JP2011008942A

JP2011008942A - 燃料電池用冷却液

Info

Publication number: JP2011008942A
Application number: JP2009148537A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Arai; 博之新井; Shinichi Ogura; 新一小倉; Kazuto Yaeda; 一人八重田
Original assignee: Nippon Chemical Industrial Co Ltd; Toyota Motor Corp; Japan Chemical Industries Co Ltd
Current assignee: Nippon Chemical Industrial Co Ltd; Toyota Motor Corp; Japan Chemical Industries Co Ltd
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2011-01-13

Abstract

【課題】不凍性、低導電性、耐引火性および低粘性を兼ね備えた燃料電池用冷却液を提供すること。
【解決手段】燃料電池を冷却するための冷却液を、０．１質量％〜２質量％のメタノールおよび／または１質量％〜２５質量％のグリコールエーテル類と、水と、グリコール類と、で構成する。水とグリコール類とに、さらに上記配合量のメタノールまたは上記配合量のグリコールエーテル類を加えることで、冷却液に、不凍性、低導電性、耐引火性および低粘性の全てを付与できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の冷却に用いられる燃料電池用冷却液に関する。

燃料電池用冷却液に必要とされる性能として、不凍性、低導電性、耐引火性が知られている。また、燃料電池用冷却液の基剤として、水、アルコール類、グリコール類、グリコールエーテル類を使用することで、燃料電池用冷却液に充分な不凍性および低導電性を付与できることも知られている（例えば、特許文献１参照）。一般には、燃料電池用冷却液として、グリコール水溶液が用いられている。グリコール水溶液は、不凍性、低導電性、耐引火性に優れている。

国際公開第２００５／０９１４１３号

ところで近年、燃料電池の出力に対する消費エネルギを低減する技術が求められている。燃料電池の消費エネルギを大きく低減するためには、燃料電池の冷却システムに要するエネルギをも低減する必要がある。冷却システムに要するエネルギを低減するためには、燃料電池用冷却液を循環させるためのエネルギを低減するのが有効であると考えられる。燃料電池用冷却液を循環させるためのエネルギを低減するためには、燃料電池用冷却液の粘度を低くする（低粘性にする）必要がある。

水は非常に低粘性であり導電性および引火性にも優れる一方、不凍性に劣る。上述したグリコール水溶液は、不凍性、低導電性、耐引火性に優れる一方、比較的高粘性である。グリコール水溶液の粘度を低下させるためにはグリコールの配合量を少なくする必要があるが、この場合には水の配合量が多くなり不凍性が低下する（凍結温度が高くなる）問題がある。アルコール水溶液は非常に低粘性であり不凍性および導電性にも優れる一方、耐引火性に劣る。耐引火性を向上させる（引火点を上昇させる）ためには、アルコールの配合量を少なくする必要があり不凍性が低下する問題がある。グリコールエーテル水溶液は低粘性であり不凍性および導電性にも優れる一方、耐引火性に劣る。グリコールエーテル水溶液の耐引火性を向上させるためには、グリコールエーテルの配合量を少なくする必要があり不凍性が低下する。また、一般的な冷却液として、水に塩化物（例えば塩化カルシウム）を配合してなるものも知られている。この種の冷却液は、不凍性および耐引火性に優れ、かつ、低粘性である。しかしその反面、導電性が高い問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、不凍性、低導電性、耐引火性および低粘性を兼ね備えた燃料電池用冷却液を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の燃料電池用冷却液は、
燃料電池を冷却するための冷却液であって、
該冷却液全体に対して０．１質量％〜２質量％のメタノール、および／または、下式１で表され該冷却液全体に対して１質量％〜２５質量％のグリコールエーテル類と、
水と、
グリコール類と、からなることを特徴とする。

Ｒ^３−Ｏ−（Ｒ^１−Ｏ）ｎ−Ｒ^２・・・・・・（１）
（ただし、Ｒ^１はアルキレン基、Ｒ^２は水素またはアルキル基、Ｒ^３はアルキル基、ｎは１以上の整数である。）
本発明の燃料電池用冷却液は下記の（１）〜（４）の何れかを備えることが好ましく、（１）〜（４）の複数を備えることがより好ましい。

（１）前記グリコール類は、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、１，３−プロパンジオール、グリセリンから選ばれる少なくとも一種である。

（２）前記Ｒ^３の炭素数は４以下であり、
前記Ｒ^１はエチレン基でありかつ前記ｎは１〜３の整数であるか、または、前記Ｒ^１はプロピレン基でありかつ前記ｎは１である。

（３）前記グリコール類はエチレングリコールである。

（４）前記グリコールエーテル類は、エチレングリコールモノメチルエーテルである。

本発明の燃料電池用冷却液（以下、単に冷却液と略する）は、水とグリコール類とを含む冷却液に、冷却液全体に対して０．１質量％〜２質量％のメタノール、および／または、冷却液全体に対して１質量％〜２５質量％のグリコールエーテル類を配合したものである。本発明の冷却剤によると、水と、グリコール類と、メタノールおよび／またはグリコールエーテル類と、が各々の長所により各々の短所を補うため。このため、本発明の冷却液は、不凍性、低導電性、耐引火性および低粘性を兼ね備える。換言すると、本発明の冷却液は、不凍性、低導電性、耐引火性を備えつつ、水とグリコール類とからなる従来の冷却液に比べて低粘性である。

グリコール類のなかでも、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、１，３−プロパンジオール、グリセリンは、不凍性に優れ、かつ、低粘性に優れる。このため、冷却水に配合するグリコール類として上述したものの何れかを（または複数を組み合わせて）用いることで、冷却液の不凍性および低粘性をさらに向上させることができる。すなわち、上記（１）を備える本発明の冷却液は、不凍性および低粘性にさらに優れる。

Ｒ^３の炭素数が４以下であるグリコールエーテル類は、粘度が低く、かつ、凍結温度が充分に低い。また、Ｒ^１がエチレン基でありかつｎが１〜３の整数であるグリコールエーテル類、または、Ｒ^１がプロピレン基でありｎが１であるグリコールエーテル類は、粘度が低い。したがって、上記（２）を備える本発明の冷却液は、低粘性および不凍性にさらに優れる。

エチレングリコール水溶液の凝固点と、エチレングリコール水溶液におけるエチレングリコールの濃度と、の関係を表すグラフである。ジエチレングリコール水溶液の凝固点と、ジエチレングリコール水溶液におけるジエチレングリコールの濃度と、の関係を表すグラフである。プロピレングリコール水溶液の凝固点と、プロピレングリコール水溶液におけるプロピレングリコールの濃度と、の関係を表すグラフである。

本発明の冷却液におけるグリコールエーテル類としては、詳しくは、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノプロピルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテルから選ばれる少なくとも一種を用いるのが好ましい。

本発明の冷却液におけるグリコールエーテル類として、炭素数の少ないものを用いる場合には、炭素数の多いものを用いる場合に比べて、粘度が低くなり（低粘性に優れ）、凝固点も低くなる（不凍性に優れる）。したがって、上式１におけるＲ^３の炭素数は少ない方が好ましく、Ｒ^１の炭素数もまた少ない方が好ましい。詳しくは、Ｒ^３の炭素数が４以下であるか、Ｒ^１はエチレン基でありかつｎは１〜３の整数であるか、または、Ｒ^１はプロピレン基でありかつｎは１である場合には、不凍性と低粘性とを両立させ得る。

ところで、下表１に示すように、グリコールエーテル類のなかで上式１におけるＲ^１がエチレン基であるもの（例えばエチレングリコールモノメチルエーテル）は、Ｒ^１がプロピレン基であるもの（プロピレングリコールモノメチルエーテル）よりも引火点が高い。このため、本発明の冷却剤におけるグリコールエーテル類としては、Ｒ^１がエチレン基であるものを用いるのが好ましい。また、各グリコールエーテル類の引火点はエチレングリコールモノメチルエーテル＜エチレングリコールモノエチルエーテル＜エチレングリコールモノプロピレンエーテル＜エチレングリコールモノブチルエーテルであるため、引火点を考慮すると、上式１におけるＲ^３の炭素数は４以下の範囲で多い方が好ましい。さらに、また、各グリコールエーテル類の引火点はエチレングリコールモノメチルエーテル＜ジエチレングリコールモノメチルエーテル＜トリエチレングリコールモノメチルエーテルであるため、引火点を考慮すると、上式１におけるｎは３以下の範囲で多い方が好ましい。

なお、プロピレングリコールモノメチルエーテルはエチレングリコールモノメチルグリコールよりも引火点が低いものの、その配合量を適宜設定（具体的には配合量の最大値を２５質量％未満に）すれば、引火点への影響を十分に抑制することができる。このため、プロピレングリコールモノメチルエーテル（すなわちＲ^１がプロピレン基でありかつｎが１であるグリコールエーテル類）もまた、本発明の冷却液におけるグリコールエーテル類として好ましく用いられる。

本発明の冷却液におけるグリコール類としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、１，３−プロパンジオール、グリセリンから選ばれる少なくとも一種を用いることができる。これらのグリコール類の水溶液は、凍結温度が充分に低い（凝固点が充分に低い）ことが知られている。したがって、これらのグリコール類は、本発明の冷却液におけるグリコール類として好適に使用できる。例えば、図１〜図３に示すように、グリコール類の濃度が比較的低い範囲（例えば６０質量％未満）の範囲において、エチレングリコールの凝固点（図１）、ジエチレングリコールの凝固点（図２）およびプロピレングリコールの凝固点（図３）は、充分に低い。

なお、プロピレングリコール水溶液の凝固点（図３）はジエチレングリコール水溶液の凝固点（図２）よりも低く、エチレングリコール水溶液の凝固点（図１）はさらに低い。例えば、４０質量％のジエチレングリコール水溶液の凝固点は約−１５℃であるのに対して、４０質量％のプロピレングリコール水溶液の凝固点は約−２０℃であり、４０質量％のエチレングリコール水溶液の凝固点は約−２４℃である。このため、不凍性を考慮すると、炭素数の少ないグリコール類を使用するのが好ましく、炭素数２のエチレングリコールを使用するのが特に好ましい。

本発明の冷却液は、水、グリコール類、メタノールおよび／またはグリコールエーテル類からなるが、本発明の冷却液にさらに導電率抑制剤、熱交換促進剤、防錆剤、着色剤、消泡剤等の添加剤を配合し、複合冷却液として良い。この場合、各種添加剤の配合量は、冷却液の不凍性、低導電性、耐引火性、および低粘度を維持できる範囲で、適宜設定できる。

なお、導電率抑制剤としては、スチレン樹脂等の耐熱性および耐久性に優れる陽イオン−陰イオン交換体を用いるのが好ましい。この場合、導電率抑制剤の配合量は、冷却液１００質量部に対して０．０１〜１１質量部であるのが好ましい。

熱交換促進剤としては、炭酸カリウム６水和物、硝酸リチウム３水和物、硫酸ナトリウム１０水和物、炭酸ナトリウム１０水和物、チオ硫酸ナトリウム５水和物、硝酸ニッケル６水和物、酢酸ナトリウム３水和物、硝酸鉄６水和物、硝酸アルミニウム９水和物、４ホウ酸ナトリウム１０水和物、水酸化バリウム８水和物、水酸化ストロンチウム８水和物、硝酸マグネシウム６水和物、硫酸アルミニウム１０水和物、塩化マグネシウム６水和物等の無機塩水和物、リボース、マルトース１水和物、フルクトース、スクロース、ラクトース１水和物等の糖類、エリスリトール、スレイトール、キシリトール、ソルビトール、マルチトール等の糖アルコール類、尿素、チオ尿素、アセトアミド等の窒素含有化合物、等の蓄熱材をマイクロカプセルに封入したものを用いることが好ましい。この場合、熱交換促進剤の配合量は、冷却液１００質量部に対して０．０１〜２５質量部であるのが好ましい。

防錆剤としては、トリアゾール類を用いることが好ましい。この場合、防錆剤の配合量は、冷却液１００質量部に対して０．０００１〜０．１質量部であるのが好ましい。

着色剤としては、赤色１０６号を用いるのが好ましい。この場合、着色剤の配合量は、冷却液１００質量部に対して０．０００１〜０．０１質量部であるのが好ましい。

消泡剤としては、シリコン系またはポリエーテル系のものを用いるのが好ましい。この場合、消泡剤の配合量は、冷却液１００質量部に対して０．０００１〜０．１質量部であるのが好ましい。

さらに、上記の複合冷却液において、メタノールとグリコールエーテル類とが共存していても良い。すなわち、水、グリコール類、メタノールからなる冷却液にグリコールエーテル類をさらに配合しても良いし、水、グリコール類、グリコールエーテル類からなる冷却液にメタノールをさらに配合しても良い。この場合、各種添加剤の配合量は、冷却液の不凍性、低導電性、耐引火性、および低粘度を維持できる範囲で、適宜設定できる。

以下、本発明の冷却液を具体的に説明する。

（実施例１）
実施例１の冷却液は、５１質量部の水と、４７質量部のエチレングリコール（以下ＥＧと略す）と、２質量部のメタノールとを混合してなる。

（実施例２）
実施例２の冷却液は、５０質量部の水と、４９質量部のＥＧと、１質量部のメタノールとを混合してなる。

（実施例３）
実施例３の冷却液は、５０質量部の水と、４９．９質量部のＥＧと、０．１質量部のメタノールとを混合してなる。

（実施例４）
実施例４の冷却液は、５１質量部の水と、２４質量部のＥＧと、２５質量部のＥＧ−モノメチルエーテルとを混合してなる。

（実施例５）
実施例５の冷却液は、５０質量部の水と、４０質量部のＥＧと、１０質量部のＥＧ−モノメチルエーテルとを混合してなる。

（実施例６）
実施例６の冷却液は、５０質量部の水と、４９質量部のＥＧと、１質量部のＥＧ−モノメチルエーテルとを混合してなる。

（比較例１）
比較例１の冷却液は、水のみ（１００質量部の水）からなるものである。

（比較例２）
比較例２の冷却液は、５０質量部の水と、５０質量部のＥＧとを混合してなる。

（比較例３）
比較例３の冷却液は、５５質量部の水と、４５質量部のメタノールとを混合してなる。

（比較例４）
比較例４の冷却液は、５０質量部の水と、５０質量部のＥＧモノメチルエーテルとを混合してなる。

（比較例５）
比較例４の冷却液は、７０質量部の水と、３０質量部の塩化カルシウムとを混合してなる。

（比較例６）
比較例６の冷却液は、５０質量部の水と、４７質量部のＥＧと、３質量部のメタノールとを混合してなる。

（比較例７）
比較例７の冷却液は、５１質量部の水と、１９質量部のＥＧと、３０質量部のＥＧモノメチルエーテルとを混合してなる。

（評価試験）
実施例１〜実施例６および比較例１〜比較例７の冷却液について、凍結温度（℃）、２０℃における導電率（μＳ／ｃｍ）、引火点（℃）、２５℃における粘度（ｍＰａ・ｓ）を測定した。測定方法は以下の通りである。

（凍結温度測定試験）
各冷却液の凍結温度をＪＩＳＫ２２３４８．５凍結温度に準拠し、測定した。各冷却液の凍結温度を表２に示す。

（導電率測定試験）
各冷却液の２５℃における導電率を導電率測定機にて測定した。各冷却液の２５℃における導電率を表２に示す。

（引火点測定試験）
各冷却液の引火点を、８０℃以下の場合にはＴＡＧ密閉式引火点測定試験機で測定し、８０℃を超える場合にはクリーブランド開放式引火点試験機で測定した。各冷却液の引火点を表２に示す。

（粘度測定試験）
各冷却液の２０℃における粘度をＢ型粘度測定試験機で測定した。各冷却液の２０℃における粘度を表２に示す。

上述したように、燃料電池用冷却液に求められる性能としては、不凍性、低導電性、耐火性、低粘性、が挙げられる。詳しくは、上述した凍結温度測定試験において、凍結温度が−３５℃以下であれば、不凍性に優れると判断できる。上述した導電率測定試験において、２５℃における導電率が１μｍ／ｃｍ未満であれば、低導電性に優れると判断できる。上述した引火点測定試験において、引火が認められなければ、耐火性に優れると判断できる。上述した粘度測定試験において、２０℃における粘度が３．９ｍＰａ・ｓ未満であれば、低粘性に優れると判断できる。

表２に示すように、実施例１〜実施例６の冷却剤は、何れも、不凍性、低導電性、耐火性、および低粘性に優れる。また、比較例１〜比較例７の冷却液は、何れも、不凍性、低導電性、耐火性、および低粘性の何れかに劣る。したがって、水と、グリコール類と、０．１質量％〜２質量％のメタノール（または１質量％〜２５質量％のグリコールエーテル類）とで冷却液を構成することで、冷却液に不凍性、低導電性、耐火性、および低粘性の全てを付与できることが判る。

また、２質量％のメタノールを含む実施例１の冷却液の２０℃における粘度は３．７２ｍＰａ・ｓであり、１質量％のメタノールを含む実施例２の冷却液の２０℃における粘度は３．７８ｍＰａ・ｓであり、０．１質量％のメタノールを含む実施例３の冷却液の２０℃における粘度は３．８７ｍＰａ・ｓである。このため、冷却液全体に対するメタノールの量（メタノールの含有量）を０．１質量％〜２質量％の範囲にすることで、粘度を充分に低くできることがわかる。

さらに、２５質量％のエチレングリコールモノメチルエーテルを含む実施例４の冷却液の２０℃における粘度は３．６４ｍＰａ・ｓであり、１０質量％のエチレングリコールモノメチルエーテルを含む実施例５の冷却液の２０℃における粘度は３．７９ｍＰａ・ｓであり、１質量％のエチレングリコールモノメチルエーテルを含む実施例６の冷却液の２０℃における粘度は３．８７ｍＰａ・ｓである。このため、冷却液全体に対するエチレングリコールモノメチルエーテルの量（エチレングリコールモノメチルエーテルの含有量）を１質量％〜２５質量％の範囲にすることでも、粘度を充分に低くできることがわかる。

本発明の燃料電池用冷却液は、特に、自動車用の燃料電池を冷却するための燃料電池用冷却液として好ましく用いることができる。

Claims

燃料電池を冷却するための冷却液であって、
該冷却液全体に対して０．１質量％〜２質量％のメタノール、および／または、下式１で表され該冷却液全体に対して１質量％〜２５質量％のグリコールエーテル類と、
水と、
グリコール類と、からなることを特徴とする燃料電池用冷却液。
Ｒ^３−Ｏ−（Ｒ^１−Ｏ）ｎ−Ｒ^２・・・・・・（１）
（ただし、Ｒ^１はアルキレン基、Ｒ^２は水素またはアルキル基、Ｒ^３はアルキル基、ｎは１以上の整数である。）
前記グリコール類は、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、１，３−プロパンジオール、グリセリンから選ばれる少なくとも一種である請求項１に記載の燃料電池用冷却液。
前記Ｒ^３の炭素数は４以下であり、
前記Ｒ^１はエチレン基でありかつ前記ｎは１〜３の整数であるか、または、前記Ｒ^１はプロピレン基でありかつ前記ｎは１である請求項１または請求項２に記載の燃料電池用冷却液。
前記グリコール類はエチレングリコールである請求項１〜請求項３の何れか一つに記載の燃料電池用冷却液。
前記グリコールエーテル類は、エチレングリコールモノメチルエーテルである請求項１〜請求項４の何れか一つに記載の燃料電池用冷却液。