燃料電池汽車到底靠不靠譜？真空泄漏檢測(cè)才是關(guān)鍵！

作者|iVacuum 來源|iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)

當(dāng)前人類建立在以消耗煤炭、石油、天然氣為主的不可再生能源基礎(chǔ)之上的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，導(dǎo)致了日益突出的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)問題。為實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，建立人與自然的和諧關(guān)系，發(fā)展清潔高效的綠色能源，成為世界各國高度關(guān)注的課題。

氫氣因其熱能轉(zhuǎn)化效率高、來源廣泛且與反應(yīng)產(chǎn)物為水，干凈無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為人類青睞的主要能源。氫能的能量密度（140MJ/kg）是石油的3倍、煤炭的4.5倍，被視為未來能源革命的顛覆性技術(shù)方向，其資源優(yōu)勢(shì)推動(dòng)了氫氣制備、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)的快速發(fā)展。

在氫能源革命的趨勢(shì)下，全球各國高度重視氫燃料電池技術(shù)，將其視為實(shí)現(xiàn)氫能利用的先決條件。為了推動(dòng)燃料電池技術(shù)的研發(fā)、示范和商業(yè)化應(yīng)用，美國與歐盟制定了《全面能源戰(zhàn)略》、《歐盟氫能戰(zhàn)略》，日本提出《氫能/燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》。我國也相繼出臺(tái)“三橫三縱”、《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030）》、《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》（2017年）等國家政策文件，啟動(dòng)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)，將燃料電池技術(shù)列為“十四五”時(shí)期能源技術(shù)裝備重點(diǎn)任務(wù)，成為實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的主要舉措。

氫能及燃料電池技術(shù)有望大規(guī)模應(yīng)用在汽車、便攜式發(fā)電和固定發(fā)電站等領(lǐng)域。研究表明，燃料電池電動(dòng)汽車是減少溫室氣體排放、降低石油使用量的最有效路徑之一。目前，潔凈電站、便攜式電源即將進(jìn)入商業(yè)化階段，燃料電池動(dòng)力汽車進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。未來，燃料電池將加速普及，市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。預(yù)計(jì)到2026年，全球燃料電池行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到110億美元。

▲ 2012-2020年全球燃料電池行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模迅速增長，從2012年的4.68億美元上升至2020年的36.92億美元。圖片來源：中汽協(xié)，華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院整理

雙碳政策的推進(jìn)讓我國氫能源車產(chǎn)量銷量增長迅速。2016-2019年產(chǎn)量復(fù)合年均增長率達(dá)到65%，2020年受疫情影響略有滑坡，2021年銷量達(dá)1586輛。2022年1、2月氫能源汽車銷量分別為355輛和370輛，行業(yè)發(fā)展迅速。

▲ 圖片來源：中汽協(xié)，華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院整理

隨著各國達(dá)到碳排放目標(biāo)年的臨近，燃料電池電動(dòng)汽車市場(chǎng)將在未來幾年內(nèi)爆發(fā)性增長。整個(gè)氫氣供應(yīng)鏈，從源頭氣體生產(chǎn)到帶有管道和油罐車的輸送網(wǎng)絡(luò)，再到燃料站和加油站終端網(wǎng)絡(luò)，目前都在規(guī)劃和建設(shè)之中。

▲ 根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，截止2021年底，我國加氫站已建成218座。我國加氫站數(shù)量的快速增長是燃料電池汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。

▲ 南京市首條氫能源公交示范線正式開通，據(jù)悉此條示范線路將投放11輛氫燃料電池城市客車，并建設(shè)南京首個(gè)商用加氫站。

燃料電池是什么  

作為如今實(shí)現(xiàn)氫能應(yīng)用的核心技術(shù)，燃料電池技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)的主要課題。那么究竟什么是燃料電池呢？

燃料電池是將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。它由由兩塊端板組成，在這兩塊端板之間組裝了大約400塊雙極板。導(dǎo)電雙極板將陽極與相鄰電池的陰極連接起來，一側(cè)是氧氣氣體通道，另一側(cè)是氫氣氣體通道。在雙極板內(nèi)部有一個(gè)冷卻劑通道，含有低傳導(dǎo)性的冷卻劑。

電池工作時(shí)，氫分子在陽極一側(cè)的鉑金催化劑上被分裂成質(zhì)子和電子。由于膜電解質(zhì)層只允許帶正電的氫離子通過，電子必須通過電纜走到陰極，從而產(chǎn)生電荷，用來提供動(dòng)力和熱量。作為反應(yīng)的結(jié)果，水在陰極由質(zhì)子、電子和氧氣結(jié)合形成。

▲ 燃料電池工作原理圖 圖片來源：普發(fā)真空《密封性至關(guān)重要-為燃料電池開發(fā)高質(zhì)量的檢漏方案》

燃料電池反應(yīng)化學(xué)方程式：

丨陽極反應(yīng)：H2(g)=2H+(aq)+2e-

丨陰極反應(yīng)：2H+(aq)+1/2 O2(g) +2e-=H2O

丨總反應(yīng)：H2(g)+ 1/2 O2(g)= H2O（放熱）

相比于傳統(tǒng)發(fā)電電池系統(tǒng)，燃料電池具有發(fā)電效率高（理論發(fā)電效率可達(dá)到85%~90%），環(huán)境污染?。O大減少二氧化碳的排放量），比能量高（液氫燃料電池的比能量是鎳鎘電池的800倍），輻射少，燃料范圍廣（含有氫原子的物質(zhì)都可作為燃料），可靠性高，噪音?。ㄟ\(yùn)行沒有移動(dòng)部件，更加安靜可靠）等突出優(yōu)勢(shì)，未來其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)越來越廣闊。

燃料電池與真空檢漏  

然而，氫氣屬于易燃?xì)怏w，從高壓氫氣罐、氫氣管道和氫氣再循環(huán)系統(tǒng)，到產(chǎn)生電能的雙極板和小尺寸的儲(chǔ)能鋰離子電池（用作能量的臨時(shí)儲(chǔ)存），燃料電池汽車內(nèi)部的許多部件必須經(jīng)過嚴(yán)苛的泄漏檢測(cè)過程，以確保成品汽車滿足高水平的安全、操作性能和環(huán)保要求。這里就需要真空檢漏技術(shù)一展身手了。

● 燃料電池系統(tǒng)的泄漏檢測(cè)：

▲ 燃料電池電動(dòng)汽車 (FCEV) 的主要部件 圖片來源：普發(fā)真空

? 通過采用示蹤氣體檢漏、微流檢漏或兩者結(jié)合的方式，可以根據(jù)個(gè)性化需求定制雙極板的氣密性控制；

? 燃料電池堆組裝后，泄漏檢測(cè)對(duì)于后續(xù)生產(chǎn)流程至關(guān)重要?？梢酝ㄟ^整體微流測(cè)試方法或局部示蹤氣體測(cè)試，檢查電池堆完整性，包括單個(gè)電池機(jī)械損傷以及夾緊裝置的均勻力度分布；

? 儲(chǔ)罐材料和燃料電池中使用的密封件必須經(jīng)過特性分析和泄漏測(cè)試；

? 氫回路中的許多組件，如噴射閥或循環(huán)泵，都要經(jīng)過泄漏測(cè)試。

● 電池堆的泄漏檢測(cè)

燃料電池的泄漏會(huì)發(fā)生在內(nèi)部或外部的環(huán)境中。壓力梯度決定了泄漏的方向（從高壓到低壓）。因此，泄漏的影響分為：①對(duì)泄漏產(chǎn)生的通道的影響，②對(duì)被外來介質(zhì)污染的通道的影響。

▲ 燃料電池堆的泄漏情況：每個(gè)通道有三種不同的泄漏可能性，一種是向環(huán)境泄漏，另兩種是進(jìn)入其他介質(zhì)通道；圖片來源：普發(fā)真空《密封性至關(guān)重要-為燃料電池開發(fā)高質(zhì)量的檢漏方案》

● 燃料電池泄漏的影響：

? 泄漏到環(huán)境中，氫氣會(huì)積累成爆炸性的混合氣體；

? 冷卻劑的泄漏可能導(dǎo)致電氣短路；

? 氫氣和氧氣泄漏到冷卻通道中會(huì)形成氣泡，過熱并損壞泵體；

? 冷卻劑進(jìn)入氫氣或氧氣回路，就形成堵塞，影響工作效率；

? 氫氣和氧氣通道之間泄漏會(huì)導(dǎo)致設(shè)備失控。

綜上所述，針對(duì)不同部件的檢漏，應(yīng)定義合理的泄漏率，并且選擇正確的測(cè)量方向和方法。并非所有檢漏方法都需要真空，例如，微流或氣泡測(cè)試測(cè)量只需在周圍空氣環(huán)境下基于空氣即可。但是，如果需要檢測(cè)的泄漏率小于10-5 mbar l/s，則基于空氣的方法確實(shí)會(huì)遇到局限或困難。

普發(fā)真空為燃料電池開發(fā)高質(zhì)量檢漏方案  

作為國際先進(jìn)的真空技術(shù)供應(yīng)商，普發(fā)真空從21世紀(jì)初就前瞻到氫燃料汽車的市場(chǎng)前景，并與全球知名汽車制造商合作，在氫動(dòng)力汽車原型上進(jìn)行了嚴(yán)格的氫管道泄漏檢測(cè)。

普發(fā)真空還致力于氫燃料站的開發(fā)，助力氫燃料汽車的快速發(fā)展。因此，無論是針對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的泄漏檢測(cè)，還是針對(duì)燃料電池系統(tǒng)的泄漏檢測(cè)，普發(fā)真空都積累了廣泛的經(jīng)驗(yàn)。

▲ 適用于燃料電池的泄漏檢測(cè)方法概述  圖片來源：普發(fā)真空《密封性至關(guān)重要-為燃料電池開發(fā)高質(zhì)量的檢漏方案》

根據(jù)行業(yè)所需，普發(fā)真空提供了整套基于示蹤氣體如氦氣、合成氣體或空氣檢漏系統(tǒng)所需的所有組件。例如 HiPace 渦輪泵或通用型 HiLobe 羅茨泵，可構(gòu)成氦氣或氫氣檢測(cè)（ASI 35）或基于空氣（E-PDQ）的高靈活模塊化檢漏儀以及其他真空組件。

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)：iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)，作者：iVacuum