782A
Application number: KR10-2004-7012937A
Authority: KR
Inventors: 캐롤 에스. 제프코트; 알렉세이 브이. 저션; 피터 엠. 와이씨에세스; 필리페 제이. 마린노
Original assignee: 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2005-01-12
Also published as: ATE414753T1; CN100341975C; CN1646659A; AU2003225581A1; ES2315516T3; US20090123793A1; EP1476524A1; KR100982223B1; JP2005517796A; US7608198B2; US7481948B2; WO2003070854A1; EP1476524B1; US20030198847A1; DE60324771D1

Abstract

본 발명은 일반적으로 열전이 조성물에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 동력발생장치 또는 엔진에 사용하기 위한 높은 전기저항을 갖는 열전이 조성물에 관한 것이다. 이러한 조성물은 연료전지 어셈블리에 특히 유용하다.

Description

연료 전지 어셈블리용 고전기저항을 갖는 열전이 조성물{Heat transfer Compositions with High Electrical Resistance For Fuel Cell Assemblies}

내부 연소 엔진 ("ICEs")용 열전이 액체(예를 들어 냉각제)가 알려져 있다. 이러한 액체에는 일반적으로 50중량%의 물과 50중량%의 에틸렌글리콜, 미량의 부식 억제제와 같은 첨가제가 포함되어 있다. 그러나, ICE는 다가오는 수십년 사이에 쓸모없게 될 수도 있다. 연료전지가 잠재적인 대체물로 부각되고 있다. 일반적으로 연료 전지는 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 전기화학적 장치이다. 이들은 ICE에 비추어 여러가지 장점을 제공한다. 연료 전지는 연료로부터 에너지를 추출하는데 더욱 효과적이다(예를 들어, 터보디젤 엔진의 경우 40%, 가솔린 엔진의 경우 30%인데 비추어 60-70%의 효율을 나타낸다). 더우기, 연료전지는 조용하고 오염물질의 방출이 무시할 수 있을 정도이다. 또한, 연료전지의 주 연료원이 수소여서 ICE 연료원으로 사용되는 예를 들면 가솔린보다 더욱 쉽게 이용가능하다. 그러나, ICE를 연료 전지로 대체함에 있어서는 공지의 열전이 액체도 동시에 대체될 필요성이 있을 수 있다.

연료 전지는 통상적으로 양극(양성적으로 대전된 전극), 음극(음성적으로 대전된 전극) 및 두 전극 사이에 위치한 전해물질로 이루어져 있다. 각 전극은 촉매 층으로 피복되어 있다. 양극에서 수소와 같은 연료는 촉매적으로 전환되어 양이온을 형성하고, 이는 전해물질을 통해 음극으로 이동한다. 음극에서, 산소와 같은 산화제는 촉매층과 반응하여 음이온을 형성한다. 음이온과 양이온 사이의 반응으로 반응 생성물, 전기 및 열이 생성되게 된다.

연료전지에서 생성되는 전류는 전극의 크기(면적)에 비례한다. 단일 연료 전지는 일발적으로 비교적 적은 전압(약 1 볼트)을 생성한다. 더 높은 전압을 생성하기 위해서는 몇개의 연료 전지가 인접하는 연료 전지를 분리하는 양극판을 따라 직렬 또는 병렬로 연결되어야 한다(예를 들어 "집적(stacked)"). 여기서 사용된 연료 전지 어셈블리는 개별적인 연료전지를 의미한다. 연료 전지에 사용되는 가장 일반적인 연료 및 산화제는 수소와 산소이다. 이러한 연료 전지에서 양극 및 음극에서 일어나는 반응은 다음의 반응식으로 표시된다:

양극에서의 반응: H₂→2H⁺+ 2e^-(1)

음극에서의 반응: 1/2 O₂+ 2H⁺+ 2e^-→H₂O (2)

연료전지에서 사용되는 산소는 공기로부터 나온다. 여기서 사용되는 수소는 수소 가스 또는 "개질된" 수소의 형태일 수 있다. 개질된 수소는 연료 전지 어셈블리의 선택적인 요소인 개질기에 의해 생산되는데, 탄화수소 연료(예를 들어, 메탄올, 천연 가스, 가솔린 등)가 수소로 전환되게 된다. 개질 반응은 수소 뿐만 아니라 열을 생성한다. 최근에는 전해물질(고체 또는 액체), 작동 온도 및 연료 선호도에 따라 5가지 유형의 연료 전지가 있다. 연료 전지의 유형에는 양자 교환막 연료전지("PEMFC"), 인산 연료 전지 ("PAFC"), 용융 카보네이트 연료 전지 ("MCFC"), 고체 산화물 연료 전지("SOFC") 및 알카리성 연료 전지("AFC")가 있다. 중합체 전해질 막 연료 전지로도 알려져 있는 PEMFC는 전해물질로서 이온 교환 막을 사용한다. 막은 양극과 음극사이에서 단지 양성자만이 통과하도록 한다. PEMFC의 경우 수소 연료는 양극에 도입되어 촉매적으로 산화되어 전자를 방출하고 양성자를 형성한다. 전자는 외부 회로를 따라 음극으로 전류의 형태로 이동하게 된다. 동시에 양성자는 막을 따라 음극으로 확산되어 거기서 산소와 반응하여 물을 생성하고 결국 전체적인 공정을 마치게 된다. PEMFC는 비교적 저온(약 200°F)에서 작동하며, 이러한 유형의 연료전지는 연료의 불순물에 대해 민감하다는 단점이 있다.

PAFC는 전해물질로써 인산을 사용한다. PAFC의 작동 온도 범위는 약 300-400 °F이다. PEMFC와 달리, PAFC는 연료의 불순물에 대해 민감하지 않다. 이런 점에서 사용할 수 있는 연료 선택의 폭이 넓다. 그러나 PAFC는 몇가지 단점이 있다. 그중 하나는 PAFC는 값비싼 촉매(백금)을 사용한다는 것이다. 또 다른 단점은 다른 유형의 연료 전지에 비해 전류와 동력이 낮다는 것이다. 또한 PAFC는 일반적으로 크기와 무게가 크다.

MCFC는 전해물질로써 Li⁺, Na⁺또는 K⁺와 같은 알카리 금속 카보네이트를 사용한다. 알카리 금속 카보네이트가 전해물질로써 기능하기 위해서는 액체 형태이어야 한다. 결과적으로 MCFC는 약 1200°F의 온도에서 작동한다. 이와 같이 높은 작동 온도는 전해물질의 충분한 전도성을 얻는데 필요하다. 이는 연료를 선택하는데 있어서(예를 들어 개질된 수소) 더 큰 유연성을 허여하나 동시에 전지 구성 요소의 부식과 파손을 증가시킨다.

SOFC는 액체 형태의 전해물질보다 고체의 비다공성 금속 산화물을 전해물질로써 사용한다. MCFC와 같이 SOFC는 약 700 내지 1000℃(1290 내지 1830°F)의 고온에서 작동한다. SOFC의 높은 작동 온도는 MCFC와 마찬가지의 장점과 단점을 제공한다. SOFC의 추가적인 장점은 그 전해물질의 고형 상태 특성에 있는 바, 이는 연료 전지 어셈블리의 형상에 대한 제한을 없앤다(예를 들어 SOFC는 평판형 또는 튜브형태로 디자인될 수 있다).

연료 전지의 마지막 유형은 AFC로 알려져 있는데 전해물질로써 알카리성 수산화 칼륨의 수용액을 사용하는데 이의 작동 온도는 약 150 내지 200℃(약 300 내지 400°F)이다. AFC의 장점은 음극 반응이 산성 전해물질에서보다 알카리성 전해물질에서 더 빠르다는 점이다.

그러나, AFC는 오염되기 쉬어 순수한 수소와 산소와 같이 순수한 반응물을 필요로 한다.

일반적으로 연료 전지 어셈블리(예를 들어 전기화학적 반응과 개질 반응)내에서 일어나는 반응은 발열반응이다. 그러나, 이러한 반응에 적용된 촉매는 열에 대해 민감하다. 최적으로 반응을 수행하기 위해서는 연료 전지가 집적되어 있는 각각의 전지를 따라 거의 균일한 특정 온도에서 유지되어야 한다. 예를 들어 고온에서는 촉매가 손상될 수 있고, 저온에서는 연료 전지 어셈블리내에 얼음이 형성될 수도 있다. 따라서, 이러한 온도 조건을 수용하기 위해서는 열전이 조성물이 필요하다.

이제까지 알려진 열전이 조성물은 연료 전지 어셈블리에 사용되기에는 적합하지 않다. 통상적인 열전이 액체는 부식 억제제를 포함하고 있는데 이는 일반적으로 금속 또는 무기산 염이다. 이러한 염은 용액내에 이온으로 존재한다. 상당한 양의 양이온과 음이온이 용액내에 존재하면 "빗나간(stray) 전류"를 위한 통로를 제공하게 된다. 이러한 빗나간 전류는 여러가지 이유로 제한되어야 한다. 첫째, 이것은 연료 전지 작동자에게 전기 쇼크의 위험을 줄 수 있다. 둘째, 이러한 빗나간 전류는 냉각 시스템에서 가수분해시 상당히 폭발성이 있는 수소 가스를 생성할 수 있다. 마지막으로 연료 전지에 의해 생성된 전기의 상당 부분은 동력 생성으로 사용되기 보다는 액체를 따라 없어지게 되고, 이로써 연료 전지 어셈블리의 효율을 감소시킬 수 있다. 따라서, 연료 전지에 적용되는 열전이 액체는 ICE에 적용되는 것보다 전기 전도율이 낮아야(즉, 높은 전기 저항) 한다.

전기 저항외에, 연료 전지의 열전이 액체를 개발하는데 있어서 추가적으로 고려해야 할 것이 있다. 그중 하나는 이의 적용과 관련된다. 자동차에 적용되는 연료 전지 열전이 액체는 ICE에서와는 다른 금속에 노출되게 된다. 예를 들어 ICE는 주형 철, 스틸, 황동, 땜납, 및 구리를 포함하는 반면, 연료 전지 어셈블리는 스테인레스 스틸, 몇몇 알루미늄 합금, 특히 피복된 알루미늄과 절연 폴리머들을 포함할 것으로 예상된다. 따라서, 연료 전지 열전이 액체는 다른 유형의 금속을 수용해야 한다. 또 다른 고려 사항은 열전이 액체의 물성과 관련된다. 연료 전지에서 열전이 액체는 촉매층을 따라 균일한 온도를 유지하기 위해서 어셈블리를 따라 유동할 수 있어야 한다. 이는 열전이 액체의 어는 점, 증기 압력, 점도, 펌프력, 및 층류 흐름에 따라 다르다. 이러한 특성 외에 열전이 액체의 가스를 흡수할 수 있는 능력은 열전이 액체의 전도율에 영향을 준다. 최종적으로 고려해야 할 사항으로 연료 전지 열전이 액체는 기존의 열전이 액체와 마찬가지로 경제적이어야 한다.

일반적으로 연료 전지에 적용되는 열전이 액체로써 물이나 탈이온수가 사용되어 왔다. 미국 특허 제 5,252,410; 4,344,850; 6,120,925; 및 5,804,326호를 참조. 그러나 물을 연료 전지 열전이 액체로 사용하는데는 몇가지 단점이 있다. 첫째, 연료 전지는 예를 들어 광범위한 온도범위와 같이 극한 환경 조건에 노출될 수 있다. 연료 전지의 작동 온도가 물의 어는점 밑으로 내려갈 때 물의 체적 팽창이 연료 전지에 심각한 손상을 줄 수 있다. 또한, 물은 연료 전지용으로 사용되는 다른 금속에 부식을 일으킬 수 있다. 결과적으로 무기 및/또는 유기 억제제가 오랜 기간의 부식 방지를 위해 제공되어야 할 필요가 있을 것이다. 그러나, 이러한 억제제는 열전이 액체의 전기 저항을 변화시킬 수 있다. 마지막으로 물의 전기 전도율은 부산물인 분해 오염물질과 녹의 축적으로 시간이 지남에 따라 변화될 수 있다. 이러한 각각의 것들이 연료 전지의 성능에 치명적이다.

물 열전이 액체의 어느점 이상으로 온도를 유지하기 위한 노력이 연료 전지 어셈블리의 설계에 집중되었다. 예를 들어, 미국 특허 제 6,248,462 B1('462 특허)에는 집적된 연료 전지를 따라 산재된 냉각판을 포함하는 집적 연료 전지가 개시되어 있다. 냉각판은 그 채널을 따라 부동액을 순환시킨다. 이러한 냉각판은 집적 연료 전지의 나머지 부분으로 부동액을 확산시키는 것을 방지한다. 냉각판이 열전이 액체로써 물을 사용하는 것과 관련된 첫번째 문제를 처리하긴 하지만 이들 모두를 제거하지는 못했다. 더우기 이러한 냉각판을 집적 연료 전지에 추가하는 것은 집적 연료 전지의 전체적인 무게와 부피를 증가시킨다.

이러한 단점을 해결하기 위한 노력으로 공지의 부동액을 수용하는 연료 전지 어셈블리의 개발에 주력하게 되었다. 예를 들어, 미국 특허 제 6,316,135 B1과 국제 공개 WO 01/47052 A1에는 열전이 액체로써 부동액만을 사용하는 연료 전지 어셈블리가 개시되어 있다. 이러한 연료 전지 어셈블리는 특정 "내젖음성" 성분, 예를 들어 실질적으로 소수성인 성분을 포함한다. 이러한 어셈블리의 설계는 부동액이 전해물질과 촉매를 오염시키는 것을 막아 결국 부동액을 연료 전지 어셈블리의 요소들 (예를 들어 냉각판에서)로부터 분리시킬 필요가 없게 한다. 결과적으로 집적 연료 전지는 '462 특허에 개시된 것 보다 적은 무게와 부피를 갖게 될 수 있다. 그러나, 이러한 연료 전지 어셈블리는 부동액 오염과 내젖음성 물질로 인한 감소된 냉각 효율 등, 여러가지 문제점을 갖고 있다.

또한 새로운 열전이 액체가 개발되고 있다. 예를 들어, 미국 특허 제5,868,105; 6,101,988; 6,053,132; 및 6,230,669호는 물보다 높은 포화 온도를 갖는 실질적으로 무수성인 끓을 수 있는 액체인 열전이 액체를 개시하고 있다. 개시된 열전이 액체는 예를 들어 5중량% 미만의 최소 물 함량을 갖는다. 이러한 열전이 액체의 한가지 예는 부식을 억제하기 위한 첨가제와 프로필렌 글리콜을 포함하는 것이다. 열전이 액체로써 프로필렌 글리콜을 사용하는 것은 제한이 있다. 중요한 제한 중 하나는 그 점도에 있다. 저온에서 프로필렌 글리콜은 고점성을 나타낸다. 이는 연료 전지 어셈블리를 따라 유동성을 낮추게 하여 결국 열 제거 효율을 낮춘다. 이러한 결과는 연료 전지 어셈블리의 효율을 감소시킨다.

물과 알콜의 혼합물이 연료 전지 열전이 액체로써 사용되어 왔다. 예를 들어 일본 특허 공개 제 7-185303호를 참조. 이러한 혼합물은 용매 증발로부터 발생되는 결함으로 인한 문제가 있다. 메탄올과 같은 알콜은 약간의 열전이 액체가 냉각층으로 증발되게 할 수 있다. 이러한 증발은 냉각층의 압력을 올려 열전이 액체가 연료 전지 어셈블리를 따라 일정한 비율로 유동하는 것을 막는다. 이는 촉매층을 따라 열전이 액체가 균일한 온도를 유지하는 능력에 영향을 준다.

기타 다른 연료 전지 열전이 액체도 사용되었다. 예를 들어 물-글리콜 혼합물, 테니놀 D-12(수소 처리된 중량의 나프타(석유)) 및 유전체 액체(예를 들어 미네랄 오일과 실리콘 오일)가 연료 전지에 사용되고 있다. 미국 특허 제 5,565,279; 5,252,410; 5,804,326; 및 6,218,038을 참조. PCT 공개 WO 01/23495호에 개시된 연료 전지 열전이 액체에는 물, 글리콜 및 부식 억제제가 포함되어 있다. 상기 열전이 액체 각각은 인화성 및 증가된 전도성(즉, 감소된 저항) 등의 문제점이 있다.

따라서, 부식, 냉동, 증발 및 가스 흡착에 대한 내성을 가지는 한편, 동시에 오래 지속되는 성능과 고전기저항을 제공하는 열전이 액체 조성물이 요구되고 있다.

본 발명은 열전이 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 동력 발생 장치 또는 엔진에 사용되는 고전기저항을 갖는 열전이 조성물에 관한 것이다. 이러한 조성물은 특히 연료 전지 어셈블리에 유용하다.

본 발명의 목적은 연료 전지 어셈블리에 사용되는 열전이 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고전기 저항을 갖는 연료 전지 어셈블리에 사용되는 열전이 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 약 5㏀.cm이상의 전기저항을 갖는 연료 전지 어셈블리용 열전이 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 부식을 방지하는 열전이 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 냉동을 방지하는 열전이 조성물을 제공하는 것이다.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하며, 이로써 제한되는 것은 아니다.

본 발명은 연료전지 어셈블리에 사용되는 열전이 조성물을 제공한다. 보다 상세하게, 본 발명은:

(a)알콜 약 0~90중량%;

(b)폴리알킬렌 옥사이드 약 1~90중량%;

(c)첨가제 약 0~50중량%; 및

(d)밸런스로서 물

을 포함하는 연료 전지 어셈블리에서의 사용을 위한 열전이 조성물을 제공한다.

이러한 열전이 조성물은 특히 높은 전기저항을 제공하면서 완화성(assuasive) 열을 제거하며 적당한 조작온도를 유지하는 연료 전지 어셈블리에서의 사용에 매우 적합하다.

본 발명의 조성물에서 제 1성분은 알콜이다. 적합한 알콜로는 모노하이드릭 또는 폴리하이드릭 알콜 및 이들의 혼합물을 포함한다. 바람직한 알콜로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 푸르푸롤, 테트라하이드로푸르푸릴알콜("THFA"), 에톡실레이트된 푸르푸릴, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 1,2-프로필렌 글리콜, 1,3-프로필렌 글리콜, 디프로필렌글리콜, 부틸렌글리콜 글리세롤, 글리세롤의 모노에틸에테르, 글리세롤의 디메틸에테르, 소르비톨, 1,2,6-헥산트리올, 트리메틸올프로판, 알콕시알칸올(메톡시에탄올과 같은) 및 이들의 혼합물이다. 보다 바람직하게, 상기 알콜은 에틸렌글리콜, 1,2-프로필렌글리콜, 1,3-프로필렌글리콜, 글리세롤, 테트라하이드로푸르푸릴 알콜 및 이들의 혼합물이다.

알콜은 조성물에서 약 0~90%(중량)의 양으로 존재하며 바람직하게는 약 20~80%이다. 보다 바람직하게, 상기 알콜은 약 30~70%, 보다 바람직하게는 약 40~60%의 양으로 존재한다.

조성물에서 제 2성분은 폴리알킬렌 옥사이드이다. 본 발명의 조성물에서 유용한 폴리알킬렌옥사이드는 평균분자량이 약 55~380,000이며, 보다 바람직하게는 약 135~10,000이다.

적합한 폴리알킬렌 옥사이드는 폴리옥시에틸렌("EO"), 옥시프로필렌("PO"), 옥시부틸렌("BO") 중합체 및 이들의 혼합물이다. 바람직하게, 상기 폴리알킬렌옥사이드는 약 1:100 ~ 100:1, 바람직하게는 약 1:3 ~ 3:1의 EO 대 PO의 중량비율을 갖는 EO 및 PO 중합체의 공중합체이다. 보다 바람직하게, 상기 폴리알킬렌 옥사이드는 Union Carbide/Dow Chemical사의

; BASF의

; Olin사의

;Osi Specialties 사의

L-77, Formasil891, Formasil 593, Formasil 433 또는 Formasil 891;

또는 Path Silicones, Inc의 TBF-190이다.

보다 바람직하게, 상기 폴리알킬렌 옥사이드는

이다.

상기 폴리알킬렌 옥사이드는 약 1~90%(중량), 바람직하게는 약 2~75%의 양으로 조성물에 존재한다. 보다 바람직하게, 상기 폴리알킬렌 옥사이드는 약 3~50%, 보다 바람직하게는 약 5~25%(중량)의 양으로 존재한다.

바람직하게, 알콜 대 폴리알킬렌 옥사이드의 중량비율은 약 3:1, 보다 바람직하게는 약 5:1, 보다 더 바람직하게는 약 15:1이다.

본 발명의 조성물에서 제 3성분은 하나 이상의 첨가제이다. 이러한 첨가제로는 전기저항의 감소에 의해 연료전지 어셈블리에 역효과를 미치지 않는 이 기술분야에 알려진 유전성 액체[예를 들어, 미네랄, 합성 및 실리콘 액체(예, Witco Corporation의 Armul 시리즈) 또는 오일 및 이들의 혼합물]; 습윤제(Rhodia의 Rhodafac PL-6), 계면활성제(예, BASF의 Mazon RI 또는 14a 시리즈; Henkel Chemical의 Deriphat 시리즈, Rhodia의 Rhodameen T-15, Miranol CS Conc, Mirapol WT, Mirataine H2C-HA 및 Miramine TO-DT); 거품억제제 및/또는 윤활제(예, 폴리실옥산 및 폴리디메틸실옥산, Rhodia의 Rhodafac PA-32, Lubrophos RD-570 및 Lubrophos LB-400; Path Silicones, Inc의 TBA4456); 용매(예, Exxonmobile의 Exxsol 시리즈); 및 부식억제제(Path Silicones, Inc의 TBF-77A 및 TBF-193) 및 이 기술분야에 알려진 다른 첨가제를 포함한다.

상기 첨가제는 조성물에서 약 0~50%(중량), 바람직하게는 약 1~30%의 양으로 존재한다. 보다 바람직하게, 상기 첨가제는 약 2~20%의 양으로 존재하며, 보다 더 바람직하게는 약 3~10%의 양으로 존재한다.

본 발명의 바람직한 조성물을 이하 설명하고자 한다.

일 바람직한 조성물은:

(a)알콜 약 20~80중량%;

(b)폴리알켄옥사이드 약 2~75중량%;

(c)첨가제 약 1~30중량%; 및

(d)밸런스로서 물

을 포함한다.

보다 바람직한 조성물은:

(a)알콜 약 30~70중량%;

(b)폴리알켄옥사이드 약 3~50중량%;

(c)첨가제 약 2~20중량%; 및

(d)밸런스로서 물

을 포함한다.

보다 더 바람직한 조성물은:

(a) 알콜 약 40~60중량%;

(b)폴리알켄옥사이드 약 5~25중량%;

(c)첨가제 약 3~10중량%; 및

(d)밸런스로서 물

을 포함한다.

일 구현에 따라서, 본 발명의 열전이 조성물은 높은 전기저항을 제공한다. 이러한 열전이 조성물은 약 5㏀.cm이상의 전기저항값을 갖는다.

다른 구현에 따라서, 본 발명의 열전이 조성물은 부식, 냉동, 증발, 및 가스 흡착에 잘 견디면서, 전기저항에 변화없이 장기간 지속적인 수행성을 제공한다.

본 발명의 열전이 조성물은 농축물로서 제조될 수 있다. 이러한 농축물은 물로 희석될 수 있다.

또한, 본 발명은 하나 이상의 연료전지 어셈블리 및 본 발명의 열전이 조성물을 포함하는 연료전기 시스템을 제공한다. 이러한 연료 전지 어셈블리는 PEMFC, PAFC, MCFC, SOFC 및 AFC로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.

나아가, 본 발명은 연료전지 어셈블리로부터 열을 제거하는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 연료전지 어셈블리를 직접적으로 또는 간접적으로 본 발명의 열전이 조성물과 접촉하는 단계를 포함한다. 이러한 연료전지 어샘블리는 PEMFC, PAFC, MCFC, SOFC 및 AFC로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.

본 발명을 이하 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.

실시예

138개의 상이한 열전이 조성물을 제조하였다(실시예 1-138). 이러한 조성물의 성분을 다음 표 1~23에 나타낸다. 다음 표에서 사용되는 약어는 다음과 같다: 성분 A는 알콜, 성분 B는 폴리알킬렌 옥사이드, 성분 C는 첨가제, 성분 D는 물, EG는 에틸렌글리콜, PG는 프로필렌글리콜, G는 글리세롤 및 THFA는 테트라하이드로푸르푸롤알콜이다.

[표 1]

¹GM-4043M

²Havoline Extended Life Coolant

[표 2]

¹80℃에서의 저항

[표 3]

¹80℃에서의 저항

[표 4]

¹80℃에서의 저항

[표 5]

¹80℃에서의 저항

[표 6]

[표 7]

[표 8]

[표 9]

[표 10]

[표 11]

[표 12]

[표 13]

[표 14]

[표 15]

[표 16]

[표 17]

[표 18]

[표 19]

[표 20]

[표 21]

[표 22]

[표 23]

용액저항성의 측정

ASTM 표준 D 1125에서, 전기 저항 R은 특정 온도에서 한 변이 1cm인 정육면체의 수용액의 대향면 사이에서 측정된 옴(ohms) 단위의 ac 저항으로 정의된다. 전기 저항은 공지의 표면적을 갖는 평행한 백금면과 이격거리 사이에 ac 구동 전압을 인가하여 상기 수용액의 저항을 측정함으로써 구해진다. 전지의 실제 저항 Rx는 다음 식으로 표현된다.

Rx = R ㆍL/A

여기서, L은 상기 백금면의 이격거리로서 단위는 cm이며, A는 상기 백금면의 단면적으로서 단위는 cm²이다. 그리고, R은 상기 수용액의 저항으로서 단위는 ㏁이다. 약 5㏀ 보다 큰 저항값은 연료 전지 응용분야에 적용 가능한 것으로 여겨진다.

용액저항력은 프로브(probe)를 통한 유리 백금 흐름을 갖는 Traceable? Bench Conductivity Meter 4163을 사용하여 측정되었다. 기기를 NIST(표준 및 기술 국제기구(National Institute of Standards and Technology))로 보정하였다. 상기 프로브를 탈이온("DI")수로 헹구고 건조하고 시험용액으로 헹구어 시험 용액의 희석 및 오염을 피하였다. 상기 프로브를 약 50ml의 시험용액에 침윤시켰다. 프로브가 교반 작동으로 용액을 통하여 이동됨에 따라 측정하였다. 상기 교반작용은 극성화의 방지를 돕는다. 전기저항값은 다음 ASTM 시험 방법 D1125로 측정되었다.

표 1~23은 본 발명의 열전이 조성물이 높은 전기저항(즉, 약 5㏀.cm 이상의 전기저항값)을 제공함을 나타낸다. 예를 들어, 실시예 35-37, 39-41, 43-45, 47-49, 51-53, 65-67, 69-70, 72-73, 77, 92, 94, 96, 101, 103, 105, 107, 109, 114-121, 123, 125-126, 129 및 134-137은 약 11.1~0.03㏁.cm의 전기저항을 갖는다. 반대로, 무기 부동액(실시예 1~3), 또는 유기 부동액(실시예 4~6)을 함유하는 대조 조성물은 1.7~0.3㏀.cm의 낮은 전기저항을 나타낸다.

실험 개질된 ASTM D-1384 - "유리제품에서의 엔진냉각제용 표준 부식시험방법"

13개의 열전이 조성물을 제조하고 ASTM D1384에 의해 상기된 조건(이하 설명된 바와 같이 변형된)하에서 평가하였다. 본 발명에 편입된 ASTM 표준의 Annual Book, section 15, volume 15.05(2000)을 참고바란다. ASTM D 1384는 냉각시스템 및/또는 내부연소엔진의 가열시스템에 일반적으로 사용되는 다양한 금속의 부식을 시험하는 표준방법이다. ASTM D1384는 연료전지 어셈블리에서 사용되는 금속의 평가를 위하여 개질되었다. 이러한 금속으로는 스테인레스강, 알루미늄 합금 및 절연중합체를 포함한다. ASTM D1384는 시험 배합물이 "부식수"(즉, SO₄ ^-2, HCO₃ ^-및 Cl^-을 각각 100ppm 함유하는 DI수, 모두 Na⁺염으로서 첨가되었다)로 희석되지 않도록 추가개질되었다. 이러한 희석은 통상적인 부동액 농축물에 첨가되는 물에서의 변형을 설명하며, 이는 연료전지 열전이 액체의 경우에는 일어날 수 없다.

조성물을 제조하고 ASTM D1384(금속시편을 열전이 조성물에 336시간동안 침윤되며 88℃의 온도로 유지된다)로 상기된 시험방법에 이들을 적용한 후에, 금속시편의 중량변화를 측정하였다(평균 2회 측정). 마이너스 중량손실은 금속표면상의 보호 코팅의 형성으로 인항 중량증가를 의미한다. 구리, 동, 강철 및 주철 각각의 경우에 10mg, 알루미늄 및 솔더 각각 30mg의 중량손실이 ASTM D1384를 통과시킨 최대값이다.

표 24에서와 같이, 본 발명의 열전이 조성물은 스테인레스강 및 알루미늄 모두의 경우에 부식 억제를 제공한다. 예를 들어, 실시예 66-67, 123 및 124-126은 스테인레스 강 중량손실 <0.3mg을 나타내며, 실시예 65-67, 123 및 125는 알루미늄 중량손실 ≤10mg을 나타내었다. 표 24는 또한 이러한 배합물이 ASTM D1384에서 물과 비교하여 다른 금속(실시예 7), 물/프로필렌글리콜 혼합물(실시예 15 및 127), 물/1,3-프로판디올 혼합물(실시예 122) 및 물/에틸렌글리콜 혼합물(실시예 128)의 경우에 효과적인 부식억제제이다.

[표 24]

Nt - 시험되지 않음; 실시예 1, 128 및 129는 ASTM D1384 시험 필요조건하에서 시험되었다.

개질된 ASTM D1384 시험의 완료후에, 10개의 열전이 조성물(실시예 21, 64-67, 122-126)에 대하여 전기저항을 측정하였다. 표 11-12 및 21에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 조성물은 확장된 시험시간에 대하여 상이한 금속 표면에 노출후에도 높은 전기저항을 제공한다. 예를 들어, 실시예 65-67, 123 및 125~126은 ASTM D1384 시험 후에 약 1~0.04㏁.cm의 전기저항을 나타낸다.

Claims

(a) 알콜 약 0~90중량%;

(b) 폴리알켄옥사이드 약 1~90중량%;

(c) 첨가제 약 0~50중량%; 및

(d) 밸런스로서 물

을 포함하며, 연료전지 어셈블리에 사용되는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 조성물은 알콜을 약 20~80%로 포함함을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 조성물은 알콜을 약 30~70%로 포함함을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 조성물은 알콜을 약 40~60%로 포함함을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 알콜은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 푸르푸롤, 테트라하이드로푸르푸릴, 에톡실레이트된 푸르푸릴, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 1,2-프로필렌글리콜, 1,3-프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 부틸렌글리콜, 글리세롤, 글리세롤의 모노에틸에테르, 글리세롤의 디메틸에테르, 소르비톨, 1,2,6-헥산트리올, 트리메틸올프로판, 메톡시에탄올 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 알콜은 에틸렌글리콜, 1,2-프로필렌글리콜, 1,3-프로필렌글리콜, 글리세롤, 테트라하이드로푸르푸릴알콜 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 조성물은 폴리알킬렌 옥사이드가 약 2~75%로 포함됨을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 조성물은 폴리알킬렌옥사이드가 약 3~50%로 포함됨을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 조성물은 폴리알킬렌 옥사이드가 약 5~25%로 포함됨을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 폴리알킬렌 옥사이드는 약 55~380,000의 평균분자량을 가짐을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 폴리알킬렌 옥사이드는 약 135~10,000의 평균분자량을 가짐을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 10항에 있어서, 상기 폴리알킬렌 옥사이드는 폴리옥시에틸렌, 옥시프로필렌, 옥시부틸렌 중합체 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 폴리알킬렌 옥사이드는 UCON LB-135, UCON LB-165-Y24, UCON LC-165Y3, UCON LB-165, UCON 1281, UCON LB-65, UCON 50-HB-55, UCON 50-HB-260, UCON 50-HB-100, UCON 50-HB-5100, UCON 75-H-1400, UCON 75-H-90,000, UCON 50-HB-260-Y3, UCON HTF 500, LB165 Y24, LB165Y3; H1400, HB-100, HB-260, 50-HB-260-Y3, Pluronic L-92, Polyglycol P-425, Formasil 433, Formasil 891, Silwet L-7200, Silwet L-7230, Silwet L-7600, Silwet L-7604, Silwet L-7607, Silwet L-7657, Silwet L-7650, Silwet L-7664, Silwet L-8600, Silwet L-8620, Silwet L-77, 및 TBF-190으로 구성되는 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 조성물은 첨가제가 약 1~30%로 포함됨을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 조성물은 첨가제가 약 2~20%로 포함됨을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 조성물은 첨가제가 약 3~10%로 포함됨을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 첨가제는 유전성 액체, 습윤제, 거품억제제, 윤활제, 계면활성제, 용매 및 부식억제제로 구성되는 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 열전이 조성물.
제 17항에 있어서, 상기 첨가제는 TBA-4456, Syltherm XLT, TBF-193, TBF-77A, Miramine TO-DT, Syltherm 800, Rhodafac PL-6, Exxsol D130, Rhodafac PA-32, Rhodameen T-15, Deriphat 151C, Lubrhophos RD-510, Lubrhophos LB-400 및 Mazon RI-4a로 구성되는 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 열전이 조성물.
(a)알콜 약 20~80중량%;

(b)폴리알켄 옥사이드 약 2~75중량%;

(c)첨가제 약 1~30%; 및

(d)밸런스로서 물;

을 포함하며, 연료전지 어셈블리에 사용되는 열전이 조성물.
(a)알콜 약 30~70중량%;

(b)폴리알켄 옥사이드 약 3~50중량%;

(c)첨가제 약 2~20중량%; 및

(d)밸런스로서 물;

을 포함하며, 연료전지 어셈블리에 사용되는 열전이 조성물.
(a)알콜 약 40~60중량%;

(b)폴리알켄 옥사이드 약 5~25중량%;

(c)첨가제 약 5~10중량%; 및

(d)밸런스로서 물;

을 포함하며, 연료전지 어셈블리에 사용되는 열전이 조성물.
제 1, 19, 20, 또는 21항 중 어느 한항에 있어서, 상기 조성물은 약 5㏀.cm이상의 전기저항을 가짐을 특징으로 하는 열전이 조성물.
하나 이상의 연료전지 어셈블리 및 청구항 제 1, 19, 20 또는 21항 중 어느 한항에 따른 열전이 조성물을 포함하는 연료전지 시스템.
제 23항에 있어서, 상기 연료전지 어셈블리는 PEMFC, PAFC, MCFC, SOFC 및 AFC로 구성되는 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
연료전지 어셈블리와 청구항 제 1, 19, 20 또는 21항 중 어느 한항에 따른 열전이 조성물을 접촉시키는 단계를 포함하는 연료전지 어셈블리로부터의 열제거방법.