氢燃料电池系统特点及其安全检测技术研究

杨 帅

（国家广播电视产品质量检验检测中心，北京 100015）

0 引 言

最近100年来，全球CO2排放严重，气候逐渐变暖，给人类生存环境带来巨大挑战。为了应对此问题，我国提出了“双碳”国策，将氢储能做为“十四五”重点研发项目。氢能被认为是实现双碳的最理想能源，具有零污染、高热量、储量丰富的优势。目前，氢能的主要应用之一是交通领域的氢燃料电池汽车，本质是发电装置，以氢气为燃料，将氢气的化学能通过电化学反应转为电能，此过程效率高、无噪声、零碳排放[1-2]。

美国、日本、欧洲的“氢能经济”相应规划了 《全面能源战略》《氢能/燃料电池战略发展路线图》《欧盟氢能战略》，从而推动氢燃料电池产业的健康可持续发展。我国制定的促进氢能产业健康发展的重大战略主要有：

（1）2001年，发展电动汽车的“863计划”中，“三纵三横”战略强调了重点发展氢能燃料电池；

（2）2017 年，国家的《汽车产业中长期发展规 划》明确规定将氢燃料电池汽车作为重要发展对象；

（3）2020年，“可再生能源与氢能技术”国家重点研发专项，重点突破氢燃料电池关键技术；

（4）2021年，氢燃料电池技术成为“十四五”能源重点任务。自2021年，我国“十四五”大力发展氢能，全国各地都在实施氢能发展规划。2022年北京冬奥会，氢燃料电池公交车共816辆，占比20%，是世界最大规模的示范应用。这些电池在几分钟之内即可实现氢燃料加注，平均续航600 km以上。

欧阳晓平作为中国工程院院士，在其著作《氢燃料电池技术发展现状及未来展望》[2]中表示，目前氢燃料电池技术发展缓慢，到了技术发展瓶颈期，后面将迎来井喷发展，成本将逐步随着技术和规模下降，预计在2030年，成本将降至目前的50%，氢燃料电池汽车将突破100万辆。新能源富余的长城以北、西部以及西北等区域有望成为氢燃料电池市场的突破口。

本文对氢燃料电池系统及其安全检测进行了研究，与锂电池进行比较，并对氢燃料电池检测技术进行了综述，最后提出了发展建议。

1 氢燃料电池系统

氢燃料电池是发电装置，主要包括氢气制备、储藏及运输等技术。氢燃料电池与锂电池的不同之处在于其系统复杂，整体主要包括电堆和系统两大部件。其中核心是电堆，包括各电池单元、集流板、端板及密封圈等部件。系统包括空压机、增湿器、循环泵以及氢瓶四部分。电池单元包括膜电极和双极板，质子交换膜、催化剂、气体扩散层是膜电极的关键，影响燃料电池使用寿命。近年来，氢燃料电池技术研究集中在电堆、双极板、控制技术等方面，系统及前沿技术如图1所示[3]。

2 氢燃料电池特点

氢燃料电池主要有以下特点[4]。

（1）效率高。由于不受卡诺循环限制，氢、氧燃料通过电化学反应将化学能转换成电能，转换率高达80%～90%，是煤等燃料的2～3倍，锂电池的10倍以上。充气时间短，只需几分钟，而续航可高达800 km。

（2）无污染。氢气和氧气反应转化成水，此反应无噪声、无机械、无污染，能够实现零碳排放。

（3）高安全。氢气易于扩散，扩散速度是天然气4倍，爆炸浓度要求高，不易达到。

（4）应用广。氢燃料电池主要应用于便携式、运输、固定等领域，既适用于小型便携式电源如手机、笔记本电脑等，也可用作分布式的电源，还可作为集中电源。

（5）氢源丰富多样。氢是二次能源，既可以产自煤化工化石能源，也可以来自工业副产气，还可以是可再生能源生物质、风电光伏发电结合的绿氢。

3 氢燃料电池系统检测技术

氢燃料电池系统复杂，属于多输入、多输出的非线性系统，而且电力电子设备以及各类元器件繁多，所处的环境恶劣，如果受到电磁干扰，在实际应用中可能会发生事故，尤其是氢气易燃易爆，一旦泄漏后果严重。因此，对氢燃料电池开展安全检测，可以促进其产业化发展。

3.1 氢燃料电池故障检测

向德等人提出一种基于粒子群优化的支持向量机的拉普拉斯分值特征选择（PSO-SVM）对氢燃料电池故障进行检测[2]。针对氢燃料电池故障时，内阻信号发生变化，基于拉普拉斯分值方法，得到电阻的有效特征，并基于粒子群优化的支持向量机方法，对汽水分离器、膜电极、温控阀等的故障进行检测。该研究与多层感知机、随机森林等常见故障检测模型进行了比较，该模型对非线性分类能力很强，故障率识别达到了98.7%。

3.2 氢燃料电池质子膜氢气透过率测定方法

张尊彪等人从测试装置和测试条件方面改进了现有的氢气透过率测试方法，对氢气透过率测试实现了在线监测，现有检测结果提高了测试精度和测试效率。具体做法是：将燃料电池带有密封胶圈的单电池的质子膜置于测试装置中间，使氮气和氢气从两侧流入，气体的湿度和温度通过温湿度加热装置来维持，并控制流量气压与质子膜一致，通过导管与气相色谱仪相连，取样测氢含量，从而计算氢透过率。对于连续取样和注入检测，取氢峰面积基本不随时间变化的稳定值作为质子膜的最终氢透过率计算值[5]。

3.3 氢泄漏分析及检测技术

氢燃料电池系统中，氢穿透性强，易泄漏。在实际工程中，生产、储存、运输以及使用等全过程中，泄漏可达10%～20%。又因为是氢氧混合物，燃烧比大，着火点低，易爆，因此在狭小空间内必须实时对氢泄漏进行监测。中国舰船研究设计中心提出了一种基于无线信号衰减特性的氢泄漏点经验定位算法，提高了安全性[6]。根据实际情况，潜艇用氢燃料电池使用和存储氢气需要在密闭空间内进行，基于氢气扩散以及泄漏特性，利用数学和物理分析方法，分析和计算了氢气在受限空间中的泄漏和扩散特性，研究了氢气快速泄漏和在短时间内达到危险浓度的特性。

3.4 氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测

天津中德应用技术大学的韩冬林对氢燃料电池堆膜电极单体电压同步检测装置进行了研究设计[7]。研究认为，现有氢燃料电池的技术缺陷主要有两方面，即膜电极单元的电压检测装置和控制软件。基于燃料电池堆主控单元发送的同步脉冲信号，利用同步脉冲触发方法，得到同步并行电压数据，结合燃料电池堆的压力和温度的同步数据，能够实现燃料电池堆膜电极单体电压的准确、同步检测[7]。

4 结 语

本文对氢燃料电池系统及前沿技术进行了研究及综述，对氢燃料电池及锂电池进行了比对，并对氢燃料电池系统安全检测技术进行了综述。目前，我国氢燃料电池产业化仍不完善，任重而道远。由于缺乏自主知识产权，氢燃料电池系统的安全性和可靠性有待提高，工业技术标准和检测体系有待完善。这不仅需要行业加强研发，也需要国家政策的进一步支持和指导，做好产业规划，推进我国氢能产业可持续健康发展。