基于氢燃料电池汽车的去离子装置关键技术研究
燃料电池用阴离子交换膜的研究进展
燃料电池用阴离子交换膜的研究进展邵思远;张建钊【摘要】碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)是一种以碱性阴离子交换膜为电解质的新型燃料电池.结合了质子交换膜燃料电池(PEMFC)和传统碱性燃料电池(AFC)的优点,从根本上摆脱了对贵金属催化剂的依赖,具有广阔的应用前景.阴离子交换膜是阴离子交换膜燃料电池的核心材料之一,其电导率及稳定性制约了碱性阴离子交换膜(AEM)的发展.从提高AEM的电导率及耐碱稳定性两个方面,对近期报道的研究工作进行梳理总结.%Alkaline anion exchange membrane fuel cell (AEMFC) is a new kind of fuel cell with alkaline anion exchange membrane as electrolyte.It combines the advantages of the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) and the traditional alkaline fuel cell (AFC).Fundamentally free from dependence on noble metal catalysts.AEMFC has broad application prospects in fuel cells.The anion exchange membrane (AEM) is one of the key materials in AEMFC,the development of the AEMFC is restricted by its low conductivity and stability.The development of improving of the conductivity and alkaline stability of AEM is summarized.【期刊名称】《河南化工》【年(卷),期】2017(034)005【总页数】4页(P11-14)【关键词】阴离子交换膜燃料电池;阴离子交换膜;耐碱稳定性;电导率【作者】邵思远;张建钊【作者单位】大连市第八中学,辽宁大连 116021;大连市第八中学,辽宁大连116021【正文语种】中文【中图分类】TQ425.236阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)作为新兴的燃料电池技术，结合了传统质子交换膜燃料电池(PEMFC)全固态电池结构和碱性燃料电池(AFC)氧化还原反应速率较快的优点，有希望摆脱PEMFC对贵金属的依赖，实现燃料电池成本的大幅度下降[1-2]。
氢燃料电池的研究进展
氢燃料电池的研究进展氢燃料电池是一种以氢气和氧气为燃料的电化学装置，通过氢氧气的化学反应产生电能，是一种非常环保和高效率的能源转换技术。
随着全球对清洁能源的需求日益增加，氢燃料电池作为一种可持续的能源解决方案受到了广泛的关注和研究。
在过去几十年中，氢燃料电池研究取得了显著的进展，下面将简要介绍一些重要的进展。
首先，氢燃料电池的效能得到了不断提高。
目前主要有三种类型的氢燃料电池，包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和碱性燃料电池（AFC）。
通过改进材料的性能、优化电池结构和提高催化剂的活性，研究人员取得了显著的效能提高。
例如，对于PEMFC，利用新型催化剂和离子交换膜可以大幅提高电池效能，将其推向实际应用的水平。
另外，SOFC的效能也得到了大幅提升，使得其可以在大规模电力生产领域应用。
其次，研究人员还在氢燃料电池的稳定性和寿命方面取得了重要进展。
在使用氧化还原反应产生水的同时，氢燃料电池中的催化剂也会逐渐失去活性，导致电池效能下降。
为了解决这个问题，研究人员不断改进催化剂的稳定性，提高电极材料的耐用性，并且设计新的寿命测试方法以评估电池的长期稳定性。
这些进展使得氢燃料电池的稳定性得到了显著提高，可以满足长时间运行的要求。
此外，氢燃料电池的制造工艺也得到了改进，使得成本得到了降低。
随着燃料电池市场规模的不断扩大，制造商开始采用大规模生产的方法，从而降低了部分组件的成本。
另外，利用新材料和新工艺的开发，能够更好地利用资源，减少材料的使用和废弃物的产生。
这些改进使得氢燃料电池的制造成本有所下降，有利于其商业化和大规模应用。
最后，氢燃料电池的应用领域也在不断扩展。
目前，氢燃料电池主要应用于交通运输领域，包括汽车、卡车和公共交通工具。
由于氢燃料电池的高效能和零排放特性，它们成为替代传统燃油动力的理想解决方案。
此外，氢燃料电池也逐渐应用于移动电源、能源存储和微型电网等领域。
随着相关技术的不断推进和成本的进一步降低，氢燃料电池在更广泛的领域中得到了应用。
氢燃料电池的结构特性与氢燃料电池汽车的发展概述
88AUTO TIMENEW ENERGY AUTOMOBILE | 新能源汽车氢燃料电池的结构特性与氢燃料电池汽车的发展概述1 引言随着我国坚定的朝着2030年碳达峰和2060年碳中和目标推进，绿色能源的发展与应用越来越快，氢能作为零排放、零污染的能源在各行各业突显出它的重要性，而氢燃料电池汽车在氢能应用上占有着绝对的比重，国内外都在大力推广。
氢燃料电池有着显著的优点，但也面临着不可忽视的挑战，需要上下游产业链共同推进，在燃料电池技术及制氢、储氢、加氢站全方位努力，大幅降低成本，扩大应用。
2 氢燃料电池2.1 燃料电池的分类燃料电池是一种将燃料与氧化物原本通过燃烧反应的化学能直接转化成电能的装置；根据电解质的不同，可将其分为多种燃料电池类型，如表1所示。
其中质子交换膜燃料电池（PEMFC ）受新能源汽车行业驱动，发展前景良好。
2020年全球市场出货量占比最高的仍是质子交换膜电池，其出货比例占全球燃料电池市场的78.08%；出货量占比第二位的是固体氧化物燃料电池，占比为 11.19%；质子交换膜（PEM ）的质量对燃料电池的性能和寿命起着决定性徐志红 朱晓雯 徐彩妮上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007摘 要： 氢燃料电池将化学能直接转化成电能，拥有零排放、效率高，基本无噪声，低温下表现优秀等优点，同时也有成本较高、系统运行条件要求较高，存在一定滞后性等不足。
氢燃料电池技术研究主要集中于膜电极、双极板以及辅助系统三大方面，燃料电池电堆本身无法直接工作，需要空气系统，氢气系统，热管理系统的协同工作，才能合理应对各种工况。
国内外都将氢能作为绿色低碳的重要能源来大力推动，随着需求的发展，成本将会大幅下降，未来5-10年内即将迎来高速增长期，市场化程度和普及率也会随之大幅提高。
关键词：氢燃料 氢燃料电池 氢能 氢燃料电池汽车An Overview of Structure Characteristics of Hydrogen Fuel Cells and Hydrogen Fuel Cell Car DevelopmentXu Zhihong ，Zhu Xiaowen ，Xu CainiAbstract ：H ydrogen fuel cells convert chemical energy directly into electricity, with zero emission, high efficiency, little noise, low temperature performance outstanding such as advantages. At the same time also it has disadvantages such as a high cost, higher demand on system operation conditions, a certain lag etc.. Hydrogen fuel cell technology research mainly focused on three aspects: the membrane electrode, double pole plate and auxiliary system, and the fuel cell electric pile itself cannot work directly, and need air system, the hydrogen system, the thermal management system of collaborative work, reasonable to deal with all kinds of conditions. At domestic and overseas all are pushing hydrogen application as an important green low carbon energy. Along with the development of demand, cost will decrease sharply. The next five to ten years it will usher in rapid growth, marketization degree and the penetration rate will also be increased sharply.Key words ：hydrogen fuel, hydrogen fuel batteries, hydrogen energy, FCEV 表1 燃料电池的基本类型[1]Copyright ©博看网. All Rights Reserved.AUTO TIME89NEW ENERGY AUTOMOBILE | 新能源汽车时代汽车 作用，全氟磺酸质子交换膜是目前唯一能实现商业化的。
燃料电池的材料科学研究
燃料电池的材料科学研究在当今追求可持续能源的时代，燃料电池作为一种高效、清洁的能源转换装置，正逐渐引起人们的广泛关注。
燃料电池能够将化学能直接转化为电能，具有能量转化效率高、环境友好等显著优点。
然而，要实现燃料电池的广泛应用，关键在于材料科学的研究与突破。
燃料电池的工作原理基于氧化还原反应。
在燃料电池中，燃料（如氢气、甲醇等）在阳极被氧化，失去电子，而氧化剂（通常为氧气）在阴极被还原，得到电子，从而形成电流。
这一过程的顺利进行依赖于多种关键材料的性能。
首先，电极材料是燃料电池的核心组成部分。
阳极材料需要具有良好的催化活性，能够促进燃料的氧化反应。
目前，常用的阳极催化剂主要是铂基材料，但其价格昂贵且资源稀缺。
因此，研究人员一直在努力寻找可替代的非贵金属催化剂，如过渡金属氮化物、碳基材料等，以降低成本并提高性能。
阴极材料则面临着氧气还原反应动力学缓慢的问题。
铂仍然是最有效的阴极催化剂，但同样存在成本高的限制。
为了改善阴极性能，一方面是对铂基催化剂进行结构优化和合金化处理，以提高其活性和稳定性；另一方面，探索非铂基的催化剂，如过渡金属大环化合物、杂原子掺杂的碳材料等，也是当前研究的热点。
除了电极材料，电解质材料也至关重要。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）中常用的质子交换膜，如全氟磺酸膜，具有良好的质子传导性能，但在高温和低湿度条件下性能会下降。
为了克服这一问题，研究人员正在开发新型的高温质子交换膜和固体氧化物电解质等。
高温质子交换膜能够在较高温度下工作，提高电池的效率和耐久性；固体氧化物燃料电池（SOFC）中的固体氧化物电解质具有高的离子传导率，但需要在高温下运行，对材料的稳定性和密封技术提出了更高的要求。
在双极板材料方面，其需要具备良好的导电性、耐腐蚀性和机械强度。
金属双极板具有良好的导电性和机械性能，但容易腐蚀；石墨双极板耐腐蚀性能好，但加工成本高。
因此，开发新型的复合材料双极板，如金属/石墨复合双极板、聚合物/碳复合双极板等，成为了研究的方向之一。
质子交换膜燃料电池气体扩散层结构与设计研究进展
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 S1 期质子交换膜燃料电池气体扩散层结构与设计研究进展陈匡胤1，李蕊兰1，童杨2，沈建华1（1 华东理工大学材料学院，上海 200237；2 中华人民共和国科学技术部高技术研究发展中心，北京100044）摘要：气体扩散层（GDL ）在质子交换膜燃料电池（PEMFC ）中起到支撑催化层、传输反应气体和排出反应过程中产生的水的作用，设计和优化GDL 的结构对提升燃料电池的性能有重要作用。
本文首先介绍了氢燃料电池应用前景，简述了PEMFC 的结构和工作原理，指出了目前GDL 的气液传输能力不足的问题，分析了孔结构、碳材料、微孔层微观结构、润湿性和耐久性五个因素对GDL 性能的影响，并归纳了当前的研究进展，同时还涵盖了与GDL 内传质过程相关的建模方法。
最后总结了影响GDL 性能的各种因素，并对质子交换膜燃料电池内的GDL 发展进行了展望，指出用新型金属泡沫材料代替传统碳材料构建气体扩散层-双极板集成结构从而缩短传质路径并降低传质阻力，提出利用新兴的3D 打印技术去构建高精度具有复杂结构的气体扩散层。
本综述对未来优化GDL 结构、提高燃料电池性能具有一定的指导意义。
关键词：燃料电池；气液两相流；优化设计；传质；数值模拟中图分类号：TQ028.8 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）S1-0246-14Structure design of gas diffusion layer in proton exchange membranefuel cellCHEN Kuangyin 1，LI Ruilan 1，TONG Yang 2，SHEN Jianhua 1(1 School of Materials Science and Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China;2High Technology Research and Development Center ，Ministry of Science and Technology of the People s Republic ofChina ，Beijing 100044，China)Abstract: Gas diffusion layer (GDL) plays an important role in supporting the catalytic layer andproviding the transmission access of gas and water in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Designing and optimizing the structure of GDL significantly influence the performance of fuel cell. In this paper, the application prospect of hydrogen fuel cell and the structure and working principle of PEMFC are briefly introduced. The problem of insufficient gas-liquid transmission capacity of GDL is pointed out and the effects of pore structure, carbon material, and microstructure of microporous layer, wettability and durability on the performance of GDL are analyzed. This review also summarizes the current research progress of GDL including the modeling studies. Finally, various factors affecting the performance of GDL are summarized, and the development of PEMFC is prospected. It is pointed out that novel metal foammaterials could replace the traditional carbon materials to construct the GDL-BP integrated structure with综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1102收稿日期：2023-07-03；修改稿日期：2023-09-26。
燃料电池发电技术
05 结论与展望
结论
高效环保
燃料电池发电技术具有高效率和 环保优势，其能量转换效率高达 50%以上，同时排放的废气主要
为水蒸气，对环境无污染。
灵活多样
燃料电池可以根据不同的应用场 景进行灵活配置，既可以作为分 布式电源使用，也可以组成大型
电站，满足不同规模的需求。
技术成熟
经过多年的研发和试验，燃料电 池发电技术已经逐渐成熟，并开
氢气循环系统
氢气循环系统是燃料电池发电技术中的重要组成部分，其作用是确保氢气在系统 中持续流动，并为燃料电池堆提供足够的氢气。
氢气循环系统通常包括氢气压缩机、冷却器和储气罐等设备。在系统中，氢气经 过压缩机的压缩后，通过冷却器降温，并储存在储气罐中。当需要为燃料电池堆 提供氢气时，储存在储气罐中的氢气会通过管道输送到燃料电池堆。
• 燃料电池发电技术的优势在于其高效、环保、可靠和灵活等。与传统的发电方 式相比，燃料电池发电技术具有更高的能量转换效率和更低的污染物排放。此 外，燃料电池发电技术还可以通过增加或减少燃料电池堆的数量来满足不同功 率的需求。
• 然而，燃料电池发电技术也存在一些局限。首先，氢气的储存和运输需要特殊 的安全措施；其次，氢气的生产成本较高，且目前还没有大规模的氢气生产设 施；最后，燃料电池发电技术的初期投资成本也较高。
固定式燃料电池发电站
环保性
固定式燃料电池发电站具 有环保性，可以实现零排 放，减少对环境的污染。
高效率
固定式燃料电池发电站具 有较高的发电效率，可以 提供稳定的电力输出。
维护成本高
固定式燃料电池发电站的 维护成本较高，需要定期 进行检修和维护。
04 燃料电池发电技 术的发展趋势与 挑战
提高燃料电池性能与降低成本
燃料电池汽车关键技术研究现状
燃料电池汽车关键技术研究现状作者：谢鑫陶思成刘志平黄伟豪江庆来源：《时代汽车》2019年第13期摘要：深入介绍燃料电池汽车催化剂、隔膜、双极板、车载氢系统等关键组件的技术特性和研究现状，为燃料电池汽车的研发工作提供参考。
关键词：燃料电池汽车;燃料电池电堆;车载氢系统能源危机和环境危机等因素决定了新能源汽车的应用和普及是汽车行业发展的必然趋势。
当前锂离子电池电动汽车的发展已经取得了显著成就，不过其还存在着续航能力差、充电速度慢等缺点，严重制约了其进一步推广应用。
因此，政策决策者和市场参与者也越来越重视具有长续航里程、燃料加注时间短、无污染等优点的燃料电池汽车。
然而，燃料电池汽车的商业化普及还面临着许多问题。
本文将重点介绍制约燃料电池汽车普及的核心组件的技术特性和研究现状。
1 燃料电池电堆1.1 燃料电池的原理燃料电池的本质是一个高效的能量转换器，是将氢气的化学能直接、高效地转化为电能。
其通过允许质子或者离子穿透而不允许电子穿透的电池隔膜，将氢气与氧气的氧化还原反应拆分成两个半反应[1]：在阳极催化层上发生的氢氧化反应和在阴极催化层上发生的氧还原反应;然后，电子只能通过外电路传递，从而为外电路上的负载提供电源。
1.2 催化剂目前能满足实际应用要求的燃料电池氢氧化催化剂和氧还原催化剂只有铂基催化剂。
而贵金属铂的高成本和稀缺性成为了燃料电池商业化推广的最大障碍之一。
为此，研究人员主要采取了两种技术路线：一种是通过提高催化剂中贵金属的原子利用率来大幅降低贵金属的使用量，另一种是开发具有高效催化效果的非贵金属催化剂。
中科院长春应化所徐维林课题组[2]开发出了一种低成本的单原子贵金属催化剂制备方法，通过富含碳缺陷的碳载体制备出超低铂载量的氧还原催化剂，与普通的商业化铂碳催化剂相比，其的铂用量下降了94.5%，而氧还原催化性能相当。
重庆大学巍子栋课题组[3]采用缓慢的热处理策略，合成了超高负载的单原子锌基氮碳催化剂，该催化剂具有与铁氮碳催化剂相当的氧还原催化活性，和更好的稳定性。
氢燃料电池轿车能源与动力系统优化匹配及控制策略研究
氢燃料电池轿车能源与动力系统优化匹配及控制策略研究一、本文概述随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，新能源汽车的发展已成为汽车工业的重要方向。
其中，氢燃料电池轿车作为一种清洁、高效的能源利用方式，受到了广泛的关注。
然而，氢燃料电池轿车的商业化推广仍面临诸多挑战，如能源利用效率低、动力性能不足、系统控制策略复杂等问题。
因此，研究氢燃料电池轿车的能源与动力系统的优化匹配及控制策略具有重要的现实意义和应用价值。
本文旨在探讨氢燃料电池轿车的能源与动力系统的优化匹配及控制策略。
本文将对氢燃料电池的基本原理和性能特点进行介绍，为后续研究奠定理论基础。
通过对氢燃料电池轿车能源与动力系统的现状进行分析，找出存在的问题和挑战。
在此基础上，本文将提出一种基于多目标优化的能源与动力系统匹配方法，以提高氢燃料电池轿车的能源利用效率和动力性能。
本文将研究氢燃料电池轿车的控制策略，包括能量管理策略、氢气供应策略、热管理策略等，以实现氢燃料电池轿车的智能化、高效化和环保化。
通过本文的研究，旨在为氢燃料电池轿车的研发和生产提供理论支持和技术指导，推动氢燃料电池轿车在新能源汽车领域的广泛应用，为我国的能源转型和环境保护做出贡献。
二、氢燃料电池轿车能源系统分析氢燃料电池轿车能源系统作为车辆的核心部分，对于车辆的性能和效率具有决定性的影响。
该系统主要由氢燃料电池堆、氢气储存与供应系统、电池管理系统以及其他辅助设备组成。
这些组件共同协作，为车辆提供持续、稳定且环保的动力。
氢燃料电池堆是能源系统的核心，通过氢气和氧气的化学反应产生电能和热能。
氢气储存与供应系统负责将氢气从储氢罐中安全、高效地输送到燃料电池堆中。
电池管理系统则负责监控和管理燃料电池堆的工作状态，确保其在最佳状态下运行，同时防止过充、过放等不安全情况的发生。
氢燃料电池轿车能源系统的优点在于其零排放、高能量密度和快速补能等特点。
然而，该系统也面临一些挑战，如氢气储存和运输的安全性、氢气加注设施的普及程度以及燃料电池的成本和寿命等。
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基于氢燃料电池汽车的去离子装置关键技术研究
近年来，随着世界人口的急剧增长，人们对化石燃料的需求越来越大，大气污染和全球变暖等环境问题日益凸显。
为了应对能源危机，世界各国对燃料电池汽车产业不断投入，“终极新能源汽车解决方案”的氢燃料电池汽车已成为全球新能源汽车行业的主攻方向。
热管理冷却系统是氢燃料电池汽车电堆系统的重要组成部分，尤其在需要大功率输出的工况下，它是氢燃料电池正常工作的重要保障。
氢燃料电池冷却系统的绝缘性要求很高，去离子装置中装有离子交换树脂，能够去除冷却液中的阴阳离子，降低冷却液的电导率，从而保证冷却系统的绝缘性。
目前，国内外针对去离子装置的研究文献较少，本文通过对该产品的关键开发技术进行深入研究，为后续氢燃料电池汽车企业开展相关设计工作提供一定的指导。
1 去离子装置的工作原理
1.1 去离子装置的主要功能
氢燃料电池热管理冷却系统包含散热器、水泵、中冷器、节温器等众多零部件，去离子装置在冷却循环系统中的布置位置如图1所示。
图1 燃料电池冷却循环系统原理图
由于冷却系统中的冷却液会流经电堆内的核心部件双极板，从而带走热量实现电堆系统的散热，这就对冷却液提出了非常高的绝缘要求(通常电导率要求小于5μs/cm) 。
车辆在使用过程中，系统中的中冷器、散热器、管接头等会持续向冷却液中释放Al3+、Fe3+、Cu2+、SiO2-3等阴阳离子，增加冷却液的电导率，使得冷却系统的绝缘性降低，双极板存在被击穿的风险。
为了使系统的冷却液始终维持在低电导率状态，去离子装置内的离子交换树脂能不断地和溶液中新增的导电离子发生交换，当树脂达到饱和时则需要更换该装置。
为了更直观地反映去离子装置在冷却循环系统中的作用，分别在开启及关闭去离子装置的状态下测得冷却循环系统的电导率变化，如图2所示。
由曲线可知，当开启去离子装置以后，整个系统的电导率明显下降; 而关闭该装置以后，电导率开始攀升。
图2 冷却循环系统的电导率变化曲线
1.2 去离子装置的构成原理
为了满足不同的燃料电池系统需求，目前各大燃料电池汽车厂商研发的去离子装置内部结构也不尽相同，但主要结构一般由上壳体、下壳体、过滤网、滤芯四部分构成，其中滤芯内含阴阳离子交换树脂，如图3所示。
图3 去离子装置的构成图
去离子装置工作时，冷却液从上壳体入口进入，经滤网物理过滤杂质后进入滤芯与阴阳离子交换树脂发生反应，再经过下层滤网从下壳体出口流出，完成冷却液的去离子功能，从而降低冷却液的电导率。
1.3 离子交换树脂的作用原理
离子交换是指树脂上的可交换基团和溶液中的阴阳离子发生物质交换的过程，交换量与可交换基团的数量有关。
当离子交换树脂和含阴阳离子的溶液相互接触时，溶液中的阴阳离子与离子交换树脂上可解离的抗衡离子发生交换。
除了发生交换的离子外，离子交换树脂上任何组分或基团都不会进入或溶解于发生交换的溶液中，从而保证离子交换树脂对溶液不产生新的污染或增加溶液的电导率。
离子交换树脂的交换能力是由固定在质点体积内树脂骨架上的活性基团的性质决定的。
根据树脂所带的活性基团的性质，可以把树脂分为阴离子交换树脂和阳离子交换树脂。
阴离子交换树脂是一类骨架上结合有季铵基、伯胺、仲胺基、叔胺基的聚合物。
以季铵基上的羟基为交换基的树脂具有强碱性，称为强碱性阴离子交换树脂。
用R表示树脂中的聚合物骨架，其在水中的电离原理如下:
阳离子交换树脂是一类骨架上结合有磺酸(-SO3H)和羧酸(-COOH)等酸性功能的聚合物。
把树脂浸于水中，功能基团会发生电离。
用R来表示树脂骨架部分，阳离子交换树脂R-SO3H或R-COOH在水中时的电离如下:
2 去离子速率影响因素研究
去离子速率是去离子装置的一项关键性能指标，当一辆全新的或者长时间停置未开动的氢燃料电池汽车启动时，冷却循环系统中的零部件及管路释放了大量的导电离子到冷却液中，导致冷却液电导率偏高，此时如果去
离子装置无法迅速降低冷却液的电导率值，便会出现整车绝缘故障。
本文将分别从树脂本身以及外部环境温度对去离子速率的影响进行研究。
2.1 不同阴阳离子交换树脂组合对去离子速率的影响
去离子装置的滤芯由阴树脂和阳树脂混合而成，因此阴阳树脂的配比就成了影响去离子速率的关键因素。
为了研究不同阴阳离子交换树脂组合对去离子速率的影响，本文将某品牌的阴阳树脂配成3种组合(A、B、C)，配比主要考虑了树脂的交换容量以及耐温性等因素。
为了尽量减少其它因素对试验结果的影响，3组实验均在常温环境下完成，且去离子装置内填充的总树脂量一样，每次试验流量一样，搭建的简易试验台架如图4所示。
将初始电导率值为25μs/cm左右的冷却液加入到该系统中，水泵开启后开始记录电导率值随时间的变化规律。
不同体积比的阴阳树脂对应的电导率随时间变化曲线如图5所示。
图4 去离子速率测试简易台架
图5 不同配比所对应的电导率变化曲线
从图5的试验曲线可以看出，组合C的配比速率最慢，组合B比组合A略好。
同时考虑到阴树脂的耐温性较差，长时间使用后更容易失效，因图4去离子速率测试简易台架图5不同配比所对应的电导率变化曲线此将组合
B(阴树脂较多)作为最佳配比用于后续的研究。
2.2 不同温度下去离子速率性能研究
燃料电池汽车电堆冷却系统的工作温度区间为-40～95℃，跨度非常大，但去离子装置大部分工作时间是在高温区间。
因此，为了研究它在不同温度(常温、60℃、70℃、80℃、90℃)下的去离子速率性能，搭建了如图6
所示的高温测试台架。
台架包含的零部件基本与实车一致，串联了恒温水箱用于模拟电堆发热，可精确控制整个台架的温度。
图6 去离子装置高温测试台架
试验步骤如下:(1)将被测去离子装置安装到测试台架上;(2)加注电导率小于5μs/cm的去离子水，试运行测试台架，检查台架是否漏水;(3)确认后将台架内去离子水全部放出，同时关闭小循环支路水阀，将电导率值为
50μs/cm左右的冷却液通过膨胀水箱加注到台架;(4)将加热水箱目标温度调至60℃，并运行水泵，使整个台架内冷却液温度均为60℃;(5)打开小循环路水阀，控制其流量为10L/min，当电导率降到40μs/cm时，开始记录电导率数据，并开始每隔10s记录一次;(6)当电导率值小于5μs/cm时，停止记录;(7)重复以上步骤分别测试去离子装置在常温、70℃、80℃、90℃下的去离子性能;(8)完成试验，关闭电源。
由于小循环支路刚打开时需要控制流量，整个系统没有完全稳定。
为了减少试验误差，试验数据从电导率降为40μs/cm时开始记录，试验测得的数据曲线如图7所示。
图7 不同温度下去离子装置的去离子性能曲线
由试验数据可以看出，常温时去离子装置的去离子速率最慢，随着温度升高(60℃和70℃)，树脂的活性增加，去离子速率明显增加。
但当温度超过80℃时，由于阴树脂的耐温性较差，部分强碱基团变为弱碱基团或者出现胺基脱落，导致去离子速率开始下降。
因此去离子装置如果长期在80℃以上的高温环境中使用会缩短其使用寿命。
3 去离子装置的水阻性能研究
水阻性能是去离子装置设计时需要考虑的又一关键技术指标，水阻太大会影响整个冷却系统的流量分配，从而影响整个系统的去离子效果，同时对水泵的功率也提出了更高的要求。
而经过大量的试验和研究发现，在降低去离子装置水阻性能的同时，往往也会降低它的去离子速率。
因此，如何平衡水阻性能和去离子速率之间的矛盾成为研究的重点。
去离子装置的水阻性能与其内部结构以及滤芯内树脂的分布形式息息相关，本文通过在滤芯内填充一种特殊的膨松滤膜来研究其对水阻性能的改善效果，滤膜如图8所示。
图8 滤膜
图9 去离子装置水阻曲线
水阻测试采用图6所示的测试台架，在不同流量下分别读取去离子装置两侧的压力值，进口压力减去出口压力便是去离子装置引起的压力损失，测得试验数据如图9所示。
由试验曲线可知，在滤芯内增加膨松滤膜后，树脂能均匀地附在滤膜上，相比直接填充树脂水阻能下降近30%。
同时验证其去离子速率性能相差在5%以内，满足设计要求。
4 结语
去离子装置是氢燃料电池汽车的重要零部件，目前国内各燃料电池汽车厂商主要依赖进口，成本较高。
本文通过对该产品的去离子机理、去离子速率、水阻性能进行了大量试验和深入研究，得出了一系列开发建议，为国内的汽车厂商进行产品开发时提供参考，从而降低该产品的开发成本。