论丰田选择醇类而不是盐类作为其燃料电池冷却剂的原因


发布时间:

2023-12-08

论丰田选择醇类而不是盐类作为其燃料电池冷却剂的原因

氢燃料电池冷却液是氢燃料电池系统的热管理介质,负责带出电堆的余热,对于保证燃料电池稳定运行、延长电堆使用寿命发挥非常重要的作用。而氢燃料电池冷却液不同于传统车用冷却液,在电导率方面有接近去离子水的严苛要求。这就意味着要在极低电导率的产品性能指标下,仍然要达到抗氧化、抗泡、金属表面保护、材料兼容性等多方面的技术指标,是氢能与燃料电池这一新兴领域中的关键液体零部件。

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(PEM燃料电池系统结构)

燃料电池的核心在于双极板流道和膜电极(MEA)构成的反应场所,

双极板通常有金属双极板、石墨双极板和复合材料双极板;膜电极(MEA通常由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜构成。

冷却液分一般分为醇类的和非醇类两种,醇类燃料电池冷却液一般是以防冻剂、非离子型缓蚀剂等原料复配而成,防冻剂又分为乙二醇型防冻剂、丙二醇型防冻剂以及其他类型防冻剂。 市面上主流的是乙二醇型燃料电池冷却液,基于此又分为浓缩液和具有特定冰点数值的稀释液,冰点数值大致分为-35℃和-45℃,依据一些厂商的设计和应用要求也会有-40℃类型。

非醇类燃料电池冷却液主要以无机溶液为溶剂,盐类作为添加剂等原料配置而成。

为什么丰田选择醇类冷却液而不是盐类作为其氢燃料电池的冷却剂

以丰田第二代Mirai搭载的燃料电池系统冷却液为例子,丰田的Mirai采用了经过严格验证的材料,确保了含乙二醇冷却液与质子交换膜材料的良好兼容性。这种验证包括对质子交换膜材料在乙二醇环境下的长期暴露实验,以评估膜的稳定性和性能变化。这一验证过程确保了系统的长期可靠性和性能稳定性。

Mirai作为一款在广泛气候条件下运行的汽车,含乙二醇冷却液的优越低温性能为其提供了关键支撑。在冰冷的冬季,乙二醇的抗冻性使得Mirai系统能够在低温环境下启动和运行,而不会出现结冰和流动性下降的问题。这为燃料电池汽车的可靠性和可用性提供了明显的优势。

 

 

丰田放弃盐类选择醇类冷却液,背后是什么原因呢?大家查询了大量研究文献和相关专利资料发现了其中的微妙,原来盐类冷却液对氢燃料电池存在很多弊端。

耐腐蚀性

 

 
 

乙二醇冷却液相对于含盐类的冷却液来说,具有更低的腐蚀性,这一点在维护燃料电池系统的长期可靠性方面尤为重要。含盐类冷却液中的一些盐分,尤其是氯化物和溴化物等,可能对金属部件产生腐蚀作用,从而损害系统的耐久性(尤其是对燃料电池热管理组件金属铝质的)。相比之下,乙二醇通常对金属具有较低的腐蚀性,有些成熟的配方体系通过高温抗

 

 
 

氧化试验测试,性能是同类产品的2~4倍。有助于减缓热管理系统元件的老化。

 

兼容性

乙二醇通常与多种材料兼容,这包括用于制造膜电极(MEA多种高分子材料。相比之下,一些盐类可能对膜电极(MEA产生不利影响,因为它们可能引起化学变化。

催化剂层催化剂层由Pt和碳组成,Pt是不活泼金属,催化剂中Pt和碳都不会和乙二醇发生任何化学反应,不影响催化剂的活性。

气体扩散层由基底层碳纤维纸和微孔层(纳米碳颗粒+疏水粘结剂)组成,化学反应是惰性的,不会和乙二醇发生反应;质子交换膜层主要是全氟磺酸膜,该结构化学稳定、热稳定、耐酸碱,不会和乙二醇发生反应;水-乙二醇型冷却液渗漏进入质子交换膜,可以增加质子的浓度和迁移速率,从而提高膜的质子传导率。

质子交换膜通常由高分子材料制成,而乙二醇具有与这些材料较好的兼容性。这种兼容性主要表现在两个方面:首先,乙二醇不容易引起质子交换膜的膨胀,这有助于保持膜的稳定性;其次,乙二醇不太可能引起质子交换膜材料的化学变化,这降低了对膜性能的负面影响。相反,一些盐类可能会对质子交换膜材料产生不利影响,可能引起膜的膨胀、变形或降解(如下图所示),从而影响系统的长期运行。

常规状态下的质子交换膜

受影响后的质子交换膜

 

流通性能

含盐类的冷却液在低温环境中可能形成固体沉淀,导致系统堵塞,降低了系统的效能,甚至可能对系统产生损害。相比之下,乙二醇在低温下通常具有更好的流动性,有助于维持系统的稳定性。

(盐类结晶)

综合而言,乙二醇类冷却液能够更好的满足质子交换膜氢燃料电池的性能和应用,规避了盐类冷却液的缺点,对燃料电池的损害更小。

全球燃料电池龙头巴拉德同样选择醇类冷却液作为其电堆的冷却媒介。

需要注意的是,尽管含乙二醇的冷却液在一些方面对质子交换膜的伤害较小,但在选择和设计冷却液时,仍然需要仔细考虑系统的特定要求和工作条件,因为不同品牌的乙二醇冷却液选用的添加剂成分存在很大区别。最终的选择可能需要进行详细的实验和测试,以确保所选冷却液不会对燃料电池系统产生负面影响。

 

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