氢燃料电池冷却液清洁度影响因素探讨.pdf

合 成 润 滑 材 料SYNTHETIC LUBRICANTS2023年第50卷第2期0引言氢能以其高热值、低密度、来源丰富、净零排放的特性被认为是最理想的二次能源，全球主要国家也把发展氢能提升到关乎国家经济和能源发展战略的重要地位。氢能的发展对于我国加速经济转型、保障国家能源安全和树立大国形象具有十分重要的战略意义，同时也是实现“碳达峰”，“碳中和”目标的重要途径。从2019年氢能首次被写入 政府工作报告，到 2022 年 氢能产业发展中长期规划（2021 年2035年）的发布，期间氢能扶持政策密集出台，主要核心原则为推动上游关键零部件的技术突破，促进下游应用及基础设施的发展建设，为氢能产业及氢燃料电池汽车的发展注入动力。氢燃料电池因更高的功率密度和更快的冷起动速度，成为氢能发展的重点技术路线1。自2015年以来，我国氢燃料电池汽车产量整体呈增长态势，规划到2025年，基本掌握核心技术和制造工艺，氢燃料汽车的保有量将达到25万辆。随着氢燃料电池及其核心零部件技术的不断升级，规模化市场需求带来的成本下降和加氢基础设施网联化加速为氢燃料汽车发展带来新动力，氢燃料电池将成为氢能产业链中最大的增量市场，氢燃料电池堆及系统也向着高功率密度，小型化及集成化方向发展。1氢燃料电池冷却液氢燃料电池效率高，但大量的热需要通过冷却介质带走，使其工作温度控制在安全合理的范围之内，温度过低或者过高都会导致氢燃料电池堆的性能下降2-3。氢燃料电池堆及其系统朝着大功率的趋势发展，对作为氢燃料电池堆中核心冷却介质的冷却液提出了更高的要求，其重要性也逐渐被氢燃料电池的头部供应商意识到，将冷却液由原来的可有可无到现在作为电池堆系统中几乎唯一的液体零部件进行管理。冷却液在冷却系统中循环并直接通入电池堆，流经高电势的双极板带走氢燃料电池产生的热量，极低的电导率是保证电堆系统良好绝缘性的重要因素。而电导率高达几千微西门子的传统冷却液无法满足电池堆系统的绝缘需求，会导致电池堆系统无法正常运转，甚至出现漏电事故，危及车内人员安全，所以必须使用专用的氢燃料电池冷却液4-5。氢燃料电池冷却液的主要成分是乙二醇和水，并添加有少量的防锈抗腐蚀剂，电导率稳定；当氢燃料电池汽车正常行驶时，冷却液在电池堆热管理系统中被强制循环，很容易产生泡沫，过多的泡沫会妨碍正常的冷却和散热，直接影响到电池堆的使用寿命，因此冷却液中需要加入合适的消泡剂以保证冷却液正常工作6。收稿日期：2023-02-06著者简介：杜春暖（女），硕士，助理研究员，现主要从事新兴行业润滑油液的技术研发和应用工作。通讯著者：水琳（女），博士，正高级工程师，中国石油化工集团公司高级专家，已公开发表论文数10篇。DOI：10.3969/j.issn.1672-4364.2023.02.008推荐引用格式：杜春暖，水琳，张凯蛟，等.氢燃料电池冷却液清洁度影响因素探讨 J.合成润滑材料，2023，50（2）：31-34.氢燃料电池冷却液清洁度影响因素探讨杜春暖，水琳，张凯蛟，王宁，杜雪岭（中国石化润滑油有限公司北京研究院，北京 100085）摘要：冷却液是氢燃料电池热管理系统中唯一的液体介质，其作用是带走氢燃料电池产生的热量，维持电池堆的正常运转。氢燃料电池冷却液对清洁度的要求较高。通过对冷却液泡沫特性和清洁度影响因素的探讨，添加10 g/g的非离子消泡剂，并用0.5 m的滤芯过滤后静置处理90 min，即可得到清洁度为3级（NAS等级）的冷却液（HFC-35氢燃料电池冷却液），能满足氢燃料电池热管理系统中冷却液清洁度不大于5级（NAS等级）的要求。（图4表4参考文献7）关键词：泡沫特性 非离子消泡剂 添加量 滤芯尺寸 静置处理中图分类号：U 473.7+1文献标志码：A文章编号：1672-4364（2023）02-0031-0431合 成 润 滑 材 料SYNTHETIC LUBRICANTS2023年第50卷第2期除了大家最为关注电导率外，冷却液的清洁度也会直接或间接地影响到电池堆系统的正常运行和使用寿命。冷却液直接接触的中冷器、散热器和双极板等对其清洁度的要求很高，尤其是电池堆双极板微通道对冷却液的清洁度要求极高7。基于上述分析，就消泡剂加剂量对冷却液泡沫特性和清洁度的影响进行了研究。2试验部分2.1原料及仪器原料有HFC-35氢燃料电池冷却液（50%体积分数的乙二醇+50%体积分数的去离子水，冰点为-35，pH为6.3，电导率为1.2 S/cm）；非离子消泡剂。试验仪器有自组装的过滤器，见图 1；清洁度仪，见图2；泡沫倾向性试验仪，见图3。图1自组装过滤器图2清洁度仪图3泡沫倾向测定仪2.2试验方法将不同尺寸的滤芯装入图1所示的自组装过滤器中，并连接去离子器（自制），将进口管插入提前准备好的氢燃料电池冷却液中，起动仪器，在水泵作用下实现快速过滤，出口管处收集到的液体即为过滤后的冷却液。用图2的清洁度仪测定冷却液的清洁度（DL/T432-2018方法），可在电脑上直接读取冷却液的NAS清洁度，取3次结果的平均值为测定结果。冷却液的泡沫特性用图3所示的泡沫倾向测定仪进行测定（SH/T0066-2002 方法），将冷却液（HFC-35氢燃料电池冷却液）稀释至-18 之后，放入泡沫球升温到88，打开水泵通气，5 min内观察泡沫的体积并记录，停止通气，记录泡沫消失时间，将结果和氢燃料电池冷却液现行团体标准和各OEM（原机制造商）标准进行对比。3结果与分析3.1泡沫特性和清洁度影响因素为了确定对氢燃料电池冷却液清洁度影响较大的因素，先做了 6 组试验进行初步探索，结果见图4。图4冷却液清洁度影响因素从图4的试验结果中可以看出，过滤和静置都会在一定程度上提升冷却液的清洁度，且会降低最大颗粒物的尺寸。静置对于冷却液的清洁度影响较大，在静置一段时间后清洁度最高提升6个等级。在样品都静置一段时间的前提下，过滤对冷却液中颗粒物的去除和分散具有很大的作用，最高提升4个等级。消泡剂对冷却液的清洁度也有显著影响，非离子型消泡剂的颗粒尺寸一般在2 m50 m之间，加入到冷却液中会增加最大颗粒物尺寸以及数量，导致等级上升。不过在过滤之后，较大的消泡剂颗粒会在一定程度上被分散成小颗粒或被过滤掉，进而提高了清洁度。下面将具体探究消泡剂添加量，过滤器滤芯尺寸和静置时间对氢燃料电池冷却液清洁度的影响。322023年第50卷第2期3.2消泡剂加剂量对泡沫特性和清洁度的影响一般来讲，消泡剂加剂量的增加会有利于消泡/抑泡，但是达到一定含量后，再增加消泡剂加剂量并不能加强消泡/抑泡效果。选择消泡剂加剂量分别为 5 g/g，10 g/g，15 g/g和20 g/g的冷却液进行泡沫特性和清洁度测试，结果见表1。表1消泡剂加量对冷却液泡沫特性和清洁度的影响项目消泡时间/s泡沫体积/mL最大颗粒/mNAS等级/级5 g/g5110100810 g/g320100915 g/g340100920 g/g3501009注：未加消泡剂，消泡时间6 s，泡沫体积250 mL，最大颗粒100 m，NAS等级8级。从表1的数据中可以看到，消泡剂加剂量不大于10 g/g时有助于消泡，泡沫体积较少并且泡沫消失时间缩短；消泡剂加剂量大于10 g/g后，对消泡没有正面影响，甚至会增加泡沫体积，故10 g/g为最佳加剂量。从表1中还可以看到，在一定范围内，消泡剂的加剂量对冷却液清洁度的影响则不大。有鉴于此，后续试验用的冷却液均添加10 g/g的消泡剂。3.3滤芯尺寸对清洁度的影响在乙二醇-水基冷却液配方中，为了提升对金属的防护功能和消泡功能，加入了一些非离子型的缓蚀剂和消泡剂，导致冷却液的颗粒尺寸增大。为了不影响电池堆的使用寿命，调配好的冷却液要通过过滤来除去颗粒尺寸较大的添加剂和/或杂质，提高冷却液的清洁度。通过上面的初步探索，发现通过过滤可以在一定程度上降低颗粒物的尺寸，为此进一步探究过滤器的滤芯尺寸对冷却液清洁度的影响。选取了0.5 m，0.8 m，1.0 m和1.2 m的滤芯装入过滤器中，依次测得过滤后的冷却液清洁度见表2。表2滤芯尺寸对冷却液清洁度的影响项目最大颗粒/mNAS等级/级0.5 m2530.8 m5051.0 m5061.2 m1006注：未过滤的冷却液最大颗粒为100 m，NAS等级为9级。从表2中可以看到，当使用更为精细的0.5 m滤芯时，冷却液的最大颗粒从未过滤的100 m下降到25 m；清洁度从9级上升到3级，显著提升，说明滤芯尺寸对提升冷却液的清洁度等级和降低颗粒物尺寸具有极大的效果。3.4静置处理对清洁度的影响试验中观察到，过滤后的冷却液并不稳定，含有大量气泡，如果携带大量气泡的冷却液进入到燃料电池内部会损伤质子交换膜，进而影响到电池堆的正常使用，因此冷却液需要静置一段时间待气泡消散，为此探究了静置处理时间对冷却液清洁度的影响，见表3。表3静置处理时间对冷却液清洁度的影响项目最大颗粒/mNAS等级/级90 min2531 d2531 M2531 a253注：未静置处理的冷却液最大颗粒为100m，NAS等级7级。从表3中可以看到，静置处理90 min后冷却液的清洁度即可达到3级，延长静置处理时间也不能提高冷却液的清洁度。4与国际竞品冷却液的对比表4是长城冷却液（长城HFC-35氢燃料电池冷却液）与国际竞品冷却液泡沫特性（88）及清洁度的对比。表4长城冷却液与国际竞品冷却液的对比项目消泡时间/s泡沫体积/mL最大颗粒/mNAS等级/级长城冷却液320253国际竞品13110503国际竞品23100252从表4中可以看到，3种冷却液的清洁度均较高，均满足 氢燃料电池冷却液：T/CAS 548-2021标准中清洁度5级（NAS等级）的要求；同时，长城HFC-35氢燃料电池冷却液的泡沫特性（88）优于国际竞品冷却液。5结束语氢燃料电池冷却液在热管理系统中强制循环很容易产生泡沫，因此在冷却液中需要加入合适的消泡剂。但消泡剂会对清洁度要求极高的冷却液造成负面影响，容易堵塞电池堆热管理系统中的微通道，直接影响到电池堆的散热和使用寿命。杜春暖，等.氢燃料电池冷却液清洁度影响因素探讨33合 成 润 滑 材 料SYNTHETIC LUBRICANTS2023年第50卷第2期通过对冷却液泡沫特性和清洁度影响因素的探讨，添加10 g/g的非离子消泡剂，并用0.5 m的滤芯过滤后静置处理 90 min，即可得到清洁度为3级（NAS 等级）的冷却液（HFC-35氢燃料电池冷却液），满足氢燃料电池热管理系统中冷却液清洁度不大于5级（NAS等级）的要求。参考文献：1 刘波，赵锋，李骁.质子交换膜燃料电池热管理技术的进展 J.电池，2018（3）：202-205.2 李正秋，蒋燕青.燃料电池汽车整车热管理系统研究 J.上海汽车，2008（2）：4-8.3 李菁，汪怡平，陶琦，等.全功率燃料电池汽车散热系统设计、建模与分析 J.汽车工程学报，2019（6）：462-467.4 PENG L F，YI P Y，LAI X M.Design and manufacturing ofstainless steel bipolar plates for proton exchange membranefuel cellsJ.Int J Hydrogen Energy，2014，39（36）：21127-21153.5 贾秀雷，高建路.氢燃料电堆及冷却系统在实际生产中应注意的问题 J.汽车实用技术，2019（4）：22-24.6 韩耀夫.新能源汽车冷却液管路的发展趋势 J.时代汽车，2021（4）：80-81.7 李猷民，冯迎春.质子交换膜燃料电池的关键技术 J.电子技术与软件工程，2018（6）：77.Discussion on Impact Factors of Coolant Cleanliness ofHydrogen Fuel CellsDu Chunnuan，Shui Lin，Zhang Kaijiao，Wang Ning，Du Xueling（Beijing Research Institute of Sinopec Lubricant Co.，Ltd.，Beijing 100085，China）Abstract：Coolant was the only liquid medium in hydrogen fuel cell thermal management system.Itsfunction was to take away the heat generated by hydrogen fuel cells and maintain the normal operation of thebattery stack.The requirements for cleanliness of hydrogen fuel cell coolant was high.By discussing the factorsaffecting the characteristics and cleanliness of coolant foam，add 10g/g of nonionic defoamer and 0.5m filterelement was filtered and then left standing for 90 min to obtain a coolant（HFC-35 hydrogen fuel cell coolant）with cleanliness level 3（NAS grade）.It could meet the requirements that the cleanliness of the coolant in thehydrogen fuel cell thermal management system was not more than Level 5（NAS level）.（Charts4 Tables4References7）Keywords：foam characteristics；nonionic defoamer；the amount of addition；filter element size；standingtreatment在中国品牌日感受中国石化品牌新力量5月10日14日，中国品牌日向世界展示中国品牌之美，在上海世博展览馆，6万平方米的展示面积，900余家地方遴选品牌企业和38家中央企业汇聚一堂，向世界传递中国品牌新势能。走到中国石化主题展馆，“天、地、人”的设计理念一下就抓住观众的眼球，天圆地方，展馆上端一圈圆形设计，电子屏幕蓝色环绕，坠着数个星球，十分梦幻，90秒的视频把中国石化保障国家能源安全的职责和“能源至净 生活至美”的品牌承诺展现得淋漓尽致。中国石化积极贯彻落实国家“深海、深地、深空”战略行动，攻克超深、超高温、超高压等世界级难题，为保障国家能源安全、端牢能源饭碗提供了有力支撑。中国石化锚定打造中国第一氢能公司的目标，聚焦“氢能交通、绿氢炼化”两大领域，大力发展氢能一体化业务，引领我国氢能产业链高质量发展。在氢能交通领域，大力布局氢源供给和加氢基础设施建设，目前已建成9家炼化企业的氢纯化及充装设施，合计燃料电池总供氢能力1.9万标准立方米/小时，加氢站已累计建成98座，建设和运营加氢站数量居全球首位。5月11日，2023中国品牌价值评价信息发布，中国石化首次荣获“品牌建设领跑者”称号，品牌价值高达3586.21亿元，增长310.5亿元，连续7年位居能源化工行业第一。在中国品牌日活动现场，社会公众直观感受到了中国石化品牌新力量！本刊摘编34