燃料電池汽車用氫氣濃度傳感器技術現狀及發展趨勢

李浩　陳向陽　郝冬　衛芃男　楊子榮

【摘要】對燃料電池汽車用氫氣傳感器的技術要求進行分析，并對各類車載氫氣傳感器的工作原理和特點進行研究，對比了現階段主流氫氣濃度傳感器的性能和參數，對氫氣濃度傳感器的發展現狀進行了綜述和分析，并結合行業發展需求對氫氣濃度傳感器的技術發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：氫氣濃度傳感器 燃料電池 技術發展趨勢

中圖分類號：TM911.4? ? 文獻標志碼：A? ?DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230362

Development Status and Trends of Hydrogen Concentration Sensors

for Fuel Cell Vehicles

Li Hao1，2， Chen Xiangyang1，4， Hao Dong1，4， Wei Pengnan1，3， Yang Zirong1，4

（1. CATARC New Energy Vehicle Test Center （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin 300399; 2. Shandong University of Technology， Zibo 255049; 3. Tongji University， Shanghai 201804; 4. China Automotive Technology and Research Center Co.， Ltd.， Tianjin 300399）

【Abstract】This article analyzed the technical requirements of hydrogen sensors used in fuel cell vehicles， and studied the working principles， characteristics of various vehicular hydrogen sensors， compared the performance and parameters of mainstream hydrogen concentration sensors at present， summarized and analyzed the current development status of hydrogen concentration sensors. The technical development trend of hydrogen concentration sensors was predicted based on industry development needs.

Key words： Hydrogen concentration sensors， Fuel cells， Technological development trend

【引用格式】李浩， 陳向陽， 郝冬， 等. 燃料電池汽車用氫氣濃度傳感器技術現狀及發展趨勢[J]. 汽車工程師， 2024（3）： 21-27.

LI H， CHEN X Y， HAO D， et al. Development Status and Trends of Hydrogen Concentration Sensors for Fuel Cell Vehicles[J]. Automotive Engineer， 2024（3）： 21-27.

1 前言

氫氣濃度超過4%時即存在爆炸的風險[1]。因此，在氫氣的使用過程中，需確保其濃度在安全范圍內[2]。氫燃料電池汽車在不同行駛工況下，受可能發生的碰撞、撞擊、腐蝕及溫度和壓力影響，燃料電池系統部件（如氫氣儲氣瓶、管道、閥門等）可能出現裂紋、損壞或密封不良等情況，最終都可能導致氫氣泄漏[3]。整車中燃料電池電堆、動力電池等部件所在空間相對密閉，若發生氫氣泄漏，更容易引發燃燒或爆炸等事故，造成嚴重后果[4]。因此，通過氫氣傳感器來檢測氫氣泄漏的濃度以降低風險，對于推動氫燃料電池汽車的發展具有重要意義[5]。

車載氫氣傳感器可監測氫燃料電池汽車內的氫氣濃度，濃度超過安全限值時，整車發出報警信號[6]。相比于傳統的氫氣檢測儀器，車載氫氣傳感器具有體積小、可在線測量和響應時間短等優勢，可快速準確地測量氫氣濃度。

2 車載氫氣濃度傳感器的技術要求

燃料電池汽車上需合理布置氫氣濃度傳感器，傳感器過多會增加成本，并提高產生電火花的風險，傳感器過少則可能無法準確檢測氫氣的濃度。此外，布置時要選擇多種類型的氫氣濃度傳感器，以便檢測時覆蓋多級別氫氣濃度范圍[7]。

圖1所示為某款車型的氫氣濃度傳感器安裝位置，所有傳感器信號均需直接發送到組合儀表的醒目位置[8]。目前，燃料電池汽車多將燃料電池發動機安裝在前機艙，且乘員艙不需進行氫氣濃度檢測，所以氫氣濃度傳感器多安裝在車載氫系統和前機艙部位。

車載氫氣傳感器的設計考慮到了汽車使用氫氣作為燃料的特殊要求，除滿足車載器件安裝和集成便捷、持久耐用、節能和環保等普適性要求外，還應滿足以下要求：

a. 高靈敏度和準確性[9]并可自動報警[10]。需具備高靈敏度，能夠對低濃度的氫氣進行快速、準確檢測。當封閉空間或半封閉空間中氫氣體積濃度不低于2.0%±1.0%時，應發出警告；當封閉空間或半封閉空間中氫氣體積濃度不低于3.0%±1.0%時，應立即自動關斷氫氣供應，如果車輛裝有多個儲氣瓶，允許僅關斷存在氫泄漏的儲氣瓶的氫氣供應。

b. 快速響應[11]和穩定性。需能夠及時響應氫氣濃度的變化，具有較短的啟動時間、響應時間和恢復時間，且性能穩定，能夠在長期運行中保持測量結果準確、可靠。

c. 檢測范圍廣且誤差小[12]。需具備寬廣的工作范圍，能夠適應不同環境和工況下的氫氣濃度變化，且測量誤差應不大于滿量程的±1%。

d. 高耐受能力[13]。除能夠耐受汽車工作環境中的高溫、低溫、高濕度、振動等惡劣條件外，還應能耐受高濃度氫氣沖擊。

e. 預防傳感器短暫失效[14]。預防硅中毒，防止有機硅等化學物質損壞傳感器，縮短使用壽命、降低傳感器靈敏度，且催化燃燒型傳感器需預防高濃度條件下的靈敏度下降。

3 車載氫氣濃度傳感器的種類及特點

目前，車載氫氣濃度傳感器主要包括催化燃燒型、電化學型、電學型、光學型、熱導型和聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）型，如表1所示。

對于催化燃燒型氫氣濃度傳感器，氫氣與氧氣在催化劑條件下較易發生反應并釋放熱量，導致測試元件發熱，根據換熱量可以計算出氫氣濃度[23]。Li等[24]研究表明，在多孔AlO基板上絲網印刷的鉑電極催化燃燒型氫氣濃度傳感器具有高靈敏度（體積濃度每變化1百分點，輸出電壓變化約30 mV）和較好的穩定性。Jiang等人[25]采用微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技術制備了一種惠斯通電橋結構的PdNi薄膜氫氣濃度傳感器，在50 ℃條件下，氫氣濃度的檢測下限為10×10-6，對應的響應電壓為600 μV，檢測氫氣濃度范圍為10×10-6～4 000×10-6時的響應時間超過2 min。該類型氫氣濃度傳感器小巧、靈敏度高，響應時間短且穩定可靠，但工作時溫度高，催化劑可能被氧化，存在引爆風險[26]。

電化學型氫氣濃度傳感器相當于一個燃料單電池，發生反應時電極的電勢發生變化，電路的電流與氫氣的濃度成線性關系，從而可采用電流表征氫氣濃度。Shao等[27]研制了一種傳感電極為納米ZnO和質子導體為CaZr電解液的電流型氫氣濃度傳感器。董漢鵬等[28]研制了一種高分子電解質三電極氫氣濃度傳感器，靈敏度可達到4 A/（100×10-6）。Jung等[29]開發了一種高濃度電壓型氫氣濃度傳感器，可在20%～99.99%氫氣濃度范圍內工作，不受環境溫度、濕度、壓力等因素的影響。電化學型氫氣濃度傳感器靈敏度高、測量的濃度范圍寬、穩定性好且壽命長，但延遲時間較長[30]。

對于半導體金屬氧化物型氫氣濃度傳感器，當氧化性氣體吸附在材料表面時，該類傳感器可捕獲電子，導致電阻增大，當還原性氣體吸附到材料表面時，該類傳感器將釋放電子給材料，從而導致電阻下降[31]。Rashid等[32]制造了一種在ZnO納米帶上覆蓋8 nm厚鈀納米膜的氫氣傳感器。

非半導體型（非電阻型，即金屬或合金型）氫氣濃度傳感器基于氫氣與氫敏材料間的化學反應或物理吸附來檢測氫氣濃度。Ryger等[33]研發了Pt/NiO肖特基氫氣濃度傳感器，可在50 ℃條件下檢測體積濃度1 000×10-6的氫氣，且檢測效果良好。該類氫氣濃度傳感器靈敏度高、可靠性強、安全性好，但選擇性差、對溫度依賴性強，易受濕度影響，易發生零點漂移[34]。

光學型氫氣濃度傳感器將光纖與氫敏材料相結合，利用光敏材料的光學特性變化間接測量氫氣濃度[35]。孫艷等[36]在光纖端面上，使用Pd/WO3共濺射敏感膜制造了氫氣濃度傳感器，該傳感器可以測量0.01%的標準氫氣濃度，氫氣濃度在2%～4%范圍內時靈敏度高，且響應時間縮短至15 s以內。張保磊[37]研發了一種多層膜的Pd-Au合金微透鏡型光纖的氫氣濃度傳感器，有效測量范圍為0～16%，具有0.7%的分辨率，且可以檢測0.1%以下的濃度。該類型氫氣濃度傳感器具有靈敏度高、響應快、安全性好、無需加熱、穩定性強等優點，但易受環境光、溫度及濕度等因素影響[38]。

熱導型氫氣濃度傳感器利用氫氣和空氣的熱傳導系數差異來檢測氫氣濃度，該傳感器具有從低于1%氫氣濃度到100%氫氣濃度的廣泛探測范圍[39]。Berndt等[40]通過微制造技術在硅晶片上加工傳感器元件，研究了一種基于MEMS技術的車用熱導型氫氣濃度傳感器。該傳感器響應和恢復時間很短，僅需幾秒，且能檢測到低至2 000×10-6體積濃度的氫氣。該類型氫氣濃度傳感器具有響應快、壽命長、靈敏度高、穩定性好且無需使用催化金屬的優點，可避免傳感器中毒，但是對溫度具有依賴性，易受濕度影響、易發生零點漂移，制造工藝復雜[41]。

聲表面波型氫氣濃度傳感器以聲波傳播原理為基礎，當氫氣與感應層接觸時，引起感應層發生物理或化學性質變化，導致聲波在感應層表面的傳播速度發生變化，這種變化轉變為電信號即可用于檢測氫氣濃度[42]。Li等[43]將Pd納米粒子修飾過的氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）涂覆層用于氮化鋁/硅（AlN/Si）層狀結構上，研制了一種SAW氫氣濃度傳感器，該傳感器在氫氮混合氣試驗中表現出良好的穩定性、重復性，且響應速度快。Yang等[44]研制了一種由SnO2和Pd納米顆粒層組成的雙層結構敏感膜SAW氫氣濃度傳感器，這種結構可以增強SnO2傳感膜的性能，其響應時間僅為1 s，工作溫度范圍為25～275 ℃。聲表面波型氫氣濃度傳感器具有靈敏度高、選擇性好、穩定可靠等優點，但易受到濕度影響，對溫度依賴性強[45]。

各類氫氣濃度傳感器追求的目標是更高的靈敏度、更快的反應速度、更廣的檢測范圍和更強的可靠性。目前，考慮成本和技術成熟程度等因素，常用的消費類氫氣傳感器為催化燃燒型氫氣濃度傳感器，該類傳感器也是氫燃料電池汽車中最常見的選擇。

4 車用氫氣濃度傳感器研發企業及產品

目前，全球范圍內已經涌現出一批專注于車用氫氣傳感器研發和生產的企業，并且已經研發出一些商業化的車用氫氣傳感器產品，而車載氫氣傳感器仍主要依賴日本FIS和日本理研。表2總結了一些國內外公司產品的主要技術參數。

4.1 國外企業及其產品

日本理研公司基于催化燃燒原理，搭載緩解結露發熱裝置，制造了FHD-752氫氣傳感器，如圖2所示，該傳感器具有較強的抗硅中毒性能，可靠耐用，無需維修且使用壽命長達10年。

日本FIS公司基于催化燃燒原理，開發了一種具有較小質量和寬表面積的新型氫氣濃度傳感器，FH2-HY11型氫氣濃度傳感器如圖3所示，專用于燃料電池汽車中的氫氣泄漏檢測。該傳感器響應快、擁有較強的抗毒性且使用壽命長。

日本新宇宙（COSMOS）公司基于催化燃燒原理，研發了具有高靈敏度和高耐久性的車載氫氣傳感器CSD-02C，如圖4所示。該傳感器響應快速、耐久良好，且使用壽命超長。

4.2 國內企業及其產品

杭州集普（JEBOOL）公司基于熱導原理，研發了氫氣傳感器H2 Sensor H2-5B，如圖5所示，實現了空氣中氫氣濃度的檢測。該傳感器使用符合車載標準的MEMS微熱板工藝制備芯片，通過溫度補償及信號濾波放大，獲得穩定可靠的信號。

蘇州納格公司基于熱導原理，制造了一款防爆型氫氣檢測儀HNC-H2，如圖6所示。該產品具有高精度、高靈敏度、高穩定性和高可靠性等特點，且符合GB/T 3836.1和GB/T 3836.2防爆標準要求，可用于燃料電池汽車氫氣濃度的檢測。

固微科技基于電導原理，使用納米制造與量子傳感技術自主研發了新型車用氫濃度傳感器GHV10A24，如圖7所示，該傳感器具有抗干擾能力強、重復性高和響應快速等特點。該傳感器提供模擬電壓輸出，電壓與氫氣濃度成正比。

5 總結與展望

車載氫氣濃度傳感器作為燃料電池汽車的關鍵部件之一，目前已經取得了顯著的進展?？紤]到車輛環境的特殊性，車載氫氣濃度傳感器需具備高靈敏度、快速響應、穩定性和耐久性強等特點，并實時監測車輛中氫氣的濃度，以及早發現潛在的氫氣泄漏或積累問題，故車用氫氣濃度傳感器的有關技術仍需進一步提高。未來，可以從材料和結構等多維度開展車載新型氫氣濃度傳感器的研究，如基于納米材料高靈敏度、響應快速和良好穩定性等特點，可將其用于提高氫氣濃度傳感器的性能。為滿足日益增長的汽車市場需求，未來燃料電池汽車氫氣濃度傳感器的發展趨勢可能朝以下幾個方向發展：

a. 提高精確性、響應速度和耐久性。

b. 高性能材料的應用。隨著材料科學和納米技術的發展，更多高靈敏度、高選擇性的材料將用于傳感器的制備，以提高傳感器的性能和可靠性。

c. 集成化和小型化。更緊湊和集成化的設計將有助于簡化安裝過程，并減少傳感器對車輛空間的占用。

d. 提高可操作性和實用性。具備更強的智能性和可操作性，如通過與車輛的通信系統集成，實現自動校準、故障診斷和數據傳輸等功能。

總之，燃料電池汽車用氫氣濃度傳感器在保障車輛安全、優化性能和提供故障診斷方面發揮著重要作用，這將促進燃料電池汽車的大規模應用，推動氫能產業的可持續發展。

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（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2023年10月20日。

*基金項目：國家重點研發計劃項目（2021YFB2501500）。

第一作者：李浩（2000—），男，河北人，碩士在讀，研究方向為燃料電池汽車安全技術，17659936128@163.com。

通信作者：郝冬（1988—），男，研究方向為燃料電池關鍵部件測評技術，haodong@catarc.ac.cn。