楊 帥

（國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心，北京 100015）

0 引 言

最近100年來(lái)，全球CO2排放嚴(yán)重，氣候逐漸變暖，給人類生存環(huán)境帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)此問(wèn)題，我國(guó)提出了“雙碳”國(guó)策，將氫儲(chǔ)能做為“十四五”重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目。氫能被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)雙碳的最理想能源，具有零污染、高熱量、儲(chǔ)量豐富的優(yōu)勢(shì)。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(guò)電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)為電能，此過(guò)程效率高、無(wú)噪聲、零碳排放[1-2]。

美國(guó)、日本、歐洲的“氫能經(jīng)濟(jì)”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(dòng)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)制定的促進(jìn)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(dòng)汽車的“863計(jì)劃”中，“三縱三橫”戰(zhàn)略強(qiáng)調(diào)了重點(diǎn)發(fā)展氫能燃料電池；

（2）2017 年，國(guó)家的《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)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(duì)象；

（3）2020年，“可再生能源與氫能技術(shù)”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)，重點(diǎn)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(diǎn)任務(wù)。自2021年，我國(guó)“十四五”大力發(fā)展氫能，全國(guó)各地都在實(shí)施氫能發(fā)展規(guī)劃。2022年北京冬奧會(huì)，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(shí)現(xiàn)氫燃料加注，平均續(xù)航600 km以上。

歐陽(yáng)曉平作為中國(guó)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(lái)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(lái)井噴發(fā)展，成本將逐步隨著技術(shù)和規(guī)模下降，預(yù)計(jì)在2030年，成本將降至目前的50%，氫燃料電池汽車將突破100萬(wàn)輛。新能源富余的長(zhǎng)城以北、西部以及西北等區(qū)域有望成為氫燃料電池市場(chǎng)的突破口。

本文對(duì)氫燃料電池系統(tǒng)及其安全檢測(cè)進(jìn)行了研究，與鋰電池進(jìn)行比較，并對(duì)氫燃料電池檢測(cè)技術(shù)進(jìn)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(chǔ)藏及運(yùn)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(jī)、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(kuò)散層是膜電極的關(guān)鍵，影響燃料電池使用壽命。近年來(lái)，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(diǎn)

氫燃料電池主要有以下特點(diǎn)[4]。

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

（2）無(wú)污染。氫氣和氧氣反應(yīng)轉(zhuǎn)化成水，此反應(yīng)無(wú)噪聲、無(wú)機(jī)械、無(wú)污染，能夠?qū)崿F(xiàn)零碳排放。

（3）高安全。氫氣易于擴(kuò)散，擴(kuò)散速度是天然氣4倍，爆炸濃度要求高，不易達(dá)到。

（4）應(yīng)用廣。氫燃料電池主要應(yīng)用于便攜式、運(yùn)輸、固定等領(lǐng)域，既適用于小型便攜式電源如手機(jī)、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(lái)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(cè)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(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)發(fā)生事故，尤其是氫氣易燃易爆，一旦泄漏后果嚴(yán)重。因此，對(duì)氫燃料電池開展安全檢測(cè)，可以促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

3.1 氫燃料電池故障檢測(cè)

向德等人提出一種基于粒子群優(yōu)化的支持向量機(jī)的拉普拉斯分值特征選擇（PSO-SVM）對(duì)氫燃料電池故障進(jìn)行檢測(cè)[2]。針對(duì)氫燃料電池故障時(shí)，內(nèi)阻信號(hào)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(jī)方法，對(duì)汽水分離器、膜電極、溫控閥等的故障進(jìn)行檢測(cè)。該研究與多層感知機(jī)、隨機(jī)森林等常見故障檢測(cè)模型進(jìn)行了比較，該模型對(duì)非線性分類能力很強(qiáng)，故障率識(shí)別達(dá)到了98.7%。

3.2 氫燃料電池質(zhì)子膜氫氣透過(guò)率測(cè)定方法

張尊彪等人從測(cè)試裝置和測(cè)試條件方面改進(jìn)了現(xiàn)有的氫氣透過(guò)率測(cè)試方法，對(duì)氫氣透過(guò)率測(cè)試實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)，現(xiàn)有檢測(cè)結(jié)果提高了測(cè)試精度和測(cè)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(cè)試裝置中間，使氮?dú)夂蜌錃鈴膬蓚?cè)流入，氣體的濕度和溫度通過(guò)溫濕度加熱裝置來(lái)維持，并控制流量氣壓與質(zhì)子膜一致，通過(guò)導(dǎo)管與氣相色譜儀相連，取樣測(cè)氫含量，從而計(jì)算氫透過(guò)率。對(duì)于連續(xù)取樣和注入檢測(cè)，取氫峰面積基本不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定值作為質(zhì)子膜的最終氫透過(guò)率計(jì)算值[5]。

3.3 氫泄漏分析及檢測(cè)技術(shù)

氫燃料電池系統(tǒng)中，氫穿透性強(qiáng)，易泄漏。在實(shí)際工程中，生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及使用等全過(guò)程中，泄漏可達(dá)10%～20%。又因?yàn)槭菤溲趸旌衔?，燃燒比大，著火點(diǎn)低，易爆，因此在狹小空間內(nèi)必須實(shí)時(shí)對(duì)氫泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)。中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心提出了一種基于無(wú)線信號(hào)衰減特性的氫泄漏點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)定位算法，提高了安全性[6]。根據(jù)實(shí)際情況，潛艇用氫燃料電池使用和存儲(chǔ)氫氣需要在密閉空間內(nèi)進(jìn)行，基于氫氣擴(kuò)散以及泄漏特性，利用數(shù)學(xué)和物理分析方法，分析和計(jì)算了氫氣在受限空間中的泄漏和擴(kuò)散特性，研究了氫氣快速泄漏和在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到危險(xiǎn)濃度的特性。

3.4 氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測(cè)

天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的韓冬林對(duì)氫燃料電池堆膜電極單體電壓同步檢測(cè)裝置進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)[7]。研究認(rèn)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(cè)裝置和控制軟件?；谌剂想姵囟阎骺貑卧l(fā)送的同步脈沖信號(hào)，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(zhǔn)確、同步檢測(cè)[7]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)氫燃料電池系統(tǒng)及前沿技術(shù)進(jìn)行了研究及綜述，對(duì)氫燃料電池及鋰電池進(jìn)行了比對(duì)，并對(duì)氫燃料電池系統(tǒng)安全檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了綜述。目前，我國(guó)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化仍不完善，任重而道遠(yuǎn)。由于缺乏自主知識(shí)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(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)體系有待完善。這不僅需要行業(yè)加強(qiáng)研發(fā)，也需要國(guó)家政策的進(jìn)一步支持和指導(dǎo)，做好產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，推進(jìn)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。