燃料電池在無人機高壓輸電線路驗電系統中的應用展望

孔晨華，張建軍，李 旺，安泰康

（國網蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730070）

燃料電池是將燃料的化學能轉換為電能的裝置，在電化學反應的作用下，能量轉換進展得十分迅速。其工作原理與二次電池及原電池較為相似，但在反應過程中，燃料氣與氧化氣相接觸所發生反應產生的物質不會被直接排出，因此該類型電池屬于轉化裝置，能夠對能量進行存儲[1]。此外，燃料電池的電極和電解質都不直接參與到反應之中。近年來，利用無人機完成高壓輸電線路驗電，成為了各大電力組織的重點研究方向，相關機構認為將燃料電池應用于無人機高壓輸電線路驗電系統中，既可以實現能量的高效利用，也不會造成不安全的用電問題，為驗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 燃料電池組成結構

燃料電池由正、負極材料、電解質及催化劑組成，其結構模型如圖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極材料表面進行燃燒反應。儲能過程中，催化反應不斷進行，一方面使得燃料電池內所累積的電信號數量不斷增加，另一方面電池組結構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化能量更強，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存空間，該類型電池就可以為無人機高壓輸電線路驗電系統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，直接抵達氣體擴散層，此時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，必然促進燃料電池儲能量的增大。隨著化學反應的進行，能量信號在電解質溶液中的累積量也會不斷增大，由于電池供電過程中，負極材料所進行的反應不會發生中斷，所以負極材料必須具有極強的電量存儲能力，只有這樣才不會使燃料電池對無人機高壓輸電線路驗電系統的電力供應發生中斷。

具體的燃料電池工作原理如下述化學方程式所示。

燃料電池供電過程中，只有氫氣、氧氣參與反應，在發生反應后，所生產物質只生成水，無污染且無碳排放，因此該類型電池在具有較高能量轉換率的同時，還不會對環境造成污染。

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儲能設備，通常是通過化學反應將電能轉換成化學能，然后再將化學能轉換成電能來釋放所儲存的能量，其整個過程均由燃料電池的正極材料完成。電能轉換成化學能的過程中，燃料電池正極快速向外釋放帶有正電荷的電離子，在電解或其他化學反應的作用下，這些離子向著電池負極不斷移動，當反應結束時，燃料電池的正極材料也就實現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 負極儲能特性

燃料電池負極儲能特性與正極相反。當負極材料接收到電離子之后，會快速進行由化學能到電能的轉換，此過程能夠產生大量的傳輸電流，而這些電流則可以驅動無人機高壓輸電線路驗電系統的順利運行[3]。燃料電池儲能過程中，負極所產生的能量信號會被驗電系統不斷消耗，所以儲能過程中，不會發生化學能及電能的過量存儲問題。

3 無人機高壓輸電線路驗電系統中燃料電池的應用

燃料電池在無人機高壓輸電線路驗電系統中的主要應用，就是利用儲能信號對系統運行進行供電。相較于其他類型的化學儲能元件，燃料電池中電力信號的轉化效率更高，只要確保化學反應能夠提供足量的化學能，則電池組件的能量存儲能力就能夠得到保障。

規定ω表示能量轉化參數，ΔE表示燃料電池在單位時間內所能存儲的電能總量，q表示儲能信號的帶電特征，E→表示實時儲能向量，聯立上述物理量，可將燃料電池在無人機高壓輸電線路驗電系統中功能強度表示為：

此外，在電能、化學能同時存在的情況下，燃料電池優先將電能轉換成化學能，在確保電能信號已得到完全轉化后，當前所存儲化學能可被全部用來驅動無人機高壓輸電線路驗電系統。完成上述轉化后，燃料電池利用剩余化學能進行二次轉換，以確保驗電系統所需電力信號能夠得到穩定供應。由于儲能過程中，電能、化學能之間的轉換不斷進行，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，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表示化學能儲能向量，υ表示電能儲能向量，y?表示瞬時儲能功率。

為保證無人機高壓輸電線路驗電系統的穩定運行，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立電場中完成對能量的存儲，所謂超級電容是指一個電容水平極高的電阻設備，當無人機高壓輸電線路驗電系統需要儲能時，多余的電能信號會被用來充電，而當實時傳輸電量能夠滿足無人機高壓輸電線路驗電系統所需電力需求時，剩余電量則會被暫時存儲于燃料電池之中，以便于對下次驗電任務進行供電[4]。相較于單純的燃料電池儲能，在超級電容器的作用下，整個儲能系統的響應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漏電或電力擊穿等問題。

4 結論與展望

在無人機高壓輸電線路驗電系統中，燃料電池具有十分廣闊的應用前景。隨著技術手段的快速發展，燃料電池在無人機高壓輸電線路驗電系統中的應用將會更加廣泛且成熟。

首先，燃料電池的續航能力更強、能量密度更高，可以滿足無人機長時間巡檢高壓輸電線路的需求；其次，燃料電池所帶來的環境污染與噪聲污染相對較小。相較于傳統的汽油或柴油型供電設備，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，且在能源補充方面具有便捷性與迅速性，長期使用下來，其經濟適用性也就被凸顯出來。

綜上所述，燃料電池在無人機高壓輸電線路驗電系統中具有極為廣闊的應用前景，在不遠的將來，搭載燃料電池的無人機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的智能化發展做出貢獻。