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一、氢燃料电池系统与热管理需求

氢燃料电池作为一种高效、清洁的能源转换装置，通过电化学反应将氢气和氧气的化学能直接转化为电能，为车辆或其他设备提供动力。在其工作过程中，电化学反应并非百分百的高效，部分能量会以热能形式释放。若这些热量不能及时散发出去，燃料电池的温度将持续升高。过高的温度会对燃料电池的性能产生诸多负面影响，如加速电极材料的老化，降低质子交换膜的性能，进而导致电池的输出功率下降、使用寿命缩短。

二、氢燃料电池冷却液/防冻液的成分剖析

（1）防冻剂

①乙二醇型防冻剂：目前市面上主流的氢燃料电池冷却液/防冻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。其显著特点是具有较低的冰点，当乙二醇与水混合形成溶液时，溶液的冰点会随着乙二醇浓度的变化而改变。在一定浓度范围内，乙二醇浓度越高，溶液的冰点越低。例如，当乙二醇的含量为 68% 时，冰点可降低到 - 68℃。不过，当浓度超过这个比例后，冰点反而会上升。此外，乙二醇沸点高，挥发性小，粘度适中且随温度变化小，热稳定性好，这些特性使得它成为理想的防冻剂成分，能够确保在寒冷环境下，冷却液/防冻液不会因结冰而导致体积膨胀，进而损坏燃料电池系统的管道和部件。

②丙二醇型防冻剂：丙二醇型防冻剂也在一些特定应用场景中有所使用。与乙二醇相比，丙二醇的毒性较低，在对环保和安全性要求极高的场合具有一定优势。其防冻原理与乙二醇类似，也是通过与水混合形成低冰点溶液。丙二醇的沸点相对较高，能在一定程度上保证高温环境下的稳定性，但在降低冰点的效果上，可能略逊于乙二醇。在一些对毒性较为敏感的氢燃料电池应用中，如某些室内使用的小型燃料电池设备，丙二醇型防冻剂可能会被优先考虑。

③其他类型防冻剂：除了乙二醇和丙二醇，还有一些其他类型的防冻剂也在研发或少量应用中。例如，某些醇醚类化合物也具有降低冰点的特性，可能被用作防冻剂的组成部分。这些新型防冻剂可能具有独特的性能优势，如更好的低温流动性、与其他添加剂的兼容性等，但目前尚未像乙二醇和丙二醇那样得到广泛应用，主要原因在于成本较高、性能稳定性有待进一步验证等。

（2）非离子型缓蚀剂

①作用机制：在氢燃料电池系统中，冷却液/防冻液接触的部件包含多种金属材料，如不锈钢、铝、铜等。如果没有有效的防腐蚀措施，这些金属部件在长期与冷却液/防冻液接触过程中，容易发生腐蚀反应。非离子型缓蚀剂能够在金属表面形成一层致密的保护膜，这层膜可以阻止冷却液/防冻液中的溶解氧、酸性物质等与金属直接接触，从而抑制金属的腐蚀过程。与离子型缓蚀剂不同，非离子型缓蚀剂不会增加溶液的电导率，这对于氢燃料电池系统至关重要，因为过高的电导率可能会干扰燃料电池的电化学反应，影响电池性能。

②常见种类：常见的非离子型缓蚀剂包括某些有机胺类化合物、多元醇酯类等。有机胺类缓蚀剂通过分子中的氮原子与金属表面发生化学吸附，形成稳定的保护膜。多元醇酯类缓蚀剂则利用其分子结构中的酯基与金属表面相互作用，构建起防护层。这些缓蚀剂在不同的 pH 值环境下，都能保持较好的缓蚀效果，并且与冷却液/防冻液中的其他成分具有良好的兼容性，不会因相互反应而降低性能。

（3）其他添加剂

①防垢剂：在冷却液/防冻液循环过程中，如果水中含有一定量的钙、镁等离子，可能会在管道和散热器表面形成水垢。水垢的导热性能极差，会严重影响冷却液/防冻液的散热效果。防垢剂的作用就是通过与水中的这些离子发生螯合反应，将其转化为可溶于水的稳定络合物，从而防止水垢的形成。常见的防垢剂有聚丙烯酸盐、有机膦酸盐等，它们能够有效地降低水中钙、镁离子的浓度，抑制水垢的生成，保证冷却液/防冻液系统的高效散热。

②消泡剂：当冷却液/防冻液在泵的作用下高速循环流动时，容易产生泡沫。泡沫的存在会降低冷却液/防冻液的传热效率，并且可能导致系统内出现气阻现象，影响冷却液/防冻液的正常循环。消泡剂能够降低液体表面张力，使泡沫迅速破裂消失。常用的消泡剂有有机硅类、聚醚类等。有机硅类消泡剂具有高效的消泡能力，能迅速消除大量泡沫；聚醚类消泡剂则在抑制泡沫产生方面表现出色，两者结合使用，可以有效地控制冷却液/防冻液中的泡沫问题。

三、氢燃料电池冷却液/防冻液的性能指标

（1）低电导率

①重要性：在氢燃料电池系统中，任何与膜电极有直接或间接接触的液体，都不应含有对膜电极造成潜在危害的离子，因为这些离子可能会干扰质子交换过程，降低电池的性能。同时，燃料电池双极板在运行时会产生高电压，若冷却液/防冻液电导率过高，高电压可能会通过冷却液/防冻液传递到整个冷却循环流道，引发短路等故障，严重影响系统的安全稳定运行。因此，氢燃料电池冷却液/防冻液必须具备极低的电导率，一般要求在 10μs/cm 以下，部分高性能产品甚至要求电导率低于 5μs/cm。

②影响因素：冷却液/防冻液的电导率主要受其成分影响。水中的离子杂质是导致电导率升高的主要因素之一，因此生产氢燃料电池冷却液/防冻液时，通常会使用去离子水作为基础溶剂，以降低初始电导率。缓蚀剂的类型也对电导率有显著影响，离子型缓蚀剂会增加溶液中的离子浓度，从而提高电导率，而非离子型缓蚀剂则能在保证防腐蚀效果的同时，维持较低的电导率。此外，在使用过程中，如果冷却液/防冻液受到污染，如混入灰尘、金属碎屑等，也会导致电导率上升。

（2）合适的冰点与沸点

①冰点要求：氢燃料电池系统可能在各种不同的环境温度下运行，特别是在寒冷地区，环境温度可能会降至零度以下。为了确保在低温环境下，冷却液/防冻液不会结冰，其冰点必须足够低。常见的氢燃料电池冷却液/防冻液冰点有 - 35℃、-40℃、-45℃等不同规格，用户可根据实际使用地区的最低环境温度来选择合适冰点的产品。例如，在北方严寒地区，通常需要选择冰点为 - 45℃甚至更低的冷却液/防冻液，以保证在极端低温下，冷却液/防冻液仍能正常流动，发挥其散热作用。

②沸点要求：在燃料电池工作时，冷却液/防冻液会吸收大量热量，温度升高。如果冷却液/防冻液的沸点过低，在高温下容易沸腾产生气泡，这不仅会降低散热效率，还可能对系统造成损害。因此，氢燃料电池冷却液/防冻液需要具有较高的沸点，一般要求在 105℃以上，以确保在燃料电池正常工作温度范围内（60 - 80℃），冷却液/防冻液不会沸腾，能够稳定地进行散热。

（3）良好的金属兼容性

①对不同金属的保护：氢燃料电池系统的冷却管道和部件由多种金属材料制成，如不锈钢具有良好的耐腐蚀性，但在某些特定环境下也可能发生腐蚀；铝质材料因其重量轻、导热性好而被广泛应用，但铝相对活泼，容易与一些物质发生反应。氢燃料电池冷却液/防冻液中的缓蚀剂等成分需要对这些不同的金属都能起到有效的保护作用，防止它们在与冷却液/防冻液长期接触过程中发生腐蚀、生锈等现象。通过在金属表面形成保护膜，冷却液/防冻液能够阻止氧气、水分以及其他腐蚀性物质与金属发生化学反应，从而延长金属部件的使用寿命。

②兼容性测试：为了确保冷却液/防冻液与各种金属材料的兼容性，在产品研发和生产过程中，需要进行严格的兼容性测试。常见的测试方法包括浸泡试验，将不同金属材质的试片浸泡在冷却液/防冻液中，在一定温度和时间条件下，观察试片表面是否有腐蚀迹象，如出现锈斑、划痕、溶解等现象。还会通过电化学测试等手段，测量金属在冷却液/防冻液中的腐蚀电位、腐蚀电流密度等参数，以量化评估冷却液/防冻液对金属的保护效果。只有通过这些严格测试的冷却液/防冻液产品，才能投入市场使用。

（4）化学稳定性

①抗氧化性：在燃料电池系统运行过程中，冷却液/防冻液会与空气中的氧气接触，同时受到较高温度的影响，容易发生氧化反应。氧化反应可能导致冷却液/防冻液的成分发生变化，生成酸性物质，从而降低其 pH 值，增加对金属的腐蚀性。为了提高冷却液/防冻液的抗氧化性，通常会添加一些抗氧化剂。这些抗氧化剂能够与氧气发生反应，消耗氧气，从而减缓冷却液/防冻液自身的氧化过程。常见的抗氧化剂有酚类、胺类等化合物，它们能够有效地抑制自由基的产生，阻止氧化链式反应的进行，保持冷却液/防冻液的化学稳定性。

②抗水解性：部分冷却液/防冻液成分在有水存在的情况下，可能会发生水解反应。水解反应可能导致冷却液/防冻液的性能下降，如缓蚀剂的水解可能会使其失去防腐蚀能力。因此，氢燃料电池冷却液/防冻液需要具备良好的抗水解性能。在选择冷却液/防冻液成分时，会优先选用那些在水中稳定性高、不易发生水解反应的物质。通过优化配方和添加一些抗水解添加剂，能够进一步提高冷却液/防冻液的抗水解性能，确保其在长期使用过程中，性能不会因水解而受到明显影响。

四、氢燃料电池冷却液/防冻液的作用

（1）防止系统过热

①散热原理：氢燃料电池在工作时会产生大量热量，这些热量通过热传导传递到与电池组件紧密接触的冷却液/防冻液中。由于冷却液/防冻液具有较高的比热容，能够吸收大量热量而自身温度升高相对较小。冷却液/防冻液在循环泵的作用下，不断地在电池组内部管道中流动，将吸收的热量带到外部冷却器。在冷却器中，冷却液/防冻液通过与外界空气或其他冷却介质进行热交换，将热量散发出去，自身温度降低后，又回到电池组继续吸收热量，如此循环往复，从而有效地将燃料电池产生的热量带走，防止系统过热。

②对电池性能的影响：如果燃料电池系统过热，电池内部的化学反应速率会发生变化，导致电极材料的活性降低，质子交换膜的性能下降，气体扩散层的孔隙结构可能受到破坏。这些变化会使电池的内阻增加，输出电压降低，从而导致电池的输出功率下降。长期处于过热状态，还会加速电池组件的老化和损坏，严重缩短电池的使用寿命。而通过使用性能良好的氢燃料电池冷却液/防冻液，能够有效地控制电池系统的温度，保证电池始终在适宜的温度范围内工作，维持其高效稳定的性能。

（2）保护电池组件

①防腐蚀保护：如前所述，氢燃料电池冷却液/防冻液中的缓蚀剂能够在金属部件表面形成保护膜，阻止冷却液/防冻液中的溶解氧、酸性物质以及其他腐蚀性介质与金属发生化学反应，从而防止金属部件发生腐蚀。对于燃料电池系统中的不锈钢管道、铝制散热器等关键部件，防腐蚀保护尤为重要。腐蚀不仅会影响部件的外观，更会导致部件的壁厚减薄、强度降低，甚至出现穿孔、泄漏等严重问题，影响整个系统的正常运行。通过使用含有优质缓蚀剂的冷却液/防冻液，能够大大延长金属部件的使用寿命，降低系统的维护成本。

②防止结垢：在冷却液/防冻液循环过程中，如果水中的杂质和矿物质含量较高，容易在管道和散热器表面形成水垢。水垢是一种热的不良导体，其导热系数远低于金属材料，会严重阻碍热量的传递，降低散热效率。氢燃料电池冷却液/防冻液中的防垢剂能够与水中的钙、镁等离子发生反应，将其转化为可溶于水的络合物，从而防止水垢的形成。保持冷却系统内部的清洁，能够确保冷却液/防冻液的散热效果始终处于最佳状态，保证燃料电池系统的高效运行。

（3）维持系统稳定性

①稳定电导率：氢燃料电池冷却液的低电导率特性对于维持系统的电化学反应稳定性至关重要。在燃料电池中，质子交换膜的工作原理是基于质子在膜中的定向迁移，而过高的电导率可能会导致电子在冷却液/防冻液中发生迁移，干扰质子的正常传导路径，从而影响电池的性能。稳定的低电导率能够保证电池内部的电化学反应按照设计的路径进行，避免因电导率波动而引发的性能波动。在长期使用过程中，冷却液/防冻液中的添加剂能够抑制成分的分解和杂质的混入，维持电导率的稳定，确保燃料电池系统的稳定运行。

②保持 pH 值稳定：冷却液/防冻液的 pH 值对其腐蚀性有显著影响。如果 pH 值过低，溶液呈酸性，会加速金属的腐蚀；如果 pH 值过高，可能会导致某些添加剂的沉淀或失效。氢燃料电池冷却液/防冻液中通常含有 pH 调节剂，能够在一定程度上维持冷却液/防冻液的 pH 值稳定在合适的范围内（一般为 7 - 10）。通过缓冲作用，pH 调节剂可以中和因氧化等反应产生的酸性物质，防止 pH 值下降；同时，也能抑制因碱性物质的混入或生成导致的 pH 值升高，从而保证冷却液/防冻液对金属部件的保护效果始终处于良好状态，维持系统的长期稳定性。

五、氢燃料电池冷却液/防冻液的应用与发展趋势

（1）不同应用场景的需求特点

①氢燃料电池汽车：在氢燃料电池汽车领域，对冷却液/防冻液的性能要求极为严苛。汽车行驶过程中，燃料电池系统会面临频繁的工况变化，如启动、加速、爬坡等，这些过程中电池的产热量会有较大波动。因此，汽车用氢燃料电池冷却液/防冻液需要具备快速响应的散热能力，能够在短时间内适应温度的剧烈变化。汽车可能会在不同的气候条件下行驶，从寒冷的北方到炎热的南方，这就要求冷却液/防冻液既能在低温下保持良好的流动性，又能在高温环境中不沸腾、不挥发。考虑到汽车的使用年限和行驶里程，冷却液/防冻液还需要具有较长的使用寿命，减少更换频率，降低维护成本。

②固定式燃料电池电站：固定式燃料电池电站通常在相对稳定的环境中运行，工况变化相对较少。但其运行时间往往较长，对冷却液/防冻液的长期稳定性要求较高。电站一般会配备较为完善的冷却系统，对冷却液/防冻液的兼容性要求也更为严格，需要与各种冷却设备和管道材料良好适配。由于电站的规模较大，冷却液/防冻液的用量也较大，因此在满足性能要求的前提下，成本因素也会受到一定关注，需要选择性价比高的冷却液/防冻液产品。

（2）发展趋势

①高性能添加剂的研发：随着对氢燃料电池性能要求的不断提高，研发更加高效的添加剂成为未来氢燃料电池冷却液/防冻液发展的重要方向。新型缓蚀剂的研发目标是在更低的添加量下，实现更持久、更全面的金属保护效果，同时进一步降低对电导率的影响。在抗氧化剂方面，研究人员致力于开发能够在更宽温度范围内有效抑制氧化反应的新型化合物，提高冷却液/防冻液的化学稳定性。对于防垢剂和消泡剂，也在朝着提高性能、减少副作用的方向发展，以满足日益严苛的系统运行要求。

②环保型成分的应用：环保意识的增强促使氢燃料电池冷却液/防冻液行业越来越注重环保型成分的应用。一方面，寻找更环保的防冻剂替代传统的乙二醇，如一些生物基防冻剂，它们具有可生物降解的特性，能够减少对环境的污染。在添加剂方面，也在逐步淘汰含有重金属或对环境有害的物质，采用无毒、无害、可降解的成分。通过使用环保型成分，不仅可以降低冷却液/防冻液在生产、使用和废弃处理过程中对环境的影响，还能提高产品的市场竞争力，符合可持续发展的趋势。

③定制化产品的发展：不同的应用场景对氢燃料电池冷却液/防冻液的性能需求存在差异，未来定制化产品将成为发展趋势。针对汽车、固定式电站、便携式设备等不同类型的应用，生产企业将根据其特定的工况条件、运行环境和性能要求，开发个性化的冷却液/防冻液产品。对于在极寒地区使用的氢燃料电池汽车，可定制具有更低冰点和更好低温流动性的冷却液/防冻液；对于对电导率要求极高的高精度燃料电池设备，可开发电导率更低且稳定性更好的专用冷却液/防冻液。通过提供定制化产品，能够更好地满足客户的实际需求，提高产品的适用性和性能表现。