撰文/劉兵 楊洋 趙亮
■ 102100 機(jī)械科學(xué)研究院工程機(jī)械軍用改裝車(chē)試驗(yàn)場(chǎng) 北京
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質(zhì)子交換膜燃料電池在叉車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)用前景分析
撰文/劉兵 楊洋 趙亮
■ 102100 機(jī)械科學(xué)研究院工程機(jī)械軍用改裝車(chē)試驗(yàn)場(chǎng) 北京
摘要:本文通過(guò)對(duì)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(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用于叉車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中的前景進(jìn)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(yīng)靈敏。其工作溫度苛刻,使用壽命短,成本高等問(wèn)題,在不久的將來(lái)都會(huì)被很好地解決,這使得質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用于叉車(chē)動(dòng)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(chē)動(dòng)力系統(tǒng);應(yīng)用前景
隨著社會(huì)不斷進(jìn)步的同時(shí),人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注環(huán)境問(wèn)題,新能源車(chē)輛也就孕育而生,而新能源中電能應(yīng)用最為廣泛,這也就使得電能成為現(xiàn)今最熱門(mén)的研究領(lǐng)域。在叉車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中大部分電能來(lái)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(dòng)過(guò)程中仍能反應(yīng)靈敏的優(yōu)勢(shì),被譽(yù)為最有希望成為叉車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中的新型動(dòng)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(jìn)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(gè)單體電池都由質(zhì)子交換膜、陽(yáng)極和陰極組成,陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化反應(yīng)的場(chǎng)所,陰極為氧化劑還原反應(yīng)的場(chǎng)所,兩極都含有催化劑使電極電化學(xué)反應(yīng)加速,質(zhì)子交換膜作為傳遞H+的介質(zhì),只允許H+通過(guò)。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源,陽(yáng)極即電源負(fù)極,陰極即電源正極。由于質(zhì)子交換膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子,因此氫離子(即質(zhì)子)可以直接穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極,而電子只能通過(guò)外電路才能到達(dá)陰極。電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極這個(gè)過(guò)程就產(chǎn)生了直流電。以陽(yáng)極作為參考時(shí),陰極電位為1.23V。也就是說(shuō)每一單體電池的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負(fù)載時(shí)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(gè)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(mǎn)足實(shí)際負(fù)載需要。質(zhì)子交換膜燃料電池具有以下優(yōu)點(diǎn):能量轉(zhuǎn)換率高,由于質(zhì)子交換膜燃料電池在發(fā)電過(guò)程中氫氧不燃燒,因而不在卡諾循環(huán)的限制內(nèi);工作時(shí)無(wú)污染產(chǎn)生,模塊化發(fā)電單元,可靠性高,維修組裝方便,無(wú)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(jìn)行過(guò)研究。有很多詳細(xì)的研究用于電池的催化劑性能提高、延長(zhǎng)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?cè)谫|(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(lèi)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(chē)中被廣泛應(yīng)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(jì)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(diǎn),引起了世界各發(fā)達(dá)國(guó)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(duì)目前世界上應(yīng)用于叉車(chē)動(dòng)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(yīng)用進(jìn)行了介紹,并將其不足與發(fā)展前景進(jìn)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(wèn)題,但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高,很多問(wèn)題在不久的將來(lái)會(huì)很容易被化解,相信到時(shí)候這種噪音低,反應(yīng)靈敏,可靠性高,工作效率高,組裝和維修方便的電池一定會(huì)取代現(xiàn)有的電池技術(shù),在叉車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域處于主導(dǎo)地位并被廣泛應(yīng)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(xué)歷:本科;研究方向:車(chē)輛檢測(cè)。
楊洋,籍貫:山西省陽(yáng)高縣;學(xué)歷:本科;研究方向:車(chē)輛檢測(cè)。
趙亮,籍貫:吉林省大安市;學(xué)歷:本科;研究方向:車(chē)輛檢測(cè)。
作者簡(jiǎn)介: