論豐田選擇醇類而不是鹽類作為其燃料電池冷卻劑的原因
發(fā)布時(shí)間：
2023-12-08
論豐田選擇醇類而不是鹽類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，對于保證燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行、延長電堆使用壽命發(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的和非醇類兩種，醇類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℃類型。
非醇類燃料電池冷卻液主要以無機(jī)溶液為溶劑，鹽類作為添加劑等原料配置而成。
為什么豐田選擇醇類冷卻液而不是鹽類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)證包括對質(zhì)子交換膜材料在乙二醇環(huán)境下的長期暴露實(shí)驗(yàn)，以評估膜的穩(wěn)定性和性能變化。這一驗(yàn)證過程確保了系統(tǒng)的長期可靠性和性能穩(wěn)定性。
Mirai作為一款在廣泛氣候條件下運(yùn)行的汽車，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)性下降的問題。這為燃料電池汽車的可靠性和可用性提供了明顯的優(yōu)勢。
豐田放棄鹽類選擇醇類冷卻液，背后是什么原因呢？我們查詢了大量研究文獻(xiàn)和相關(guān)專利資料發(fā)現(xiàn)了其中的奧妙，原來鹽類冷卻液對氫燃料電池存在很多弊端。
耐腐蝕性
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乙二醇冷卻液相對于含鹽類的冷卻液來說，具有更低的腐蝕性，這一點(diǎn)在維護(hù)燃料電池系統(tǒng)的長期可靠性方面尤為重要。含鹽類冷卻液中的一些鹽分，尤其是氯化物和溴化物等，可能對金屬部件產(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，乙二醇通常對金屬具有較低的腐蝕性，有些成熟的配方體系通過高溫抗
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氧化試驗(yàn)測試，性能是同類產(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，一些鹽類可能對膜電極（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，這降低了對膜性能的負(fù)面影響。相反，一些鹽類可能會(huì)對質(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。
(鹽類結(jié)晶)
綜合而言，乙二醇類冷卻液能夠更好的滿足質(zhì)子交換膜氫燃料電池的性能和應(yīng)用，規(guī)避了鹽類冷卻液的缺點(diǎn)，對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)和測試，以確保所選冷卻液不會(huì)對燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。
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