KR20240043301A - Composition for cooling fuel cell - Google Patents
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Classifications
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Abstract
본 발명은 연료전지 냉각용 조성물에 관한 것으로, 구체적으로는 자동차용 연료전지의 스택의 냉각에 사용되는 냉각용 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for cooling fuel cells, and more specifically, to a composition for cooling used in cooling a stack of a fuel cell for an automobile.
Description
본 발명은 부산광역시의 지원 하에서 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 부산테크노파크, 연구사업명은 "미래성장동력산업 육성사업", 연구과제명은 "수소전기차 전용 이온필터 고내구성 연료전지 냉각액 조성물 개발", 주관기관은 케이디중앙연구소, 연구기간은 2022.03.01 ~ 2022.10.31이다.This invention was made under the support of Busan Metropolitan City, the research management agency for the project is Busan Techno Park, the research project name is "Future Growth Engine Industry Promotion Project", and the research project name is "Ion filter for hydrogen electric vehicles and high durability fuel cell coolant composition." Development", the host organization is KD Central Research Institute, and the research period is 2022.03.01 ~ 2022.10.31.
본 발명은 연료전지 냉각용 조성물에 관한 것으로, 구체적으로는 자동차용 연료전지의 스택의 냉각에 사용되는 냉각용 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for cooling fuel cells, and more specifically, to a composition for cooling used in cooling a stack of a fuel cell for an automobile.
연료전지(Fuel Cell)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시키어 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 보통의 전지는 전지 내에 미리 채워놓은 화학물질에서 나오는 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하지만 연료전지는 지속적으로 연료와 산소의 공급을 받아서 화학반응을 통해 지속적으로 전기를 공급한다.A fuel cell is a device that generates electrical energy by electrochemically reacting fuel and oxidizer. Ordinary batteries convert chemical energy from chemicals pre-filled in the battery into electrical energy, but fuel cells continuously supply electricity through chemical reactions by receiving a continuous supply of fuel and oxygen.
현재 수소연료전지를 이용한 수소차가 시중에 판매가 되고 있다. 이러한 수소연료전지는 외부에서 수소를 공급받고 주변 공기를 빨아들여 전기를 만든다. 수소연료전지 자동차는 수소와 산소가 만나 물이 생성될 뿐이므로 유해한 배기가스가 전혀 나오지 않는다. Currently, hydrogen cars using hydrogen fuel cells are being sold on the market. These hydrogen fuel cells receive hydrogen from the outside and suck in the surrounding air to generate electricity. Hydrogen fuel cell vehicles produce no harmful exhaust gases at all because they only produce water when hydrogen and oxygen combine.
또한, 수소연료전지의 작동을 위해 공기 중 산소를 사용해야 하므로 차가 달리는 동안 주변 공기를 빨아들여 정화한 후 수소연료전지에 사용하고 다시 배기구로 깨끗한 공기를 내보내게 된다. 따라서 공기정화기의 기능도 수행할 수 있다. 물론 공기 중 질소가 산소와 반응해 일부 이산화질소로 변환되므로 완전한 무공해는 아니지만 기존의 화석연료를 사용하는 자동차에 비해 배출량이 대단히 적다.In addition, since oxygen in the air must be used to operate a hydrogen fuel cell, the surrounding air is sucked in and purified while the car is running, then used for the hydrogen fuel cell, and the clean air is then expelled through the exhaust port. Therefore, it can also perform the function of an air purifier. Of course, some of the nitrogen in the air reacts with oxygen and is converted into nitrogen dioxide, so it is not completely pollution-free, but the emissions are very low compared to cars that use existing fossil fuels.
연료전지는 사용되는 전해질과 시작하는 데 걸리는 시간(시동시간)에 따라 분류된다. 시동시간이 1초인 것(고분자전해질 연료전지, PEMFC)부터 10분인 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cells, SOFC)까지 있다. Fuel cells are classified according to the electrolyte used and the time it takes to start (start-up time). There are starting times ranging from 1 second (polymer electrolyte fuel cells, PEMFC) to solid oxide fuel cells (SOFC) with 10 minutes.
고분자전해질 연료전지는 수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하며, 다른 연료전지에 비해 출력이 크고, 저온(100℃ 미만)에서 작동이 되며 구조도 간단하다. 시동이 빠르고 내구성이 좋으며, 수소 외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합하다. Polymer electrolyte fuel cells use a polymer membrane that can transmit hydrogen ions as an electrolyte, have greater output than other fuel cells, operate at low temperatures (less than 100°C), and have a simple structure. It is quick to start, has good durability, and can use methanol or natural gas as fuel in addition to hydrogen, making it suitable as a power source for automobiles.
고체산화물 연료전지는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하며, 현재 가장 높은 온도 (700 내지 1000℃)에서 작동하는 연료전지이다. 구성요소가 모두 고체로 이루어져 있어서 다른 연료전지에 비해서 간단한 구조를 가지고 있고 전해질의 손실 및 보충의 문제와 부식의 문제가 없어서 폐열을 이용하여 열 복합 발전을 할 수 있다는 장점도 가지고 있다. 이런 장점 때문에 3세대 연료전지라고 부르며 현재 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.Solid oxide fuel cells use solid oxides that can transmit oxygen or hydrogen ions as an electrolyte, and are currently the fuel cells that operate at the highest temperature (700 to 1000°C). Since all components are made of solid, it has a simple structure compared to other fuel cells and has the advantage of being able to generate combined heat generation using waste heat because there are no problems with electrolyte loss or replenishment or corrosion. Because of these advantages, they are called third-generation fuel cells, and research for commercialization is currently being actively conducted.
이러한 연료전지는 일반적으로 발전 단위인 단(單)셀을 다수 적층한 구조의 스택으로 구성되어 있다. 발전 시에는 스택으로부터 열이 발생하기 때문에, 이 스택을 냉각시키기 위하여 수 셀마다 냉각판이 삽입되어 있다. 또한, 냉각판 내부에는 냉각액통로가 형성되어 있으며, 이 통로를 냉각액이 흐름으로서, 스택이 냉각되도록 되어 있다.These fuel cells are generally composed of a stack in which multiple single cells, which are power generation units, are stacked. Since heat is generated from the stack during power generation, a cooling plate is inserted into each cell to cool the stack. Additionally, a coolant passage is formed inside the cooling plate, and the coolant flows through this passage to cool the stack.
이와 같이, 연료전지의 스택을 냉각시키는 냉각액은 발전을 실행하고 있는 스택 내를 순환하여 스택을 냉각시키기 때문에, 냉각액의 전기도전율이 높으면, 스택에서 발생한 전기가 냉각액 측으로 흘러서 전기의 손실을 초래하고, 연료전지에 있어서의 발전력을 저하시키게 되므로, 종래의 연료전지의 스택을 냉각하는 냉각액으로는 도전율이 낮은, 바꾸어 말하면, 전기절연성이 높은 순수가 사용되고 있었다.In this way, the coolant that cools the stack of the fuel cell circulates within the stack performing power generation and cools the stack. Therefore, if the electrical conductivity of the coolant is high, the electricity generated in the stack flows to the coolant, resulting in electricity loss. Since this reduces the power generation power of the fuel cell, pure water with low electrical conductivity, or in other words, high electrical insulation, has been used as a coolant for cooling the stack of a conventional fuel cell.
그러나, 순수와 도전율이 높은 수돗물은 외관상으로는 구별할 수가 없어, 잘못 구별하여 도전율이 높은 수돗물을 투입해 버리는 위험성이 있으며, 이 경우에 전기가 냉각액 측으로 흘러서 전기가 손실되고, 결국, 이 연료전지에 있어서의 발전력을 저하시키게 되기 때문에, 냉각액에는 식별성을 갖게 할 필요가 있었다.However, pure water and tap water with high conductivity cannot be distinguished by appearance, so there is a risk of incorrectly distinguishing between tap water with high conductivity and putting in tap water with high conductivity. In this case, electricity flows to the coolant, resulting in electricity loss, and ultimately, this fuel cell Since this would reduce the power generation power, it was necessary to give the coolant some identity.
또한, 자동차용 연료전지와 같은 간헐운전형 연료전지의 경우, 비작동 시에 냉각액이 주위의 온도까지 저하시켜 버린다. 특히, 빙점하에서의 사용가능성이 있는 경우, 순수일 때에는 동결되어 버리고, 냉각액의 부피팽창으로 인한 냉각판의 파손 등, 연료전지의 전지성능을 손상시킬 우려가 있다.Additionally, in the case of intermittent operation type fuel cells such as automotive fuel cells, the cooling liquid lowers the ambient temperature when not in operation. In particular, if there is a possibility of use below the freezing point, there is a risk of freezing when pure water and damage to the battery performance of the fuel cell, such as damage to the cooling plate due to volume expansion of the cooling liquid.
이와 같은 문제로 인하여, 연료전지, 특히, 자동차용 연료전지의 스택을 냉각시키는 냉각액으로서는 부동성을 목적으로 하여, 글리콜류, 알코올류, 및 글리콜에테르류 등을 기제로서 사용하는 것을 고려할 수 있다.Due to this problem, it can be considered to use glycols, alcohols, glycol ethers, etc. as a base for the purpose of immobility as a coolant for cooling the stack of a fuel cell, especially an automobile fuel cell.
그러나, 글리콜류, 알코올류, 및 글리콜에테르류 등은 대부분 투명하기 때문에 역시 상기 오주입의 위험이 있다. 더욱이, 글리콜에테르류, 알코올류, 및 에테르류 등에는 독성이 있다. 이에, 내연기관용의 냉각액으로 사용되는 글리콜류, 알코올류, 및 에테르류 등에는 염료를 첨가하여 착색함으로서, 해당 냉각액의 오주입방지를 꾀하고 있다.However, since most glycols, alcohols, and glycol ethers are transparent, there is a risk of incorrect injection. Moreover, glycol ethers, alcohols, and ethers are toxic. Accordingly, dyes are added to color glycols, alcohols, and ethers used as coolant for internal combustion engines to prevent erroneous injection of the coolant.
다만, 내연기관용의 냉각액에 첨가되어 있는 착색염료는, 냉각액중에 있어서 이온화하기 쉽고 도전율을 상승시키기 때문에, 순수나 글리콜류 등에 이와 같은 염료를 첨가한 냉각액을 연료전지 스택용으로 사용하는 경우에는, 스택에서 발생한 전기가 냉각액측으로 흘러서 전기손실을 발생시킬 우려가 있다.However, the colored dye added to the coolant for internal combustion engines is easy to ionize in the coolant and increases the conductivity, so when a coolant to which such dye is added to pure water or glycol is used for a fuel cell stack, the stack There is a risk that electricity generated in the system may flow to the coolant, causing electrical loss.
이에 본 발명자들은 기제의 산화를 방지하여 이온성 물질의 생성을 억제하며 부동성을 유지하고 저도전율을 유지하는 동시에 식별성을 갖는 연료전지 냉각용 조성물을 개발하고자 노력하였다.Accordingly, the present inventors tried to develop a fuel cell cooling composition that prevents oxidation of the base material, suppresses the generation of ionic substances, maintains immobility, maintains low electric conductivity, and has identity.
그 결과, 동결방지 기능은 기존의 냉각용 조성물 대비 동등이상이면서도 기제인 알킬렌글리콜의 산화를 방지하여 연료전지 냉각용 조성물의 중요특성인 전기전도도 값의 증가를 억제하는 효과를 가짐을 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.As a result, it was confirmed that the anti-freezing function was equivalent to or better than that of existing cooling compositions and had the effect of suppressing the increase in electrical conductivity value, which is an important characteristic of fuel cell cooling compositions, by preventing oxidation of alkylene glycol, the base material. This invention has been completed.
이에, 본 발명의 목적은 연료전지 냉각용 조성물을 제공하는 것이다.Accordingly, the purpose of the present invention is to provide a composition for cooling fuel cells.
본 발명의 다른 목적은 연료전지 냉각용 조성물의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a fuel cell cooling composition.
본 발명은 연료전지 냉각용 조성물에 관한 것으로, 구체적으로는 자동차용 연료전지의 스택의 냉각에 사용되는 냉각용 조성물에 관한 것이다. The present invention relates to a composition for cooling fuel cells, and more specifically, to a composition for cooling used in cooling a stack of a fuel cell for an automobile.
이하 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 일 예는 기제, 탈이온수(deionized water) 및 염료를 포함하는 연료전지 냉각용 조성물에 관한 것이다.One example of the present invention relates to a composition for cooling a fuel cell comprising a base, deionized water, and dye.
본 발명에 있어서 기제는 저도전율의 것, 또는 저도전율의 것인 동시에 부동성 (0
본 발명에 있어서 상기 물은 탈이온수, 순수 증류수 또는 2회 증류된 물인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the water may be deionized water, pure distilled water, or twice distilled water, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서 글리콜류는 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,3-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,5-펜탄디올 및 헥실렌글리콜로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the glycol is selected from the group consisting of ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol, 1,3-butanediol, 1,5-pentanediol, and hexylene glycol. It may be more than one species, but is not limited to this.
본 발명에 있어서 알코올류는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 헵탄올 및 옥탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the alcohol may be one or more selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, heptanol, and octanol, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서 글리콜에테르류는 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노메틸에테르, 트리에틸렌글리콜모노메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 트리에틸렌글리콜모노에틸에테르, 테트라에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르 트리에틸렌글리콜모노부틸에테르 및 테트라에틸렌그리콜모노부틸에테르로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, glycol ethers include ethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol monomethyl ether, tetraethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, and triethylene. It may be one or more selected from the group consisting of glycol monoethyl ether, tetraethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, triethylene glycol monobutyl ether, and tetraethylene glycol monobutyl ether, It is not limited to this.
본 발명에 있어서 기제는 조성물 총 중량을 기준으로 1 내지 99 중량%, 10 내지 99 중량%, 20 내지 99 중량%, 30 내지 99 중량%, 40 내지 99 중량%, 50 내지 99 중량%, 60 내지 99 중량%, 70 내지 99 중량%, 80 내지 99 중량%, 포함되는 것일 수 있으며, 예를 들어, 90 내지 99 중량% 포함되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the base is used in an amount of 1 to 99% by weight, 10 to 99% by weight, 20 to 99% by weight, 30 to 99% by weight, 40 to 99% by weight, 50 to 99% by weight, and 60 to 60% by weight, based on the total weight of the composition. It may include 99% by weight, 70 to 99% by weight, and 80 to 99% by weight, for example, it may include 90 to 99% by weight, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서 기제가 물을 포함하는 경우, 물은 조성물 총 중량을 기준으로 10 중량% 이하인 것일 수 있으며, 예를 들어, 1 내지 10 중량%, 1 내지 9 중량%, 2 내지 10 중량%, 2 내지 9 중량%, 포함된 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, when the base includes water, the water may be 10% by weight or less based on the total weight of the composition, for example, 1 to 10% by weight, 1 to 9% by weight, 2 to 10% by weight, It may contain 2 to 9% by weight, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서 염료는 기제와 상기 조성물의 도전율을 저도전율로 유지하는 염료인 것일 수 있다.In the present invention, the dye may be a dye that maintains the conductivity of the base and the composition at a low conductivity.
본 발명에 있어서 염료는 상기 조성물의 도전율을 연료전지에 있어서의 발전력을 저하시키지 않을 정도의 도전율(저도전율), 구체적으로, 25℃에 있어서 10㎲/㎝이하로 유지하는 염료를 말하며, 상기 조성물 중에 있어서, 이온화하지 않는 염료, 또는 이온화되지만 그 함유량을 소량으로 함으로써, 연료전지에 있어서의 발전력을 저하시키지 않을 정도의 저도전율을 유지할 수 있는 염료인 것일 수 있다.In the present invention, the dye refers to a dye that maintains the conductivity of the composition at a conductivity (low conductivity) that does not reduce the power generation power in a fuel cell, specifically, 10 ㎲/cm or less at 25°C, and the composition Among them, it may be a dye that does not ionize, or a dye that ionizes but can maintain a low electric conductivity to a level that does not reduce the power generation power in the fuel cell by keeping the content in a small amount.
본 발명에 있어서 이온화하지 않는 염료는 분자의 화학구조 중에 술폰산기 및 카르복실기를 갖지 않는, 아조익 염료(Azoic dyes), 황화 염료, 배트 염료(vat dyes), 유용 염료 및 분산 염료로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the non-ionizing dye is selected from the group consisting of azoic dyes, sulfuric dyes, vat dyes, useful dyes and disperse dyes that do not have a sulfonic acid group and a carboxyl group in the chemical structure of the molecule. There may be one or more types, but it is not limited thereto.
본 발명에 있어서 아조익 염료는 아조익 블루 10 (Azoic Blue 10)인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the azoic dye may be Azoic Blue 10, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서 황화 염료는 설퍼 블루 3 (Sulphur Blue 3), 설퍼 블루 6 (Sulphur Blue 6), 설퍼 블루 7 (Sulphur Blue 7), 설퍼 블루 9 (Sulphur Blue 9), 설퍼 블루 13 (Sulphur Blue 13), 설퍼그린 1 (Sulphur Green 1), 설퍼레드 2 (Sulphur Red 2), 설퍼레드 3 (Sulphur Red 3), 설퍼레드 5 (Sulphur Red 5) 및 설퍼레드 7 (Sulphur Red 7)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the present invention, the sulfur dye is Sulfur Blue 3, Sulfur Blue 6, Sulfur Blue 7, Sulfur Blue 9, and Sulfur Blue 13. ), in the group consisting of Sulfur Green 1, Sulfur Red 2, Sulfur Red 3, Sulfur Red 5, and Sulfur Red 7. It may be one or more selected types, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서 배트 염료는 배트 블루 1 (Vat Blue 1), 배트 블루 3 (Vat Blue 3), 배트 블루 4 (Vat Blue 4), 배트 블루 5 (Vat Blue 5), 배트 블루 6 (Vat Blue 6), 배트 블루 12 (Vat Blue 12), 배트 블루 13 (Vat Blue 13), 배트 블루 14 (Vat Blue 14), 배트 블루 18 (Vat Blue 18), 배트 블루 19 (Vat Blue 19), 배트 블루 20 (Vat Blue 20), 배트 블루 35 (Vat Blue 35), 배트 블루 41 (Vat Blue 41), 배트 그린 1 (Vat Green 1) 및 배트 레드 1 (Vat Red 1)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the present invention, the Vat dye is Vat Blue 1, Vat Blue 3, Vat Blue 4, Vat Blue 5, Vat Blue 6. ), Vat Blue 12, Vat Blue 13, Vat Blue 14, Vat Blue 18, Vat Blue 19, Vat Blue 20 (Vat Blue 20), Vat Blue 35 (Vat Blue 35), Vat Blue 41 (Vat Blue 41), Vat Green 1 (Vat Green 1), and Vat Red 1 (Vat Red 1). However, it is not limited to this.
본 발명에 있어서 유용 염료는 솔벤트 블루 36 (Solv. Red 36), 솔벤트 블루 63 (Solv. Red 63), 솔벤트 그린 3 (Solv. Green 3), 솔벤트 레드 23 (Solv. Red 23), 솔벤트 레드 43 (Solv. Red 43), 솔벤트 레드 48 (Solv. Red 48), 솔벤트 레드 72 (Solv. Red 72), 솔벤트 오렌지 2 (Solv. Orange 2), 솔벤트 엘로우 33 (Solv. Yellow 33) 및 솔벤트 엘로우 73 (Solv. Yellow 73)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Useful dyes in the present invention include Solv. Red 36, Solv. Red 63, Solv. Green 3, Solv. Red 23, and Solv. Red 43. (Solv. Red 43), Solv. Red 48 (Solv. Red 48), Solv. Red 72 (Solv. Red 72), Solv. Orange 2 (Solv. Orange 2), Solv. Yellow 33 (Solv. Yellow 33) and Solvent Yellow 73 (Solv. Yellow 73) It may be one or more types selected from the group consisting of, but is not limited to this.
본 발명에 있어서 분산 염료는 디스퍼스 블루 1 (Disperse Blue 1), 디스퍼스 블루 3 (Disperse Blue 3), 디스퍼스 블루 14 (Disperse Blue 14), 디스퍼스 오렌지 1 (Disperse Orange 1), 디스퍼스 오렌지 3 (Disperse Orange 3), 디스퍼스 오렌지 11 (Disperse Orange 11), 디스퍼스 오렌지 13 (Disperse Orange 13), 디스퍼스 오렌지 25 (Disperse Orange 25), 디스퍼스 레드 1 (Disperse Red 1), 디스퍼스 레드 13 (Disperse Red 13), 디스퍼스 레드 19 (Disperse Red 19), 디스퍼스 옐로우 3 (Disperse Yellow 3) 및 디스퍼스 옐로우 9 (Disperse Yellow 9)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the disperse dye is Disperse Blue 1, Disperse Blue 3, Disperse Blue 14, Disperse Orange 1, Disperse Orange. Disperse Orange 3, Disperse Orange 11, Disperse Orange 13, Disperse Orange 25, Disperse Red 1, Disperse Red It may be one or more types selected from the group consisting of Disperse Red 13, Disperse Red 19, Disperse Yellow 3, and Disperse Yellow 9, but is limited to this. It doesn't work.
본 발명에 있어서 이온화하지 않는 염료는 이온화하지 않을 뿐 아니라, 100 ℃의 냉각용 조성물 중에 있어서도 색상이 변화하지 않거나 또는 변화되기 어려운 뛰어난 내열성을 갖기 때문에, 액체온도가 90 내지 100℃까지 이르는 연료전지 스택용 냉각액에 적용한 경우에 있어서도 안정적으로 식별성을 확보할 수가 있기 때문에 대단히 유용하다.In the present invention, the non-ionizing dye not only does not ionize, but also has excellent heat resistance in which the color does not change or is difficult to change even in a cooling composition at 100°C, so the fuel cell stack has a liquid temperature of 90 to 100°C. It is very useful because it can stably ensure identification even when applied to a liquid coolant.
본 발명에 있어서 이온화하지 않는 염료는 상기 조성물에 0.00001 내지 0.1중량% 포함된 것일 수 있다. 함유량이 0.00001 중량%보다 더 적을 경우, 식별할 수 있을 정도의 발색이 없고, 0.1 중량%보다 더 많은 경우에는 0.1 중량%를 초과하는 몫만큼 발색효과가 없어지고, 비경제적이다.In the present invention, the non-ionizing dye may be included in the composition in an amount of 0.00001 to 0.1% by weight. If the content is less than 0.00001% by weight, there is no discernible color development, and if it is more than 0.1% by weight, the color development effect is lost by the amount exceeding 0.1% by weight, making it uneconomical.
본 발명에 있어서 이온화되지만 그 함유량을 소량으로 함으로써, 연료전지에 있어서의 발전력을 저하시키지 않을 정도의 저도전율을 유지할 수 있는 염료는 아시드 블루 74 (Acid Blue 74) 및/또는 다이렉트 그린 8 (Direct Green 8)인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the dye that is ionized but can maintain a low electric conductivity to the extent that the power generation power in the fuel cell is not reduced by keeping the content in a small amount is Acid Blue 74 and/or Direct Green 8. It may be Green 8), but is not limited to this.
본 발명에 있어서 이온화되지만 그 함유량을 소량으로 함으로써, 연료전지에 있어서의 발전력을 저하시키지 않을 정도의 저도전율을 유지할 수 있는 염료는 상기 조성물에 0.00001 내지 0.1 중량%, 예를 들어, 0.00001 내지 0.01 중량% 포함된 것일 수 있다. 상기 범위보다 더 염료의 함유량이 적을 경우, 식별할 수 있을 정도의 발색이 없어지고, 상기 범위보다 더 염료의 함유량이 많을 경우는, 저도전율을 유지할 수 없게 된다.In the present invention, the dye that is ionized but can maintain a low electric conductivity to a degree that does not reduce the power generation power in the fuel cell by keeping the content in a small amount is 0.00001 to 0.1% by weight, for example, 0.00001 to 0.01% by weight, in the composition. % may be included. If the dye content is less than the above range, discernible color development disappears, and if the dye content is more than the above range, low electric conductivity cannot be maintained.
본 발명에 있어서 이온화되지만 그 함유량을 소량으로 함으로써, 연료전지에 있어서의 발전력을 저하시키지 않을 정도의 저도전율을 유지할 수 있는 염료는 냉각경로 내에 배치된 양이온 또는 음이온교화체, 구체적으로 이온교환수지, 비석류 (zeolite), 산성백토 등에 의해서도 제거되지 않는 것일 수 있다.In the present invention, the dye that is ionized but can maintain a low electric conductivity to a degree that does not reduce the power generation power in the fuel cell by keeping the content in a small amount is a cation or anion exchanger disposed in the cooling path, specifically an ion exchange resin, It may not be removed even by zeolite or acid white clay.
또한, 상기 조성물에 있어서, 이온교환체의 종류, 예를 들면 양이온교환수지 또는 음이온교화수지에 대하여, 분자의 화학구조 중에 극성기를 포함하는 염료로서, 연료전지에 있어서의 발전력을 저하시키지 않을 정도의 저도전율을 유지할 수 있는 염료, 및 분자의 화학구조중에 염기성 기 또는 산성기가 결합하고 있는 염료로서 그 함유량을 적게 함으로써, 연료전지에 있어서의 발전력을 저하시키지 않을 정도의 저도전율을 유지할 수 있는 염료를 들 수가 있다.In addition, in the above composition, the type of ion exchanger, for example, cation exchange resin or anion exchange resin, is a dye containing a polar group in the chemical structure of the molecule, to a degree that does not reduce the power generation power in the fuel cell. Dyes that can maintain low electric conductivity, and dyes that have a basic or acidic group bonded to the chemical structure of the molecule. By reducing the content, dyes that can maintain low electric conductivity to a level that does not reduce the power generation power in a fuel cell. I can hear it.
본 발명에 있어서 분자의 화학구조 중에 극성기를 포함하는 염료는 분자의 화학구조중에 술폰산기 및 카르복실기를 갖지 않는, 아조익 염료, 황화 염료, 배트 염료, 유용 염료 및 분산 염료로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the dye containing a polar group in the chemical structure of the molecule is one selected from the group consisting of azoic dyes, sulfurized dyes, vat dyes, oil-soluble dyes, and disperse dyes that do not have a sulfonic acid group and a carboxyl group in the molecular chemical structure. It may be more than this, but it is not limited to this.
본 발명에 있어서 염료는 1종류만을 사용하여도 좋으나, 색이 다른 복수종류의 염료를 조합하여 사용할 수도 있다. 예를 들면, 색의 3원색인 적, 청, 황 3색의 염료를 조합시키면, 상기 조성물에 거의 모든 색을 착색시킬 수가 있으며, 이 경우, 상기 조성물이 다른 형태마다, 제조년월마다, 혹은 사용자마다 색을 분간할 수가 있다.In the present invention, only one type of dye may be used, but multiple types of dyes of different colors may be used in combination. For example, by combining the three primary colors of red, blue, and yellow dyes, the composition can be colored in almost any color. In this case, the composition can be used in different forms, by year and month of manufacture, or by user. Each color can be distinguished.
본 발명에 있어서 연료전지 냉각용 조성물의 pH는 5.5 내지 10.0, 6.0 내지 10.0, 5.5 내지 9.5, 6.0 내지 9.5, 예를 들어, 6.0 내지 9.0인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the pH of the fuel cell cooling composition may be 5.5 to 10.0, 6.0 to 10.0, 5.5 to 9.5, 6.0 to 9.5, for example, 6.0 to 9.0, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서 연료전지 냉각용 조성물은 pH 조절제를 추가로 포함하는 것일 수 있다.In the present invention, the fuel cell cooling composition may further include a pH adjuster.
본 발명에 있어서 pH 조절제는 조성물의 pH를 5.5 내지 10.0, 6.0 내지 10.0, 5.5 내지 9.5, 6.0 내지 9.5, 예를 들어, 6.0 내지 9.0로 맞출 수 있는 범위 내의 사용이면 그 제한은 없다. In the present invention, the pH adjuster is not limited as long as it is used within a range that can adjust the pH of the composition to 5.5 to 10.0, 6.0 to 10.0, 5.5 to 9.5, 6.0 to 9.5, for example, 6.0 to 9.0.
본 발명에 있어서 pH 조절제는 알칼리 금속 수산화물인 것일 수 있으며, 예를 들어, 수산화 리튬 (lithium hydroxide), 수산화 나트륨 (sodium hydroxide), 수산화 칼륨 (potassium hydroxide) 및 트리에틸아민 (Triethylamine)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the pH adjuster may be an alkali metal hydroxide, for example, from the group consisting of lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and triethylamine. It may be one or more selected types, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서 연료전지 냉각용 조성물은 연료전지 냉각시스템 내의 부식을 방지하기 위하여, 연료전지에 있어서의 발전력을 저하시키지 않을 정도의 저도전율을 유지시키는 범위 내에서, 방청첨가제를 추가로 포함할 수 있다.In the present invention, the fuel cell cooling composition may further include a rust-prevention additive to prevent corrosion within the fuel cell cooling system, within the range of maintaining a low conductivity that does not reduce the power generation power of the fuel cell. there is.
본 발명에 있어서 방청첨가제는 몰리브덴산염, 텅스텐산염, 황산염, 아세트산염 및 안식향산염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the rust preventive additive may be one or more selected from the group consisting of molybdate, tungstate, sulfate, acetate, and benzoate, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서 연료전지 냉각용 조성물은 소포제를 추가로 포함할 수 있다.In the present invention, the composition for cooling a fuel cell may further include an antifoaming agent.
본 발명에 있어서 소포제는 실리콘계, 폴리글리콜계 등의 소포제인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the antifoaming agent may be a silicone-based or polyglycol-based antifoaming agent, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서 냉각용 조성물은 냉각액 원액인 것일 수 있다. 이에 따라, 냉각용 조성물은 20 내지 70 부피%, 30 내지 70 부피%, 40 내지 70 부피%, 20 내지 60 부피%, 30 내지 60 부피%, 예를 들어, 40 내지 60 부피%의 물에 희석하여 최종 냉각액으로 제조하여 사용되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the cooling composition may be a coolant solution. Accordingly, the cooling composition is diluted in 20 to 70% by volume, 30 to 70% by volume, 40 to 70% by volume, 20 to 60% by volume, 30 to 60% by volume, for example, 40 to 60% by volume. Therefore, it may be manufactured and used as a final coolant, but it is not limited to this.
본 발명은 연료전지 냉각용 조성물에 관한 것으로, 구체적으로는 자동차용 연료전지의 스택의 냉각에 사용되는 냉각용 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 조성물은 동결방지 기능은 기존의 냉각용 조성물 대비 동등이상이면서도 기제인 알킬렌글리콜의 산화를 방지하여 연료전지 냉각용 조성물의 중요특성인 전기전도도 값의 증가를 억제하는 효과를 가진다.The present invention relates to a composition for cooling fuel cells, and more specifically, to a cooling composition used for cooling stacks of fuel cells for automobiles. The composition of the present invention has an anti-freezing function equivalent to or better than that of existing cooling compositions. At the same time, it has the effect of preventing the oxidation of alkylene glycol, the base material, from increasing the electrical conductivity value, which is an important characteristic of the fuel cell cooling composition.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through the following examples. However, these examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.
제조예. 냉각용 조성물의 제조Manufacturing example. Preparation of cooling compositions
실시예. 1 내지 6Example. 1 to 6
하기 표 1과 같이 다양한 배합의 연료전지 냉각용 조성물을 제조하였다. 각각의 조성물에 포함된 성분 및 함량은 하기 표 1에 나타내었다. 기제로 물 및 에틸렌글리콜을 사용하였으며, 이들의 비율은 중량%이다. 또한, 용제를 제외한 나머지는 용제부를 100 중량부 기준으로 그 중량부를 나타내었다.Fuel cell cooling compositions of various formulations were prepared as shown in Table 1 below. The components and contents contained in each composition are shown in Table 1 below. Water and ethylene glycol were used as bases, and their ratio is in weight%. In addition, parts by weight excluding the solvent were expressed based on 100 parts by weight of the solvent.
실험예 1. 전기 전도도 변화율 측정Experimental Example 1. Measurement of electrical conductivity change rate
제조예에서 제조된 각각의 냉각용 조성물(100g)에 알루미늄 파우더 3g을 넣고 60 ℃에서 장기(168 시간) 방치하였다. 그 다음 알루미늄 파우더를 제거한 후 전기 전도도를 측정하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다.3 g of aluminum powder was added to each cooling composition (100 g) prepared in the preparation example and left at 60° C. for a long period of time (168 hours). Then, after removing the aluminum powder, the electrical conductivity was measured, and the results are shown in Table 2.
전도도electricity
conductivity
표 2에서 확인할 수 있듯이, 비교예 1의 냉각용 조성물은 약 6.5배의 전기 전도도 증가율을 보이나, 실시예 1 내지 6의 냉각용 조성물은 약 3.6 내지 5.5 배의 전기전도도 증가율을 보임을 확인하여, 현저하게 증가율이 작음을 확인하였다. As can be seen in Table 2, the cooling composition of Comparative Example 1 showed an increase in electrical conductivity of about 6.5 times, but the cooling compositions of Examples 1 to 6 showed an increase in electrical conductivity of about 3.6 to 5.5 times. It was confirmed that the increase rate was noticeably small.
1-2. pH 변화 측정1-2. pH change measurement
제조예에서 제조된 각각의 냉각용 조성물 (100g)에 알루미늄 파우더 3g을 넣고 60℃에서 장기 (168 시간) 방치하였다. 그 다음, 알루미늄 파우더를 제거한 후 pH를 측정하여, 그 결과를 표 3에 나타내었다.3 g of aluminum powder was added to each cooling composition (100 g) prepared in the production example and left at 60°C for a long period of time (168 hours). Next, the pH was measured after removing the aluminum powder, and the results are shown in Table 3.
변화율 (배)hydrogen ion concentration
Rate of change (fold)
표 3에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1 내지 6의 경우 수소이온 농도 변화율이 최대 약 2 내지 6배였으나, 비교예의 경우 약 20배로 실시예의 냉각용 조성물이 수소이온 농도의 변화율이 현저히 낮은 것을 확인하였다. As can be seen in Table 3, in the case of Examples 1 to 6, the rate of change in hydrogen ion concentration was at most about 2 to 6 times, but in the case of Comparative Example, it was about 20 times, confirming that the rate of change in hydrogen ion concentration of the cooling composition of the example was significantly low. .
1-3. 유기산 생성량 측정1-3. Measurement of organic acid production
에틸렌 글리콜이 열에 의해 산화되어 생성되는 유기산 (glycolic acid, formic acid 등)은 이온수지 필터의 수명을 단축시켜, 이의 교환주기를 빨라지게 한다. 이에, 제조예에서 제조된 각각의 냉각용 조성물의 유기산 생성량을 측정하였다.Organic acids (glycolic acid, formic acid, etc.) generated when ethylene glycol is oxidized by heat shorten the lifespan of the ion resin filter and accelerate its exchange cycle. Accordingly, the amount of organic acid produced in each cooling composition prepared in the preparation example was measured.
구체적으로, 제조예에서 제조된 각각의 냉각용 조성물 (100g)에 알루미늄 파우더 3 g을 넣고 60℃에서 장기 (168 시간) 방치하였다. 그 다음, IC 분석을 통하여 유기산인 글리콜산 (glycolic acid) 및 포름산 (formic acid)의 양을 측정하여, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. (실험 전 냉각용 조성물에 포함된 유기산의 양은 0으로 측정됨.)Specifically, 3 g of aluminum powder was added to each cooling composition (100 g) prepared in the Preparation Example and left at 60°C for a long period of time (168 hours). Next, the amounts of organic acids glycolic acid and formic acid were measured through IC analysis, and the results are shown in Table 4 below. (The amount of organic acid contained in the cooling composition before the experiment was measured as 0.)
표 4에서 확인할 수 있듯이, 글리콜산은 비교예 1에서 70 ppm 생성되었으나, 실시예 1 내지 6은 약 30 내지 40 ppm 정도가 생성되어 절반 정도만 생성되는 것으로 확인되었으며, 포름산은 비교예 1에서 12 ppm 생성되었으나, 실시예 1 내지 6은 약 3 내지 5 ppm 생성되어 현저하게 적은 양만이 생성되는 것을 확인 하였다. As can be seen in Table 4, 70 ppm of glycolic acid was produced in Comparative Example 1, but it was confirmed that only about half of the glycolic acid was produced, with about 30 to 40 ppm produced in Examples 1 to 6, and formic acid was produced at 12 ppm in Comparative Example 1. However, in Examples 1 to 6, it was confirmed that only a significantly small amount was produced, at about 3 to 5 ppm.
실험예 2. 장기 보관 시 전기전도도 변화 Experimental Example 2. Change in electrical conductivity during long-term storage
연료전지 냉각액을 장기 보관할 경우 전기전도도가 상승하는 경향이 있다. 전기전도도가 올라갈 경우 스택 및 이온수지 필터 수명에 영향을 주게 되므로 일정기간이 지나도 전기전도도가 신액 기준으로 유지되어야 한다. When fuel cell coolant is stored for a long period of time, electrical conductivity tends to increase. If the electrical conductivity increases, it will affect the life of the stack and ion resin filter, so the electrical conductivity must be maintained at the new liquid standard even after a certain period of time.
염료에 따라 장기 보관 시 전기전도도 변화를 확인하였다. 구체적으로, 냉각용 조성물을 PP 용기에 넣고 완전히 밀봉 후 상온 (25℃)에서 보관하면서, 30, 90, 180, 240, 및 360일에 전기전도도 측정하였으며, 평균변화율은 하기의 계산식으로 계산하여, 그 결과를 표 5에 나타내었다.Changes in electrical conductivity during long-term storage were confirmed depending on the dye. Specifically, the cooling composition was placed in a PP container, completely sealed, and stored at room temperature (25°C), and electrical conductivity was measured for 30, 90, 180, 240, and 360 days, and the average rate of change was calculated using the following formula, The results are shown in Table 5.
[계산식][formula]
평균변화율 (%/day) = [(Y2 - Y1) / X] * 100Average change rate (%/day) = [(Y2 - Y1) / X] * 100
X: 시험기간 (일)X: Exam period (days)
Y1: 시험 전 전기전도도Y1: Electrical conductivity before test
Y2: 360일 후 전기전도도Y2: Electrical conductivity after 360 days
표 5에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1 내지 6은 평균변화율이 0.4 내지 0.7 %인 것을 확인하여, 비교예의 평균변화율이 0.84인 것에 비해 현저하게 변화가 적은 효과가 있음을 확인하였다.As can be seen in Table 5, it was confirmed that Examples 1 to 6 had an average change rate of 0.4 to 0.7%, which confirmed that the change was significantly less than that of the comparative example, which had an average change rate of 0.84.
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