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一、引言

随着全球对清洁能源需求的不断增长，氢燃料电池作为一种高效、环保的能源转换装置，正逐渐成为未来能源发展的重要方向。在氢燃料电池系统中，氢燃料电堆是核心部件，其工作过程会产生大量热量。若这些热量不能及时散发，将导致电堆温度过高，严重影响电堆性能、寿命甚至引发安全问题。氢燃料电堆冷却液作为热管理系统的关键介质，承担着及时带走电堆热量、维持电堆在适宜温度范围内稳定运行的重任，对保障氢燃料电池系统的可靠性和耐久性起着不可或缺的作用。

二、氢燃料电堆工作原理及产热特点

（1） 工作原理

氢燃料电池的工作原理基于电化学反应，本质上是电解水的逆过程。在氢燃料电堆中，氢气被输送到阳极，在催化剂（通常为铂）的作用下，氢气分子分解为氢离子（质子）和电子。氢离子通过质子交换膜迁移到阴极，而电子则通过外部电路流向阴极，从而产生电流。在阴极，氧气与通过质子交换膜过来的氢离子以及从外部电路流回的电子发生反应，生成水。这个过程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。

（2）产热特点

虽然氢燃料电池的能量转换效率相对较高，一般在 40% - 60% 之间，但仍有大量的热量产生。在汽车应用中，电堆产生的热量可高达数十千瓦。这些热量主要来源于电化学反应本身的不可逆热、欧姆极化热以及传质过程中的热效应等。而且，氢燃料电堆对工作温度非常敏感，其适宜的工作温度范围通常在 60℃ - 80℃之间。当温度过高时，会加速质子交换膜的老化和降解，降低催化剂活性，导致电堆性能下降；温度过低则会使电化学反应速率减缓，活化极化损失增大，同样影响电堆的输出性能。因此，精确控制电堆温度，及时有效地散热是保证氢燃料电池高效、稳定运行的关键。

三、氢燃料电堆冷却液的工作原理

氢燃料电堆冷却液主要采用液冷技术，通过在封闭的循环管路中循环流动，实现对电堆的冷却。冷却液在电堆的冷却流道中流动，与电堆内部产生热量的部件进行热交换，吸收热量后温度升高。随后，升温的冷却液流出电堆，进入散热器等散热装置。在散热器中，冷却液通过与外界空气进行热交换（风冷方式），或者与其他低温冷却介质进行热量传递（水冷方式），将吸收的热量散发出去，温度降低后再通过水泵等动力装置重新回到电堆冷却流道，继续吸收电堆产生的热量，如此循环往复，持续为电堆散热，维持电堆工作温度的稳定。

四、性能要求

（1）卓越的电绝缘性能

氢燃料电堆工作时，内部存在高电压环境，这就要求冷却液具备出色的电绝缘性，以防止电流泄漏。若冷却液电导率过高，一旦发生泄漏，就可能在电堆与其他部件之间形成导电通路，引发短路故障，损坏电堆及相关电气设备，甚至危及人员安全。通常，氢燃料电堆冷却液的电导率应控制在极低水平，一般要求低于 2μS/cm，以确保在各种工况下都能有效避免电气事故的发生。

（2） 高效的热传导性能

为了快速、有效地带走电堆产生的大量热量，冷却液需要具备良好的热传导性能。较高的热导率能够使冷却液在与电堆部件接触时，迅速吸收热量并快速传递出去，提高散热效率。常见的冷却液基础材料如乙二醇、水等，本身具有一定的热传导能力，同时通过添加特殊的导热添加剂，如纳米级的金属氧化物颗粒等，可以进一步提升冷却液的热导率，满足氢燃料电堆对高效散热的需求。

（3）优秀的防腐蚀性能

氢燃料电堆冷却系统中包含多种金属材料，如不锈钢、铝、铜等，以及橡胶、塑料等非金属材料。在长期使用过程中，冷却液若具有腐蚀性，会逐渐侵蚀金属部件，导致金属生锈、腐蚀穿孔，影响冷却系统的密封性和可靠性；同时也可能对橡胶、塑料部件造成溶胀、老化等损坏，降低其使用寿命。因此，氢燃料电堆冷却液必须添加有效的缓蚀剂、防锈剂等添加剂，能够在金属表面形成一层致密的保护膜，隔绝氧气、水分和其他腐蚀性物质，防止金属腐蚀；并且要对橡胶、塑料等非金属材料具有良好的兼容性，确保冷却系统各部件长期稳定运行。

（4）良好的化学稳定性

冷却液氢燃料在复杂的工作环境中，需要具备高度的化学稳定性。它不能与电堆内部的氢气、氧气以及其他反应产物发生化学反应，也不能在高温、高湿度等条件下自身发生分解、氧化等化学变化。否则，不仅会影响冷却液的冷却性能，还可能产生杂质，堵塞冷却流道，进一步影响电堆的正常散热。此外，化学稳定性好的冷却液能够保持其各项性能指标在较长时间内稳定不变，减少因冷却液性能劣化而导致的维护和更换频率，降低使用成本。

（5）适宜的冰点和沸点

在不同的使用环境下，氢燃料电堆冷却液需要具备合适的冰点和沸点。在寒冷地区，冷却液的冰点应足够低，以防止在低温环境下冻结，导致冷却管道破裂、冷却系统无法正常工作。一般来说，冷却液的冰点应低于当地最低气温 10℃ - 15℃，例如在我国东北地区，冬季最低气温可达 -30℃甚至更低，此时冷却液的冰点应在 -40℃以下。而在高温环境或电堆长时间高负荷运行时，冷却液的沸点要足够高，避免发生沸腾现象，确保在高温工况下仍能持续有效地散热。通常，氢燃料电堆冷却液的沸点应高于 100℃，一些高性能的冷却液沸点甚至可达 120℃以上。

五、常见类型

（1）乙二醇型冷却液

乙二醇型冷却液是目前应用较为广泛的一种类型。它以乙二醇为主要成分，具有成本较低、防冻性能优良、热稳定性较好等优点。乙二醇与水按一定比例混合后，能够显著降低溶液的冰点，满足不同地区的低温使用需求。同时，乙二醇型冷却液具有较好的流动性和热传导性能，能够在冷却系统中顺畅循环，有效地传递热量。此外，通过添加适量的缓蚀剂、抗氧剂等添加剂，可增强其防腐蚀和抗氧化性能，延长冷却液的使用寿命。然而，乙二醇具有一定的渗透性，在某些情况下可能会对质子交换膜等电堆关键部件产生影响，若冷却液泄漏，还可能对环境造成污染。

（2）丙二醇型冷却液

丙二醇型冷却液的性能与乙二醇型较为相似，同样具备良好的防冻和冷却性能。其突出优点是毒性较低，相比乙二醇型冷却液更加环保。在对环保要求较高的应用场景，如城市公交、景区摆渡车等使用的氢燃料电池车辆中，丙二醇型冷却液具有较大的优势。不过，由于丙二醇的生产成本相对较高，导致丙二醇型冷却液的价格也相对较贵，在一定程度上限制了其大规模应用。

（3）去离子水型冷却液

去离子水型冷却液主要成分是经过特殊处理去除了各种离子的纯水。水具有较高的比热容和良好的热传导性能，能够有效地吸收和传递热量，满足氢燃料电堆的散热需求。而且，去离子水对电堆内部的化学反应具有良好的耐受性，不会与电堆中的材料发生化学反应，保证了电堆的安全性。但是，纯水在低温环境下容易结冰，需要添加特殊的防冻剂或采取其他措施来降低冰点；同时，纯水的电导率相对较高，需要配合去离子器等设备使用，以确保冷却液的电绝缘性能符合要求。

（4）新型冷却液

随着科技的不断进步，为了更好地满足氢燃料电堆对冷却液日益严苛的性能要求，一些新型冷却液也在不断研发和应用中。例如，含有纳米颗粒的纳米流体冷却液，通过在基础冷却液中添加纳米级的金属、金属氧化物或碳纳米管等颗粒，显著提高了冷却液的热导率，能够更高效地散热；还有一些采用特殊有机化合物或聚合物为基础材料的冷却液，在电绝缘性、化学稳定性和材料兼容性等方面表现出更优异的性能。这些新型冷却液虽然在性能上具有明显优势，但目前可能存在成本较高、制备工艺复杂等问题，需要进一步研究和改进以实现大规模应用。

六、应用场景及选择要点

（1）氢燃料电池汽车

在氢燃料电池汽车中，冷却液的性能直接影响车辆的动力性能、续航里程和安全性。由于汽车运行环境复杂多变，温度、湿度、路况等因素都会对电堆产生影响，因此需要选择能够适应多种工况的冷却液。在寒冷地区使用的车辆，应重点关注冷却液的冰点，确保在低温下冷却系统正常工作；而在高温地区或车辆频繁高负荷行驶的情况下，冷却液的沸点和散热性能则尤为重要。同时，要考虑冷却液对汽车冷却系统中各种金属和非金属材料的兼容性，避免因腐蚀或损坏部件而影响车辆的可靠性。此外，由于汽车空间有限，冷却液的体积膨胀率也需要控制在合理范围内，以防止冷却系统在工作过程中出现压力过高的情况。

（2）固定式发电站

对于固定式氢燃料电池发电站，其运行环境相对稳定，但对电堆的长期稳定性和可靠性要求极高。在选择冷却液时，应着重考虑冷却液的化学稳定性和防腐蚀性能，以确保在长时间连续运行过程中，冷却液不会发生性能劣化，对电堆及冷却系统部件造成损害。同时，由于发电站通常需要长时间不间断供电，冷却液的散热效率也直接关系到发电站的发电效率和稳定性。此外，固定式发电站的维护周期相对较长，因此需要选择使用寿命长、维护成本低的冷却液，减少维护工作量和停机时间。

（3） 其他应用场景

除了汽车和固定式发电站，氢燃料电池还应用于叉车、船舶、无人机等领域。在这些应用场景中，由于设备的工作特点和环境条件各不相同，对冷却液的性能要求也存在差异。例如，叉车通常在室内或仓库等环境中工作，对冷却液的环保性能和气味要求较高；船舶在水上运行，面临着潮湿、盐分高的环境，冷却液需要具备更强的防腐蚀性能；无人机对重量较为敏感，因此需要选择密度低、散热效率高的冷却液，以减轻设备重量，提高飞行性能。在选择冷却液时，需要根据具体的应用场景和设备特点，综合考虑冷却液的各项性能指标，选择最适合的产品。

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，其性能优劣直接关系到氢燃料电池的工作效率、稳定性和使用寿命。随着氢燃料电池技术的不断发展和应用领域的日益拓展，对冷却液的性能要求也越来越高。未来，需要进一步加强对冷却液的研发创新，不断优化冷却液的配方和性能，开发出更加高效、环保、安全的冷却液产品，以满足氢燃料电池产业快速发展的需求，推动氢能在能源领域的广泛应用，为实现全球能源转型和可持续发展目标做出贡献。