一种燃料电池冷却液及其制备方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 112457822 A(43)申请公布日 2021.03.09

(21)申请号 202011218731.5(22)申请日 2020.11.04

(71)申请人 武汉船用电力推进装置研究所（中

国船舶重工集团公司第七一二研究所）

地址 4300 湖北省武汉市洪山区南湖汽

校大院(72)发明人 花仕洋　王傲　李海港　徐增师　

胡旦　(74)专利代理机构 武汉凌达知识产权事务所

(特殊普通合伙) 42221

代理人 刘念涛　宋国荣(51)Int.Cl.

C09K 5/10(2006.01)H01M 8/04029(2016.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图1页

()发明名称

一种燃料电池冷却液及其制备方法(57)摘要

本发明公开了一种燃料电池冷却液及其制备方法，按质量百分比计量乙二醇有机液2～97%，去离子水占2～97%，导热粉体0.1～13%，表面活性剂0.1～5%，消泡剂0.2～1%，将上述原料通过高频超声振荡和机械搅拌处理，导热粉体颗粒周边将被表面活性剂致密地包覆，形成稳定悬浮状混合液体；再通过阴阳离子交换树脂处理去除液体中的导电离子，得到可用于燃料电池的冷却液。该方法制备的燃料电池冷却液具有良好的导热性和优异的绝缘性，能够满足燃料电池冷却液的使用要求，且制备工艺简单、参数易控、成本低，适于批量生产和商业推广。CN 112457822 ACN 112457822 A

权　利　要　求　书

1/1页

1.一种燃料电池冷却液，其特征在于：各组分的质量百分比为乙二醇有机液2～97%，去离子水2～97%，导热粉体0.1～13%，表面活性剂0.1～5%，消泡剂0.2～1%。

2.一种如权利要求1所述燃料电池冷却液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，将导热粉体在保护气体环境下高温煅烧，冷却后倒入超细纳米珠磨机中强制研磨；S2，将导热粉体与乙二醇有机液按质量比1：12～1：8混合均匀，在频率20MHz下超声振荡持续16h以上，最终形成稳定混合悬浮液；

S3，向悬浮液中按质量比1：1加入电导率小于0.1μs/cm的去离子水，使用机械搅拌5h，形成低粘度混合液；

S4，向混合液中加入非离子型表面活性剂，机械搅拌4～6h，使表面活性剂吸附在导热粉体颗粒表面形成沉积层，保持混合液的稳定性，降低液体电导率；

S5，向混合液加入占比为0.1～0.4%的消泡剂机械搅拌4h，抑制混合液中因表面活性剂存在而产生泡沫的现象；

S6，将混合液通过离子交换树脂，除去其中导电离子，得到电导为4.3～7.8μs/cm，导热系数为0.51～0.61W/m.K的冷却液。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池冷却液的制备方法，其特征在于，所述的导热粉体为TiO2，Al2O3，ZnO中的一种或者多种的混合，导热粉体颗粒尺度30～80nm。

4.根据权利要求2所述的一种燃料电池冷却液的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的保护气体为氮气或氧气，煅烧温度500～600℃，煅烧时间4～6h，研磨时间2～3h。

5.根据权利要求2所述的一种燃料电池冷却液的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的超声振荡频率范围5kHz～25kHz，振荡时间16h以上，振荡温度20～25℃。

6.根据权利要求2所述的一种燃料电池冷却液的制备方法，其特征在于，所述的非离子型表面活性剂为聚氧乙烯型表面活性剂、聚乙二醇型表面活性剂、十二烷基苯磺酸钠表面活性剂中的任意一种或多种的混合，质量百分比为0.2～0.6%。

7.根据权利要求2所述的一种燃料电池冷却液的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中加入的消泡剂为聚醚改性聚硅氧烷。

8.根据权利要求2所述的一种燃料电池冷却液的制备方法，其特征在于，所述步骤S6中的离子交换树脂为阳离子与阴离子混合离子交换树脂，树脂颗粒的尺寸在0.3～1.2mm 范围内。

2

CN 112457822 A

说　明　书

一种燃料电池冷却液及其制备方法

1/4页

技术领域

[0001]本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种用于提高燃料电池传热效率的新型冷却液及其制备方法。

背景技术

[0002]燃料电池发电原理是将氢气和氧气的化学能经电化学反应方式产生电能，氢气在阳极解离为氢离子，通过质子交换膜后，在阴极与氧气反应生成水，电子从阳极通过外电路到达阴极，在外电路上形成电流回路。这种发电方式具有清洁、无污染、无噪声、无红外等特点，被认为是21世纪首选的高效、洁净的发电技术，同时也是一种理想的移动电源技术，可被广泛应用于汽车交通、军事备用电源、水下航潜器等诸多领域。[0003]燃料电池在产生电能的同时，将有40-60%化学能转变为热能，其中很少一部分是通过燃料电池表面以自然对流的方式传导到外界，而其余大部分热量是通过燃料电池冷却液带出。

[0004]现有的燃料电池冷却液主要有两大类型：一类是去离子纯净水，仅能作为冰点以上的环境条件，多应用于燃料电池实验室内部测试，很难作为燃料电池冷却液商业应用；另一类是以乙二醇和去离子水混合而成的防冻防腐冷却液，适应于各种低温条件的应用，如中国专利“燃料电池堆用冷却液组合物”（申请号200410039637.8）、“一种燃料电池冷却液及其应用”（申请号201710508702.4），都是通过混合醇类有机液与去离子水达到防冻冷却要求；“包含氢醌或喹啉的燃料电池冷却液组合物”（申请号为201280045990 .X）则是通过在甘醇型冷却液中加入氢醌或喹啉来防止甘醇氧化，抑制离子性物质生成，保持低电导率；还有“燃料电池用冷却液组合物”（申请号为200480042530.7）是通过加入糖醇类物质抑制基剂的氧化，以抑制一元醇类、二元醇类及二元醇醚类基剂氧化引起的导电率升高，使其维持低电导率。此类冷却液可适应于零下低温到高温全范围条件，是目前商业应用最为广泛的一类，但其换热性能明显低于第一类去离子水。[0005]因此，使用传统燃料电池冷却液，想要提高换热效果，主要通过增加传热面积和提高工质流速，这将导致燃料电池冷却系统体积较大，泵送辅机功耗增多，极大影响了燃料电池的整体性能。另一方面，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的最大工作温度范围为60-80℃，更高的工作温度将加剧膜的降解和催化剂的团聚，影响燃料电池性能寿命，因此不可能通过增加燃料电池堆与环境之间的温差来提高换热速率。[0006]综合分析当前传统燃料电池冷却液，存在导热系数低、换热能力差等特点，已经不能满足高功率密度燃料电池高负荷的散热要求，这种矛盾对于运行在高温环境条件下的燃料电池系统更为突出，有必要开发新型、高效换热的冷却液。发明内容

[0007]针对现有技术的不足，本发明提供一种新型燃料电池冷却液及其制备方法，通过该实施方法可以实现良好的导热性和优异的绝缘性，提高燃料电池换热系数，降低系统循

3

CN 112457822 A

说　明　书

2/4页

环泵损耗和空间体积，能够满足燃料电池冷却使用要求。[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池冷却液，各组分的质量百分比为乙二醇有机液2～97%，去离子水2～97%，导热粉体0.1～13%，表面活性剂0.1～5%，消泡剂0.2～1%。

[0009]一种燃料电池冷却液的制备方法，包括如下步骤：

S1，将导热粉体在保护气体环境下通过高温煅烧，冷却后倒入超细纳米珠磨机中强制研磨；

S2，通过称重，将导热粉体与乙二醇液体按质量比1：12～1：8混合均匀，在频率20MHz下超声振荡持续16h以上，最终形成稳定混合悬浮液；

S3，向步骤S2悬浮液中按质量比1：1加入电导率小于0.1μs/cm的去离子水，使用机械搅拌5h，形成低粘度混合液；

S4，向混合液中加入非离子型表面活性剂，机械搅拌6～8h，使表面活性剂吸附在导热粉体颗粒表面形成沉积层，保持混合液的稳定性，降低液体电导率；

S5，向混合液加入占比为0.1～0.4%的消泡剂机械搅拌4h，抑制混合液中因表面活性剂存在而产生泡沫的现象，影响正常使用；

S6，将混合液通过离子交换树脂，除去其中导电离子，得到电导为4.3～7.8μs/cm，导热系数为0.51～0.61W/m.K的冷却液。

[0010]所述的一种燃料电池冷却液的制备方法，其导热粉体为TiO2，Al2O3，ZnO中的一种或者多种的混合，导热粉体颗粒特征尺度在30～80nm以内。[0011]进一步，所述步骤S1中的煅烧温度在500～600℃，处理时间4～6h，保护气体为氮气或氧气，研磨时间2～3h，以消除粉末表面吸附杂质，降低颗粒表面能。其中研磨处理是将导热粉体倒入超细纳米珠磨机中强制研磨，消除粉末表面缺陷和电荷，避免粉末团聚。[0012]进一步，所述步骤S2中超声振荡频率范围5kHz～25kHz，振荡时间16h以上，振荡温度20～25℃。

[0013]进一步，所述的非离子型表面活性剂为聚氧乙烯型表面活性剂、聚乙二醇型表面活性剂、十二烷基苯磺酸钠表面活性剂中的任意一种或多种的混合，质量百分比为0.2～0.6%。非离子型表面活性剂可以有效的分散导热粉体颗粒分布，可提高颗粒在混合液体中的分散稳定性；同时包裹在导热纳米颗粒周围的活性剂可以有效降低液体的电导率；非离子型表面活性剂均匀吸附在导热颗粒表面，形成稳定的表面张力效应体系，有助于改善导热粉体在混合液中分散特性，降低冷却液导电效应。[0014]进一步，所述步骤S5中加入的消泡剂为聚醚改性聚硅氧烷。[0015]进一步，所述步骤S6中的离子交换树脂为阳离子与阴离子混合离子交换树脂，树脂颗粒的尺寸在0.3～1.2mm 范围内，其中通过混合离子交换树脂后的电导率＜10μ，以满足燃料电池冷却液绝缘性要求。[0016]本发明的有益效果：

1，本发明制备的冷却液在传热性能方面明显优于传统的冷却液：由于导热粉体颗粒的尺寸小，比表面积大，导热性、热扩散率等热物理性质显著提高，最终制备的冷却液相比传统冷却液在导热系数上提升了30%～65%不等，换热能力得到大幅提升，具备显著优势；

2，本发明制备的冷却液具有良好的绝缘性，电导率小于＜10μs/cm，且纳米颗粒在表面

4

CN 112457822 A

说　明　书

3/4页

活性剂的作用形成结构稳定体系，可以长时间储存和使用不会发生沉降；

3，使用本发明制备的冷却液，可以有效降低泵送功率损失，减少冷却系统体积、重量；此外，纳米导热颗粒还降低了冷却液的冰点，相比于传统冷却液，扩大了低温条件下使用范围；在质子交换膜燃料电池汽车中使用本发明冷却液，可使用散热器的前端区域减少10～15%以上；

4，本发明燃料电池冷却液所采用的制备工艺简单、参数易控、成本低，适于批量生产和商业推广。

附图说明

[0017]图1为本发明实施例制备步骤及流程示意图。

具体实施方式

[0018]结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明如下。[0019]实施例1

如图1所示，选取TiO2导热粉体，粒径范围在80nm左右，在氧气环境条件下高温煅烧4h，温度控制在500℃。

[0020]等待导热粉体冷却后，倒入超细纳米珠磨机中强制研磨2h。[0021]通过天平称重，将导热粉体与乙二醇有机液按质量比例1：8混合，在频率20MHz下超声振荡16h，形成悬浮混合液。

[0022]向混合液中加入电导率小于0.1μs/cm的去离子水，混合质量比例按1：1，机械搅拌5h。

[0023]向混合液加入聚乙二醇型非离子表面活性剂，表面活性剂质量占比为0.2%，机械搅拌6h，使表面活性剂充分吸附在颗粒表面。

[0024]向混合液加入聚醚改性聚硅氧烷消泡剂，消泡剂质量占比为0.1%，机械搅拌4h，抑制表面活性剂在搅拌过程中产生泡沫进而影响使用。[0025]在将混合液通过树脂颗粒的尺寸在0.3～1.2mm 范围内的混合离子交换树脂装置，去除混合中残留的阴、阳离子，最终制备的冷却电导率为7.8μs/cm，导热系数为0.57W/（m.K），比传统的50%乙二醇水溶液0.37 W/（m.K）提升了近%。[0026]将新配置冷却液应用在质子交换膜燃料电池汽车中，散热器的前端区域可减少12%以上。

[0027]实施例2

选取Al2O3导热粉体，粒径范围在50nm左右，在氮气环境条件下高温煅烧6h，温度控制在600℃。

[0028]等待导热粉体冷却后，倒入超细纳米珠磨机中强制研磨3h。[0029]通过天平称重，将导热粉体与乙二醇有机液按质量比例1：12混合，在频率20MHz下超声振荡16h，形成悬浮混合液。

[0030]向混合液中加入电导率小于0.1μs/cm的去离子水，混合质量比例按1：1，机械搅拌5h。

[0031]向混合液加入聚氧乙烯型非离子表面活性剂，表面活性剂质量占比为0.4%，机械

5

CN 112457822 A

说　明　书

4/4页

搅拌6h，使表面活性剂充分吸附在颗粒表面。

[0032]向混合液加入聚醚改性聚硅氧烷消泡剂，消泡剂质量占比为0.2%，机械搅拌4h，抑制表面活性剂在搅拌过程中产生泡沫进而影响使用。[0033]在将混合液通过树脂颗粒的尺寸在0.3～1.2mm 范围内的混合离子交换树脂装置，去除混合中残留的阴、阳离子，最终制备的冷却电导率为5.6μs/cm，导热系数为0.51W/（m.K），比传统的50%乙二醇水溶液0.37 W/（m.K）提升了近37.8%。[0034]将新配置冷却液应用在质子交换膜燃料电池汽车中，散热器的前端区域减少多达10.2%以上。[0035]实施例3

选取ZnO导热粉体，粒径范围在30nm左右，在氧气环境条件下高温煅烧4h，温度控制在500℃。

[0036]等待导热粉体冷却后，倒入超细纳米珠磨机中强制研磨2h。[0037]通过天平称重，将导热粉体与乙二醇有机液按质量比例1：10混合，在频率20MHz下超声振荡16h，形成悬浮混合液。

[0038]向混合液中加入电导率小于0.1μs/cm的去离子水，混合质量比例按1：1，机械搅拌5h。

[0039]向混合液加入十二烷基苯磺酸钠非离子表面活性剂，表面活性剂质量占比为0.6%，机械搅拌6h，使表面活性剂充分吸附在颗粒表面。[0040]向混合液加入聚醚改性聚硅氧烷消泡剂，，消泡剂质量占比为0.4%，机械搅拌4h，抑制表面活性剂在搅拌过程中产生泡沫进而影响使用。[0041]在将混合液通过树脂颗粒的尺寸在0.3～1.2mm 范围内的混合离子交换树脂装置，去除混合中残留的阴、阳离子，最终制备的冷却电导率为4.3μs/cm，导热系数为0.61W/（m.K），比传统的50%乙二醇水溶液0.37 W/（m.K）提升了近.8%。[0042]将新配置冷却液应用在质子交换膜燃料电池汽车中，散热器的前端区域减少15%以上。

[0043]以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，例如导热粉体和多元醇、表面活性剂、消泡剂的多因素多水平的组合配比，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

6

CN 112457822 A

说　明　书　附　图

1/1页

图1

7