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一、引言

在全球积极寻求可持续能源解决方案的大背景下，氢燃料电池凭借其高效、清洁、低排放等显著优势，成为能源领域的研究热点与发展方向。在氢燃料电池系统中，热管理至关重要，而氢燃料电池冷却液作为热管理系统的核心介质，对维持燃料电池的稳定、高效运行起着不可替代的作用。它不仅要应对极端温度环境，还需满足燃料电池系统对电导率、腐蚀性等多方面的严格要求。因此，深入了解氢燃料电池冷却液，对提升氢燃料电池系统性能、促进氢能产业发展意义重大。

二、氢燃料电池工作原理及热管理需求

（1）氢燃料电池工作原理

氢燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置。以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，在阳极，氢气在催化剂作用下分解为氢离子（质子）和电子，电子通过外电路形成电流，为外部设备供电；氢离子则通过质子交换膜迁移至阴极。在阴极，氧气与氢离子和电子结合生成水。这一过程中，虽然能量转换效率较高，但不可避免地会产生热量，且约 95% 的废热需依靠冷却液带走 。

（2）热管理对氢燃料电池的重要性

适宜的工作温度是保障氢燃料电池性能和寿命的关键因素。一般而言，PEMFC 的最佳工作温度范围在 60 - 80℃。温度过高，质子交换膜易脱水，降低质子传导率，加速催化剂老化，甚至可能损坏膜电极组件；温度过低，反应速率减缓，电池内阻增大，输出功率降低，还可能导致水在电池内部结冰，破坏电池结构。因此，有效的热管理系统必不可少，其主要任务是及时移除电池产生的多余热量，确保电池工作温度均匀，并在低温环境下对电池进行预热，使电池始终处于最佳工作状态。而氢燃料电池冷却液作为热管理系统中的传热介质，承担着传递热量、调节温度的核心职责。

三、氢燃料电池冷却液的特性与要求

（1）低电导率

在氢燃料电池系统中，任何与膜电极有接触的流体都不能含有对其产生潜在危害的离子。因为低电导率的冷却液可能导致电流泄漏，干扰燃料电池的正常运行，降低其性能和效率，甚至损坏电池组件。所以，氢燃料电池冷却液的电导率要求极低，通常需控制在 10μS/cm 以下，以确保在电池运行时，高电压不会通过冷却液传递至整个冷却循环流道，保障系统的安全稳定运行。

（2）优异的低温性能

为使氢燃料电池在寒冷环境下能够正常启动和稳定运行，冷却液必须具备出色的低温性能。这包括拥有低冰点，能在低温环境中不结冰，防止冷却系统管路因结冰而胀裂；同时，在低温下仍能保持良好的流动性，确保冷却液可在系统中正常循环，高效传递热量。常见的氢燃料电池冷却液冰点可低至 - 35℃、-40℃甚至 - 45℃，以适应不同地区和应用场景的需求。

（3）良好的热稳定性和化学稳定性

在氢燃料电池运行过程中，冷却液需在一定温度范围内长期稳定工作。热稳定性好的冷却液在高温下不会发生分解、氧化等化学反应，能持续有效地发挥冷却作用。化学稳定性强的冷却液不会与冷却系统中的金属、塑料等材料发生化学反应，避免对系统部件造成腐蚀或损坏，延长冷却系统的使用寿命。

（4）防腐蚀与防锈性能

氢燃料电池冷却系统包含多种金属材料，如不锈钢、铜、铝等。冷却液需具备良好的防腐蚀和防锈性能，能在金属表面形成保护膜，阻止氧气、水分等与金属接触，防止金属腐蚀生锈。这不仅能保证冷却系统的正常运行，还可减少因金属腐蚀产生的杂质进入冷却液，避免对电池系统造成潜在危害。

（5）兼容性

氢燃料电池冷却液要与冷却系统中的各种材料，包括金属、橡胶、塑料等具有良好的兼容性。不会对橡胶密封件、塑料管路等造成溶胀、变形或老化等不良影响，确保整个冷却系统的密封性和可靠性。

四、氢燃料电池冷却液的成分剖析

（1）防冻剂

①乙二醇：目前，市面上主流的氢燃料电池冷却液多采用乙二醇作为防冻剂。乙二醇是一种无色、透明、稍有甜味且具有吸湿性的粘稠液体，能与水以任意比例互溶。其水溶液的冰点会随乙二醇浓度的变化而改变，当乙二醇浓度在一定范围内增加时，溶液冰点显著降低。例如，乙二醇含量为 68% 时，冰点可降至 - 68℃。乙二醇具有沸点高、挥发性小、粘度适中且随温度变化小、热稳定性好等优点，是理想的防冻剂成分。但乙二醇在使用过程中，与氧气接触可能被氧化生成酸性物质，对金属有腐蚀作用，因此需与其他添加剂配合使用。

②丙二醇：除乙二醇外，丙二醇也可作为防冻剂用于氢燃料电池冷却液。与乙二醇相比，丙二醇毒性较低，对环境更友好。其防冻原理与乙二醇类似，通过与水混合形成溶液降低水的冰点。在对毒性和环保要求较高的应用场景中，丙二醇型冷却液具有一定优势。

（2）缓蚀剂

①非离子型缓蚀剂：由于氢燃料电池冷却液对电导率要求极高，传统的离子型缓蚀剂可能增加溶液电导率，因此非离子型缓蚀剂在氢燃料电池冷却液中应用广泛。非离子型缓蚀剂能在金属表面形成致密吸附膜，阻止腐蚀介质与金属接触，起到防腐蚀作用，同时不会引入额外离子，有助于维持冷却液的低电导率特性。常见的非离子型缓蚀剂有某些有机胺类化合物、脂肪酸酯类等。

②其他缓蚀剂成分：为进一步提升冷却液的防腐蚀性能，还可能添加磷酸盐、硅酸盐等缓蚀剂。但使用时需严格控制其含量，避免对电导率产生不良影响。例如，磷酸盐在一定浓度范围内可对金属起到良好保护作用，但过量的磷酸盐会导致溶液电导率升高，影响燃料电池的质子交换过程。

（3）去离子水

去离子水是氢燃料电池冷却液的重要组成部分。使用去离子水可最大程度减少水中杂质离子对冷却液电导率的影响。普通自来水中含有钙、镁、铁等矿物质离子，会显著增加溶液电导率，不适合用于氢燃料电池冷却液。而去离子水经过特殊处理，去除了大部分离子，能满足氢燃料电池对冷却液低电导率的严格要求。同时，水作为良好的传热介质，与防冻剂和缓蚀剂等成分协同工作，共同实现冷却液的冷却功能。

五、氢燃料电池冷却液与传统发动机冷却液的区别

（1）电导率要求差异

传统发动机冷却液主要用于内燃机冷却系统，对电导率要求相对较低。内燃机工作时，冷却系统中的电信号干扰较小，传统冷却液电导率一般在几百 μS/cm 甚至更高，也不会对发动机正常运行产生明显影响。而氢燃料电池系统对电导率极为敏感，如前文所述，氢燃料电池冷却液的电导率通常要求在 10μS/cm 以下，以防止电流泄漏对电池性能和安全造成危害。

（2）成分侧重点不同

传统发动机冷却液成分主要侧重于防冻、防腐蚀和防垢等功能。在防冻剂选择上，虽常用乙二醇，但对其纯度和杂质含量要求相对不如氢燃料电池冷却液严格。缓蚀剂方面，传统冷却液可能使用离子型缓蚀剂，以满足对多种金属材料的防腐蚀需求。氢燃料电池冷却液为满足低电导率要求，在成分选择上更注重使用非离子型缓蚀剂和高纯度原料，对防冻剂中杂质离子的去除也更为严格。

（3）应用场景与性能要求不同

传统发动机冷却液主要应用于汽车、工程机械等内燃机设备，工作温度范围相对较宽，一般在 - 30℃至 120℃左右。在不同工况下，对其性能要求主要是保证低温下不结冰，高温下不沸腾，以及对发动机冷却系统金属部件提供有效防腐蚀保护。氢燃料电池主要应用于新能源汽车、分布式发电等领域，工作温度范围相对较窄，通常在 60 - 80℃之间。氢燃料电池冷却液不仅要具备良好的低温性能和防腐蚀性能，还需在该较窄温度范围内精确控制温度，确保燃料电池高效运行，同时满足严苛的低电导率要求，保障电池系统安全稳定。

六、氢燃料电池冷却液的应用场景与案例分析

（1）氢燃料电池汽车

在氢燃料电池汽车中，冷却液作用关键。冬季寒冷地区，车辆启动前，冷却液的低冰点特性可确保冷却系统不结冰损坏。车辆行驶时，燃料电池工作产生大量热量，冷却液迅速带走热量并通过散热器散发，维持燃料电池最佳工作温度。例如，某款氢燃料电池乘用车采用冰点为 - 40℃的低电导率冷却液，在北方冬季 - 20℃环境下，车辆可正常启动，行驶中燃料电池温度稳定在 70℃左右，保证了车辆动力性能和续航里程。

（2）固定式氢燃料电池发电站

固定式氢燃料电池发电站通常需长时间稳定运行，对冷却液的热稳定性和化学稳定性要求极高。这类应用场景中，冷却液需在长时间高温运行条件下保持性能不变，持续为燃料电池提供有效冷却。某大型分布式氢燃料电池发电站，选用热稳定性良好的乙二醇基冷却液，并添加特殊抗氧化剂和缓蚀剂。经多年运行监测，该冷却液有效控制燃料电池温度，且未出现明显性能下降和腐蚀问题，保障了发电站稳定供电。

（3）其他应用领域

除汽车和发电站，氢燃料电池还应用于叉车、无人机等特殊领域。氢燃料电池叉车上，冷却液需满足频繁启停、工作环境复杂等工况要求。因叉车工作空间狭小，对冷却系统紧凑性和散热效率要求高，所以冷却液需具备良好传热性能和低粘度特性，在有限空间内实现高效散热。氢燃料电池无人机对重量敏感，要求冷却液在满足性能要求的同时尽可能降低重量，需选择密度低且性能优良的产品。

七、未来发展趋势与展望

（1）性能优化与创新

随着氢燃料电池技术不断发展，对冷却液性能要求将持续提高。未来，氢燃料电池冷却液将朝着更低电导率、更优异的低温性能和热稳定性方向发展。研究人员将不断探索新材料和新配方，开发性能更卓越的产品。例如，研发新型防冻剂和缓蚀剂，进一步提升冷却液综合性能，同时降低对环境的影响。

（2）环保与可持续发展

在全球环保和可持续发展的大趋势下，氢燃料电池冷却液将更注重环保性能。一方面，减少对环境有害成分的使用，如降低乙二醇等传统防冻剂的毒性，或寻找更环保的替代材料；另一方面，提高冷却液的可生物降解性，使其废弃后能更快被自然环境分解，减少对土壤和水源的污染。同时，生产过程也将更注重节能减排，实现可持续发展。

（3）智能化与集成化

随着智能化技术在各领域广泛应用，未来氢燃料电池冷却液可能与智能监测系统结合。通过在冷却液中添加传感器等智能元件，实时监测其温度、电导率、腐蚀程度等参数，并将数据传输给车辆或发电站控制系统。控制系统依据这些数据及时调整冷却系统运行状态，实现对燃料电池温度的精准控制，提高系统运行效率和可靠性。此外，冷却液与冷却系统的集成化设计也将成为趋势，通过优化热管理系统结构和布局，进一步提升散热效率，降低系统成本。

八、结论

氢燃料电池冷却液作为氢燃料电池热管理系统的关键组成部分，对保障燃料电池高效、稳定、安全运行起着不可或缺的作用。其独特性能要求决定了成分和配方与传统发动机冷却液存在显著差异。在不同应用场景中，氢燃料电池冷却液需根据实际工况发挥冷却和保护作用。随着技术进步，氢燃料电池冷却液在性能优化、环保可持续以及智能化集成等方面前景广阔，将为氢燃料电池产业发展提供有力支撑，推动氢能在更多领域的应用与普及。