孔晨華，張建軍，李 旺，安泰康

（國網(wǎng)蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730070）

燃料電池是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，在電化學(xué)反應(yīng)的作用下，能量轉(zhuǎn)換進(jìn)展得十分迅速。其工作原理與二次電池及原電池較為相似，但在反應(yīng)過程中，燃料氣與氧化氣相接觸所發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)不會被直接排出，因此該類型電池屬于轉(zhuǎn)化裝置，能夠?qū)δ芰窟M(jìn)行存儲[1]。此外，燃料電池的電極和電解質(zhì)都不直接參與到反應(yīng)之中。近年來，利用無人機(jī)完成高壓輸電線路驗(yàn)電，成為了各大電力組織的重點(diǎn)研究方向，相關(guān)機(jī)構(gòu)認(rèn)為將燃料電池應(yīng)用于無人機(jī)高壓輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)中，既可以實(shí)現(xiàn)能量的高效利用，也不會造成不安全的用電問題，為驗(yàn)證上述猜想的可行性，展開如下研究。

1 燃料電池原理概述

1.1 燃料電池組成結(jié)構(gòu)

燃料電池由正、負(fù)極材料、電解質(zhì)及催化劑組成，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 燃料電池組成Fig.1 Fuel cell composition

H2作為燃燒原料，在催化劑作用下于負(fù)極材料表面進(jìn)行燃燒反應(yīng)。儲能過程中，催化反應(yīng)不斷進(jìn)行，一方面使得燃料電池內(nèi)所累積的電信號數(shù)量不斷增加，另一方面電池組結(jié)構(gòu)的帶電等級也會不斷增大[2]。相較于其他類型的電池，燃料電池對于能量的存儲與轉(zhuǎn)化能量更強(qiáng)，即便在氣體不完全燃燒的情況下，只要確保電離子具有足夠的轉(zhuǎn)存空間，該類型電池就可以為無人機(jī)高壓輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)提供大量的電力傳輸信號。

1.2 燃料電池工作原理

燃料電池提供電量之前，氫氣穿過集流板，直接抵達(dá)氣體擴(kuò)散層，此時(shí)催化劑會使氫分子失去電子，成為游蕩的氫離子。氫離子的游蕩，必然促進(jìn)燃料電池儲能量的增大。隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，能量信號在電解質(zhì)溶液中的累積量也會不斷增大，由于電池供電過程中，負(fù)極材料所進(jìn)行的反應(yīng)不會發(fā)生中斷，所以負(fù)極材料必須具有極強(qiáng)的電量存儲能力，只有這樣才不會使燃料電池對無人機(jī)高壓輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)的電力供應(yīng)發(fā)生中斷。

具體的燃料電池工作原理如下述化學(xué)方程式所示。

燃料電池供電過程中，只有氫氣、氧氣參與反應(yīng)，在發(fā)生反應(yīng)后，所生產(chǎn)物質(zhì)只生成水，無污染且無碳排放，因此該類型電池在具有較高能量轉(zhuǎn)換率的同時(shí)，還不會對環(huán)境造成污染。

2 燃料電池儲能特性

2.1 正極儲能特性

燃料電池是一種特殊的化學(xué)儲能設(shè)備，通常是通過化學(xué)反應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，然后再將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能來釋放所儲存的能量，其整個(gè)過程均由燃料電池的正極材料完成。電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能的過程中，燃料電池正極快速向外釋放帶有正電荷的電離子，在電解或其他化學(xué)反應(yīng)的作用下，這些離子向著電池負(fù)極不斷移動，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束時(shí)，燃料電池的正極材料也就實(shí)現(xiàn)了一次完整的電力儲能。具體的燃料電池正極儲能流程如圖2所示。

圖2 燃料電池正極儲能流程Fig.2 Fuel cell positive electrode energy storage process

2.2 負(fù)極儲能特性

燃料電池負(fù)極儲能特性與正極相反。當(dāng)負(fù)極材料接收到電離子之后，會快速進(jìn)行由化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)換，此過程能夠產(chǎn)生大量的傳輸電流，而這些電流則可以驅(qū)動無人機(jī)高壓輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)的順利運(yùn)行[3]。燃料電池儲能過程中，負(fù)極所產(chǎn)生的能量信號會被驗(yàn)電系統(tǒng)不斷消耗，所以儲能過程中，不會發(fā)生化學(xué)能及電能的過量存儲問題。

3 無人機(jī)高壓輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)中燃料電池的應(yīng)用

燃料電池在無人機(jī)高壓輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)中的主要應(yīng)用，就是利用儲能信號對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行供電。相較于其他類型的化學(xué)儲能元件，燃料電池中電力信號的轉(zhuǎn)化效率更高，只要確?；瘜W(xué)反應(yīng)能夠提供足量的化學(xué)能，則電池組件的能量存儲能力就能夠得到保障。

規(guī)定ω表示能量轉(zhuǎn)化參數(shù)，ΔE表示燃料電池在單位時(shí)間內(nèi)所能存儲的電能總量，q表示儲能信號的帶電特征，E→表示實(shí)時(shí)儲能向量，聯(lián)立上述物理量，可將燃料電池在無人機(jī)高壓輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)中功能強(qiáng)度表示為：

此外，在電能、化學(xué)能同時(shí)存在的情況下，燃料電池優(yōu)先將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，在確保電能信號已得到完全轉(zhuǎn)化后，當(dāng)前所存儲化學(xué)能可被全部用來驅(qū)動無人機(jī)高壓輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)。完成上述轉(zhuǎn)化后，燃料電池利用剩余化學(xué)能進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，以確保驗(yàn)電系統(tǒng)所需電力信號能夠得到穩(wěn)定供應(yīng)。由于儲能過程中，電能、化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)換不斷進(jìn)行，所以燃料電池必須具有高水平的儲能能力。

對于燃料電池儲能能力的評估參考式(2)：

式中，β表示燃料電池的供能參數(shù)，I表示燃料電池的額定電流，U表示燃料電池的額定電壓，τ表示化學(xué)能儲能向量，υ表示電能儲能向量，y?表示瞬時(shí)儲能功率。

為保證無人機(jī)高壓輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，也有一部分燃料電池會配合超級電容器，完成對能量的存儲。配合超級電容器的燃料電池在獨(dú)立電場中完成對能量的存儲，所謂超級電容是指一個(gè)電容水平極高的電阻設(shè)備，當(dāng)無人機(jī)高壓輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)需要儲能時(shí)，多余的電能信號會被用來充電，而當(dāng)實(shí)時(shí)傳輸電量能夠滿足無人機(jī)高壓輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)所需電力需求時(shí)，剩余電量則會被暫時(shí)存儲于燃料電池之中，以便于對下次驗(yàn)電任務(wù)進(jìn)行供電[4]。相較于單純的燃料電池儲能，在超級電容器的作用下，整個(gè)儲能系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到了大幅提升，且其安全性等級相對較高，在儲能過程中不會出現(xiàn)漏電或電力擊穿等問題。

4 結(jié)論與展望

在無人機(jī)高壓輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)中，燃料電池具有十分廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)手段的快速發(fā)展，燃料電池在無人機(jī)高壓輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)中的應(yīng)用將會更加廣泛且成熟。

首先，燃料電池的續(xù)航能力更強(qiáng)、能量密度更高，可以滿足無人機(jī)長時(shí)間巡檢高壓輸電線路的需求；其次，燃料電池所帶來的環(huán)境污染與噪聲污染相對較小。相較于傳統(tǒng)的汽油或柴油型供電設(shè)備，燃料電池以甲醇、氫氣等清潔能源作為燃料，不會對周圍環(huán)境及居民造成不良影響；最后，燃料電池的使用壽命較長，且在能源補(bǔ)充方面具有便捷性與迅速性，長期使用下來，其經(jīng)濟(jì)適用性也就被凸顯出來。

綜上所述，燃料電池在無人機(jī)高壓輸電線路驗(yàn)電系統(tǒng)中具有極為廣闊的應(yīng)用前景，在不遠(yuǎn)的將來，搭載燃料電池的無人機(jī)必將成為高壓輸電線路巡檢的重要工具，而這也將為電力行業(yè)的智能化發(fā)展做出貢獻(xiàn)。