低电导率乙二醇冷却液使用性能研究

张传龙　李会收　刘占房　耿晶　战东红　李可敬

摘 要：质子交换膜燃料电池发动机正常运行时会产生大量热，其中热量的95%由冷却介质带走，而冷却液中离子含量高会导致燃料电池发动机绝缘问题，因此要求冷却液具有高散热性、低的腐蚀速率、高的密封材料兼容性，行业内通常要求电导率小于5μS/cm，传统的冷却液（电导率大于2000μS/cm）不满足质子交换膜燃料电池的使用要求，无法直接使用。本文长期跟踪氢燃料电池车辆运营2万公里左右，对其冷却系统使用的低电导率乙二醇冷却液性能进行全面的跟踪及研究，主要包括冷却液消耗、冰点值，并解释其原理。通过本文的研究为燃料电池低电导率冷却液的开发、标准的制定及车辆的运营维护保养提供了数据支撑及理论指导。

关键词：冷却系统 电导率 低电导率冷却液 冰点

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

低电导率乙二醇冷却液一般以防冻剂、去离子水及其非离子缓蚀剂组合而成，具有防腐、防冻、冷却及长期低电导率等作用的功能性液体。由于冰点低、腐蚀性低、较高的比热容以及流通性，主要使用于需要较低的导电介质的冷却系统，主要在锂电池[1]、雷达[2]、火箭、质子交换膜燃料电池、SOFC（固体氧化物燃料电池）等系统。

国内燃料电池车飞速发展，而对于低电导率乙二醇冷却液相关标准（地方、行业、国家标准）还未发布，对低电导率冷却液的研究更是少之甚少，目前相关研究主要依据传统冷却液国家标准开展对于低电导率乙二醇冷却液的腐蚀性相关研究和传统乙二醇冷却液的腐蚀研究。赵天亮（3）课题组研究了 3A21、5A05和6063铝合金在低电导率冷却液中的腐蚀行为，得出5A05抗腐蚀性能最好并给出其原理介绍;唐洪（4）课题组研究了1003铝合金在冷却液中腐蚀行为，主要介绍了冷却液中不同缓蚀剂的添加不同对 1003 腐蚀性的影响;刘德庆（5）课题组研究了铝合金在乙二醇溶液中的腐蚀影响因素和腐蚀行为;陈晓东（6）研究了乙二醇冷却液中316L和104不锈钢的腐蚀行为;文陈[7]、范金龙[8-9]、课题组对3A21铝合金在乙二醇冷却液中腐蚀行为进行了研究;金星[10]课题组研究了铸铝对乙二醇冷却液的影响;对6063 铝合金在乙二醇的腐蚀也有研究[11]。上述主要关注于实验室内完成的，而对于低电导率乙二醇在实际使用中性能的相关研究甚少。

本文对实际运营车辆跟踪1年进行研究，分析了低电导率乙二醇冷却液物理化学属性， 为电导率乙二醇冷却液的开发研究提供了基础，对使用低电导率乙二醇冷却液的公交公司、维护保养人员提供了指导。

1 实验

1.1 原料及仪器

1.1.1 原料

低电导率乙二醇冷却液体积比为50%乙二醇與50%去离子水混合液，冰点为-35℃，电导率为1.84uS/cm（16.3℃），pH值为7.1。

实验仪器：pH计;手持式冰点仪（-60-0℃）;旋转蒸发器;红外光谱仪;HH 型号恒温水箱;电导率仪。

1.2 试验方法

车辆相关参数的获取，通过氢燃料电池车辆的日检、周检、月检数据及实际现场记录和远程平台数据统计得出。

对于添加-35℃低电导率乙二醇冷却液的质子交换膜燃料电池车辆跟踪，定期对车辆内冷却液取样，对冰点、pH 和电导率及其析出成分分析等。实验用去离子水为电导率小于1.5us/cm。

实验样品取样步骤：采用一次性吸管（去离子水进行清洗）从冷却系统中补水路或者膨胀水箱内部进行取样，取样过程中注意避免污染，取样冷却液放于聚丙烯材质的试剂瓶中，2天之内完成测试。

2 结果与分析

2.1 低电导率乙二醇冷却液消耗原理及分析

对随机抽查10台车进行冷却液消耗运营跟踪，统计结果见下图1所示，每台车冷却液都有很大的消耗，平均每台车辆消耗约 85mL/100km。

为研究出冷却液使用过程中消耗量大的问题，实施两种方案。第一、是否冷却系统管路泄露导致，现场排查发现冷却系统几乎无泄露，故此推断冷却液实际运行中消耗。第二，取样进行蒸发并对其蒸发物质进行检测分析，确定蒸发物质。便对冷却液原液（-35℃）500mL进行蒸发取样，为加快试验进度，设置温度为110℃进行蒸发，待收集液体10mL 后停止试验，并对其进行冰点测试，测试结果冰点为0℃。然后对蒸发物质进行定性的鉴定，通过红外光谱仪测试，结果见图2所示，红外光谱测试数据与数据库中水的特征峰谱重叠，其中水溶液红外特征峰：波数3100为羟基伸缩振动，为一宽强峰;1650左右为羧基伸缩振动，吸收强度大，确定蒸发物质为去离子水。

通过对冷却液的蒸发取样分析，确定为车辆实际运行中消耗的物质为水。进一步分析可知，冷却液中50%为乙二醇冷却液，50%为去离子水。而纯乙二醇沸点为197.4℃，而去离子水的沸点为100℃，质子交换膜燃料电池正常运行期间温度在60-80℃，冷却液在此温度下长期的高温循环，加速了冷却液中去离子水的蒸发消耗。因此验证了10台车辆冷却液消耗的机理。

2.2 低电导率乙二醇冷却液冰点跟踪分析

10台车辆使用的防冻液冰点为-35℃;为统计冷却液冰点数据，采用手持式冰点仪进行测试。

冰点测试仪是测量防冻液冰点的精密光学仪器。其基本原理是应用全反射临界角法测量溶液的折射率，进而标定出所测液体的浓度及其性能。

采用目前燃料电池行业常用的便携式电导率仪测试冷却液电导率，对跟踪分析的10 台车冰点进行测试，统计结果见图3所示。结果统计得出冰点值都不同程度的增加，根据冷却液的化学属性，冰点值与乙二醇体积分数关系如下表1所示，则运营车冷却液随着时间的推移乙二醇体积分数增加。其中#2 车冰点值最高-56℃，次之#10车，其中#3车冰点值最低-45℃。结果表明运营车辆中冷却液乙二醇与水的体积比严重失调。由2.1低电导率乙二醇冷却液蒸发原理及成分一章中进行了分析，车辆运营过程中冷却液中去离子水的消耗导致剩余乙二醇的体积分数增加、冰点数值增加。

低电导率乙二醇冷却液使用的目的有四：第一，燃料电池正常工作时，温度在60-80℃之间，产生的热量无法散去，对燃料电池发动机性能及寿命产生严重影响，因此需要设计冷却系统，通过添加比热值较高的液体散去产生的热量;第二，冷却系统中各个零部件采用的材质各不相同，有不锈钢系列、铝合金系统、非金属（塑料与硅胶）系列、石墨板等，采用的散热液体与各种材料的兼容性能要匹配，保证在正常保质期内能够对个材料无腐蚀左右， 且能够起到一定的防护作用;第三，由于气候的变化，冬天时运营氢燃料电池车辆，要保证冷却系统中液体不结冰上冻，否则对整个燃料电池系统将产生致命的影响。因此根据客户需求采用不同冰点值的冷却液使用，目前国内采用的冷却液中的制冷剂大多数为乙二醇型，丙二醇型在国外使用较多。而北方地区根据冬季气候变化，使用的冷却液冰点值多为-35℃。而南方地区温度较高，一般使用-10℃的冷却液，甚至有些地区使用去离子水作为冷却系统的散热剂。第四，由于燃料电池、发动机等大功率工作时，冷却系统中液体温度高，为防止冷却液体的爆沸，一般会采用高沸点的冷却液体。综合上述四点，目前认为乙二醇型冷却液都能够满足需求，高沸点、地成本、微毒性等优点。

对10台冰点值进行跟踪分析得出，不断对冷却系统中补加冷却液，导致乙二醇中的体积分数不断增加，导致冰点值持续上升，到达乙二醇体积分数70%以上后，冰点值反而下降，而正常使用过程中无需冰点值过大，乙二醇体积分数越高，冷却液成本越高，而冷却液的粘度增加，比热容下降，散热效果降低。因此合理控制冷却液中冰点值对车辆运营起到重要作用。

燃料电池冷却液需要严格控制电导率的值，传统冷却液不再适用。低电导率燃料电池冷却液价格昂贵，因此可以根据冷却液的性质进行有规律的加注冷却液或去离子水，2.1低电导率乙二醇冷却液消耗原理及分析一章中分析了车辆使用过程中冷却液消耗量大，因此通过跟踪冷却液冰点值是否加注去离水或冷却液，从而一定程度能够减少使用和维护成本。

图4统计了10台车通过加注去离子水稀释后冰点值变化，统计分析得出，通过不断加注去离子水，冷却液中乙二醇体积分数减低，冰点值也会逐渐降低，由于使用过程中冷却液会不断消耗，而减少物质为去离子水，理论上应该是冰点值会维持在一个恒定值，实际测试中会存在一点误差。试验得出，基本测试结果与预期一致。

通过定期测试冷却液中冰点值，确定是否进行加注去离子水或者冷却液，能够从一定程度减低了使用成本，同时提高了冷却液的使用性能。

3 结论

通过对随机抽查的10台氢燃料电池车辆用低电导率冷却液性能跟踪分析，得出几点结论，第一，冷却液使用过程中会消耗，对其机理进行了分析确定消耗物质为去离子水。消耗导致冷却液中乙二醇体积分数的增大，冰点值增加，可以通过冰点值进行适当的加注去离子水和冷却液原液，能够一定程度减少运营成本。论文研究成果，为低电导率冷却液的开发、研究、使用提供了理论的支持，為制定燃料电池冷却液相关的标准提供了一定了理论依据， 为冷却液使用者（售后、公交公司等）提供了理论指导。

國家重点研发计划资助项目（（2018YFB

0106502））

参考文献：

[1]S.D.V.S.S. VarmaSiruvuri， P.R. Budarapu. Studies on thermal management of Lithium-ion battery pack using water as the cooling fluid[J]. Journal of Energy Storage，2020，29.

[2]张梁娟，赵天亮，等.低电导率乙二醇冷却液在雷达液冷系统的应用[J].现代雷达， 2019，41（8）：65-69.

[3]赵天亮，张梁娟，钱吉裕，等.3A21、5A05和6063铝合金在低电导率乙二醇冷却液中的腐蚀行为[J].腐蚀科学与防护技术，2017，29（5）：507-514.

[4]唐洪，李季，汪广武，等.1003 铝合金翅片在冷却液中耐蚀性的研究[J].电镀与涂饰，2019，39（10）：587-594.

[5]刘德庆，何潇，等.铝合金在乙二醇溶液中的腐蚀研究进展[J].热加工工艺，2019，48（2）：36-40.

[6]陈晓东.乙二醇冷却液中316L和104不锈钢的腐蚀行为研究[J].石油化工腐蚀与防护，2020，37（1）：5-7.

[7]文陈，赵阔，等.3A21铝合金焊接件在乙二醇-水基冷却液中的失效分析[J].金属热处理，2019，S1：107-110.

[8]范金龙，龚敏，侯肖，等.3A21铝合金在乙二醇水溶液中的腐蚀行为[J].腐蚀与防护，2014，35（11）：1116-1121.

[9]范金龙，龚敏，侯肖等 Al/H62 黄铜和 Al/104 不锈钢在乙二醇溶液中的电偶腐蚀[J]. 腐蚀科学与防护技术，2010，27（2）：147-102.

[10]金星，饶楚仪，高立新等.微弧氧化对铸铝合金在乙二醇水溶液中的耐蚀性能的影响[J].热加工工艺，2019，48（16）：119-122.

[11]QaedAminiHaroooni A， Eskandari H， Maddahy M H， et al.Corrosion behavior of 6063 aluminum alloy in ethylene glycolwatersolution[J]. Iran. J. Mater. Sci. Eng.，2010，12-34.