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一、引言  氢燃料电堆冷却液：驱动绿色能源革命的隐形力量

在全球能源转型与 “双碳” 目标的驱动下，氢燃料电池作为零排放的清洁能源技术，正成为交通、储能等领域的研究热点。氢燃料电堆作为燃料电池系统的核心组件，其性能直接决定了能源转换效率与设备寿命。然而，电堆运行过程中约 50% 的能量以热能形式释放，若无法有效散热，将导致电堆温度失衡，引发质子交换膜降解、催化剂活性衰减等问题。氢燃料电堆冷却液作为热管理系统的关键载体，通过循环散热维持电堆温度稳定，成为推动氢燃料电池商业化应用的重要保障。

二、氢燃料电堆的工作原理与产热机制

（1）电化学反应发电原理

氢燃料电池通过氢气与氧气的电化学反应产生电能。阳极处，氢气在催化剂作用下分解为氢离子与电子，电子经外电路形成电流驱动负载，氢离子则通过质子交换膜迁移至阴极；在阴极，氧气与氢离子、电子结合生成水。这一过程中，电化学反应的理论效率虽高，但实际运行中大量能量以热能形式损耗 。

（2）产热来源分析

1.电化学反应不可逆热：电化学反应本身并非完全可逆，部分能量以热量形式释放，约占总产热量的 30%-40%。

2.欧姆电阻产热：质子交换膜、电极材料及连接部件存在电阻，电流通过时产生焦耳热，尤其在高负载工况下更为显著。

3.传质与扩散阻力：反应物在电极中的扩散过程需克服阻力，消耗的能量转化为热能，影响电堆温度分布均匀性。

三、氢燃料电堆冷却液的核心性能要求

（1）超低电导率

氢燃料电堆工作电压通常在 300-1000V，高电导率冷却液易引发电堆短路与金属腐蚀。行业标准要求冷却液电导率≤5μS/cm，部分高端应用场景甚至要求＜1μS/cm，以避免泄漏电流对电堆性能的损害。

（2）高比热容与导热率

高比热容（≥4.0kJ/(kg・K)）使冷却液吸收更多热量而温升小，高导热率（≥0.5W/(m・K)）则加速热量传递。两者协同确保电堆在瞬态负载变化下快速响应，维持温度波动范围 ±5℃以内。

（3）宽温域适应性

1.低温性能：在 - 30℃极寒环境下，冷却液需保持液态，避免冻结导致管路破裂；部分低温启动场景要求冷却液在 - 40℃仍具备流动性。

2.高温稳定性：高温工况下，冷却液沸点需高于 120℃，防止沸腾产生气阻，影响散热效率。

（4）材料兼容性

冷却液需与电堆密封件（如氟橡胶）、金属管路（不锈钢、铝合金）等材料长期兼容，避免溶胀、腐蚀等问题。实验室数据显示，不兼容冷却液可使电堆金属部件年腐蚀速率增加 200% 以上。

四、氢燃料电堆冷却液的常见类型

（1）乙二醇基冷却液

1.性能特点：乙二醇水溶液冰点低至 - 60℃，沸点可达 197℃，添加复合缓蚀剂后具备良好防腐蚀性能。但乙二醇毒性较强，需严格控制泄漏风险。

2.应用场景：适用于对低温性能要求较高的商用车领域，如氢燃料重卡、公交车等。

（2）丙二醇基冷却液

1.性能特点：丙二醇毒性仅为乙二醇的 1/30，符合环保要求；冰点调节范围 - 30℃~-45℃，适用于多数应用场景。其缺点是高浓度下粘度较高，影响泵送效率。

2.应用场景：在对安全性要求严格的场景，如港口牵引车、机场摆渡车等设备中广泛应用。

（3）去离子水基冷却液

1.性能特点：去离子水电导率可低至 0.1μS/cm，散热性能优异，但需添加缓蚀剂防止金属腐蚀。其冰点接近 0℃，需配合加热系统应对低温环境。

2.应用场景：常用于实验室测试平台及对电导率要求极高的特种车辆。

五、氢燃料电堆冷却液的成分解析

（1）基础液

1.醇类基础液：乙二醇、丙二醇通过与水混合调节冰点，其浓度与氢燃料冷却液性能呈非线性关系，需精确调配。

2.去离子水：作为高纯度介质，去离子水需定期检测电导率，防止杂质积累影响绝缘性能。

（2）功能性添加剂

1.缓蚀剂：复配有机胺类、苯并三氮唑等缓蚀剂，在金属表面形成保护膜，抑制铜、铝等金属的电化学腐蚀。

2.防冻剂：除醇类物质外，部分新型冷却液采用多元醇混合物，平衡防冻与粘度性能。

3.pH 调节剂：通过添加硼酸盐等物质，将冷却液 pH 值维持在 8.5-10.5，确保缓蚀剂活性与材料兼容性。

六、氢燃料电堆冷却液的科学选择方法

（1）基于电堆参数选型

1.功率与热负荷：大功率电堆（＞100kW）需高散热性能冷却液，优先选择比热容≥4.2kJ/(kg・K) 的产品。

2.工作电压：高电压电堆（＞600V）对电导率要求严苛，需采用电导率＜2μS/cm 的冷却液。

（2）环境因素考量

1.气候条件：寒区需选择冰点低于当地最低气温 10℃的冷却液；高温地区侧重高沸点（≥130℃）与低挥发性产品。

2.湿度与盐雾：沿海地区或高湿度环境，需选择含特殊缓蚀配方的冷却液，增强抗腐蚀能力。

（3）系统兼容性评估

1.材料兼容性测试：通过浸泡实验评估冷却液对电堆密封材料、管路材质的影响，避免溶胀或应力开裂。

2.与热管理系统匹配：根据循环泵性能选择合适粘度的冷却液，确保系统压力降在设计范围内。

七、结语

氢燃料电堆冷却液作为氢燃料电池系统的 “血液”，其性能直接影响电堆的可靠性与经济性。随着氢燃料电池技术向高功率、长寿命方向发展，对冷却液的性能优化与技术创新提出更高要求。未来，低电导率、高散热效率、环境友好型冷却液将成为研发重点，为氢能产业的规模化应用提供坚实支撑。