論豐田選擇醇類(lèi)而不是鹽類(lèi)作為其燃料電池冷卻劑的原因
發(fā)布時(shí)間：
2023-12-08
論豐田選擇醇類(lèi)而不是鹽類(lèi)作為其燃料電池冷卻劑的原因
氫燃料電池冷卻液是氫燃料電池系統(tǒng)的熱管理介質(zhì)，負(fù)責(zé)帶出電堆的余熱，對(duì)于保證燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行、延長(zhǎng)電堆使用壽命發(fā)揮非常重要的作用。而氫燃料電池冷卻液不同于傳統(tǒng)車(chē)用冷卻液，在電導(dǎo)率方面有接近去離子水的嚴(yán)苛要求。這就意味著要在極低電導(dǎo)率的產(chǎn)品性能指標(biāo)下，仍然要達(dá)到抗氧化、抗泡、金屬表面保護(hù)、材料兼容性等多方面的技術(shù)指標(biāo)，是氫能與燃料電池這一新興領(lǐng)域中的關(guān)鍵液體零部件。
(PEM燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu))
燃料電池的核心在于雙極板流道和膜電極（MEA）構(gòu)成的反應(yīng)場(chǎng)所，
雙極板通常有金屬雙極板、石墨雙極板和復(fù)合材料雙極板；膜電極（MEA）通常由氣體擴(kuò)散層、催化劑層和質(zhì)子交換膜構(gòu)成。
冷卻液分一般分為醇類(lèi)的和非醇類(lèi)兩種，醇類(lèi)燃料電池冷卻液一般是以防凍劑、非離子型緩蝕劑等原料復(fù)配而成，防凍劑又分為乙二醇型防凍劑、丙二醇型防凍劑以及其他類(lèi)型防凍劑。 市面上主流的是乙二醇型燃料電池冷卻液，基于此又分為濃縮液和具有特定冰點(diǎn)數(shù)值的稀釋液，冰點(diǎn)數(shù)值大致分為-35℃和-45℃，依據(jù)一些廠商的設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求也會(huì)有-40℃類(lèi)型。
非醇類(lèi)燃料電池冷卻液主要以無(wú)機(jī)溶液為溶劑，鹽類(lèi)作為添加劑等原料配置而成。
為什么豐田選擇醇類(lèi)冷卻液而不是鹽類(lèi)作為其氫燃料電池的冷卻劑？
以豐田第二代Mirai搭載的燃料電池系統(tǒng)冷卻液為例子，豐田的Mirai采用了經(jīng)過(guò)嚴(yán)格驗(yàn)證的材料，確保了含乙二醇冷卻液與質(zhì)子交換膜材料的良好兼容性。這種驗(yàn)證包括對(duì)質(zhì)子交換膜材料在乙二醇環(huán)境下的長(zhǎng)期暴露實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估膜的穩(wěn)定性和性能變化。這一驗(yàn)證過(guò)程確保了系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性和性能穩(wěn)定性。
Mirai作為一款在廣泛氣候條件下運(yùn)行的汽車(chē)，含乙二醇冷卻液的優(yōu)越低溫性能為其提供了關(guān)鍵支持。在寒冷的冬季，乙二醇的抗凍性使得Mirai系統(tǒng)能夠在低溫環(huán)境下啟動(dòng)和運(yùn)行，而不會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰和流動(dòng)性下降的問(wèn)題。這為燃料電池汽車(chē)的可靠性和可用性提供了明顯的優(yōu)勢(shì)。
豐田放棄鹽類(lèi)選擇醇類(lèi)冷卻液，背后是什么原因呢？我們查詢(xún)了大量研究文獻(xiàn)和相關(guān)專(zhuān)利資料發(fā)現(xiàn)了其中的奧妙，原來(lái)鹽類(lèi)冷卻液對(duì)氫燃料電池存在很多弊端。
耐腐蝕性
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乙二醇冷卻液相對(duì)于含鹽類(lèi)的冷卻液來(lái)說(shuō)，具有更低的腐蝕性，這一點(diǎn)在維護(hù)燃料電池系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性方面尤為重要。含鹽類(lèi)冷卻液中的一些鹽分，尤其是氯化物和溴化物等，可能對(duì)金屬部件產(chǎn)生腐蝕作用，從而損害系統(tǒng)的耐久性（尤其是對(duì)燃料電池?zé)峁芾斫M件金屬鋁質(zhì)的）。相比之下，乙二醇通常對(duì)金屬具有較低的腐蝕性，有些成熟的配方體系通過(guò)高溫抗
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氧化試驗(yàn)測(cè)試，性能是同類(lèi)產(chǎn)品的2~4倍。有助于減緩熱管理系統(tǒng)元件的老化。
兼容性
乙二醇通常與多種材料兼容，這包括用于制造膜電極（MEA）的多種高分子材料。相比之下，一些鹽類(lèi)可能對(duì)膜電極（MEA）產(chǎn)生不利影響，因?yàn)樗鼈兛赡芤鸹瘜W(xué)變化。
催化劑層催化劑層由Pt和碳組成，Pt是不活潑金屬，催化劑中Pt和碳都不會(huì)和乙二醇發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，不影響催化劑的活性。
氣體擴(kuò)散層由基底層碳纖維紙和微孔層（納米碳顆粒+疏水粘結(jié)劑）組成，化學(xué)反應(yīng)是惰性的，不會(huì)和乙二醇發(fā)生反應(yīng)；質(zhì)子交換膜層主要是全氟磺酸膜，該結(jié)構(gòu)化學(xué)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定、耐酸堿，不會(huì)和乙二醇發(fā)生反應(yīng)；水-乙二醇型冷卻液滲漏進(jìn)入質(zhì)子交換膜，可以增加質(zhì)子的濃度和遷移速率，從而提高膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率。
質(zhì)子交換膜通常由高分子材料制成，而乙二醇具有與這些材料較好的兼容性。這種兼容性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，乙二醇不容易引起質(zhì)子交換膜的膨脹，這有助于保持膜的穩(wěn)定性；其次，乙二醇不太可能引起質(zhì)子交換膜材料的化學(xué)變化，這降低了對(duì)膜性能的負(fù)面影響。相反，一些鹽類(lèi)可能會(huì)對(duì)質(zhì)子交換膜材料產(chǎn)生不利影響，可能引起膜的膨脹、變形或降解（如下圖所示），從而影響系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行。
（常規(guī)狀態(tài)下的質(zhì)子交換膜）
（受影響后的質(zhì)子交換膜）
流通性能
含鹽類(lèi)的冷卻液在低溫環(huán)境中可能形成固體沉淀，導(dǎo)致系統(tǒng)堵塞，降低了系統(tǒng)的效能，甚至可能對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生損害。相比之下，乙二醇在低溫下通常具有更好的流動(dòng)性，有助于維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
(鹽類(lèi)結(jié)晶)
綜合而言，乙二醇類(lèi)冷卻液能夠更好的滿(mǎn)足質(zhì)子交換膜氫燃料電池的性能和應(yīng)用，規(guī)避了鹽類(lèi)冷卻液的缺點(diǎn)，對(duì)燃料電池的損害更小。
全球燃料電池龍頭巴拉德同樣選擇醇類(lèi)冷卻液作為其電堆的冷卻媒介。
需要注意的是，盡管含乙二醇的冷卻液在一些方面對(duì)質(zhì)子交換膜的傷害較小，但在選擇和設(shè)計(jì)冷卻液時(shí)，仍然需要仔細(xì)考慮系統(tǒng)的特定要求和工作條件，因?yàn)椴煌放频囊叶祭鋮s液選用的添加劑成分存在很大區(qū)別。最終的選擇可能需要進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，以確保所選冷卻液不會(huì)對(duì)燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。
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