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一、引言

随着全球对清洁能源的需求日益迫切，氢燃料电池作为一种高效、清洁的能源转换装置，受到了广泛关注。在氢燃料电池系统中，氢燃料电堆是核心部件，其通过电化学反应将氢气和氧气的化学能直接转化为电能。然而，这一反应过程会产生大量的热量，如果不能及时有效地移除这些热量，电堆温度将持续升高，导致燃料电池性能下降、寿命缩短，甚至引发安全问题。氢燃料电堆冷却液作为热管理系统的关键介质，肩负着维持电堆温度稳定的重任，对于保障氢燃料电池系统的高效、可靠运行起着至关重要的作用。

二、氢燃料电池电堆的工作原理与产热机制

（1）工作原理

氢燃料电池电堆由多个单电池串联组成，每个单电池主要包括阳极、阴极和质子交换膜。在阳极，氢气（H₂）在催化剂的作用下发生氢氧化反应（HOR），分解为氢离子（H⁺）和电子（e⁻），反应式为：2H₂→4H⁺ + 4e⁻。氢离子通过质子交换膜向阴极移动，而电子则通过外电路形成电流，为外部负载供电。在阴极，氧气（O₂）与从阳极过来的氢离子和电子发生氧还原反应（ORR），生成水（H₂O），反应式为：O₂ + 4H⁺ + 4e⁻→2H₂O。通过这两个电化学反应，实现了化学能到电能的转化。

（2）产热机制

在上述电化学反应过程中，并非所有的化学能都能完全转化为电能，一部分能量会以热能的形式释放出来。其中，约 80%-90% 的热量产生于阴极侧催化剂层。此外，电堆内部的欧姆电阻，包括质子交换膜、电极、双极板等部件的电阻，在电流通过时也会产生焦耳热。同时，气体在扩散过程中与流道壁面的摩擦以及电堆内部的副反应等也会产生一定的热量。这些热量若不能及时排出，将使电堆温度迅速升高，影响燃料电池的性能和寿命。

三、氢燃料电堆冷却液的重要性

（1）维持适宜工作温度

氢燃料电池电堆的理想工作温度一般在 60℃-80℃之间。在这个温度范围内，电化学反应速率适中，质子交换膜的质子传导性能良好，催化剂活性较高，燃料电池能够保持较高的效率和稳定性。如果温度过高，质子交换膜可能会脱水，导致质子传导率下降，同时催化剂活性降低，电化学反应速率减缓，燃料电池性能大幅下降。而且，高温还可能加速材料的老化和腐蚀，缩短电堆的使用寿命。若温度过低，电化学反应速率变慢，电池输出功率降低，甚至可能出现结冰现象，损坏电堆组件。氢燃料电堆冷却液能够通过循环流动，及时带走电堆产生的热量，将电堆温度精确控制在适宜的工作范围内，确保燃料电池稳定、高效运行。

（2）保障系统安全运行

过高的温度不仅会影响燃料电池的性能，还可能引发安全问题。当电堆温度超过一定阈值时，可能会触发热失控，导致电池内部发生剧烈的化学反应，产生大量的热量和气体，甚至引发火灾或爆炸。氢燃料电堆冷却液作为热管理的关键手段，能够有效防止电堆温度过高，降低热失控风险，保障氢燃料电池系统的安全运行，为其在汽车、分布式发电等领域的广泛应用提供可靠的安全保障。

四、氢燃料电堆冷却液的性能要求

（1）极低电导率

氢燃料电池系统涉及高电压环境，对冷却液的电导率要求极为严苛。一般来说，氢燃料电堆冷却液的电导率需低于 5µS/cm，甚至在某些高端应用中，要求接近去离子水的电导率水平。这是因为高电导率的冷却液可能会导致电流泄漏，引发短路故障，干扰燃料电池的正常运行，甚至损坏电堆组件。极低的电导率能够确保冷却液在循环散热过程中，不会成为电流传导的介质，保证系统的电气安全。

（2）良好热稳定性

在氢燃料电池电堆冷却液的工作过程中，冷却液需要在较宽的温度范围内保持稳定的物理和化学性质。在高温环境下，冷却液不应发生分解、氧化、挥发等现象，以维持其良好的散热性能和化学稳定性。在低温环境中，冷却液不能凝固，其黏度也不能大幅增加，否则会影响冷却液的循环流动，降低散热效率。良好的热稳定性确保了冷却液在各种工况下都能可靠地发挥作用，保障电堆温度的稳定控制。

（3）高效散热性

氢燃料电堆冷却液应具备较高的比热容和热导率。比热容高意味着冷却液能够吸收大量的热量而自身温度升高较小，热导率高则使冷却液能够迅速将吸收的热量传递出去。这样，冷却液在流经电堆时，能够高效地吸收电堆产生的热量，并通过后续的散热装置将热量散发到外界环境中，实现快速、有效的散热，满足电堆对散热效率的严格要求。

（4）出色防腐蚀性

氢燃料电池电堆冷却系统中包含多种金属材料，如不锈钢、铝、铜等，以及一些非金属材料，如橡胶密封件、塑料管路等。冷却液需要具备出色的防腐蚀性能，防止对金属部件产生腐蚀，避免因腐蚀导致金属部件的壁厚变薄、强度降低，影响冷却系统的密封性和可靠性。同时，冷却液还应与非金属材料具有良好的兼容性，不会导致非金属材料溶胀、老化或发生化学反应，确保冷却系统各部件的长期稳定运行。为了达到出色的防腐蚀效果，冷却液中通常会添加多种缓蚀剂，形成一层保护膜覆盖在金属表面，阻止氧气、水分以及其他腐蚀性物质与金属发生反应。

（5）其他性能要求

除了上述主要性能要求外，氢燃料电堆冷却液还应具有较低的冰点，以防止在寒冷环境下冷却液结冰，损坏冷却系统。一般来说，冷却液的冰点需达到 - 35℃甚至更低。同时，冷却液应具有较高的沸点，避免在正常工作温度下发生沸腾现象，影响散热效果，其沸点通常要求在 107℃-108℃以上。此外，冷却液的清洁度也至关重要，要严格控制冷却液中颗粒的尺寸和含量，防止颗粒堵塞电堆内部狭小的冷却流道，导致散热不畅，甚至引发质子交换膜脱水 “烧堆” 等严重问题。

五、氢燃料电堆冷却液的类型

（1）醇类冷却液

乙二醇型冷却液：乙二醇型冷却液是目前氢燃料电堆冷却液中应用较为广泛的一种。它以乙二醇为主要防冻成分，与蒸馏水按一定比例混合，并添加抗氧剂、抗腐蚀剂等多种添加剂制成。乙二醇具有较低的冰点，可使冷却液在低温环境下仍保持液态，满足电堆在寒冷地区的使用需求。其沸点较高，能在高温环境下保持稳定，不易沸腾。在防腐蚀方面，通过合理添加缓蚀剂，能够对电堆冷却系统中的多种金属材料起到有效的保护作用。此外，乙二醇型冷却液的生产成本相对较低，原材料来源广泛，这些优势使得它在氢燃料电堆冷却液领域占据了较大的市场份额。然而，研究发现，当冷却液泄漏进入电堆反应区域时，乙二醇可能会对质子交换膜等膜电极材料造成一定的污染，影响燃料电池的性能。因此，在使用乙二醇型冷却液时，需要采取严格的密封措施，防止冷却液泄漏。

丙二醇型冷却液：丙二醇型冷却液以丙二醇为主要成分。与乙二醇相比，丙二醇具有低毒性的特点，在一些对安全性要求极高的应用场景中具有独特优势，如在涉及食品运输或医疗设备的氢燃料电池系统中，丙二醇型冷却液可确保即使发生冷却液泄漏，也不会对周围环境和人员造成严重危害。丙二醇型冷却液同样具备较好的防冻和散热性能，能够满足氢燃料电堆冷却系统的基本需求。但其生产成本相对较高，在一定程度上限制了其大规模应用。不过，随着技术的不断进步和成本的逐渐降低，丙二醇型冷却液在特定领域的应用前景值得期待。

（2）非醇类冷却液

非醇类冷却液主要以无机溶液为溶剂，添加盐类等添加剂制成。虽然这类冷却液在某些方面具有一定特点，但也存在一些明显的弊端。例如，盐类冷却液中的一些盐分，尤其是氯化物和溴化物等，可能对金属部件产生较强的腐蚀作用，损害系统的耐久性，特别是对燃料电池热管理组件中常用的金属铝质材料。此外，含盐类的冷却液在低温环境中可能形成固体沉淀，导致系统堵塞，降低系统的效能，甚至可能对系统产生损害。相比之下，醇类冷却液在这些方面具有更好的表现，因此目前在氢燃料电堆领域，醇类冷却液的应用更为广泛。但科研人员也在不断探索和研发新型的非醇类冷却液，以克服其现有缺点，满足氢燃料电池技术发展的多样化需求。

六、氢燃料电堆冷却液的发展趋势

（1）高性能化

随着氢燃料电池技术的不断发展，对电堆功率密度、效率和寿命的要求越来越高，这也对氢燃料电堆冷却液的性能提出了更高的挑战。未来，氢燃料电堆冷却液将朝着更高的热稳定性、更强的防腐蚀能力、更低的电导率和更优异的材料兼容性方向发展。例如，研发能够在更高温度下长期稳定工作且不影响电气性能的冷却液，以及能够对新型电堆材料（如新型双极板材料、高性能质子交换膜等）提供更好保护的冷却液。同时，通过优化冷却液的配方和生产工艺，进一步提高其散热效率，满足电堆日益增长的散热需求。

（2）环保化

在全球环保意识日益增强的背景下，氢燃料电堆冷却液的环保性能也将受到更多关注。未来的冷却液将朝着可生物降解、低毒无害的方向发展，减少对环境的污染。研发人员将致力于寻找环保型的基础液和添加剂，替代传统的对环境有潜在危害的成分。同时，在冷却液的生产过程中，也将采用更加环保的生产工艺，降低能源消耗和碳排放，实现氢燃料电堆冷却液产业的可持续发展。

（3）智能化

随着物联网和传感器技术的不断发展，智能化将成为氢燃料电堆冷却液的一个重要发展趋势。未来的冷却液系统可能会集成各种传感器，实时监测冷却液的温度、电导率、酸碱度、液位等参数，并通过物联网技术将这些数据传输到监控中心。一旦冷却液的参数出现异常，系统能够及时发出预警，提醒维护人员进行处理，实现对氢燃料电堆冷却系统的智能化管理和维护。这将大大提高电堆系统的可靠性和维护效率，降低维护成本。

七、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介质，对于保障电堆的高效、稳定运行，提高燃料电池的性能和寿命，确保系统的安全可靠具有不可替代的重要作用。它需要具备极低电导率、良好热稳定性、高效散热性、出色防腐蚀性等一系列特殊性能，以满足氢燃料电池电堆复杂的工作环境和严格的技术要求。目前，醇类冷却液在市场上占据主导地位，但各类冷却液都有其自身的优缺点。随着氢燃料电池技术的不断进步和应用场景的不断拓展，氢燃料电堆冷却液将朝着高性能化、环保化和智能化的方向不断发展。通过持续的技术创新和研发投入，相信未来会涌现出更多性能优异、环保可靠的氢燃料电堆冷却液产品，为氢燃料电池产业的蓬勃发展提供坚实的支撑，助力全球能源转型和可持续发展目标的实现。