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一、引言

氢燃料电池以其高效、清洁的能源转换特性，成为新能源领域的重要发展方向。然而，氢燃料电堆对温度极为敏感，工作温度直接影响电堆的性能、效率与使用寿命。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。在不同温度环境下，冷却液需展现出相应的性能特性，以适应氢燃料电堆的工作需求。本文将系统

理氢燃料电堆冷却液在不同温度下的性能表现，为相关领域研究与应用提供参考。

二、极低温环境（-40℃及以下）的性能表现

（一）冰点与流动性

在极低温环境下，冷却液首要面临的挑战是防止结冰。普通水溶液在 0℃时就会结冰，而氢燃料电堆冷却液通过添加乙二醇、丙二醇等防冻剂，可大幅降低冰点。当乙二醇在冷却液中的浓度达到 60% 左右时，冷却液的冰点可低至 - 49℃；丙二醇型冷却液浓度为 50% 时，冰点约为 - 37℃ 。这些特殊配方确保冷却液在 - 40℃甚至更低温度下仍保持液态，维持正常的循环流动，避免因结冰导致管道破裂、电堆损坏等严重问题。

同时，低温会使冷却液的粘度显著增加，流动性变差。为保证冷却液在极低温下仍能有效循环散热，需采用低粘度配方设计。部分冷却液通过优化基础液成分比例，或添加特殊的流变改性剂，使冷却液在 - 40℃时的运动粘度控制在合理范围内（如不超过 30mm²/s），确保冷却液能够顺利通过电堆的微通道散热结构，及时带走电堆产生的热量。

（二）材料兼容性

极低温会使冷却液与电堆接触的金属、橡胶、塑料等材料发生收缩，导致材料间的配合精度变化，甚至引发密封失效。氢燃料电堆冷却液需具备良好的材料兼容性，在极低温下不会对电堆部件造成腐蚀或溶胀。冷却液中添加的缓蚀剂会在金属表面形成一层致密的保护膜，防止金属在低温潮湿环境下发生电化学腐蚀；同时，冷却液的配方需经过严格的材料相容性测试，确保与电堆中的橡胶密封圈、塑料管路等部件长期接触无不良反应。

（三）实际应用案例

在北极科考项目中，用于供电的氢燃料电堆系统采用了特制的低温冷却液。该冷却液以丙二醇为基础液，添加了特殊的低温抗冻剂和表面活性剂，在 - 45℃的环境下仍能保持良好的流动性，保障电堆正常启动和运行。经过一个科考季（约 6 个月）的使用，电堆性能稳定，未出现因冷却液问题导致的故障，验证了冷却液在极低温环境下的可靠性。

三、低温环境（-40℃至 0℃）的性能表现

（一）启动性能优化

在低温环境下，氢燃料电堆的启动过程面临诸多困难，如反应气体扩散速率降低、催化剂活性下降等。冷却液的性能对电堆的快速启动至关重要。此时，冷却液不仅要保持液态，还需具备良好的导热性能，帮助电堆快速升温至适宜的工作温度。一些冷却液通过添加纳米级导热颗粒（如氧化铝、石墨烯纳米片），在不显著增加粘度的前提下，提高冷却液的热导率，使电堆在低温启动时的升温速度提升 20% - 30% 。

（二）防腐蚀性能强化

低温环境下，电堆系统的金属部件更容易受到腐蚀。一方面，冷却液中的水分在低温下可能会在金属表面凝结成水珠，形成电化学腐蚀环境；另一方面，电堆运行过程中产生的酸性物质（如二氧化碳与水反应生成的碳酸）在低温下更易积聚。氢燃料电堆冷却液中的缓蚀剂体系在低温下需持续发挥作用，抑制金属腐蚀。复合型缓蚀剂（如钼酸盐与苯并三氮唑复配）能够在金属表面形成多层保护膜，有效防止不同金属之间的电偶腐蚀，延长电堆部件的使用寿命。

（三）典型应用场景

在我国北方冬季，氢燃料公交车面临着低温运行的挑战。某公交公司采用的氢燃料电堆冷却液，通过优化配方，在 - 25℃环境下，电堆启动时间缩短至 3 分钟以内，且整个冬季运行过程中，电堆的金属部件未出现明显腐蚀迹象，保障了公交车的正常运营和安全性。

四、常温环境（0℃至 35℃）的性能表现

（一）高效散热与温度稳定

常温环境是氢燃料冷却液较为理想的工作温度区间，但电堆在运行过程中仍会产生大量热量，需要冷却液及时带走。此时，冷却液的热导率、比热容等性能参数对散热效果起关键作用。高纯度的乙二醇或丙二醇基础液配合适量的添加剂，能够使冷却液在常温下保持良好的热传递性能，将电堆温度稳定控制在 60℃ - 80℃的最佳工作范围内（不同类型电堆的最佳工作温度略有差异）。同时，冷却液的流动性在常温下处于较为理想的状态，能够在电堆的冷却通道中顺畅循环，实现高效散热。

（二）化学稳定性维持

在常温环境下，冷却液需要保持良好的化学稳定性，避免因长期使用而发生氧化、分解等化学反应。冷却液中的抗氧化剂能够有效抑制基础液与空气中氧气的反应，防止冷却液变质；pH 调节剂则维持冷却液的酸碱度稳定，避免酸性或碱性过强对电堆部件造成腐蚀。此外，冷却液中的消泡剂在常温循环过程中，能够及时消除因泵的搅动、管道阻力等因素产生的泡沫，确保冷却液的传热效率不受影响。

（三）广泛应用情况

在城市氢燃料电池物流车、部分分布式发电站等应用场景中，常温环境下氢燃料电堆冷却液的稳定性能得到充分体现。这些设备在日常运行过程中，冷却液能够持续有效地调节电堆温度，保障设备长时间稳定运行，且冷却液的更换周期相对较长，降低了运维成本。

五、高温环境（35℃至 80℃）的性能表现

（一）防沸与高温散热

随着环境温度升高，氢燃料电堆产生的热量更难散发，冷却液面临着沸腾和散热效率下降的风险。为应对高温环境，冷却液需具备较高的沸点，一般优质的氢燃料电堆冷却液沸点在 110℃ - 120℃以上，确保在高温工况下不会沸腾，维持液态循环散热。同时，冷却液的热导率和流动性在高温下不能显著降低，以保证能够快速吸收并传递电堆产生的热量。部分冷却液通过添加高温稳定的添加剂，优化分子结构，增强其在高温下的热稳定性和流动性。

（二）抗老化与性能衰减控制

在高温环境下，冷却液中的成分更容易发生老化和分解。基础液可能因高温氧化而变质，添加剂的性能也会逐渐衰减。因此，高温环境下对冷却液的抗老化性能提出了更高要求。冷却液中添加的高温抗氧剂能够有效延缓基础液的氧化过程，延长冷却液的使用寿命；同时，定期对冷却液进行性能检测，及时更换性能衰减的冷却液，是保障电堆在高温环境下正常运行的重要措施。

（三）实际应用实例

在夏季高温的南方城市，氢燃料环卫车辆持续作业时，电堆处于高负荷运行状态，环境温度与电堆产热叠加，对冷却液性能是极大考验。某品牌环卫车采用的高温性能优化型冷却液，在 38℃的环境温度下，经过连续 8 小时作业，仍能将电堆温度控制在 85℃以内，且冷却液的各项性能指标在一个季度的使用后，变化幅度较小，有效保障了车辆的正常作业。

六、极高温环境（80℃以上）的性能表现

（一）极端高温适应性

在一些特殊工况下，如氢燃料电堆长时间高负荷运行、散热系统故障等，电堆温度可能超过 80℃，进入极高温状态。此时，冷却液需具备更强的耐高温性能。部分采用全氟聚醚等特殊基础液的冷却液，能够在 200℃以上的高温下保持稳定的液态和化学性质，但其成本较高，目前主要应用于对可靠性要求极高的特殊场景。普通冷却液则通过优化配方，提高沸点和热稳定性，尽量在短时间内承受极高温，为系统故障排查和修复争取时间。

（二）材料保护与风险应对

极高温会加速冷却液与电堆部件材料之间的化学反应，导致材料性能下降。例如，高温可能使橡胶密封件老化、变硬，失去密封效果；金属部件在高温下的腐蚀速率也会加快。冷却液中的缓蚀剂和抗氧化剂在极高温下需持续发挥作用，减缓材料的老化和腐蚀。同时，系统需配备完善的温度监测和报警装置，一旦电堆温度超过设定阈值，及时采取措施降低温度，避免因冷却液失效导致电堆严重损坏。

（三）特殊应用场景

在一些实验研究场景或工业测试平台中，可能会人为模拟极高温环境来测试氢燃料电堆的极限性能。此时使用的特制冷却液，经过特殊设计和优化，能够在短时间内承受 100℃以上的高温，同时通过循环冷却装置辅助，尽量降低冷却液温度，维持其性能稳定，为实验和测试提供可靠的热管理保障。

七、影响冷却液性能的关键因素

（一）基础液成分与配比

基础液是冷却液的主要组成部分，其成分和配比直接决定了冷却液的冰点、沸点、粘度等基本性能。乙二醇和丙二醇是最常用的基础液成分，不同的比例搭配可满足不同温度环境的需求。此外，一些新型基础液材料（如生物基冷却液）也在研发和应用中，它们在环保性能上具有优势，但在高温稳定性和低温流动性方面可能需要进一步优化。

（二）添加剂的种类与含量

添加剂在冷却液中起着关键的辅助作用。缓蚀剂能够保护电堆金属部件免受腐蚀；抗氧化剂延长冷却液的使用寿命；pH 调节剂维持冷却液酸碱度稳定；消泡剂消除循环过程中的泡沫；导热增强剂提高冷却液的热导率等。添加剂的种类选择和含量控制需根据不同温度环境和电堆需求进行精准调配，以实现冷却液性能的最优化。

（三）冷却液的纯度与杂质控制

冷却液中的杂质（如金属离子、颗粒污染物等）会影响其电导率、腐蚀性等性能。高纯度的冷却液通过严格的生产工艺和提纯处理，减少杂质含量，确保在不同温度下都能保持良好的性能。例如，电导率过高的冷却液可能会在电堆中引发漏电风险，影响电堆的正常运行和安全性。

八、冷却液的选型与维护建议

（一）选型原则

温度适应性：根据使用地区的极端温度条件，选择具有合适冰点和沸点的冷却液。在寒冷地区，优先选择冰点低的冷却液；在高温地区，注重冷却液的沸点和高温稳定性。

电堆兼容性：考虑氢燃料电堆冷却液的类型、材质和设计要求，选择与电堆部件材料兼容的冷却液，避免发生腐蚀、溶胀等不良反应。

性能指标：关注冷却液的电导率、热导率、粘度、pH 值等关键性能指标，确保其满足电堆在不同温度下的工作需求。

（二）维护要点

定期检测：定期对冷却液的冰点、沸点、电导率、pH 值等性能指标进行检测，建议每季度或每半年检测一次，及时发现冷却液性能的变化。

更换周期：根据冷却液的使用情况和性能检测结果，合理确定更换周期。一般情况下，冷却液的更换周期为 1 - 2 年，但在极端温度环境或高负荷运行条件下，可能需要缩短更换周期。

系统清洁：在更换冷却液时，对冷却系统进行彻底清洁，清除管道内的杂质、水垢和旧冷却液残留，避免不同配方的冷却液混合使用，防止产生化学反应影响性能。

九、结论

氢燃料电堆冷却液在不同温度下的性能表现对氢燃料电池系统的运行至关重要。从极低温到极高温，冷却液需应对冰点、流动性、散热效率、化学稳定性、材料兼容性等多方面的挑战。通过合理设计基础液成分、精准调配添加剂、严格控制纯度和杂质，以及科学的选型和维护，能够确保冷却液在宽温域环境下为氢燃料电堆提供可靠的热管理支持。随着氢燃料电池技术的不断发展和应用场景的拓展，对氢燃料电堆冷却液性能的要求也将不断提高，未来需要进一步加强冷却液的研发和创新，以满足行业发展的需求。