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一、引言

在全球能源转型的大背景下，氢燃料电池凭借零排放、高效能等优势，成为新能源领域的重要发展方向。氢燃料电堆作为氢燃料电池系统的核心部件，在电化学反应过程中会产生大量热量。若这些热量无法及时散发，将导致电堆温度过高，不仅会降低电堆效率、缩短使用寿命，甚至可能引发安全隐患。氢燃料电堆冷却液作为热管理系统的核心介质，承担着调节电堆温度、保障系统稳定运行的关键任务，对推动氢燃料电池技术的发展与应用具有重要意义。

二、氢燃料电堆工作原理及产热机制

（1）工作原理

氢燃料电堆的工作基于电化学反应，其本质是将氢气和氧气的化学能直接转化为电能。在电堆内部，氢气在阳极催化剂的作用下分解为氢离子（质子）和电子，氢离子通过质子交换膜迁移至阴极，电子则通过外部电路形成电流，为负载供电。在阴极，氧气与氢离子、电子发生反应生成水，完成整个电化学反应过程。这一过程无需燃烧，能量转化效率较高，一般可达 40%-60% 。

（2）产热机制

尽管氢燃料电堆防冻液能量转化效率相对可观，但仍有大量能量以热能形式释放。产热主要来源于三个方面：一是电化学反应的不可逆热，这是由反应本身的热力学特性决定的；二是欧姆极化热，电堆内部的质子交换膜、电极等部件存在电阻，电流通过时会产生热量；三是传质过程中的热效应，氢气和氧气在电堆内部的扩散过程也会伴随热量产生。在实际运行中，电堆的产热量与输出功率密切相关，以一辆氢燃料电动客车为例，其电堆满负荷运行时，产热功率可达数十千瓦。

三、氢燃料电堆冷却液工作原理

氢燃料电堆冷却液主要采用液冷循环方式实现热管理。冷却液在循环泵的驱动下，在封闭的管道系统中流动。当流经氢燃料电堆的冷却通道时，冷却液与电堆内部发热部件进行热交换，吸收热量后温度升高。随后，升温的冷却液进入散热器，通过风冷或水冷的方式将热量散发到外界环境中。以风冷散热器为例，散热器的鳍片增大了与空气的接触面积，加速热量的对流散热，使冷却液温度降低。冷却后的冷却液再次回到循环泵，继续参与下一轮的热量交换，如此循环往复，将电堆产生的热量持续带走，维持电堆在适宜的工作温度范围内（一般为 60℃-80℃）。

四、核心性能要求

（1）超高电绝缘性

氢燃料电堆工作时，内部存在高电压环境，部分电堆工作电压可达数百伏甚至更高。这要求冷却液必须具备优异的电绝缘性能，以防止电流泄漏引发短路等严重故障。一般来说，氢燃料电堆冷却液的电导率需低于 2μS/cm，近乎绝缘状态。若电导率不达标，一旦冷却液泄漏接触到电堆的电气部件，就可能形成导电通路，损坏电堆的电子元件，甚至威胁到整个系统的安全运行。

（2） 高效热传导性

为快速带走电堆产生的大量热量，冷却液需具备良好的热传导性能。较高的热导率能够使冷却液在与电堆部件接触时，迅速吸收热量并传递至散热器。传统冷却液如乙二醇水溶液具有一定的热传导能力，通过添加纳米级导热材料（如氧化铝、石墨烯纳米片等），可进一步提升热导率。研究表明，添加适量纳米氧化铝的冷却液，其热导率可提高 20%-30%，显著增强了散热效果，满足电堆对高效散热的需求。

（3）优异防腐蚀性

氢燃料电堆冷却系统包含多种金属材料（如不锈钢、铝、铜等）和非金属材料（如橡胶、塑料密封件）。在长期运行过程中，普通冷却液中的电解质成分可能与金属发生电化学腐蚀反应，导致金属锈蚀、管道穿孔，影响冷却系统的密封性和可靠性。同时，冷却液也可能对橡胶、塑料部件造成溶胀、老化等损坏。因此，氢燃料电堆冷却液需添加特殊的缓蚀剂、防锈剂和稳定剂等添加剂，在金属表面形成致密保护膜，减缓腐蚀速度，并且对非金属材料具有良好的兼容性，确保冷却系统长期稳定运行。

（4） 宽温域适应性

氢燃料电堆的应用场景广泛，涵盖不同气候区域。在寒冷地区，冷却液需具备极低的冰点，以防止冻结。例如在我国东北冬季，最低气温可达 - 30℃以下，冷却液的冰点需低于 - 40℃。而在高温环境下，冷却液又要具备良好的热稳定性，避免沸腾、蒸发或分解，确保在 50℃以上的环境中仍能正常散热。此外，冷却液还需在温度快速变化的工况下保持性能稳定，满足电堆启动、停机等过程中的散热需求。

（5）化学稳定性

冷却液在氢燃料电堆复杂的工作环境中，需具备高度的化学稳定性。它不能与电堆内部的氢气、氧气、催化剂等物质发生化学反应，也不能在高温、高湿度等条件下自身分解或变质。否则，不仅会影响冷却液的散热性能，还可能产生杂质，堵塞冷却通道，影响电堆的正常运行。良好的化学稳定性能够保证冷却液在较长时间内保持性能稳定，减少维护和更换频率。

五、常见类型

（1） 乙二醇型冷却液

乙二醇型冷却液以乙二醇为主要成分，是目前应用较为广泛的类型。它具有成本较低、防冻性能优良、热稳定性较好的特点。乙二醇与水按一定比例混合后，可降低溶液的冰点，满足不同地区的低温使用需求。同时，通过添加缓蚀剂、抗氧剂等添加剂，可增强其防腐蚀和抗氧化性能。但乙二醇具有一定毒性，若发生泄漏，可能对环境造成污染，使用和处理时需谨慎。

（2）丙二醇型冷却液

丙二醇型冷却液性能与乙二醇型相似，同样具备良好的防冻和散热能力。其最大优势在于毒性较低，更加环保，适用于对环保要求较高的场合，如城市公交、景区摆渡车等氢燃料车辆。不过，丙二醇的生产成本相对较高，导致该类型冷却液价格较贵，在一定程度上限制了其大规模应用。

（3） 去离子水型冷却液

去离子水型冷却液以经过特殊处理去除离子杂质的水为基础。水具有较高的比热容和良好的热传导性能，能有效吸收和传递热量。但纯水在低温下易结冰，需添加防冻剂（如乙二醇、丙二醇）降低冰点。同时，为保证电绝缘性，需配合去离子器等设备使用，实时监测和控制水中的离子含量，确保电导率符合要求。

（4）新型纳米流体冷却液

随着材料科学的发展，新型纳米流体冷却液逐渐兴起。它通过在基础冷却液中添加纳米级颗粒（如金属纳米颗粒、碳纳米管等），显著提高热导率。例如，添加碳纳米管的冷却液，其热导率可提升 50% 以上。此外，纳米颗粒还能改善冷却液的稳定性和抗腐蚀性，为氢燃料电堆提供更高效的散热解决方案。不过，目前纳米流体冷却液仍面临成本较高、制备工艺复杂等问题，尚处于研究和应用推广阶段。

六、应用场景

（1）氢燃料汽车

在氢燃料汽车领域，冷却液对车辆的性能和安全性至关重要。在寒冷地区，低温会降低电堆的反应活性，此时冷却液的防冻性能和快速升温能力能够帮助电堆迅速达到适宜工作温度，提升车辆的低温启动性能和续航里程。在高温环境或频繁加速、减速等工况下，冷却液需及时带走电堆产生的大量热量，防止电堆过热，保障车辆的动力输出稳定性。例如，在夏季城市拥堵路段，氢燃料公交车的电堆会因频繁启停产生大量热量，高效的冷却液能够确保电堆温度始终处于合理范围，保证车辆正常运营。

（2） 固定式发电站

氢燃料固定式发电站通常需要长时间连续运行，对冷却液的稳定性和可靠性要求极高。冷却液需在数年甚至更长时间内保持性能稳定，有效带走电堆产生的热量，维持发电效率。同时，由于发电站一般建设在人口密集区域或对环境要求较高的地方，环保型冷却液（如丙二醇型冷却液）更受青睐，以减少对周边环境的潜在影响。此外，针对发电站电堆功率较大、产热量高的特点，可能需要采用大流量、高散热效率的冷却液循环系统。

（3） 船舶与航空领域

在船舶和航空领域，氢燃料电池作为新型动力源具有广阔的应用前景。船舶在海上航行时，面临高湿度、高盐雾等恶劣环境，冷却液需具备更强的防腐蚀性能，防止金属部件被腐蚀损坏。航空领域对冷却液的重量和体积要求严格，需开发轻量化、高散热效率的冷却液，以满足飞机对减重和性能的需求。同时，无论是船舶还是飞机，都对冷却液的安全性和可靠性提出了极高要求，以确保在复杂的运行环境中，氢燃料电堆能够稳定运行。

七、发展趋势

（1） 高性能材料研发

未来，氢燃料电堆冷却液将朝着高性能方向发展。研发人员将致力于开发新型基础材料和添加剂，进一步提升冷却液的热导率、电绝缘性和防腐蚀性。例如，研究新型有机化合物作为基础溶剂，替代传统的乙二醇、丙二醇，以获得更好的综合性能；探索新型纳米材料（如二维材料、金属有机框架材料等）在冷却液中的应用，进一步提高热传导效率；开发高效的缓蚀剂配方，增强对新型金属材料和复合材料的保护能力。

（2） 环保与可持续发展

随着环保意识的增强和法规的严格，环保型冷却液将成为发展重点。一方面，采用可生物降解的基础材料，减少冷却液对环境的污染；另一方面，优化生产工艺，降低冷却液生产过程中的能源消耗和污染物排放。此外，还将加强冷却液的回收和再利用技术研究，实现冷却液的循环利用，降低使用成本，推动氢燃料电池产业的可持续发展。

（3）智能化热管理集成

随着物联网、传感器和人工智能技术的发展，氢燃料电堆冷却液系统将与智能化热管理系统深度融合。通过在冷却液循环系统中安装温度、电导率、流量等传感器，实时监测冷却液的状态参数。利用人工智能算法，根据电堆的工作状态、环境温度等因素，自动调节冷却液的循环流量、散热强度，实现精准的热管理。例如，当电堆负载增加、产热增多时，系统自动加大冷却液循环流量，提高散热效率；当电堆处于低负载或停机状态时，减少流量，降低能耗，提升整个系统的能源利用效率。

八、结论

氢燃料电堆冷却液作为氢燃料电池系统热管理的核心要素，对保障电堆的高效、安全运行起着关键作用。从工作原理到性能要求，从常见类型到应用场景，冷却液的每一个环节都紧密关系到氢燃料电池技术的发展。随着技术的不断创新和进步，氢燃料电堆冷却液将朝着高性能、环保、智能化的方向持续发展，为氢燃料电池在交通、能源等领域的广泛应用提供坚实保障，助力全球能源转型和可持续发展目标的实现。