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(zhì)子交換膜燃料電池在叉車動力系統(tǒng)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(zhì)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(tǒng)形式的研究，對質(zhì)子交換膜燃料電池應用于叉車動力系統(tǒng)中的前景進行了分析。結(jié)果表明，質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池應用于叉車動力系統(tǒng)中的前景廣闊。關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；叉車動力系統(tǒng)；應用前景

隨著社會不斷進步的同時，人們越來越多的關(guān)注環(huán)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(xiàn)今最熱門的研究領(lǐng)域。在叉車動力系統(tǒng)中大部分電能來源于電池，其中質(zhì)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(yōu)勢，被譽為最有希望成為叉車動力系統(tǒng)中的新型動力之一［1］，但是由于其生產(chǎn)成本及使用壽命的限制，質(zhì)子交換膜燃料電池在商業(yè)化的進程中依然困難重重。

質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池的每個單體電池都由質(zhì)子交換膜、陽極和陰極組成，陽極為氫燃料發(fā)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(zhì)子交換膜作為傳遞H+的介質(zhì)，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(zhì)子交換膜只能傳導質(zhì)子，因此氫離子（即質(zhì)子）可以直接穿過質(zhì)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(chǎn)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(fā)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(gòu)成燃料電池堆，從而使得輸出電壓滿足實際負載需要。質(zhì)子交換膜燃料電池具有以下優(yōu)點：能量轉(zhuǎn)換率高，由于質(zhì)子交換膜燃料電池在發(fā)電過程中氫氧不燃燒，因而不在卡諾循環(huán)的限制內(nèi)；工作時無污染產(chǎn)生，模塊化發(fā)電單元，可靠性高，維修組裝方便，無噪音。因此質(zhì)子交換膜燃料電池是一種高效高且清潔的綠色環(huán)保電源。質(zhì)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(shù)提升、通道流的增加以及分析建模的參數(shù)。

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(zhì)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(yōu)化冷卻系統(tǒng)，例如尋找可替代的冷卻劑或者提升冷卻管道的設(shè)計以減少成本。

由于質(zhì)子交換膜燃料電池高效、環(huán)保等突出優(yōu)點，引起了世界各發(fā)達國家和各大公司高度重視，并投巨資發(fā)展這一技術(shù)。在本文中，大致對目前世界上應用于叉車動力系統(tǒng)中的低溫質(zhì)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(fā)展前景進行了粗略的介紹。綜合以上分析，雖然質(zhì)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(shù)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(xiàn)有的電池技術(shù)，在叉車動力系統(tǒng)領(lǐng)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：