基于PEMFC热管理工况的长效低电导率冷却液性能及应用.pdf

用油全方位ApplicationGuides基于PEMFC热管理工况的长效低电导率冷却液性能及应用徐庐飞1鲁念慈?1中国石化润滑油有限公司北京研究院2北京化工大学氢能是一种来源丰富、终端零2023碳、利用高效的二次能源，在保障June能源安全、推动能源转型、实现双碳目标等方面具有重要意义。2 0 2 2年3月，国家发改委和能源局联合印发氢能产业发展中长期规划第三期（2 0 2 1一2 0 35年）标志着氢能在制氢、储运加氢和交通用氢的产业一发展首次得到国家层面的规划指导，12其中明确提出氢燃料电池车（HFCV)在2 0 2 5年达到5万辆的应用推广规模。目前HFCV增长自2 0 16 年开始进入快车道，尽管2 0 2 0 年开始受疫情影响发展放缓，3年来产业发展逐渐回归正轨。根据网上公开的产销数据，在2 0 2 2 全年年产销分别3626辆和336 7 辆，已超过疫情前的峰值，未来几年的增量非常可观。除了在车载场景外，船用、轨道交通、固定式发电等场景均已有示范项目落地。不过无论是什么场景，其中利用氢能的核心设备都是氢燃料电池。国内HFCV产销量趋势见图1。氢燃料电池（目前主流技术路线是质子交换膜燃料电池，简称PEMFC）是将氢能（化学能）转化为电能的核心装置。在运行过程中，通过不断输入氢气和空气（主要利用其中的氧气）进行电化学反应而持续输出电能。由于在形式上类似输入汽柴油和空气的内燃机发动机，所以业内也将车载PEMFC称作氢燃料电池发动机。作为全新的电化学动力设备，PEMFC的热管理结构既不同于内燃机发动机的水套结构、也不是锂离子动力电池目前普遍采用的间接冷板结构，其冷却液需要通过PEM燃料电池组内设置的流道，以获得更加均匀的电池堆内部温度分布和更低的进、出口温差，有助于提高电池堆内电池性能的一致性 2 。这种全新的热管理工况就决定了该系统对冷却液的绝缘性要求。但就这一个电导率指标的约束，就使得冷却液配方体系必须摆脱传统发动机冷却液（电导率在2 0 0 0 S/cm左右）的离子型缓蚀剂配方体系，去重新建立一个基于全新的有机非离子型缓蚀剂配方体系的氢燃料电池专用冷却液。PEMFC热管理工况及专用冷却液性能分析PEMFC热管理工况分析PEMFC在油液方面主要有两个关键需求：一是严格的无油设备。如果有润滑油蒸气通过氢气、空气等原料进入电池内部，则会造成膜电极不作者简介：徐庐飞，博士，助理研究员，现主要从事氢能润滑油液产品研发和应用工作。E-mail:用油全方位ApplicationGuides氢能是一种清洁高效、来源丰富的二次能源，在车载、船用、固定式发电等多场景下均有广阔的应用前景。这些场景中利用氢能的核心设备为氢燃料电池（PEMFC）。本文分析了PEMFC的工况特点及其对冷却液性能的要求，介绍了长城HFC氢燃料电池冷却液性能、技术指标和应用情况，给出了氢燃料电池冷却液的“中国石化方案”。F:CELL供图/徐庐飞第三期却液满足极低电导率时，才能保证冷却液从两块单电池之间流过时只带走热量，而不带走电能（电导率能量则以热量的形式释放，为防4000止电堆温度过高，需要及时散热。3600故热管理系统（本文只讨论应用最3200为广泛的液冷系统）对于保障电堆口产2800240020001B001200400口可逆的性能下降。一方面，由于膜电极两侧是扩散层，其孔径大小从微孔过渡到介孔，润滑油气体分子容易堵塞孔道，减少氢气有效透过面积；另一方面，膜电极的催化剂主要成分是Pt/C，润滑油中含硫基团极易造成Pt的中毒 3。所以包括2023June正常工作，延长关键零部件寿命起到了至关重要的作用。其主要工况如下：双极板内特殊的水流道和电场环境。双极板是由毫米级厚度的阴极板和阳极板构成（如图2 a所示），冷却液从双极板内侧夹层里狭窄的水流道中高速流过。只有冷201620171320182019年好空压机 4 在内PEMFC的气体供给系统一律采用严格的无油设备，冷却方式也只能放弃油冷而采用液冷技术路线（PEMFC输出功率小于10kW时，采用空冷即可）。二是有突出的冷却需求。由于能量转化率约为40%6 0%，剩余202020212022过高时甚至会在水流道中发生电解水反应），从而保证电池的输出功率和系统正常运行。这也是PEMFC电堆热管理系统区别于传统发动机的关键之处。复杂的热管理系统构成。PEMFC的热管理系统组成一般包括用油全方位Application Guides冷如座注尚高温双整板PEM+化到中海器水流雕水道水道H,热道H流道科电总PTC2023June电堆、水泵、散热器、膨胀水箱等零部件及其连接管路（如图2 b所示），与冷却液直接接触的通用材第三期质主要涉及铝合金、不锈钢、铜等金属材料和EPDM、硅橡胶等非金14属材料，以及因各PEMFC系统制造商的零部件选型方案不同而引入的其他材质。工作温度范围较宽，且有提高工作温度的趋势。PEMFC适用于低温高寒场景，冷启动温度可低至-45。而在高温端，出于增强CO耐受性、提高换热效率、加速电池反应及优化电池内部水热管理等考虑 5，从技术上已将PEMFC的工作温度提高到8 5 90。但受限于PEM膜的热稳定性，一般不会超过120。氢燃料电池冷却液与工况对应的性能PEMFC工况的热管理，对氢燃料电池冷却液提出了如下性能要求：良好的绝缘性能，低电导率。电导率是最受关注的指标，为此冷却液主要以非离子配方体系为基础，控制包括CI在内的各种离子含量。多维度的低电导率维持能力。要保证在使用过程中氢燃料电池冷却液的持续低电导率，需要其能同时满足乙二醇的抗氧化、对接触金属的表面缓蚀保护以及非金属材料的兼容性等性能。高效传热。作为热管理介质，良好且稳定的传热效率也是不可或缺的。考虑到固定冰点牌号的水乙二醇基液基本决定了冷却液的导热系数，与传热相关的就主要是抗泡性能。因为在狭小的双极板水流道中，空气这种热的不良导体含量过多会升高明显减少热量的带出，导致电堆温度的非预期上升。基于上述分析，以及与PEMFC供应商和氢燃料电池冷却液供应商的沟通与论证，中国石化润滑油公司北京研究院对氢燃料电池冷却液及其指标体系开展了深入研究，在一定行业范围内形成共识的基础上，牵头起草了这一产品的国内首个团体标准T/CAS 5482021氢燃料电池冷却液（见表1）。该标准已于2 0 2 1年底正式发布，填补了行用油全方位ApplicationGuides表1T/CAS 5482021团体标准T/CAS 5482021项目-35号气味无异味沸点/107.5冰点/-35.0pH值5 8电导率(2 5)/(S cm1)2清洁度5氯含量/(mg kg1)1橡胶相容性（8 0 2，336 h2h）/%EPDM硬度质量体积硅胶硬度质量体积玻璃器皿腐蚀（8 0 2，336 h2h）试片质量变化/（mg片-1)铝片3A21铝片40 43铝片5A05铝片6 0 6 3不锈钢316 L不锈钢30 4黄铜紫铜稳定性泡沫倾向泡沫体积/mL泡沫消失时间/s长城产品-45号HFC-35号无异味无异味108.5108-45.0-36.56.00.8405101055555555555无沉淀无悬浮物1505.0试验方法HFC-45号无异味109-46.36.10.740-0.283.204.131.641.030.720.10.10.10.1000.10.1无沉淀无悬浮物403533嘎觉SH/T 0089SH/T 0090SH/T 0069GB/T 6682DL/T 432SH/T 0621GB/T 1690SH/T 0085SH/T 00662023June第三期15用油全方位ApplicationGuides业空白。长城HFC氢燃料电池冷却液产品性能及应用为贯彻落实中国石化的氢能战略布局，改变氢燃料电池冷却液细分领域由进口产品主导的局面，针对PEMFC工况的热管理工况的应用需要，中国石化润滑油公司自主研发了氢燃料电池专用冷却液，产品得到了行业龙头客户的认可，实现了批量供应。产品性能长城HFC氢燃料电池冷却液采用经过特殊处理的高纯度基础液，加入非离子缓蚀剂、橡胶保护剂等多种高效能添加剂调合而成，具有高清洁度，以及优异的金属防护2023和传热性能。目前市售的氢燃料电池冷却液产品按-35和-45JunE冰点分为两个牌号产品，具有如下特点：采用中国石化自主化的非离子配方技术，初始电导率不超过第三期2 S/cm;既能对冷却系统铜、铜合金及铝合金实现长周期缓蚀保护，又16能有效抑制系统金属及非金属离子析出，保持电导率稳定；与石墨、陶瓷、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龙、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶等非金属相容性良好；抗泡性能经过改良，在PEMFC的工况下能有效释放空气，减少泡沫对于传热的影响。在氢燃料电池公交车上的应用目前在氢燃料电池车实际保养过程中，何时换液或者换去离子罐主要是以冷却液电导率是否超过设备说明书中的允许值作为指标。考虑到除了冷却液本身配方技术可减缓电导率上升外，去离子罐也可通过其中的阴阳离子树脂不断与冷却液中产生的导电正负离子发生交换从而保持冷却液的低电导率 。在树脂交换饱和后则只能靠配方本身抑制电导率的上升。一般当冷却液电导率超过允许值后，更换去离子罐也能一定程度上起到降低电导率的作用。为考察配方本身在长效抑制电导率上升方面的性能，在南方某城市的8.5m公交车上搭载长城HFC-35氢燃料电池冷却液后开展为期一年（2 0 2 1年4月至2 0 2 2 年5月）且在不更换去离子罐情况下的连续行车试验。试验过程中，试验车辆沿公交线路开展正常的日常运营，对搭载的HFC-35冷却液进行了定期取样和数据跟踪。行车试验过程中，冷却液产品电导率约在累计搭载时长超过910 0 h（含停车时间）、累计运行里程达到3.3万km时达到该设备方指定的换液指标（5 S/cm），表现出优异的低电导率维持能力，pH值也始终维持在5以上。试验期间电池功率输出稳定，车辆运行一切正常，用户体验反馈良好。结束语氢能实现清洁高效利用的核心设备是PEMFC这一新兴电化学设备。PEMFC 热管理系统的特殊结构和工况对于专用冷却液提出了低电导率、抗高温氧化、金属缓蚀保护、材料兼容性、传热效率等性能要求，尤其是电堆内部设置冷却流道的结构设计对冷却液提出的严苛的低电导率新需求，使得整个冷却液的配方技术体系发生了根本变化。中国石化围绕冷却液的低电导率持续保持能力，开发出具备自主非离子配方技术的“中国石化方案”一一长城HFC氢燃料电池冷却液。该产品在实际行车运行过程中有效抑制电导率上升，效果得到了行业龙头客户的认可，为氢能行业在氢燃料电池冷却液的国产化替代方面提供技术参考和经验借鉴。参考文献1中商情报网.2 0 2 2 年中国氢燃料电池汽车产量及销量分析 EB/OL.(2023-02-28).https:/ 0 2 1，(11):1-14.3郝冬，朱凯，张妍懿，等.燃料电池电动汽车专用空压机技术简析.汽车零部件，2 0 19(8):96-10 0.4严彦，周利彪，白文涛，等.燃料电池用空气压缩机的研究现状.机电工程，2 0 2 1，38(12):1513-1 519.5赵俊杰，涂正凯.高温车用燃料电池的发展及现状综述.化工进展，2 0 2 0，39(5):17 2 2-1 7 33.6许东阳，唐炯，谭方培.基于氢燃料电池汽车的去离子装置关键技术研究.新能源汽车，2 0 19,(2):6-10.