燃料电池汽车用氢气浓度传感器技术现状及发展趋势

李浩　陈向阳　郝冬　卫芃男　杨子荣

【摘要】对燃料电池汽车用氢气传感器的技术要求进行分析，并对各类车载氢气传感器的工作原理和特点进行研究，对比了现阶段主流氢气浓度传感器的性能和参数，对氢气浓度传感器的发展现状进行了综述和分析，并结合行业发展需求对氢气浓度传感器的技术发展趋势进行了展望。

关键词：氢气浓度传感器 燃料电池 技术发展趋势

中图分类号：TM911.4    文献标志码：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， 陳向阳， 郝冬， 等. 燃料电池汽车用氢气浓度传感器技术现状及发展趋势[J]. 汽车工程师， 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

氢气浓度超过4%时即存在爆炸的风险[1]。因此，在氢气的使用过程中，需确保其浓度在安全范围内[2]。氢燃料电池汽车在不同行驶工况下，受可能发生的碰撞、撞击、腐蚀及温度和压力影响，燃料电池系统部件（如氢气储气瓶、管道、阀门等）可能出现裂纹、损坏或密封不良等情况，最终都可能导致氢气泄漏[3]。整车中燃料电池电堆、动力电池等部件所在空间相对密闭，若发生氢气泄漏，更容易引发燃烧或爆炸等事故，造成严重后果[4]。因此，通过氢气传感器来检测氢气泄漏的浓度以降低风险，对于推动氢燃料电池汽车的发展具有重要意义[5]。

车载氢气传感器可监测氢燃料电池汽车内的氢气浓度，浓度超过安全限值时，整车发出报警信号[6]。相比于传统的氢气检测仪器，车载氢气传感器具有体积小、可在线测量和响应时间短等优势，可快速准确地测量氢气浓度。

2 车载氢气浓度传感器的技术要求

燃料电池汽车上需合理布置氢气浓度传感器，传感器过多会增加成本，并提高产生电火花的风险，传感器过少则可能无法准确检测氢气的浓度。此外，布置时要选择多种类型的氢气浓度传感器，以便检测时覆盖多级别氢气浓度范围[7]。

图1所示为某款车型的氢气浓度传感器安装位置，所有传感器信号均需直接发送到组合仪表的醒目位置[8]。目前，燃料电池汽车多将燃料电池发动机安装在前机舱，且乘员舱不需进行氢气浓度检测，所以氢气浓度传感器多安装在车载氢系统和前机舱部位。

车载氢气传感器的设计考虑到了汽车使用氢气作为燃料的特殊要求，除满足车载器件安装和集成便捷、持久耐用、节能和环保等普适性要求外，还应满足以下要求：

a. 高灵敏度和准确性[9]并可自动报警[10]。需具备高灵敏度，能够对低浓度的氢气进行快速、准确检测。当封闭空间或半封闭空间中氢气体积浓度不低于2.0%±1.0%时，应发出警告；当封闭空间或半封闭空间中氢气体积浓度不低于3.0%±1.0%时，应立即自动关断氢气供应，如果车辆装有多个储气瓶，允许仅关断存在氢泄漏的储气瓶的氢气供应。

b. 快速响应[11]和稳定性。需能够及时响应氢气浓度的变化，具有较短的启动时间、响应时间和恢复时间，且性能稳定，能够在长期运行中保持测量结果准确、可靠。

c. 检测范围广且误差小[12]。需具备宽广的工作范围，能够适应不同环境和工况下的氢气浓度变化，且测量误差应不大于满量程的±1%。

d. 高耐受能力[13]。除能够耐受汽车工作环境中的高温、低温、高湿度、振动等恶劣条件外，还应能耐受高浓度氢气冲击。

e. 预防传感器短暂失效[14]。预防硅中毒，防止有机硅等化学物质损坏传感器，缩短使用寿命、降低传感器灵敏度，且催化燃烧型传感器需预防高浓度条件下的灵敏度下降。

3 车载氢气浓度传感器的种类及特点

目前，车载氢气浓度传感器主要包括催化燃烧型、电化学型、電学型、光学型、热导型和声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）型，如表1所示。

对于催化燃烧型氢气浓度传感器，氢气与氧气在催化剂条件下较易发生反应并释放热量，导致测试元件发热，根据换热量可以计算出氢气浓度[23]。Li等[24]研究表明，在多孔AlO基板上丝网印刷的铂电极催化燃烧型氢气浓度传感器具有高灵敏度（体积浓度每变化1百分点，输出电压变化约30 mV）和较好的稳定性。Jiang等人[25]采用微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技术制备了一种惠斯通电桥结构的PdNi薄膜氢气浓度传感器，在50 ℃条件下，氢气浓度的检测下限为10×10-6，对应的响应电压为600 μV，检测氢气浓度范围为10×10-6～4 000×10-6时的响应时间超过2 min。该类型氢气浓度传感器小巧、灵敏度高，响应时间短且稳定可靠，但工作时温度高，催化剂可能被氧化，存在引爆风险[26]。

电化学型氢气浓度传感器相当于一个燃料单电池，发生反应时电极的电势发生变化，电路的电流与氢气的浓度成线性关系，从而可采用电流表征氢气浓度。Shao等[27]研制了一种传感电极为纳米ZnO和质子导体为CaZr电解液的电流型氢气浓度传感器。董汉鹏等[28]研制了一种高分子电解质三电极氢气浓度传感器，灵敏度可达到4 A/（100×10-6）。Jung等[29]开发了一种高浓度电压型氢气浓度传感器，可在20%～99.99%氢气浓度范围内工作，不受环境温度、湿度、压力等因素的影响。电化学型氢气浓度传感器灵敏度高、测量的浓度范围宽、稳定性好且寿命长，但延迟时间较长[30]。

对于半导体金属氧化物型氢气浓度传感器，当氧化性气体吸附在材料表面时，该类传感器可捕获电子，导致电阻增大，当还原性气体吸附到材料表面时，该类传感器将释放电子给材料，从而导致电阻下降[31]。Rashid等[32]制造了一种在ZnO纳米带上覆盖8 nm厚钯纳米膜的氢气传感器。

非半导体型（非电阻型，即金属或合金型）氢气浓度传感器基于氢气与氢敏材料间的化学反应或物理吸附来检测氢气浓度。Ryger等[33]研发了Pt/NiO肖特基氢气浓度传感器，可在50 ℃条件下检测体积浓度1 000×10-6的氢气，且检测效果良好。该类氢气浓度传感器灵敏度高、可靠性强、安全性好，但选择性差、对温度依赖性强，易受湿度影响，易发生零点漂移[34]。

光学型氢气浓度传感器将光纤与氢敏材料相结合，利用光敏材料的光学特性变化间接测量氢气浓度[35]。孙艳等[36]在光纤端面上，使用Pd/WO3共溅射敏感膜制造了氢气浓度传感器，该传感器可以测量0.01%的标准氢气浓度，氢气浓度在2%～4%范围内时灵敏度高，且响应时间缩短至15 s以内。张保磊[37]研发了一种多层膜的Pd-Au合金微透镜型光纤的氢气浓度传感器，有效测量范围为0～16%，具有0.7%的分辨率，且可以检测0.1%以下的浓度。该类型氢气浓度传感器具有灵敏度高、响应快、安全性好、无需加热、稳定性强等优点，但易受环境光、温度及湿度等因素影响[38]。

热导型氢气浓度传感器利用氢气和空气的热传导系数差异来检测氢气浓度，该传感器具有从低于1%氢气浓度到100%氢气浓度的广泛探测范围[39]。Berndt等[40]通过微制造技术在硅晶片上加工传感器元件，研究了一种基于MEMS技术的车用热导型氢气浓度传感器。该传感器响应和恢复时间很短，仅需几秒，且能检测到低至2 000×10-6体积浓度的氢气。该类型氢气浓度传感器具有响应快、寿命长、灵敏度高、稳定性好且无需使用催化金属的优点，可避免传感器中毒，但是对温度具有依赖性，易受湿度影响、易发生零点漂移，制造工艺复杂[41]。

声表面波型氢气浓度传感器以声波传播原理为基础，当氢气与感应层接触时，引起感应层发生物理或化学性质变化，导致声波在感应层表面的传播速度发生变化，这种变化转变为电信号即可用于检测氢气浓度[42]。Li等[43]将Pd纳米粒子修饰过的氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）涂覆层用于氮化铝/硅（AlN/Si）层状结构上，研制了一种SAW氢气浓度传感器，该传感器在氢氮混合气试验中表现出良好的稳定性、重复性，且响应速度快。Yang等[44]研制了一种由SnO2和Pd纳米颗粒层组成的双层结构敏感膜SAW氢气浓度传感器，这种结构可以增强SnO2传感膜的性能，其响应时间仅为1 s，工作温度范围为25～275 ℃。声表面波型氢气浓度传感器具有灵敏度高、选择性好、稳定可靠等优点，但易受到湿度影响，对温度依赖性强[45]。

各类氢气浓度传感器追求的目标是更高的灵敏度、更快的反应速度、更广的检测范围和更强的可靠性。目前，考虑成本和技术成熟程度等因素，常用的消费类氢气传感器为催化燃烧型氢气浓度传感器，该类传感器也是氢燃料电池汽车中最常见的选择。

4 车用氢气浓度传感器研发企业及产品

目前，全球范围内已经涌现出一批专注于车用氢气传感器研发和生产的企业，并且已经研发出一些商业化的车用氢气传感器产品，而车载氢气传感器仍主要依赖日本FIS和日本理研。表2总结了一些国内外公司产品的主要技术参数。

4.1 国外企业及其产品

日本理研公司基于催化燃烧原理，搭载缓解结露发热装置，制造了FHD-752氢气传感器，如图2所示，该传感器具有较强的抗硅中毒性能，可靠耐用，无需维修且使用寿命长达10年。

日本FIS公司基于催化燃烧原理，开发了一种具有较小质量和宽表面积的新型氢气浓度传感器，FH2-HY11型氢气浓度传感器如图3所示，专用于燃料电池汽车中的氢气泄漏检测。该传感器响应快、拥有较强的抗毒性且使用寿命长。

日本新宇宙（COSMOS）公司基于催化燃烧原理，研发了具有高灵敏度和高耐久性的车载氢气传感器CSD-02C，如图4所示。该传感器响应快速、耐久良好，且使用寿命超长。

4.2 国内企业及其产品

杭州集普（JEBOOL）公司基于热导原理，研发了氢气传感器H2 Sensor H2-5B，如图5所示，实现了空气中氢气浓度的检测。该传感器使用符合车载标准的MEMS微热板工艺制备芯片，通过温度补偿及信号滤波放大，获得稳定可靠的信号。

苏州纳格公司基于热导原理，制造了一款防爆型氢气检测仪HNC-H2，如图6所示。该产品具有高精度、高灵敏度、高稳定性和高可靠性等特点，且符合GB/T 3836.1和GB/T 3836.2防爆标准要求，可用于燃料电池汽车氢气浓度的检测。

固微科技基于电导原理，使用纳米制造与量子传感技术自主研发了新型车用氢浓度传感器GHV10A24，如图7所示，该传感器具有抗干扰能力强、重复性高和响应快速等特点。该传感器提供模拟电压输出，电压与氢气浓度成正比。

5 总结与展望

车载氢气浓度传感器作为燃料电池汽车的关键部件之一，目前已经取得了显著的进展。考虑到车辆环境的特殊性，车载氢气浓度传感器需具备高灵敏度、快速响应、稳定性和耐久性强等特点，并实时监测车辆中氢气的浓度，以及早发现潜在的氢气泄漏或积累问题，故车用氢气浓度传感器的有关技术仍需进一步提高。未来，可以从材料和结构等多维度开展车载新型氢气浓度传感器的研究，如基于纳米材料高灵敏度、响应快速和良好稳定性等特点，可将其用于提高氢气浓度传感器的性能。为满足日益增长的汽车市场需求，未来燃料电池汽车氢气浓度传感器的发展趋势可能朝以下几个方向发展：

a. 提高精确性、响应速度和耐久性。

b. 高性能材料的应用。随着材料科学和纳米技术的发展，更多高灵敏度、高选择性的材料将用于传感器的制备，以提高传感器的性能和可靠性。

c. 集成化和小型化。更紧凑和集成化的设计将有助于简化安装过程，并减少传感器对车辆空间的占用。

d. 提高可操作性和实用性。具备更强的智能性和可操作性，如通过与车辆的通信系统集成，实现自动校准、故障诊断和数据传输等功能。

总之，燃料电池汽车用氢气浓度传感器在保障车辆安全、优化性能和提供故障诊断方面发挥着重要作用，这将促进燃料电池汽车的大规模应用，推动氢能产业的可持续发展。

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（责任编辑 斛 畔）

修改稿收到日期为2023年10月20日。

*基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFB2501500）。

第一作者：李浩（2000—），男，河北人，硕士在读，研究方向为燃料电池汽车安全技术，17659936128@163.com。

通信作者：郝冬（1988—），男，研究方向为燃料电池关键部件测评技术，haodong@catarc.ac.cn。