質子交換膜燃料電池在叉車動力系統中應用前景分析

撰文/劉兵 楊洋 趙亮

■ 102100 機械科學研究院工程機械軍用改裝車試驗場 北京

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質子交換膜燃料電池在叉車動力系統中應用前景分析

撰文/劉兵 楊洋 趙亮

■ 102100 機械科學研究院工程機械軍用改裝車試驗場 北京

摘要：本文通過對質子交換膜燃料電池的工作溫度、催化劑性能、使用壽命以及冷卻系統形式的研究，對質子交換膜燃料電池應用于叉車動力系統中的前景進行了分析。結果表明，質子交換膜燃料電池工作效率高，反應靈敏。其工作溫度苛刻，使用壽命短，成本高等問題，在不久的將來都會被很好地解決，這使得質子交換膜燃料電池應用于叉車動力系統中的前景廣闊。關鍵詞：質子交換膜燃料電池；叉車動力系統；應用前景

隨著社會不斷進步的同時，人們越來越多的關注環境問題，新能源車輛也就孕育而生，而新能源中電能應用最為廣泛，這也就使得電能成為現今最熱門的研究領域。在叉車動力系統中大部分電能來源于電池，其中質子交換膜燃料電池由于它較低的工作溫度、較高的功率密度以及在頻繁的啟動過程中仍能反應靈敏的優勢，被譽為最有希望成為叉車動力系統中的新型動力之一［1］，但是由于其生產成本及使用壽命的限制，質子交換膜燃料電池在商業化的進程中依然困難重重。

質子交換膜燃料電池是一種燃料電池，其原理與水電解的“逆”裝置原理相同。質子交換膜燃料電池的每個單體電池都由質子交換膜、陽極和陰極組成，陽極為氫燃料發生氧化反應的場所，陰極為氧化劑還原反應的場所，兩極都含有催化劑使電極電化學反應加速，質子交換膜作為傳遞H+的介質，只允許H+通過。工作時相當于一直流電源，陽極即電源負極，陰極即電源正極。由于質子交換膜只能傳導質子，因此氫離子（即質子）可以直接穿過質子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。電子通過外電路到達陰極這個過程就產生了直流電。以陽極作為參考時，陰極電位為1.23V。也就是說每一單體電池的發電電壓理論上限為1.23V。接有負載時輸出電壓通常情況在0.5～1V之間，輸出電壓的大小取決于輸出電流的密度。將多個單體電池層疊組合在一起就能構成燃料電池堆，從而使得輸出電壓滿足實際負載需要。質子交換膜燃料電池具有以下優點：能量轉換率高，由于質子交換膜燃料電池在發電過程中氫氧不燃燒，因而不在卡諾循環的限制內；工作時無污染產生，模塊化發電單元，可靠性高，維修組裝方便，無噪音。因此質子交換膜燃料電池是一種高效高且清潔的綠色環保電源。質子交換膜燃料電池的性能已被從多方面進行過研究。有很多詳細的研究用于電池的催化劑性能提高、延長使用壽命、交換膜技術提升、通道流的增加以及分析建模的參數。

液體冷卻劑具有比氣體冷卻劑更高的熱容，這就使他們在質子交換膜燃料電池中的冷卻能力將大于5千瓦。大部分類型的液體冷卻劑是由去離子水和水-乙二醇的混合物組成的。盡管水-氨混合物可能是在高熱容的情況下更好的冷卻劑選擇，但必須在操作條件飽和的情況下才能適用。由于液體冷卻劑在叉車中被廣泛應用，許多努力被用于優化冷卻系統，例如尋找可替代的冷卻劑或者提升冷卻管道的設計以減少成本。

由于質子交換膜燃料電池高效、環保等突出優點，引起了世界各發達國家和各大公司高度重視，并投巨資發展這一技術。在本文中，大致對目前世界上應用于叉車動力系統中的低溫質子交換膜燃料電池中的水和熱的應用進行了介紹，并將其不足與發展前景進行了粗略的介紹。綜合以上分析，雖然質子交換膜燃料電池仍存在著一些尚未解決的問題，但隨著科學技術的不斷提高，很多問題在不久的將來會很容易被化解，相信到時候這種噪音低，反應靈敏，可靠性高，工作效率高，組裝和維修方便的電池一定會取代現有的電池技術，在叉車動力系統領域處于主導地位并被廣泛應用。

參考：

［1］Kazim A. Introduction of PEM fuel-cell vehicles in the transportation sector of the United Arab Emirates. J Appl Energy 2003；74：125-33.

［2］Tang Y， Yuan W， Pan M，Li Z， Chen G， Li Y. Experimental investigation of dynamic performance and transient responses of a kW-class PEM fuel cell stack under various load changes. J Appl Energy 2010；87：1410-7.

［3］Anderson R， Blanco M， Bi X，Wilkinson DP. Anode water removal and cathode gas diffusion layer flooding in a proton exchange membrane fuel cell. Int J Hydrogen Energy 2012；37：6093-103.

［4］Kandlikar SG， Lu Z. Thermal management issues in a PEMFC stacka brief review of current status. J Appl Therm Eng 2009；29：1276-80.

劉兵，籍貫：北京市延慶縣；學歷：本科；研究方向：車輛檢測。

楊洋，籍貫：山西省陽高縣；學歷：本科；研究方向：車輛檢測。

趙亮，籍貫：吉林省大安市；學歷：本科；研究方向：車輛檢測。

作者簡介：