KR20070050468A - 비-전도성의 착색된 열 전달 유체 - Google Patents

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Abstract

비-전도성 착색제를 포함하고 200μS/cm 미만의 전도성을 갖는 착색된 열 전달 유체가 개시된다. 또한, 대체 전력원 및 대체 전력원과 열적으로 통하는 열 전달 시스템을 포함하는 어셈블리가 제공되며, 상기 열 전달 시스템은 개시된 낮은 전도도의 착색된 열 전달 유체를 포함한다. 또한, 착색된 열 전달 유체의 제조 방법이 개시되며, 여기서 개시된 비-전도성 착색제가 200μS/cm 미만의 전도도를 갖는 열 전달 유체에 첨가된다.
Figure 112007019167229-PCT00040
비-전도성, 착색제, 열 전달 유체, 열 전달 시스템, 연료전지

Description

비-전도성의 착색된 열 전달 유체{NON-CONDUCTIVE COLORED HEAT TRANSFER FLUIDS}
본 출원은 2004년 9월 8일자 미국 가 출원 제60/607,968호의 이익을 주장한다.
본 발명은 열 전달 유체, 특히 연료전지 어셈블리에 사용되는 착색된 열 전달 유체, 더 구체적으로는 연료전지 어셈블리에 사용되는 매우 낮은 전도성을 갖는 착색된 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 열 전달 유체 및 냉각 시스템을 채용하고 있다. 이 경우, 열 전달 유체 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, 태양 광전지, 및 증 기응축, 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 열 전달 유체는 대체 전력원, 특히 전기나 전기전하를 채용한 것들과 함께 사용하는데 부적합하다(또는 최적이지 않다). 예를 들어, 종래 선행기술의 열 전달 유체는 일반적으로 매우 높은 전도도, 대체로 3000μS/cm 이상의 범위의 전도도를 특징으로 한다. 전도성이 높은 열 전달 유체를 대체 전력원, 특히 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.
예를 들어, 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 내 지 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 시스템에는 부식을 최소화하고 열 전달 시스템의 사용 수명을 연장하는 착색된 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.
마지막으로, 자동차 엔진에 사용되는 열 전달 유체 또는 부동액과 같은 열 전달 유체는, 그것을 확인하고, 다른 열 전달 유체 기술 및 자동차에 사용되는 다른 기능성 유체와의 혼동을 막기 위해서 대부분 염료를 첨가하여 착색된다. 그러한 착색은 또한 열 전달 유체의 농도에 관한 정보를 제공하고, 열 전달 시스템에서 사용중 및 사용한 후의 열 전달 유체를 인식할 수 있도록 하기 위한 목적이다.
그러나, 내연엔진에 사용하는 열 전달 유체에 사용되는 염료 및 착색제는 일반적으로 고 전도성 이온 종이다. 그러한 염료 및 착색제의 예로서는 Direct Blue 199(구리 프탈로시아닌, 테트라술폰산), Acid Green 25(1,4-비스(4'-메틸-3'-페닐술포네이토)아미노 안트라퀴논), Acid Red 52(술포로다민 B) 및 우라닌(나트륨 플루오레세인)이 있다. 이러한 염료는 연료전지 열 전달 유체가 매우 낮은 전도도를 가져야 한다는 요건 때문에 연료전지 열 전달 유체에서 사용될 수 없다.
따라서, 착색되지만 여전히 매우 낮은 전도도를 지니고, 연료전지와 같은 대체 전력원과 함께 사용하기 적합한 열 전달 유체에 대한 필요성이 남아 있다.
발명의 개요
비-전도성 착색제를 포함하고 200μS/cm 미만의 전도도를 갖는 착색된 열 전 달 유체가 개시된다.
또한, 연료전지 어셈블리에 사용되는 열 전달 유체의 착색 방법이 제공된다. 개시된 방법은 열 전달 유체에 비-전도성 착색제를 첨가함으로써 10μS/cm 미만의 전도도를 갖는 착색된 열 전달 유체를 제공하는 단계를 포함한다.
또한, 200μS/cm 미만의 전도도를 갖는 개시된 비-전도성 착색제를 포함하는 착색된 열 전달 유체의 유로를 한정하는 순환 루프를 포함하는 열 전달 시스템이 개시된다.
마지막으로, 대체 전력원에 의해 동력이 공급되는 어셈블리가 개시되며, 상기 어셈블리는 대체 전력원 및 이 대체 전력원과 열적으로 통하는 열 전달 시스템을 포함하고, 열 전달 시스템은 액체 유로를 한정하는 순환 루프, 및 대체 전력원과 열적으로 통하는 개시된 착색된 열 전달 유체를 포함하며, 착색된 열 전달 유체는 200μS/cm 미만의 전도도를 가진다. 어떤 전형적인 구체예에서, 대체 전력원은 양극, 음극 및 전해질을 포함하는 전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 포함한다.
도 1은 대체 전력원 및 열 전달 시스템, 더 구체적으로 하이브리드 차량 냉각 시스템을 포함하는 어셈블리를 예시한 도식도이다.
대체 전력원, 특히 연료전지를 포함하는 어셈블리에 사용되는 개시된 착색된 열 전달 유체는 매우 낮은 전도성을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "열 전달 유체"는 제 1 지점에서 제 2 지점으로 어떤 양의 열 에너지를 전달하고 방산시킬 수 있는 유체를 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 착색된 열 전달 유체는 150μS/cm 미만의 전도도를 가지며, 다른 구체예에서 개시된 착색된 열 전달 유체는 50μS/cm 미만의 전도도를 가질 것이다.
다른 구체예에서, 개시된 착색된 열 전달 유체는 0.02μS/cm 내지 200μS/cm 이하의 전기 전도도를 가질 것이다. 한 구체예에서, 연료전지에서 사용되는 개시된 착색된 열 전달 유체는 0.2μS/cm 내지 100μS/cm의 전도도를 가질 것이다. 또 다른 구체예에서, 개시된 착색된 열 전달 유체는 0.05μS/cm 내지 50μS/cm 미만의 전도도를 가지고, 한 전형적인 구체예에서 개시된 착색된 열 전달 유체는 0.05μS/ cm 내지 25μS/cm 이하의 전도도를 가질 것이다. 특히 전형적인 구체예에서, 개시된 착색된 열 전달 유체는 0.05μS/cm 내지 10μS/cm 이하의 전기 전도도를 가질 것이다. 한 특히 전형적인 구체예에서, 개시된 착색된 열 전달 유체는 0.05μS/cm 내지 5μS/cm 이하의 전기 전도도를 가질 것이다.
개시된 착색된 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.
개시된 착색된 열 전달 유체는 또 부식을 억제할 수 있다. 용어 "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.
본원에서 사용된 "착색된 열 전달 유체"는 충분한 양의 한 가지 이상의 착색제를 가짐으로써, 육안에 의해서나 가시광선, 즉 약 350nm 내지 750nm의 파장을 갖는 빛의 선택적 흡수 또는 산란을 이용한 분석 기술에 의해서 열 전달 유체의 색이 측정될 수 있는 그러한 열 전달 유체를 말한다.
어떤 구체예에서, 개시된 착색된 열 전달 유체는 비-전도성 착색제를 포함할 것이다. 다른 구체예에서, 개시된 착색된 열 전달 유체는 비-전도성 착색제에 더하여 한 가지 이상의 알코올을 포함할 것이다. 어떤 전형적인 구체예에서, 개시된 착색된 열 전달 유체는 비-전도성 착색제, 한 가지 이상의 알코올, 및 물을 포함할 것이다. 또 다른 전형적인 구체예에서, 개시된 착색된 열 전달 유체는 비-전도성 착색제, 물, 한 가지 이상의 알코올, 부식 억제제, 및 선택적으로 소포제, 고미제, 습윤제, 비-이온성 분산제, 이들의 조합 등에서 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.
한 구체예에서, 개시된 착색된 열 전달 유체에 사용되는 비-전도성 착색제는 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 종이다.
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 글리콜 용액에서 가수분해에 의해 이온 종을 형성하는 작용기들이 실질적으로 없는 비-전도성 착색제일 것이다. 본원에 사용된 "실질적으로 없는"은 착색된 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 암모늄 양이온 기, 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 독립적으로 수소, C1-C20 알킬 또는 방향족 고리 함유 기이다), Fe3 +, 이들의 조합 등을 포함한다. 음 전하를 지니는 기의 예는 Cl-, Br-, I-, 이들의 조합 등을 포함한다.
한 구체예에서, 비-전도성 착색제는 다음 발색단 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 안트라퀴논, 트리페닐메탄, 디페닐메탄, 트리아릴메탄, 디아릴메탄, 아조 함유 화합물, 디스아조 함유 화합물, 트리스아조 함유 화합물, 디아조 함유 화합물, 크산텐, 아크리딘, 인덴, 티아졸, 둘 이상 공액된 방향족 기, 둘 이상 공액된 헤테로고리 기(예를 들어, 스틸벤 및/또는 피라졸린 및/또는 쿠마린 형 분자 또는 이들의 혼합물), 셋 이상 공액된 탄소-탄소 이중결합(예를 들어, 카로텐), 및 이들의 조합. 한 전형적인 구체예에서, 발색단은 트리페닐메탄, 디페닐메탄, 트리아릴메탄, 디아릴메탄, 및 아조 함유 라디칼 중 하나 또는 이들의 조합을 포함할 것이다.
또 다른 구체예에서, 비-전도성 착색제는 알킬렌옥시 또는 알콕시 기와 상기 설명된 발색단 중 하나 이상을 함유할 것이다. 한 구체예에서, 착색제에 함유된 발색단은 안트라퀴논, 트리페닐메탄, 디페닐메탄, 트리아릴메탄, 디아릴메탄, 아조 함유 화합물, 디스아조 함유 화합물, 트리스아조 함유 화합물, 디아조 함유 화합물, 둘 이상 공액된 방향족 기, 둘 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, 트리아릴메탄, 디아릴메탄, 아조 함유 화합물, 디스아조 함유 화합물, 트리스아조 함유 화합물, 디아조 함유 화합물, 크산텐, 아크리딘, 인덴, 티아졸, 둘 이상 공액된 방향족 기, 둘 이상 공액된 헤테로고리 기, 및 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 알킬기 또는 1 내지 8개 탄소 원자를 함유하는 알콕시기, 및 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 알킬기 또는 1 내지 6개 탄소 원자를 함유하는 알콕시기인 것들이다.
한 전형적인 구체예에서, 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 아미노 기를 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 이들 및 다른 공지의 과정에 의해 제조될 수 있다.
한 구체예에서, 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-전도성이고 본원에서 사용하기 적합한 정제된 착색제를 얻을 수 있는 유사한 과정을 포함한다.
한 구체예에서, 개시된 착색된 열 전달 유체 및 방법에 사용되는 적합한 비-전도성 착색제의 상업적으로 이용가능한 예는 Milliken Chemical(미국 사우스 캘리포니아 스파르탄버그) 사의 Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00001
Red 또는 그 밖의 다른 유사한 중합체 착색제 또는 Chromatech(미국 미시간 캔톤) 사의 착색제들을 포함한다. 착색제의 다른 예는 다음의 것을 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.
한 전형적인 구체예에서 비-전도성 착색제는 Milliken 사의 Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00002
Red ST 및 Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00003
Patent Blue, Chromatech 사의 Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00004
Red XC, Milliken 사의 Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00005
Red, Chromatech의 Chromatint
Figure 112007019167229-PCT00006
Yellow 1382 또는 Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00007
Blue RE 중 한 가지 이상일 것이고, 특히 전형적인 구체예에서, 비-전도성 착색제는 Chromatech 사의 Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00008
Blue RE 또는 Milliken 사의 Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00009
Patent Blue일 것이다.
한 구체예에서, 비-전도성 착색제는 착색된 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 0.0001 내지 0.2중량%의 양으로 착색된 연료전지 열 전달 유체에 존재할 것이다. 다른 구체예에서, 비-전도성 착색제는 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 0.0002 내지 0.1중량%의 양으로 열 전달 유체에 존재하고, 어떤 전형적인 구체예에서 비-전도성 착색제는 착색된 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 착색된 열 전달 유체는 에틸렌 글리콜을 포함할 것이다.
한 구체예에서, 알코올은 착색된 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 착색된 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 20 내지 99.9중량%의 양으로 사용될 것이다.
앞서 나타낸 바와 같이, 개시된 착색된 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 착색된 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 착색된 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 존재하고, 다른 농축액에서는 약 20wt% 이하의 양으로 존재할 수 있다. 희석된 열 전달 유체와 관련하여 물은 총 중량을 기준으로 하여 20wt% 내지 90wt% 이하의 양으로 존재할 수 있다.
적합한 부식 억제제는, 알루미늄 및 알루미늄 기제 합금 부식 억제제, 구리 및 구리 기제 합금 부식 억제제, 아졸 화합물과 같은 철 금속 부식 억제제, 에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 옥틸아민 및 모르폴린 같은 아민, US 2004/ 0028971 A1에 설명된 오르토실리케이트 에스테르 등을 포함한다.
한 전형적인 구체예에서, 부식 억제제는 아졸 화합물 및 실록산 기제 계면활성제, 실리카 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하는 부식 억제제를 포함할 것이다.
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 112007019167229-PCT00010
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. 본원에 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 경우에는 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 예는, 벤조트리아졸, 톨리트리아졸, 메틸 벤조트리아졸, 즉 4-메틸 벤조트리아졸 및 5-메틸 벤조트리아졸, 부틸 벤조트리아졸, 메르캅토벤조티아졸, 벤지미다졸, 할로벤조트리아졸, 예를 들어 클로로메틸벤조트리아졸 등을 포함한다. 한 구체예에서, 아졸 화합물은 벤조트리아졸, 톨리트리아졸, 또는 메르캅토벤조티아졸이고, 한 전형적인 구체예에서, 아졸 화합물은 벤조트리아졸일 것이다.
한 구체예에서, 아졸 화합물은 열 전달 유체의 총 중량을 기준으로 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 200개 탄소의 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 112007019167229-PCT00011
실록산 계면활성제 및 Dow Corning 및 다른 공급업체로부터 구입가능한 다른 유사한 실록산-폴리에테르 공중합체와의 유사성에 의해 한정될 수 있다. 한 전형적인 구체예에서 적합한 실록산 기제 계면활성제는 Silwet
Figure 112007019167229-PCT00012
L-77, Silwet
Figure 112007019167229-PCT00013
L-7650, Silwet
Figure 112007019167229-PCT00014
L-7600, Silwet
Figure 112007019167229-PCT00015
L-7657, Silwet
Figure 112007019167229-PCT00016
L-7200, Silwet
Figure 112007019167229-PCT00017
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 ZSi(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)3의 것이다.
또한, 구조가 알려지지 않거나 상기 일반식의 범위 외의 상업적으로 이용가능한 유기실란이 개시된 부식 억제제 및 연료전지 열 전달 유체에 사용하기 적합할 수 있다는 것이 당업자에게 인정될 것이다.
예를 들어 한 구체예에서 적합한 유기실란은 GE Silicones/OSi Specialities 및 다른 공급업체로부터의 Silquest
Figure 112007019167229-PCT00018
또는 Formasil
Figure 112007019167229-PCT00019
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-에폭시사이클로헥실)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-머캅토프로필트리메톡시실란, 이소부틸트리메톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 및 유사한 구조를 가지지만 탄소의 수가 상이한 그 밖의 이러한 실록산 기제 계면활성제를 포함한다.
한 구체예에서, 실록산 기제 계면활성제는 열 전달 유체의 전체 중량을 기준으로 0.01wt% 내지 약 10wt%의 양으로 부식 억제 열 전달 유체에 존재할 수 있고, 어떤 전형적인 구체예에서, 실록산 기제 계면활성제는 열 전달 유체의 전체 중량을 기준으로 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. 본원에 사용된 용어 "실리카" 또는 "콜로이드상 실리카"는 호환가능하게 사용되며, 콜로이드상 실리카, 나노-형태 실리카 또는 이들의 조합을 말한다. 특정 이론에 얽매이는 것을 바라진 않지만, 특정 평균 입자 크기를 갖는 실리카의 사용은 열 전달 효율성 및/또는 연료 전지 열 전달 유체의 열용량에서의 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 가진 적합한 콜로이드상 실리카는, DuPont 또는 Grace Davidson로부터 Ludox
Figure 112007019167229-PCT00020
브랜드로, Akzo Nobel 또는 Eka Chemicals로부터 Nyacol
Figure 112007019167229-PCT00021
또는 Bindzil
Figure 112007019167229-PCT00022
브랜드로, Nissan Chemical로부터 Snowtex
Figure 112007019167229-PCT00023
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.
어떤 구체예에서, 하나 이상의 부식 억제제는 착색된 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 0.0 내지 10.0중량%의 양으로 열 전달 유체에 존재할 것이다. 다른 구체예에서, 하나 이상의 부식 억제제는 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 0.0 내지 5중량%의 양으로 열 전달 유체에 존재하며, 한 전형적인 구체예에서, 하나 이상의 부식 억제제는 착색된 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 0.0 내지 2중량%의 양으로 사용될 것이다.
또한, 개시된 착색된 열 전달 유체는 거품제거제, 계면활성제, 스케일 방지제, 분산제, 습윤제, 고미제 등과 같은 하나 이상의 추가 첨가제를 착색된 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여 10중량% 이하의 양으로 포함할 수 있다.
한 구체예에서, 개시된 착색된 열 전달 유체는 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여, 20-99.9중량%의 한 가지 이상의 알코올 또는 알코올 혼합물, 0.1-80중량%의 물, 0.0001 내지 0.1중량%의 비-전도성 착색제, 그리고 0.0 내지 10중량%의 다른 선택적 열 전달 유체 착색제를 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, 0.1-80중량%의 물, 및 0.0001 내지 0.1중량%의 비-전도성 착색제, 그리고 0.0 내지 10중량%의 다른 열 전달 유체 첨가제를 포함할 것이다.
또 다른 전형적인 구체예에서, 개시된 열 전달 유체는 열 전달 유체의 총량을 기준으로 하여, 20-99.9중량%의 한 가지 이상의 알코올, 0.1-80중량%의 물, 0 내지 5중량%의 하나 이상의 부식 억제제, 및 0.0001 내지 0.1중량%의 비-전도성 착색제, 그리고 0.0 내지 0.1중량%의 선택적 소포제를 포함할 것이다.
개시된 착색된 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 착색된 열 전달 유체의 유로를 한정하는 순환 루프를 포함할 것이다. 한 전형적인 구체예에서, 열 전달 시스템은 200μS/cm 미만의 전도도를 갖고, 개시된 비-전도성 착색제를 포함하는, 착색된 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 착색된 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
전도도를 실온에서 탈이온수 중의 착색제 농도의 함수로서 평가하여 표 1a에 기록했다. 하기와 동일한 다양한 착색제 용액을 실온에서 간단히 교반하면서 탈이온수와 혼합했다. 전도도는 Control Company(미국 텍사스 프렌즈우드) 사에서 제조한 Traceble
Figure 112007019167229-PCT00024
벤치형 전도도 계측기에 의해 측정했다.
착색제 용액 중 착색제 농도 (mg/L) 용액의 전도도 (μS/cm)
Uranine1 블랭크 20 50 100 0.30 3.36 8.27 16.67
Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00025
Red ST		 블랭크 20 50 100 0.27 0.45 0.58 0.65
Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00026
Bright Yellow		 블랭크 20 50 100 0.28 1.97 4.35 8.36
Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00027
Patent Blue		 블랭크 20 50 100 0.30 1.79 3.95 7.41
Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00028
Bright Orange		 블랭크 20 50 100 0.28 1.11 2.23 4.05
Acid Red 521 블랭크 20 50 100 0.25 5.98 13.41 33.9
1 Honeywell-CPG(코네티컷 덴버리)로부터 상업적으로 입수할 수 있다.
2개의 일반적으로 사용되는 부동액 염료, 즉 Uranine
Figure 112007019167229-PCT00029
염료 및 Acid Red 52는 동일한 농도에서 평가된 Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00030
염료에 비해 높은 전도도를 가진다는 것을 볼 수 있다.
또, 실온에서 50wt% 에틸렌 글리콜 + 50wt% 탈이온수 용액 중 일련의 50ppm 착색제의 전도도를 표 1b에 나타낸 대로 평가했다.
착색제 농도 (mg/L) 전도도 (μS/cm)
Chromatint Yellow 1382 50 0.91
L85000 Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00031
Patent Blue		 50 1.61
Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00032
Blue RE		 50 0.53
Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00033
Red XC		 50 0.45
Acid Red 52 50 6.3
블랭크 용액 0 0.43
일반적으로 사용되는 부동액 염료인 Acid Red 52는 동일한 농도에서 평가된 Liquitint 및 Chromatint 염료보다 훨씬 더 높은 전도도를 가진다는 것을 볼 수 있다.
실시예 2
Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00034
Red 염료는 또한 80℃에서 50% 에틸렌 글리콜 + 50% 탈이온수(모두 부피%)에서 안정하다는 것이 밝혀졌다. 20ppm Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00035
Red를 50% 에틸렌 글리콜 + 50% 탈이온수 용액(V/V)에 용해하여 시험을 행했다. 용액을 2개의 깨끗한 비이커에 두 부분으로 분리하여 넣었다. 하나는 80℃에서 약 45분간 가열했다. 두 용액의 전도도를 가열 전후에 기록했다. 용액에 주목할 만한 변화는 없었다. 가열 전후에 용액의 전도도는 본질적으로 변화를 나타내지 않았다(블랭크 및 80℃에서 가열하기 전: 0.45μS/cm; 80℃에서 약 45분간 유지한 후 실온까지 냉각: 0.48μS/cm).
실시예 3
연료전지 냉각 시스템에서 금속의 부식에 대한 비-전도성 염료의 효과를 평가했다.
금속 샘플을 다음에 따라 세정제와 탈이온수로 세정한 다음 2개의 동일한 세트로 분리하여 2개의 깨끗한 유리 플라스크에 넣었다. 각 플라스크는 주조 Al 조각 4개, 황동 조각 4개, 스테인리스 스틸(SS316) 조각 4개, 브레이즈 Al 조각 2개, 실리콘 개스켓 2개, Viton O-링 4개를 함유했다. 총 표면적은 약 392 제곱 센티미터였다. 300mL의 50% 에틸렌 글리콜 + 50%(부피) 탈이온수를 한 플라스크에 첨가하고, 300mL의 50% 에틸렌 글리콜 + 50%(부피) 탈이온수 + 20ppm Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00036
Red ST를 두 번째 플라스크에 첨가했다.
각 용액의 전도도를 시간의 함수로 기록했다. 금속의 부식은 이온 종을 발생시켜 용액 전도도를 증가시키므로, 플라스크 안의 금속 샘플의 부식 정도를 용액의 전도도를 사용하여 나타냈다. 얻어진 결과를 하기 표 2에 기록했다.
시간 20ppm Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00037
Red ST를 함유한 용액의 전도도 (μS/cm)		 염료를 함유하지 않는 용액의 전도도 (μS/cm)
0 분 0.50 0.49
20 분 0.50 0.50
40 분 0.51 0.49
100 분 0.54 0.52
16 시간 0.83 0.71
전도도에 있어 약간의 차이가 관찰되었는데, 이는 20ppm의 Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00038
Red ST가 시험 조건에서 금속 부식에 영향을 미치지 않았다는 것을 시사한다. 이와 같이, 20ppm의 양으로 글리콜/물 혼합물에 첨가된 Liquitint
Figure 112007019167229-PCT00039
Red ST 염료는 연료전지 냉각 시스템에 존재할 가능성이 있는 금속의 부식을 증가시키지 않았다.
실시예
개시된 열 전달 유체에 사용되는 가장 바람직한 발색단을 결정하기 위한 분석을 수행했다. 하기 표의 결과는 트리아릴메탄 및 트리페닐메탄이 바람직한 결과를 제공한다는 것을 나타낸다.
전술한 실시예에 제공된 시험 결과는 Chromatech Inc.(미시간 캔톤)의 제품인 Liquitint Blue RE, L83002 Liquitint Red XC, M91045 Chromatint Yellow 1382 및 Milliken 사의 Liquitint Red ST가 이들이 본질적으로 비-전도성 중합체 착색제이기 때문에 연료전지에서 사용되는 열 전달 유체를 위한 염료로서 사용될 수 있음을 나타낸다. FTIR, GC-MS를 이용하여 착색제에 있는 발색단의 종류를 다음과 같이 측정했다: Liquitint Blue RE - 트리아릴메탄; Liquitint Red ST - 벤조티아졸; Liquitint Patent Blue - 트리아릴메탄, 아마 트리페닐메탄일 수 있음; Liquitint Red XC - 아마도 벤조티아졸인 듯함; Liquitint Bright Yellow - 아마도 아닐린 메틴인 듯함; Liquitint Brilliant Orange - 혼합, 아마도 트리아릴메탄을 포함하는 듯함; Chromatint Yellow 1382 - 혼합, 아마도 트리아릴메탄인 듯함.
착색제 ID 착색제 발색단 FT-IR 결과 GC-MS 결과
Liquitint Blue RE 트리아릴메탄 트리아릴메탄 염료와 유사 휘발성분 미검출
Liquitint Red ST 벤조티아졸 스펙트럼 분석은 아민을 제시함 4-메틸-2- 벤조티아졸 및 6-메틸-2- 벤조티아졸
Liquitint Patent Blue 트리아릴메탄, 트리페닐메탄일 수 있음. 아조나 다른 염료 종류와 일치되지 않음, IR 스펙트럼은 Liquitint Blue RE와 일치함. 다양한 에틸렌 옥시드 화합물 아민 미검출
Liquitint Red XC 벤조티아졸인 듯함 확정적은 아니지만 아마 아민이 존재하는 듯함 4-메틸-2- 벤조티아졸아민 및 디에틸렌 글리콜 검출
Liquitint Bright Yellow 아닐린 메틴인 듯함 확정적은 아니지만 아마 아민이 존재하는 듯함 아닐린(벤젠아민) 및 1,4-벤젠디아민 검출
Liquitint Brilliant Orange 혼합, 트리아릴메탄을 포함하는 듯함 확정적은 아니지만 아조, 디스아조, 타르트라진, 디아릴리드, 안트라퀴논, 옥사진 또는 황 종류와는 일치되지 않음 4-메틸-2- 벤조티아졸아민 및 디에틸렌 글리콜 검출
Chromatint Yellow 1382 혼합, 트리아릴메탄인 듯함. 확정적은 아니지만 디에틸렌 글리콜이 발색단에 대한 정보를 차단함 디에틸렌 글리콜, 다양한 에틸렌 옥시드 화합물

Claims (17)

  1. 비-전도성 착색제를 포함하며, 200μS/cm 이하의 전도도를 갖는, 착색된 열 전달 유체.
  2. 제 1 항에 있어서, 10μS/cm 미만의 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 착색된 열 전달 유체.
  3. 제 2 항에 있어서, 0.02 내지 5μS/cm의 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 착색된 열 전달 유체.
  4. 제 1 항에 있어서, 비-전도성 착색제가 착색된 열 전달 유체의 총 중량을 기준으로 하여 0.0001 내지 0.2중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 착색된 열 전달 유체.
  5. 제 1 항에 있어서, 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 모노에틸 에테르, 글리세롤의 디메틸 에테르, 1,2,6-헥산트리올, 트리메틸올프로판, 메톡시에탄올 또는 이들의 조합 중 하나 이상인 알코올을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착 색된 열 전달 유체.
  6. 제 1 항에 있어서, 비-전도성 착색제는 수성 알코올 용액에서 가수분해에 의해 이온 종을 형성하는 작용기를 실질적으로 갖지 않는 것을 특징으로 하는 착색된 열 전달 유체.
  7. 제 6 항에 있어서, 비-전도성 착색제는 카르복실레이트 기, 술포네이트 기, 포스포네이트 기, 4차 아민, 양 전하를 지닌 기, 및 음 전하를 지닌 기로 구성되는 군으로부터 선택된 작용기를 실질적으로 갖지 않는 것을 특징으로 하는 착색된 열 전달 유체.
  8. 제 1 항에 있어서, 비-전도성 착색제는 다음의 발색단: 안트라퀴논, 트리페닐메탄, 디페닐메탄, 아조 함유 화합물, 디스아조 함유 화합물, 트리스아조 함유 화합물, 디아조 함유 화합물, 크산텐, 아크리딘, 티아졸, 둘 이상 공액된 방향족 기, 둘 이상 공액된 헤테로고리 기, 둘 이상 공액된 C-C 이중결합, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 착색된 열 전달 유체.
  9. 제 8 항에 있어서, 비-전도성 착색제는 발색단과 1 내지 30개 탄소를 포함하는 하나 이상의 비-전도성 알코올성 측쇄 또는 하나의 폴리(옥시알킬렌) 측쇄를 포함하는 것을 특징으로 하는 착색된 열 전달 유체.
  10. 제 8 항에 있어서, 발색단은 안트라퀴논, 트리페닐메탄, 디페닐메탄, 아조 함유 화합물, 디스아조 함유 화합물, 트리스아조 함유 화합물, 디아조 함유 화합물, 또는 이들의 조합 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 착색된 열 전달 유체.
  11. 제 1 항에 있어서, 비-전도성 착색제는 다음 일반식을 갖는 것을 특징으로 하는 착색된 열 전달 유체.
    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, 티아졸, 둘 이상 공액된 방향족 기, 둘 이상 공액된 헤테로고리 기, 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택된 유기 발색단이고; A는 상기 발색단의 연결 부분으로서, O, N 및 S로 구성되는 군으로부터 선택되고; B는 1 내지 8개 탄소 원자를 함유하는 하나 이상의 알킬렌옥시 또는 알콕시 기로 구성되는 군으로부터 선택되고; k는 0 또는 1이고; n은 1 내지 100의 정수이고; m은 1 또는 2이고; x는 1 내지 5의 정수이고; R1은 H, C1-C6 알킬기 또는 1 내지 8개 탄소 원자를 함유하는 알콕시기, 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택된다.
  12. 제 5 항에 있어서, 물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착색된 열 전달 유체.
  13. 제 1 항에 있어서, 거품제거제, 고미제, 분산제 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착색된 열 전달 유체.
  14. 200μS/cm 미만의 전도도를 갖는 착색된 액체 열 전달 유체의 유로를 한정하는 순환 루프를 포함하는 열 전달 시스템.
  15. 열 전달 유체에 비-전도성 착색제를 첨가하여 10μS/cm 미만의 전도도를 갖는 착색된 열 전달 유체를 제공하는 단계를 포함하는, 낮은 전도도를 갖는 열 전달 유체의 착색 방법.
  16. 대체 전력원 및 대체 전력원과 열적으로 통하는 열 전달 시스템을 포함하는, 대체 전력원에 의해 동력이 공급되는 어셈블리로서,
    열 전달 시스템은, 액체 유로를 한정하는 순환 루프, 및 대체 전력원과 열적으로 통하는 부식 억제 열 전달 유체를 포함하고,
    착색된 열 전달 유체는, 200μS/cm 미만의 전도도를 가지며, 비-전도성 착색제를 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  17. 제 16 항에 있어서, 대체 전력원은 양극, 음극, 및 전해질을 포함하는 전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
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