CN114032077B

CN114032077B - 一种新型绿色长效燃料电池防冻冷却液及其制备方法

Info

Publication number: CN114032077B
Application number: CN202111459815.2A
Authority: CN
Inventors: 吴诗德; 平丹; 黄思光; 张桂伟; 易峰; 陈亚伟; 韩莉锋; 王诗文; 方少明
Original assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Current assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Priority date: 2021-12-02
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2024-07-23
Anticipated expiration: 2041-12-02
Also published as: CN114032077A

Abstract

本发明公开了一种新型绿色长效燃料电池防冻冷却液及其制备方法，所述防冻液的组成及含量为：乙二醇为45～80％，丙酮0.1～1.5％，D‑山梨醇0.03～0.5％，甲基‑苯并三氮唑0.05～0.5％，二甲基亚砜(DMSO)0.1～1％，三乙醇胺0.0001～0.005％，余量为去离子水，其中丙酮和DMSO对电导率的降低具有协同增效作用。本发明还公开了该防冻液的制备方法。本发明防冻液的优点是：电导率低(<5μS/cm)、防冻、且能有效减缓冷却系统金属部件的腐蚀，制备工艺简单且绿色环保无污染，成本低，适合批量化生产，可应用于燃料电池汽车。

Description

一种新型绿色长效燃料电池防冻冷却液及其制备方法

技术领域

本发明属于防冻液领域，特别涉及一种新型绿色长效燃料电池防冻冷却液及其制备方法。

背景和意义

防冻冷却液是一种含有特殊添加剂的冷却液，主要用于液冷式发动机冷却系统，具有防冻、防水垢、防腐蚀等优良性能。随着新能源汽车的普及，燃料电池以其高能量转换率、零污染排放等优点，未来将被广泛应用于汽车动力和储能领域，考虑到燃料电池工作条件的特殊性，其防冻液必须具备电导率低(<5μS/cm)、呈现弱碱性、离子浓度低、冰点低等特点，还要具有良好的金属防腐性、抗氧化性、防结垢性，使用寿命要长等综合性能，同时要对环境污染小或不污染环境。

为了更好地适应未来的发展需求使汽车防冻液朝着节能、环保、绿色、健康等多功能方向发展。各国对此都做了大量的研究，不断推出配方专利和优良的防冻液商品。防冻液是从上世纪二十年代以后从发达国家开始普及的，经过不断的发展和变化，现阶段发达国家汽车防冻液的普及率已达100％，相比国外一些发达国家，我国汽车防冻液研究起步较晚，自20世纪80年代才开始研发汽车防冻液，所以普及率相对较低，且国内大多数企业的产品水平停留在照搬或仿制国外配方上，部分产品组分中的防腐剂还含有硼酸盐、亚硝酸盐、胺盐等，对硼酸的铝腐蚀性和致癌物生成的危害缺乏认识。虽然现阶段“四无”发动机防冻液即无磷、无胺、无亚硝酸盐、无硼酸盐的开发已取得积极进展，但与发达国家相比仍差距较大。

目前在国内外发动机市场上出售的防冻液主要分为醇类、无机类和多糖类等，其中醇类使用最多，且大部分是乙二醇的水基型防冻液。防冻液中的缓蚀剂主要采用硅酸盐、磷酸盐或有机羧酸。一方面造成严重的环境污染，另一方面磷酸盐、硼酸盐在传热状态下对铝金属化材料有一定的腐蚀作用，造成溶液电导率急剧升高，影响燃料电池的质子交换以及防冻防沸性能。为此，亟待开发一种新型高效绿色的防冻液用于燃料电池行业，来满足日益增长的市场需求。

发明内容

针对现阶段防冻液的发展现状及其缺陷，本发明提供一种超长效燃料电池用防冻冷却液及其制备方法，能够使得防冻液具有电导率低(<5μS/cm)、防冻和防腐蚀性能良好，且成本低廉，制备工艺简单，便于推广到市场中。本发明提出以乙二醇和去离子水为基础液，同时以丙酮、D-山梨醇、苯并三氮唑、DMSO和三乙醇胺为添加剂，可以取得具有低电导率、且防冻、防腐蚀性能优异的燃料电池防冻液，并应用于新型燃料电池汽车，其中丙酮和DMSO对降低电导率具有协同增效作用。通过本发明的实施，可为新型高效绿色燃料电池防冻液的配方设计及其工业应用提供理论基础和数据，以便更好的满足燃料电池冷却系统对防冻液的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术放方案：

一种新型绿色长效燃料电池防冻冷却液，所述防冻液中含有作为冷却剂的乙二醇，作为降低冰点的二甲基亚砜(DMSO)，具有增大溶解度同时降低电导率的丙酮，作为消泡剂的D-山梨醇，作为抗氧化剂抑制酸性腐蚀的三乙醇胺和作为金属缓蚀剂的甲基苯并三氮唑，各组分的重量百分比如下：乙二醇45～80％，丙酮0.1～1.5％，D-山梨醇0.03～0.5％，甲基-苯并三氮唑0.05～0.5％，DMSO0.1～1％，三乙醇胺0.0001～0.005％，余量为去离子水。

进一步，本发明所述防冻冷却液中DMSO和丙酮对电导率的降低具有协同增效作用，所述丙酮和DMSO的质量比为(1～15):1。

进一步，所述防冻冷却液的电导率为0.8～5μS/cm，pH值为7.0～7.4，冰点为-38～-56℃。

进一步，所述防冻冷却液中DMSO和丙酮的协同作用可以使防冻液电导率降低6～10％。

进一步，本发明所述防冻冷却液对金属钛片和铝片均具有很好的缓蚀性能，浸泡180天质量变化均小于10mg，表现出超长效的使用性能。

本发明所述的新型绿色长效燃料电池防冻冷却液的制备方法，步骤如下：先将乙二醇和去离子水预先混合，超声3～5min，然后再依次加入丙酮，研磨后的D-山梨醇、甲基苯并三氮唑，DMSO和三乙醇胺，继续超声10～30min后形成均匀混合液，即获得所述燃料电池防冻冷却液。

本发明的优点为：本发明采用了新型的非离子剂配方，该防冻液可以长时间的保持低的电导率，整体达到了燃料电池的使用需求。所述防冻液中含有作为冷却剂的乙二醇，作为降低冰点的二甲基亚砜(DMSO)；作为增大溶解度同时降低电导率的丙酮；作为消泡剂的D-山梨醇，以有效防止在运行过程中起泡而使散热效果下降；作为抗氧化剂抑制酸性腐蚀的三乙醇胺和作为金属缓蚀剂的甲基苯并三氮唑，以有效抑制金属腐蚀，增长使用寿命。其中丙酮和DMSO由于结构相似性对降低电导率具有协同增效作用，可以使防冻液电导率降低6～10％。

附图说明

图1为浸泡前钛片的扫描电镜图。

图2为浸泡180天后钛片的扫描电镜图。

图3为浸泡前铝片的扫描电镜图。

图4为浸泡180天后铝片的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细阐述：

下述各实施例设计的电导率、pH的测试方法如下：

利用电导率仪测试电导率，具体测试方法如下：在室温下使用雷磁的DDSJ-308系列电导率仪，直接将测量范围为0.2～20uS/cm的光亮电极插入待测防冻液中，待显示器中的数值稳定，直接读数即可。

利用pH计测试pH，具体测试方法如下：在室温下使用雷磁的PHS-3C pH计测试防冻液pH，用蒸馏水冲洗三次玻璃电极，用滤纸将水擦净后将玻璃电极插入防冻液中，按“读数”之后待显示器中的数值稳定，直接读数即可。

防冻液的电导率为<5μS/cm(测试方法：GB/T 11446.4)，pH为弱碱性(测试方法：SH/T 0069)，冰点为-30～-55℃(测试方法：SH/T 0090)。

本发明提出以乙二醇和纯度较高的去离子水为防冻液基础液，以D-山梨醇为消泡剂，以三乙醇胺为抗氧化剂，以甲基苯并三氮唑(BTA)作为金属缓蚀剂，同时加入丙酮以降低电导率，加入DMSO以降低冰点，通过调变各组分的浓度、比例，配置成符合标准的防冻液。

实施例1

一种新型绿色长效燃料电池防冻冷却液，所述防冻冷却液的组成及含量为：乙二醇60％，D-山梨醇0.03％，甲基苯并三氮唑0.5％，三乙醇胺0.005％，丙酮1.5％，DMSO0.2％，余量为去离子水。

本实施例的新型绿色长效燃料电池防冻冷却液的制备方法如下：

先将乙二醇和去离子水预先混合，超声5min，然后再依次加入丙酮，研磨后的D-山梨醇、甲基苯并三氮唑，DMSO和三乙醇胺，继续超声30min后形成均匀混合液，即获得所述燃料电池防冻冷却液。

测得实施例的新型绿色长效燃料电池防冻冷却液的电导率为1.50μS/cm。将金属钛片和铝片置于本实施例的防冻冷却液中，浸泡一周，观察金属片表面无腐蚀痕迹。

对比例1

在实施例1的基础上，仅将DMSO替换为丙酮，所述防冻冷却液的组成及含量为：乙二醇60％，D-山梨醇0.03％，甲基苯并三氮唑0.5％，三乙醇胺0.005％，丙酮1.7％，余量为去离子水。

其他操作同实施例1，测得防冻冷却液的电导率为1.60μS/cm。

对比例2

在实施例1的基础上，仅将丙酮替换为DMSO，所述防冻冷却液的组成及含量为：乙二醇60％，D-山梨醇0.03％，甲基苯并三氮唑0.5％，三乙醇胺0.005％，DMSO 1.7％，余量为去离子水。

其他操作同实施例1，测得防冻冷却液的电导率为1.61μS/cm。

通过实施例1和对比例1、2可以得出说明DMSO和丙酮对降低电导率具有协同增效作用。

实施例2

一种新型绿色长效燃料电池防冻冷却液，所述防冻冷却液的组成及含量为:乙二醇60％，D-山梨醇0.03％，甲基苯并三氮唑0.5％，丙酮0.5％，DMSO 0.2％，三乙醇胺0.005％，余量为去离子水，所述防冻冷却液的各组成成分百分含量之和为百分之百。

所述防冻冷却液电导率为3.81μS/cm，pH为7.12，冰点为-51℃。将金属钛片和铝片置于本实施例的防冻冷却液中，浸泡一周，观察金属片表面无腐蚀痕迹。

实施例3

一种新型绿色长效燃料电池防冻冷却液，所述防冻冷却液的组成及含量为：乙二醇70％，D-山梨醇0.5％，甲基苯并三氮唑0.05％，丙酮0.5％，三乙醇胺0.0015％，DMSO0.5％其余量为去离子水，所述防冻冷却液的各组成成分百分含量之和为百分之百。

所述防冻冷却液电导率为1.82μs/cm，pH为7.24，冰点为-56℃。将金属钛片和铝片置于本实施例的防冻冷却液中，浸泡一周，观察金属片表面无腐蚀痕迹。

实施例4

一种新型绿色长效燃料电池防冻冷却液，所述防冻冷却液的组成及含量为：乙二醇60％，D-山梨醇0.05％，甲基苯并三氮唑0.1％，三乙醇胺0.005％，丙酮1.5％，DMSO0.1％，其余量为去离子水，所述防冻冷却液的各组成成分百分含量之和为百分之百。

所述防冻冷却液电导率为4.97μS/cm，pH为7.03，冰点为-51℃。将金属钛片和铝片置于本实施例的防冻冷却液中，浸泡一周，观察金属片表面无腐蚀痕迹。

实施例5

一种新型绿色长效燃料电池防冻冷却液，所述防冻冷却液的组成及含量为：乙二醇65％，D-山梨醇1％，甲基苯并三氮唑0.1％，三乙醇胺0.005％，丙酮1％，DMSO 0.1％，其余量为去离子水，所述防冻冷却液的各组成成分百分含量之和为百分之百。

在该实施例下进行了腐蚀性试验：室温下，将金属钛片和铝片置于该防冻冷却液中，浸泡180天。利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)(日本JSM-7001F)观察表面有无腐蚀痕迹，并利用称重法测腐蚀前后质量变化，结果如下表1所示。

表1金属片腐蚀性试验前后电导率和质量变化

从表1和图1-4可以看出，本发明的燃料电池防冻冷却液对金属钛和铝均具有高的缓蚀性能，可以达到长效的使用效果。

Claims

1.一种新型绿色长效燃料电池防冻冷却液，其特征在于包括下述重量百分比的组分：乙二醇45~80%，丙酮0.1~1.5%，D-山梨醇0.03~0.5%，甲基-苯并三氮唑0.05~0.5%，DMSO 0.1~1%，三乙醇胺0.0001~0.005%，余量为去离子水；所述丙酮和DMSO的质量比为（1~15）:1；所述防冻冷却液的电导率为0.8~5μS/cm，pH值为7.0~7.4，冰点为-38~-56°C；所述防冻冷却液中DMSO和丙酮的协同作用可以使防冻液电导率降低6~10%。

2.根据权利要求1所述的新型绿色长效燃料电池防冻冷却液，其特征在于：所述防冻冷却液具有良好的防腐蚀性能，浸泡180天后金属钛和铝的质量变化均小于10mg。

3.根据权利要求1所述的新型绿色长效燃料电池防冻冷却液的制备方法，其特征在于制备步骤如下：先将乙二醇和去离子水预先混合，超声3~5 min，然后再依次加入丙酮，研磨后的D-山梨醇、甲基苯并三氮唑，DMSO和三乙醇胺，继续超声10~30 min后形成均匀混合液，即获得所述燃料电池防冻冷却液。