质子交换膜燃料电池在叉车动力系统中应用前景分析

撰文/刘兵 杨洋 赵亮

■ 102100 机械科学研究院工程机械军用改装车试验场 北京



质子交换膜燃料电池在叉车动力系统中应用前景分析

撰文/刘兵 杨洋 赵亮

■ 102100 机械科学研究院工程机械军用改装车试验场 北京

摘要：本文通过对质子交换膜燃料电池的工作温度、催化剂性能、使用寿命以及冷却系统形式的研究，对质子交换膜燃料电池应用于叉车动力系统中的前景进行了分析。结果表明，质子交换膜燃料电池工作效率高，反应灵敏。其工作温度苛刻，使用寿命短，成本高等问题，在不久的将来都会被很好地解决，这使得质子交换膜燃料电池应用于叉车动力系统中的前景广阔。关键词：质子交换膜燃料电池；叉车动力系统；应用前景

随着社会不断进步的同时，人们越来越多的关注环境问题，新能源车辆也就孕育而生，而新能源中电能应用最为广泛，这也就使得电能成为现今最热门的研究领域。在叉车动力系统中大部分电能来源于电池，其中质子交换膜燃料电池由于它较低的工作温度、较高的功率密度以及在频繁的启动过程中仍能反应灵敏的优势，被誉为最有希望成为叉车动力系统中的新型动力之一［1］，但是由于其生产成本及使用寿命的限制，质子交换膜燃料电池在商业化的进程中依然困难重重。

质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，其原理与水电解的“逆”装置原理相同。质子交换膜燃料电池的每个单体电池都由质子交换膜、阳极和阴极组成，阳极为氢燃料发生氧化反应的场所，阴极为氧化剂还原反应的场所，两极都含有催化剂使电极电化学反应加速，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢离子（即质子）可以直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。电子通过外电路到达阴极这个过程就产生了直流电。以阳极作为参考时，阴极电位为1.23V。也就是说每一单体电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压通常情况在0.5～1V之间，输出电压的大小取决于输出电流的密度。将多个单体电池层叠组合在一起就能构成燃料电池堆，从而使得输出电压满足实际负载需要。质子交换膜燃料电池具有以下优点：能量转换率高，由于质子交换膜燃料电池在发电过程中氢氧不燃烧，因而不在卡诺循环的限制内；工作时无污染产生，模块化发电单元，可靠性高，维修组装方便，无噪音。因此质子交换膜燃料电池是一种高效高且清洁的绿色环保电源。质子交换膜燃料电池的性能已被从多方面进行过研究。有很多详细的研究用于电池的催化剂性能提高、延长使用寿命、交换膜技术提升、通道流的增加以及分析建模的参数。

液体冷却剂具有比气体冷却剂更高的热容，这就使他们在质子交换膜燃料电池中的冷却能力将大于5千瓦。大部分类型的液体冷却剂是由去离子水和水-乙二醇的混合物组成的。尽管水-氨混合物可能是在高热容的情况下更好的冷却剂选择，但必须在操作条件饱和的情况下才能适用。由于液体冷却剂在叉车中被广泛应用，许多努力被用于优化冷却系统，例如寻找可替代的冷却剂或者提升冷却管道的设计以减少成本。

由于质子交换膜燃料电池高效、环保等突出优点，引起了世界各发达国家和各大公司高度重视，并投巨资发展这一技术。在本文中，大致对目前世界上应用于叉车动力系统中的低温质子交换膜燃料电池中的水和热的应用进行了介绍，并将其不足与发展前景进行了粗略的介绍。综合以上分析，虽然质子交换膜燃料电池仍存在着一些尚未解决的问题，但随着科学技术的不断提高，很多问题在不久的将来会很容易被化解，相信到时候这种噪音低，反应灵敏，可靠性高，工作效率高，组装和维修方便的电池一定会取代现有的电池技术，在叉车动力系统领域处于主导地位并被广泛应用。

参考：

［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.

刘兵，籍贯：北京市延庆县；学历：本科；研究方向：车辆检测。

杨洋，籍贯：山西省阳高县；学历：本科；研究方向：车辆检测。

赵亮，籍贯：吉林省大安市；学历：本科；研究方向：车辆检测。

作者简介：