氫燃料電池系統(tǒng)特點及其安全檢測技術(shù)研究

楊 帥

（國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測中心，北京 100015）

0 引 言

最近100年來，全球CO2排放嚴重，氣候逐漸變暖，給人類生存環(huán)境帶來巨大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對此問題，我國提出了“雙碳”國策，將氫儲能做為“十四五”重點研發(fā)項目。氫能被認為是實現(xiàn)雙碳的最理想能源，具有零污染、高熱量、儲量豐富的優(yōu)勢。目前，氫能的主要應(yīng)用之一是交通領(lǐng)域的氫燃料電池汽車，本質(zhì)是發(fā)電裝置，以氫氣為燃料，將氫氣的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)為電能，此過程效率高、無噪聲、零碳排放[1-2]。

美國、日本、歐洲的“氫能經(jīng)濟”相應(yīng)規(guī)劃了 《全面能源戰(zhàn)略》《氫能/燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》《歐盟氫能戰(zhàn)略》，從而推動氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。我國制定的促進氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重大戰(zhàn)略主要有：

（1）2001年，發(fā)展電動汽車的“863計劃”中，“三縱三橫”戰(zhàn)略強調(diào)了重點發(fā)展氫能燃料電池；

（2）2017 年，國家的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī) 劃》明確規(guī)定將氫燃料電池汽車作為重要發(fā)展對象；

（3）2020年，“可再生能源與氫能技術(shù)”國家重點研發(fā)專項，重點突破氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)；

（4）2021年，氫燃料電池技術(shù)成為“十四五”能源重點任務(wù)。自2021年，我國“十四五”大力發(fā)展氫能，全國各地都在實施氫能發(fā)展規(guī)劃。2022年北京冬奧會，氫燃料電池公交車共816輛，占比20%，是世界最大規(guī)模的示范應(yīng)用。這些電池在幾分鐘之內(nèi)即可實現(xiàn)氫燃料加注，平均續(xù)航600 km以上。

歐陽曉平作為中國工程院院士，在其著作《氫燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望》[2]中表示，目前氫燃料電池技術(shù)發(fā)展緩慢，到了技術(shù)發(fā)展瓶頸期，后面將迎來井噴發(fā)展，成本將逐步隨著技術(shù)和規(guī)模下降，預(yù)計在2030年，成本將降至目前的50%，氫燃料電池汽車將突破100萬輛。新能源富余的長城以北、西部以及西北等區(qū)域有望成為氫燃料電池市場的突破口。

本文對氫燃料電池系統(tǒng)及其安全檢測進行了研究，與鋰電池進行比較，并對氫燃料電池檢測技術(shù)進行了綜述，最后提出了發(fā)展建議。

1 氫燃料電池系統(tǒng)

氫燃料電池是發(fā)電裝置，主要包括氫氣制備、儲藏及運輸?shù)燃夹g(shù)。氫燃料電池與鋰電池的不同之處在于其系統(tǒng)復(fù)雜，整體主要包括電堆和系統(tǒng)兩大部件。其中核心是電堆，包括各電池單元、集流板、端板及密封圈等部件。系統(tǒng)包括空壓機、增濕器、循環(huán)泵以及氫瓶四部分。電池單元包括膜電極和雙極板，質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴散層是膜電極的關(guān)鍵，影響燃料電池使用壽命。近年來，氫燃料電池技術(shù)研究集中在電堆、雙極板、控制技術(shù)等方面，系統(tǒng)及前沿技術(shù)如圖1所示[3]。

2 氫燃料電池特點

氫燃料電池主要有以下特點[4]。

（1）效率高。由于不受卡諾循環(huán)限制，氫、氧燃料通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，轉(zhuǎn)換率高達80%～90%，是煤等燃料的2～3倍，鋰電池的10倍以上。充氣時間短，只需幾分鐘，而續(xù)航可高達800 km。

（2）無污染。氫氣和氧氣反應(yīng)轉(zhuǎn)化成水，此反應(yīng)無噪聲、無機械、無污染，能夠?qū)崿F(xiàn)零碳排放。

（3）高安全。氫氣易于擴散，擴散速度是天然氣4倍，爆炸濃度要求高，不易達到。

（4）應(yīng)用廣。氫燃料電池主要應(yīng)用于便攜式、運輸、固定等領(lǐng)域，既適用于小型便攜式電源如手機、筆記本電腦等，也可用作分布式的電源，還可作為集中電源。

（5）氫源豐富多樣。氫是二次能源，既可以產(chǎn)自煤化工化石能源，也可以來自工業(yè)副產(chǎn)氣，還可以是可再生能源生物質(zhì)、風(fēng)電光伏發(fā)電結(jié)合的綠氫。

3 氫燃料電池系統(tǒng)檢測技術(shù)

氫燃料電池系統(tǒng)復(fù)雜，屬于多輸入、多輸出的非線性系統(tǒng)，而且電力電子設(shè)備以及各類元器件繁多，所處的環(huán)境惡劣，如果受到電磁干擾，在實際應(yīng)用中可能會發(fā)生事故，尤其是氫氣易燃易爆，一旦泄漏后果嚴重。因此，對氫燃料電池開展安全檢測，可以促進其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

3.1 氫燃料電池故障檢測

向德等人提出一種基于粒子群優(yōu)化的支持向量機的拉普拉斯分值特征選擇（PSO-SVM）對氫燃料電池故障進行檢測[2]。針對氫燃料電池故障時，內(nèi)阻信號發(fā)生變化，基于拉普拉斯分值方法，得到電阻的有效特征，并基于粒子群優(yōu)化的支持向量機方法，對汽水分離器、膜電極、溫控閥等的故障進行檢測。該研究與多層感知機、隨機森林等常見故障檢測模型進行了比較，該模型對非線性分類能力很強，故障率識別達到了98.7%。

3.2 氫燃料電池質(zhì)子膜氫氣透過率測定方法

張尊彪等人從測試裝置和測試條件方面改進了現(xiàn)有的氫氣透過率測試方法，對氫氣透過率測試實現(xiàn)了在線監(jiān)測，現(xiàn)有檢測結(jié)果提高了測試精度和測試效率。具體做法是：將燃料電池帶有密封膠圈的單電池的質(zhì)子膜置于測試裝置中間，使氮氣和氫氣從兩側(cè)流入，氣體的濕度和溫度通過溫濕度加熱裝置來維持，并控制流量氣壓與質(zhì)子膜一致，通過導(dǎo)管與氣相色譜儀相連，取樣測氫含量，從而計算氫透過率。對于連續(xù)取樣和注入檢測，取氫峰面積基本不隨時間變化的穩(wěn)定值作為質(zhì)子膜的最終氫透過率計算值[5]。

3.3 氫泄漏分析及檢測技術(shù)

氫燃料電池系統(tǒng)中，氫穿透性強，易泄漏。在實際工程中，生產(chǎn)、儲存、運輸以及使用等全過程中，泄漏可達10%～20%。又因為是氫氧混合物，燃燒比大，著火點低，易爆，因此在狹小空間內(nèi)必須實時對氫泄漏進行監(jiān)測。中國艦船研究設(shè)計中心提出了一種基于無線信號衰減特性的氫泄漏點經(jīng)驗定位算法，提高了安全性[6]。根據(jù)實際情況，潛艇用氫燃料電池使用和存儲氫氣需要在密閉空間內(nèi)進行，基于氫氣擴散以及泄漏特性，利用數(shù)學(xué)和物理分析方法，分析和計算了氫氣在受限空間中的泄漏和擴散特性，研究了氫氣快速泄漏和在短時間內(nèi)達到危險濃度的特性。

3.4 氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測

天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的韓冬林對氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測裝置進行了研究設(shè)計[7]。研究認為，現(xiàn)有氫燃料電池的技術(shù)缺陷主要有兩方面，即膜電極單元的電壓檢測裝置和控制軟件。基于燃料電池堆主控單元發(fā)送的同步脈沖信號，利用同步脈沖觸發(fā)方法，得到同步并行電壓數(shù)據(jù)，結(jié)合燃料電池堆的壓力和溫度的同步數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池堆膜電極單體電壓的準確、同步檢測[7]。

4 結(jié) 語

本文對氫燃料電池系統(tǒng)及前沿技術(shù)進行了研究及綜述，對氫燃料電池及鋰電池進行了比對，并對氫燃料電池系統(tǒng)安全檢測技術(shù)進行了綜述。目前，我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化仍不完善，任重而道遠。由于缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)，氫燃料電池系統(tǒng)的安全性和可靠性有待提高，工業(yè)技術(shù)標準和檢測體系有待完善。這不僅需要行業(yè)加強研發(fā)，也需要國家政策的進一步支持和指導(dǎo)，做好產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，推進我國氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。