燃料电池汽车到底靠不靠谱？真空泄漏检测才是关键！

作者|iVacuum 来源|iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)

当前人类建立在以消耗煤炭、石油、天然气为主的不可再生能源基础之上的经济发展模式，导致了日益突出的环境污染和温室效应问题。为实现人类社会可持续发展，建立人与自然的和谐关系，发展清洁高效的绿色能源，成为世界各国高度关注的课题。

氢气因其热能转化效率高、来源广泛且与反应产物为水，干净无污染等优点，成为人类青睐的主要能源。氢能的能量密度（140MJ/kg）是石油的3倍、煤炭的4.5倍，被视为未来能源革命的颠覆性技术方向，其资源优势推动了氢气制备、储藏、运输等技术的快速发展。

在氢能源革命的趋势下，全球各国高度重视氢燃料电池技术，将其视为实现氢能利用的先决条件。为了推动燃料电池技术的研发、示范和商业化应用，美国与欧盟制定了《全面能源战略》、《欧盟氢能战略》，日本提出《氢能/燃料电池战略发展路线图》。我国也相继出台“三横三纵”、《能源技术革命创新行动计划（2016—2030）》、《汽车产业中长期发展规划》（2017年）等国家政策文件，启动了国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”重点专项，将燃料电池技术列为“十四五”时期能源技术装备重点任务，成为实现2030年碳达峰、2060年碳中和的主要举措。

氢能及燃料电池技术有望大规模应用在汽车、便携式发电和固定发电站等领域。研究表明，燃料电池电动汽车是减少温室气体排放、降低石油使用量的最有效路径之一。目前，洁净电站、便携式电源即将进入商业化阶段，燃料电池动力汽车进入实验阶段。未来，燃料电池将加速普及，市场规模不断扩大。预计到2026年，全球燃料电池行业市场规模将达到110亿美元。

▲ 2012-2020年全球燃料电池行业市场规模迅速增长，从2012年的4.68亿美元上升至2020年的36.92亿美元。图片来源：中汽协，华经产业研究院整理

双碳政策的推进让我国氢能源车产量销量增长迅速。2016-2019年产量复合年均增长率达到65%，2020年受疫情影响略有滑坡，2021年销量达1586辆。2022年1、2月氢能源汽车销量分别为355辆和370辆，行业发展迅速。

▲ 图片来源：中汽协，华经产业研究院整理

随着各国达到碳排放目标年的临近，燃料电池电动汽车市场将在未来几年内爆发性增长。整个氢气供应链，从源头气体生产到带有管道和油罐车的输送网络，再到燃料站和加油站终端网络，目前都在规划和建设之中。

▲ 根据数据显示，截止2021年底，我国加氢站已建成218座。我国加氢站数量的快速增长是燃料电池汽车发展的关键因素。

▲ 南京市首条氢能源公交示范线正式开通，据悉此条示范线路将投放11辆氢燃料电池城市客车，并建设南京首个商用加氢站。

燃料电池是什么  

作为如今实现氢能应用的核心技术，燃料电池技术已经成为国内外科研团队的主要课题。那么究竟什么是燃料电池呢？

燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。它由由两块端板组成，在这两块端板之间组装了大约400块双极板。导电双极板将阳极与相邻电池的阴极连接起来，一侧是氧气气体通道，另一侧是氢气气体通道。在双极板内部有一个冷却剂通道，含有低传导性的冷却剂。

电池工作时，氢分子在阳极一侧的铂金催化剂上被分裂成质子和电子。由于膜电解质层只允许带正电的氢离子通过，电子必须通过电缆走到阴极，从而产生电荷，用来提供动力和热量。作为反应的结果，水在阴极由质子、电子和氧气结合形成。

▲ 燃料电池工作原理图 图片来源：普发真空《密封性至关重要-为燃料电池开发高质量的检漏方案》

燃料电池反应化学方程式：

丨阳极反应：H2(g)=2H+(aq)+2e-

丨阴极反应：2H+(aq)+1/2 O2(g) +2e-=H2O

丨总反应：H2(g)+ 1/2 O2(g)= H2O（放热）

相比于传统发电电池系统，燃料电池具有发电效率高（理论发电效率可达到85%~90%），环境污染小（极大减少二氧化碳的排放量），比能量高（液氢燃料电池的比能量是镍镉电池的800倍），辐射少，燃料范围广（含有氢原子的物质都可作为燃料），可靠性高，噪音小（运行没有移动部件，更加安静可靠）等突出优势，未来其应用领域将会越来越广阔。

燃料电池与真空检漏  

然而，氢气属于易燃气体，从高压氢气罐、氢气管道和氢气再循环系统，到产生电能的双极板和小尺寸的储能锂离子电池（用作能量的临时储存），燃料电池汽车内部的许多部件必须经过严苛的泄漏检测过程，以确保成品汽车满足高水平的安全、操作性能和环保要求。这里就需要真空检漏技术一展身手了。

● 燃料电池系统的泄漏检测：

▲ 燃料电池电动汽车 (FCEV) 的主要部件 图片来源：普发真空

❶ 通过采用示踪气体检漏、微流检漏或两者结合的方式，可以根据个性化需求定制双极板的气密性控制；

❷ 燃料电池堆组装后，泄漏检测对于后续生产流程至关重要。可以通过整体微流测试方法或局部示踪气体测试，检查电池堆完整性，包括单个电池机械损伤以及夹紧装置的均匀力度分布；

❸ 储罐材料和燃料电池中使用的密封件必须经过特性分析和泄漏测试；

❹ 氢回路中的许多组件，如喷射阀或循环泵，都要经过泄漏测试。

● 电池堆的泄漏检测

燃料电池的泄漏会发生在内部或外部的环境中。压力梯度决定了泄漏的方向（从高压到低压）。因此，泄漏的影响分为：①对泄漏产生的通道的影响，②对被外来介质污染的通道的影响。

▲ 燃料电池堆的泄漏情况：每个通道有三种不同的泄漏可能性，一种是向环境泄漏，另两种是进入其他介质通道；图片来源：普发真空《密封性至关重要-为燃料电池开发高质量的检漏方案》

● 燃料电池泄漏的影响：

❶ 泄漏到环境中，氢气会积累成爆炸性的混合气体；

❷ 冷却剂的泄漏可能导致电气短路；

❸ 氢气和氧气泄漏到冷却通道中会形成气泡，过热并损坏泵体；

❹ 冷却剂进入氢气或氧气回路，就形成堵塞，影响工作效率；

❺ 氢气和氧气通道之间泄漏会导致设备失控。

综上所述，针对不同部件的检漏，应定义合理的泄漏率，并且选择正确的测量方向和方法。并非所有检漏方法都需要真空，例如，微流或气泡测试测量只需在周围空气环境下基于空气即可。但是，如果需要检测的泄漏率小于10-5 mbar l/s，则基于空气的方法确实会遇到局限或困难。

普发真空为燃料电池开发高质量检漏方案  

作为国际先进的真空技术供应商，普发真空从21世纪初就前瞻到氢燃料汽车的市场前景，并与全球知名汽车制造商合作，在氢动力汽车原型上进行了严格的氢管道泄漏检测。

普发真空还致力于氢燃料站的开发，助力氢燃料汽车的快速发展。因此，无论是针对燃料电池发动机的泄漏检测，还是针对燃料电池系统的泄漏检测，普发真空都积累了广泛的经验。

▲ 适用于燃料电池的泄漏检测方法概述  图片来源：普发真空《密封性至关重要-为燃料电池开发高质量的检漏方案》

根据行业所需，普发真空提供了整套基于示踪气体如氦气、合成气体或空气检漏系统所需的所有组件。例如 HiPace 涡轮泵或通用型 HiLobe 罗茨泵，可构成氦气或氢气检测（ASI 35）或基于空气（E-PDQ）的高灵活模块化检漏仪以及其他真空组件。

编者按：本文转载自微信公众号：iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)，作者：iVacuum