燃料電池在無人機高壓輸電線路驗電系統(tǒng)中的應用展望

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能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，在電化學反應的作用下，能量轉(zhuǎn)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(fā)生反應產(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(guān)機構(gòu)認為將燃料電池應用于無人機高壓輸電線路驗電系統(tǒng)中，既可以實現(xiàn)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(jié)構(gòu)

燃料電池由正、負極材料、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(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，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高壓輸電線路驗電系統(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(zhì)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(fā)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(tǒng)的電力供應發(fā)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(fā)生反應后，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，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儲能設備，通常是通過化學反應將電能轉(zhuǎn)換成化學能，然后再將化學能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)束時，燃料電池的正極材料也就實現(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(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)動無人機高壓輸電線路驗電系統(tǒng)的順利運行[3]。燃料電池儲能過程中，負極所產(chǎn)生的能量信號會被驗電系統(tǒng)不斷消耗，所以儲能過程中，不會發(fā)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(tǒng)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(tǒng)中的主要應用，就是利用儲能信號對系統(tǒng)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(zhuǎn)化效率更高，只要確?；瘜W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(guī)定ω表示能量轉(zhuǎn)化參數(shù)，ΔE表示燃料電池在單位時間內(nèi)所能存儲的電能總量，q表示儲能信號的帶電特征，E→表示實時儲能向量，聯(lián)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(tǒng)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(yōu)先將電能轉(zhuǎn)換成化學能，在確保電能信號已得到完全轉(zhuǎn)化后，當前所存儲化學能可被全部用來驅(qū)動無人機高壓輸電線路驗電系統(tǒng)。完成上述轉(zhuǎn)化后，燃料電池利用剩余化學能進行二次轉(zhuǎn)換，以確保驗電系統(tǒng)所需電力信號能夠得到穩(wěn)定供應。由于儲能過程中，電能、化學能之間的轉(zhuǎn)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(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(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)漏電或電力擊穿等問題。

4 結(jié)論與展望

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

首先，燃料電池的續(xù)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(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，且在能源補充方面具有便捷性與迅速性，長期使用下來，其經(jīng)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(tǒng)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(yè)的智能化發(fā)展做出貢獻。