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
發布時間：
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的熱管理介質，負責帶出電堆的余熱，對于保證燃料電池穩定運行、延長電堆使用壽命發揮非常重要的作用。而氫燃料電池冷卻液不同于傳統車用冷卻液，在電導率方面有接近去離子水的嚴苛要求。這就意味著要在極低電導率的產品性能指標下，仍然要達到抗氧化、抗泡、金屬表面保護、材料兼容性等多方面的技術指標，是氫能與燃料電池這一新興領域中的關鍵液體零部件。
(PEM燃料電池系統結構)
燃料電池的核心在于雙極板流道和膜電極（MEA）構成的反應場所，
雙極板通常有金屬雙極板、石墨雙極板和復合材料雙極板；膜電極（MEA）通常由氣體擴散層、催化劑層和質子交換膜構成。
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數值的稀釋液，冰點數值大致分為-35℃和-45℃，依據一些廠商的設計和應用要求也會有-40℃類型。
非醇類燃料電池冷卻液主要以無機溶液為溶劑，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冷卻液為例子，豐田的Mirai采用了經過嚴格驗證的材料，確保了含乙二醇冷卻液與質子交換膜材料的良好兼容性。這種驗證包括對質子交換膜材料在乙二醇環境下的長期暴露實驗，以評估膜的穩定性和性能變化。這一驗證過程確保了系統的長期可靠性和性能穩定性。
Mirai作為一款在廣泛氣候條件下運行的汽車，含乙二醇冷卻液的優越低溫性能為其提供了關鍵支持。在寒冷的冬季，乙二醇的抗凍性使得Mirai系統能夠在低溫環境下啟動和運行，而不會出現結冰和流動性下降的問題。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和相關專利資料發現了其中的奧妙，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，這一點在維護燃料電池系統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，可能對金屬部件產生腐蝕作用，從而損害系統的耐久性（尤其是對燃料電池熱管理組件金屬鋁質的）。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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氧化試驗測試，性能是同類產品的2~4倍。有助于減緩熱管理系統元件的老化。
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）產生不利影響，因為它們可能引起化學變化。
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和碳都不會和乙二醇發生任何化學反應，不影響催化劑的活性。
氣體擴散層由基底層碳纖維紙和微孔層（納米碳顆粒+疏水粘結劑）組成，化學反應是惰性的，不會和乙二醇發生反應；質子交換膜層主要是全氟磺酸膜，該結構化學穩定、熱穩定、耐酸堿，不會和乙二醇發生反應；水-乙二醇型冷卻液滲漏進入質子交換膜，可以增加質子的濃度和遷移速率，從而提高膜的質子傳導率。
質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在兩個方面：首先，乙二醇不容易引起質子交換膜的膨脹，這有助于保持膜的穩定性；其次，乙二醇不太可能引起質子交換膜材料的化學變化，這降低了對膜性能的負面影響。相反，一些鹽類可能會對質子交換膜材料產生不利影響，可能引起膜的膨脹、變形或降解（如下圖所示），從而影響系統的長期運行。
（常規狀態下的質子交換膜）
（受影響后的質子交換膜）
流通性能
含鹽類的冷卻液在低溫環境中可能形成固體沉淀，導致系統堵塞，降低了系統的效能，甚至可能對系統產生損害。相比之下，乙二醇在低溫下通常具有更好的流動性，有助于維持系統的穩定性。
(鹽類結晶)
綜合而言，乙二醇類冷卻液能夠更好的滿足質子交換膜氫燃料電池的性能和應用，規避了鹽類冷卻液的缺點，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子交換膜的傷害較小，但在選擇和設計冷卻液時，仍然需要仔細考慮系統的特定要求和工作條件，因為不同品牌的乙二醇冷卻液選用的添加劑成分存在很大區別。最終的選擇可能需要進行詳細的實驗和測試，以確保所選冷卻液不會對燃料電池系統產生負面影響。
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