低電導率乙二醇冷卻液使用性能研究

張傳龍　李會收　劉占房　耿晶　戰東紅　李可敬

摘 要：質子交換膜燃料電池發動機正常運行時會產生大量熱，其中熱量的95%由冷卻介質帶走，而冷卻液中離子含量高會導致燃料電池發動機絕緣問題，因此要求冷卻液具有高散熱性、低的腐蝕速率、高的密封材料兼容性，行業內通常要求電導率小于5μS/cm，傳統的冷卻液（電導率大于2000μS/cm）不滿足質子交換膜燃料電池的使用要求，無法直接使用。本文長期跟蹤氫燃料電池車輛運營2萬公里左右，對其冷卻系統使用的低電導率乙二醇冷卻液性能進行全面的跟蹤及研究，主要包括冷卻液消耗、冰點值，并解釋其原理。通過本文的研究為燃料電池低電導率冷卻液的開發、標準的制定及車輛的運營維護保養提供了數據支撐及理論指導。

關鍵詞：冷卻系統 電導率 低電導率冷卻液 冰點

Research of? Low Conductivity Glycol Coolant Performance

Zhang Chuanlong Li Huishou Liu Zhanfang Geng Jing Zhan Donghong Li Kejing

Abstract：Normal operation of the proton exchange membrane fuel cell engine will produce large amounts of heat， of which 95% of the total heat away by cooling medium， and high ion content in the cooling liquid can cause the fuel cell engine insulation problem， therefore require coolant with high heat resistance， low corrosion rate， high sealing material compatibility， the industry generally requires electrical conductivity is less than 5 mu S/cm， traditional coolant （conductivity is more than 2000 mu S/cm） did not meet the requirements of the use of the proton exchange membrane fuel cell， can use directly. This paper tracks about 20000 kilometers， hydrogen fuel cell vehicles operating on the low conductivity of ethylene glycol coolant used in the cooling system to conduct a comprehensive performance of tracking and research， mainly including cooling fluid consumption， freezing point value， and explain its principle. Through the study of this article for the development of fuel cell is low conductivity coolant， standards and operation and maintenance of the vehicle provides data support and theoretical guidance.

Key words：ion conductivity， low electrical conductivity coolant， freezing point

低電導率乙二醇冷卻液一般以防凍劑、去離子水及其非離子緩蝕劑組合而成，具有防腐、防凍、冷卻及長期低電導率等作用的功能性液體。由于冰點低、腐蝕性低、較高的比熱容以及流通性，主要使用于需要較低的導電介質的冷卻系統，主要在鋰電池[1]、雷達[2]、火箭、質子交換膜燃料電池、SOFC（固體氧化物燃料電池）等系統。

國內燃料電池車飛速發展，而對于低電導率乙二醇冷卻液相關標準（地方、行業、國家標準）還未發布，對低電導率冷卻液的研究更是少之甚少，目前相關研究主要依據傳統冷卻液國家標準開展對于低電導率乙二醇冷卻液的腐蝕性相關研究和傳統乙二醇冷卻液的腐蝕研究。趙天亮（3）課題組研究了 3A21、5A05和6063鋁合金在低電導率冷卻液中的腐蝕行為，得出5A05抗腐蝕性能最好并給出其原理介紹;唐洪（4）課題組研究了1003鋁合金在冷卻液中腐蝕行為，主要介紹了冷卻液中不同緩蝕劑的添加不同對 1003 腐蝕性的影響;劉德慶（5）課題組研究了鋁合金在乙二醇溶液中的腐蝕影響因素和腐蝕行為;陳曉東（6）研究了乙二醇冷卻液中316L和104不銹鋼的腐蝕行為;文陳[7]、范金龍[8-9]、課題組對3A21鋁合金在乙二醇冷卻液中腐蝕行為進行了研究;金星[10]課題組研究了鑄鋁對乙二醇冷卻液的影響;對6063 鋁合金在乙二醇的腐蝕也有研究[11]。上述主要關注于實驗室內完成的，而對于低電導率乙二醇在實際使用中性能的相關研究甚少。

本文對實際運營車輛跟蹤1年進行研究，分析了低電導率乙二醇冷卻液物理化學屬性， 為電導率乙二醇冷卻液的開發研究提供了基礎，對使用低電導率乙二醇冷卻液的公交公司、維護保養人員提供了指導。

1 實驗

1.1 原料及儀器

1.1.1 原料

低電導率乙二醇冷卻液體積比為50%乙二醇與50%去離子水混合液，冰點為-35℃，電導率為1.84uS/cm（16.3℃），pH值為7.1。

實驗儀器：pH計;手持式冰點儀（-60-0℃）;旋轉蒸發器;紅外光譜儀;HH 型號恒溫水箱;電導率儀。

1.2 試驗方法

車輛相關參數的獲取，通過氫燃料電池車輛的日檢、周檢、月檢數據及實際現場記錄和遠程平臺數據統計得出。

對于添加-35℃低電導率乙二醇冷卻液的質子交換膜燃料電池車輛跟蹤，定期對車輛內冷卻液取樣，對冰點、pH 和電導率及其析出成分分析等。實驗用去離子水為電導率小于1.5us/cm。

實驗樣品取樣步驟：采用一次性吸管（去離子水進行清洗）從冷卻系統中補水路或者膨脹水箱內部進行取樣，取樣過程中注意避免污染，取樣冷卻液放于聚丙烯材質的試劑瓶中，2天之內完成測試。

2 結果與分析

2.1 低電導率乙二醇冷卻液消耗原理及分析

對隨機抽查10臺車進行冷卻液消耗運營跟蹤，統計結果見下圖1所示，每臺車冷卻液都有很大的消耗，平均每臺車輛消耗約 85mL/100km。

為研究出冷卻液使用過程中消耗量大的問題，實施兩種方案。第一、是否冷卻系統管路泄露導致，現場排查發現冷卻系統幾乎無泄露，故此推斷冷卻液實際運行中消耗。第二，取樣進行蒸發并對其蒸發物質進行檢測分析，確定蒸發物質。便對冷卻液原液（-35℃）500mL進行蒸發取樣，為加快試驗進度，設置溫度為110℃進行蒸發，待收集液體10mL 后停止試驗，并對其進行冰點測試，測試結果冰點為0℃。然后對蒸發物質進行定性的鑒定，通過紅外光譜儀測試，結果見圖2所示，紅外光譜測試數據與數據庫中水的特征峰譜重疊，其中水溶液紅外特征峰：波數3100為羥基伸縮振動，為一寬強峰;1650左右為羧基伸縮振動，吸收強度大，確定蒸發物質為去離子水。

通過對冷卻液的蒸發取樣分析，確定為車輛實際運行中消耗的物質為水。進一步分析可知，冷卻液中50%為乙二醇冷卻液，50%為去離子水。而純乙二醇沸點為197.4℃，而去離子水的沸點為100℃，質子交換膜燃料電池正常運行期間溫度在60-80℃，冷卻液在此溫度下長期的高溫循環，加速了冷卻液中去離子水的蒸發消耗。因此驗證了10臺車輛冷卻液消耗的機理。

2.2 低電導率乙二醇冷卻液冰點跟蹤分析

10臺車輛使用的防凍液冰點為-35℃;為統計冷卻液冰點數據，采用手持式冰點儀進行測試。

冰點測試儀是測量防凍液冰點的精密光學儀器。其基本原理是應用全反射臨界角法測量溶液的折射率，進而標定出所測液體的濃度及其性能。

采用目前燃料電池行業常用的便攜式電導率儀測試冷卻液電導率，對跟蹤分析的10 臺車冰點進行測試，統計結果見圖3所示。結果統計得出冰點值都不同程度的增加，根據冷卻液的化學屬性，冰點值與乙二醇體積分數關系如下表1所示，則運營車冷卻液隨著時間的推移乙二醇體積分數增加。其中#2 車冰點值最高-56℃，次之#10車，其中#3車冰點值最低-45℃。結果表明運營車輛中冷卻液乙二醇與水的體積比嚴重失調。由2.1低電導率乙二醇冷卻液蒸發原理及成分一章中進行了分析，車輛運營過程中冷卻液中去離子水的消耗導致剩余乙二醇的體積分數增加、冰點數值增加。

低電導率乙二醇冷卻液使用的目的有四：第一，燃料電池正常工作時，溫度在60-80℃之間，產生的熱量無法散去，對燃料電池發動機性能及壽命產生嚴重影響，因此需要設計冷卻系統，通過添加比熱值較高的液體散去產生的熱量;第二，冷卻系統中各個零部件采用的材質各不相同，有不銹鋼系列、鋁合金系統、非金屬（塑料與硅膠）系列、石墨板等，采用的散熱液體與各種材料的兼容性能要匹配，保證在正常保質期內能夠對個材料無腐蝕左右， 且能夠起到一定的防護作用;第三，由于氣候的變化，冬天時運營氫燃料電池車輛，要保證冷卻系統中液體不結冰上凍，否則對整個燃料電池系統將產生致命的影響。因此根據客戶需求采用不同冰點值的冷卻液使用，目前國內采用的冷卻液中的制冷劑大多數為乙二醇型，丙二醇型在國外使用較多。而北方地區根據冬季氣候變化，使用的冷卻液冰點值多為-35℃。而南方地區溫度較高，一般使用-10℃的冷卻液，甚至有些地區使用去離子水作為冷卻系統的散熱劑。第四，由于燃料電池、發動機等大功率工作時，冷卻系統中液體溫度高，為防止冷卻液體的爆沸，一般會采用高沸點的冷卻液體。綜合上述四點，目前認為乙二醇型冷卻液都能夠滿足需求，高沸點、地成本、微毒性等優點。

對10臺冰點值進行跟蹤分析得出，不斷對冷卻系統中補加冷卻液，導致乙二醇中的體積分數不斷增加，導致冰點值持續上升，到達乙二醇體積分數70%以上后，冰點值反而下降，而正常使用過程中無需冰點值過大，乙二醇體積分數越高，冷卻液成本越高，而冷卻液的粘度增加，比熱容下降，散熱效果降低。因此合理控制冷卻液中冰點值對車輛運營起到重要作用。

燃料電池冷卻液需要嚴格控制電導率的值，傳統冷卻液不再適用。低電導率燃料電池冷卻液價格昂貴，因此可以根據冷卻液的性質進行有規律的加注冷卻液或去離子水，2.1低電導率乙二醇冷卻液消耗原理及分析一章中分析了車輛使用過程中冷卻液消耗量大，因此通過跟蹤冷卻液冰點值是否加注去離水或冷卻液，從而一定程度能夠減少使用和維護成本。

圖4統計了10臺車通過加注去離子水稀釋后冰點值變化，統計分析得出，通過不斷加注去離子水，冷卻液中乙二醇體積分數減低，冰點值也會逐漸降低，由于使用過程中冷卻液會不斷消耗，而減少物質為去離子水，理論上應該是冰點值會維持在一個恒定值，實際測試中會存在一點誤差。試驗得出，基本測試結果與預期一致。

通過定期測試冷卻液中冰點值，確定是否進行加注去離子水或者冷卻液，能夠從一定程度減低了使用成本，同時提高了冷卻液的使用性能。

3 結論

通過對隨機抽查的10臺氫燃料電池車輛用低電導率冷卻液性能跟蹤分析，得出幾點結論，第一，冷卻液使用過程中會消耗，對其機理進行了分析確定消耗物質為去離子水。消耗導致冷卻液中乙二醇體積分數的增大，冰點值增加，可以通過冰點值進行適當的加注去離子水和冷卻液原液，能夠一定程度減少運營成本。論文研究成果，為低電導率冷卻液的開發、研究、使用提供了理論的支持，為制定燃料電池冷卻液相關的標準提供了一定了理論依據， 為冷卻液使用者（售后、公交公司等）提供了理論指導。

國家重點研發計劃資助項目（（2018YFB

0106502））

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