燃料电池在无人机高压输电线路验电系统中的应用展望

孔晨华，张建军，李 旺，安泰康

（国网兰州供电公司，甘肃 兰州 730070）

燃料电池是将燃料的化学能转换为电能的装置，在电化学反应的作用下，能量转换进展得十分迅速。其工作原理与二次电池及原电池较为相似，但在反应过程中，燃料气与氧化气相接触所发生反应产生的物质不会被直接排出，因此该类型电池属于转化装置，能够对能量进行存储[1]。此外，燃料电池的电极和电解质都不直接参与到反应之中。近年来，利用无人机完成高压输电线路验电，成为了各大电力组织的重点研究方向，相关机构认为将燃料电池应用于无人机高压输电线路验电系统中，既可以实现能量的高效利用，也不会造成不安全的用电问题，为验证上述猜想的可行性，展开如下研究。

1 燃料电池原理概述

1.1 燃料电池组成结构

燃料电池由正、负极材料、电解质及催化剂组成，其结构模型如图1所示。

图1 燃料电池组成Fig.1 Fuel cell composition

H2作为燃烧原料，在催化剂作用下于负极材料表面进行燃烧反应。储能过程中，催化反应不断进行，一方面使得燃料电池内所累积的电信号数量不断增加，另一方面电池组结构的带电等级也会不断增大[2]。相较于其他类型的电池，燃料电池对于能量的存储与转化能量更强，即便在气体不完全燃烧的情况下，只要确保电离子具有足够的转存空间，该类型电池就可以为无人机高压输电线路验电系统提供大量的电力传输信号。

1.2 燃料电池工作原理

燃料电池提供电量之前，氢气穿过集流板，直接抵达气体扩散层，此时催化剂会使氢分子失去电子，成为游荡的氢离子。氢离子的游荡，必然促进燃料电池储能量的增大。随着化学反应的进行，能量信号在电解质溶液中的累积量也会不断增大，由于电池供电过程中，负极材料所进行的反应不会发生中断，所以负极材料必须具有极强的电量存储能力，只有这样才不会使燃料电池对无人机高压输电线路验电系统的电力供应发生中断。

具体的燃料电池工作原理如下述化学方程式所示。

燃料电池供电过程中，只有氢气、氧气参与反应，在发生反应后，所生产物质只生成水，无污染且无碳排放，因此该类型电池在具有较高能量转换率的同时，还不会对环境造成污染。

2 燃料电池储能特性

2.1 正极储能特性

燃料电池是一种特殊的化学储能设备，通常是通过化学反应将电能转换成化学能，然后再将化学能转换成电能来释放所储存的能量，其整个过程均由燃料电池的正极材料完成。电能转换成化学能的过程中，燃料电池正极快速向外释放带有正电荷的电离子，在电解或其他化学反应的作用下，这些离子向着电池负极不断移动，当反应结束时，燃料电池的正极材料也就实现了一次完整的电力储能。具体的燃料电池正极储能流程如图2所示。

图2 燃料电池正极储能流程Fig.2 Fuel cell positive electrode energy storage process

2.2 负极储能特性

燃料电池负极储能特性与正极相反。当负极材料接收到电离子之后，会快速进行由化学能到电能的转换，此过程能够产生大量的传输电流，而这些电流则可以驱动无人机高压输电线路验电系统的顺利运行[3]。燃料电池储能过程中，负极所产生的能量信号会被验电系统不断消耗，所以储能过程中，不会发生化学能及电能的过量存储问题。

3 无人机高压输电线路验电系统中燃料电池的应用

燃料电池在无人机高压输电线路验电系统中的主要应用，就是利用储能信号对系统运行进行供电。相较于其他类型的化学储能元件，燃料电池中电力信号的转化效率更高，只要确保化学反应能够提供足量的化学能，则电池组件的能量存储能力就能够得到保障。

规定ω表示能量转化参数，ΔE表示燃料电池在单位时间内所能存储的电能总量，q表示储能信号的带电特征，E→表示实时储能向量，联立上述物理量，可将燃料电池在无人机高压输电线路验电系统中功能强度表示为：

此外，在电能、化学能同时存在的情况下，燃料电池优先将电能转换成化学能，在确保电能信号已得到完全转化后，当前所存储化学能可被全部用来驱动无人机高压输电线路验电系统。完成上述转化后，燃料电池利用剩余化学能进行二次转换，以确保验电系统所需电力信号能够得到稳定供应。由于储能过程中，电能、化学能之间的转换不断进行，所以燃料电池必须具有高水平的储能能力。

对于燃料电池储能能力的评估参考式(2)：

式中，β表示燃料电池的供能参数，I表示燃料电池的额定电流，U表示燃料电池的额定电压，τ表示化学能储能向量，υ表示电能储能向量，ŷ表示瞬时储能功率。

为保证无人机高压输电线路验电系统的稳定运行，也有一部分燃料电池会配合超级电容器，完成对能量的存储。配合超级电容器的燃料电池在独立电场中完成对能量的存储，所谓超级电容是指一个电容水平极高的电阻设备，当无人机高压输电线路验电系统需要储能时，多余的电能信号会被用来充电，而当实时传输电量能够满足无人机高压输电线路验电系统所需电力需求时，剩余电量则会被暂时存储于燃料电池之中，以便于对下次验电任务进行供电[4]。相较于单纯的燃料电池储能，在超级电容器的作用下，整个储能系统的响应速度得到了大幅提升，且其安全性等级相对较高，在储能过程中不会出现漏电或电力击穿等问题。

4 结论与展望

在无人机高压输电线路验电系统中，燃料电池具有十分广阔的应用前景。随着技术手段的快速发展，燃料电池在无人机高压输电线路验电系统中的应用将会更加广泛且成熟。

首先，燃料电池的续航能力更强、能量密度更高，可以满足无人机长时间巡检高压输电线路的需求；其次，燃料电池所带来的环境污染与噪声污染相对较小。相较于传统的汽油或柴油型供电设备，燃料电池以甲醇、氢气等清洁能源作为燃料，不会对周围环境及居民造成不良影响；最后，燃料电池的使用寿命较长，且在能源补充方面具有便捷性与迅速性，长期使用下来，其经济适用性也就被凸显出来。

综上所述，燃料电池在无人机高压输电线路验电系统中具有极为广阔的应用前景，在不远的将来，搭载燃料电池的无人机必将成为高压输电线路巡检的重要工具，而这也将为电力行业的智能化发展做出贡献。