王 振，徐增師

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氫氧燃料電池模塊典型試驗故障與分析

王 振，徐增師

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

以氫氧燃料電池模塊試驗過程中的典型故障模式為研究對象，詳細(xì)描述了故障情況，通過多種檢測手段開展故障機(jī)理分析，確定故障原因，最后提出具體的整改措施。

氫氧燃料電池 典型故障 機(jī)理分析 整改措施

0 前言

氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池模塊是以氫氣為燃料、氧氣為氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)裝置，也是一個多輸入、多輸出、非線性的強(qiáng)耦合復(fù)雜系統(tǒng)，其電子設(shè)備和元器件種類繁多，電磁干擾環(huán)境惡劣，在實際運(yùn)行或臺架實驗中難免會發(fā)生種種故障。特別是作為其主燃料的氫氣是易燃易爆物，一旦發(fā)生泄露與空氣混合達(dá)到一定濃度時，遇到明火或電火花引起燃燒或爆炸造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失后果將不堪設(shè)想。因此，對燃料電池模塊開展故障分析研究，對促進(jìn)其今后的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重大意義。

1 燃料電池模塊的組成

燃料電池模塊由四大單元組成，分別為電堆單元、氣體管理單元、水熱管理單元和監(jiān)控單元。每個單元由各種設(shè)備組成，每個設(shè)備又由各種零部件組成。燃料電池模塊的具體組成如表1所示。

2 試驗故障及分析

2.1 膜電極出現(xiàn)針孔

1）問題概述

燃料電池模塊在例行啟動過程中局部發(fā)生劇烈反應(yīng)，因單電池電壓下降模塊停車，部分膜電極及雙極板受損。

2）問題定位

對其各節(jié)單電池膜電極進(jìn)行了氫氧互竄量檢測，發(fā)現(xiàn)問題電堆第76節(jié)膜電極氫氧互竄量達(dá)到45ml/min，遠(yuǎn)高于單電池安全操作標(biāo)準(zhǔn)（≤1ml/min）。

3）機(jī)理分析

對該電極進(jìn)一步采用紅外成像法進(jìn)行了檢查，具體方法為：膜電極一側(cè)通入氫氣密閉，另一側(cè)置于空氣環(huán)境，經(jīng)紅外攝像儀記錄膜電極表面溫度。由于在漏點處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)溫度升高，因此可以采用此方法判斷漏點位置。通過紅外成像顯示，漏點位于膜電極邊角處（如圖1所示）。推測第76節(jié)膜電極漏點產(chǎn)生的可能原因為：電池在組裝或運(yùn)輸過程中，局部尤其是膜電極邊角處由于形變等原因應(yīng)力集中，造成膜出現(xiàn)破裂，導(dǎo)致啟動過程中氫氧局部互混，發(fā)生劇烈氧化還原反應(yīng)。

圖1 問題電極漏點紅外成像檢測

采用膜電極針刺孔的方法對問題進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)，針刺孔后該節(jié)單池同樣在該部位發(fā)生了氫氧互混，發(fā)生了劇烈的反應(yīng)。通過該過程驗證了上述問題定位及機(jī)理分析的正確性。

4）整改措施

通過對故障堆單池進(jìn)行檢測，表明電堆第76節(jié)膜電極氫氧互竄量嚴(yán)重超標(biāo)是導(dǎo)致此次故障的直接原因，對該電極進(jìn)行了進(jìn)一步檢測，推測膜電極漏點產(chǎn)生的可能原因為：電堆在組裝或運(yùn)輸過程中膜電極邊角處由于形變等原因應(yīng)力集中，造成膜出現(xiàn)破裂。

整改措施為加強(qiáng)電堆事前檢測及過程監(jiān)控保護(hù)；同時舉一反三，加強(qiáng)對系統(tǒng)傳感元件、執(zhí)行元件等的檢測，提高系統(tǒng)的可測試性。此外，在下一步電堆開發(fā)中需要加強(qiáng)電堆防振動、沖擊等措施，提高電堆的環(huán)境適應(yīng)性。

2.2 氣體回流泵氣腔單向閥彈片損壞

1）問題概述

模塊在高工況下長時間工作時，單片電壓有緩慢下降趨勢，為了驗證氫氧循環(huán)量是否正常，對氣體回流泵分解，發(fā)現(xiàn)泵室進(jìn)口單向閥彈簧片變形。

2）問題定位

在模塊故障狀態(tài)下，氣體回流泵啟動前室腔充滿液態(tài)水，泵啟動時，由于液態(tài)水的存在，導(dǎo)致泵頭和單向閥彈簧片干涉，彈簧片損壞。

3）機(jī)理分析

泵轉(zhuǎn)速1500 rpm，泵頭往復(fù)運(yùn)動一個周期只有40 ms。泵頭向下運(yùn)動時，室腔壓力低，進(jìn)口單向閥打開，彈簧片向下；當(dāng)泵頭向上運(yùn)動時，進(jìn)口單向閥彈簧片應(yīng)迅速回位，但由于液態(tài)水的存在，彈簧片回位緩慢，泵頭頂上彈簧片，彈簧片發(fā)生機(jī)械變形，單向閥損壞，氫氧循環(huán)量下降。

4）整改措施

模塊排除了氣體回流泵異常進(jìn)水故障，更換單向閥彈簧片。后續(xù)試驗過程中氣體回流泵工作正常。

2.3 加濕器密封圈脫落

1）問題概述

在燃料電池模塊與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗過程中，發(fā)現(xiàn)水箱內(nèi)部氣泡過多。

2）問題定位

水箱中氣泡過多，證明有氣體向水側(cè)滲漏，需對水氣兩相交界部件進(jìn)行氣密檢查。對電堆進(jìn)行氣密檢查，檢測結(jié)果表明電堆氣密性良好。對加濕器進(jìn)行氣密檢查，發(fā)現(xiàn)加濕器內(nèi)部氣體向水側(cè)滲漏。

3）機(jī)理分析

由于試驗過程中曾經(jīng)發(fā)生供電電源突然掉電，致使系統(tǒng)內(nèi)部水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，水氣兩側(cè)壓差過大，致使加濕器內(nèi)部密封圈被擠出，氫氣進(jìn)入水腔。

4）整改措施

將加濕器拆卸返修，將密封圈重新安裝到位。維修后加濕器密封性能得到恢復(fù)，氣密性良好。

2.4 燃料電池模塊停機(jī)階段水箱上側(cè)出口處噴水

1）問題概述

燃料電池模塊停機(jī)階段水箱上側(cè)出口處噴水，監(jiān)控單元顯示模塊內(nèi)氫、氧、水壓差超標(biāo)，導(dǎo)致觸發(fā)停機(jī)。

2）問題定位

電堆內(nèi)部氫氣減壓閥失效，氫氣壓力超過預(yù)設(shè)值，初步判定噴水原因是氫氣支路的膜增濕器因為氣側(cè)壓力過大，導(dǎo)致氫氣從膜增濕器處滲透至水側(cè)，進(jìn)入循環(huán)水箱，最后由水箱上側(cè)出口處噴射出去。

減壓閥失效后電堆的自保護(hù)程序未觸發(fā)，主要原因是燃料電池模塊停機(jī)信號的發(fā)送以及接收程序的邏輯與系統(tǒng)集成監(jiān)控裝置沒有溝通全面，導(dǎo)致程序存在邏輯問題

3）機(jī)理分析

中空纖維膜增濕器的工作機(jī)理是利用分隔氣水腔Nafion膜的透水性，在濃度差和壓力差的驅(qū)動下，增濕水腔內(nèi)的水滲透到反應(yīng)氣側(cè)達(dá)到增濕效果。其中要求氣側(cè)與水側(cè)壓差不超過35kPa，一旦氣水壓差超標(biāo)將導(dǎo)致增濕器內(nèi)的Nafion膜破裂或透水量超標(biāo)。

4）整改措施

減壓閥返廠維修；燃料電池模塊自保護(hù)程序改進(jìn)。

2.5 燃料電池模塊高功率工況下均一性有待改善

1）問題概述

從圖2中可以看出電堆在額定工況條件下的均一性較差。

2）問題定位

國產(chǎn)膜電極一致性不高，主要原因是沒有膜電極生產(chǎn)過程控制，缺乏關(guān)鍵部件小規(guī)模生產(chǎn)線，導(dǎo)致國產(chǎn)MEA擴(kuò)散層工藝不比國外差但是批產(chǎn)一致性不高；雙極板流場結(jié)構(gòu)設(shè)計水平不高。

3）機(jī)理分析

GDE型膜電極具有比較優(yōu)異疏水特性，但是催化層過厚，影響了氣水在催化層質(zhì)量傳輸效率，其催化劑有效利用率較低，在加上國產(chǎn)膜電極加工工藝水平不高，導(dǎo)致性能衰減程度不均勻。雙極板氫氧水側(cè)流場氣水分布不均勻，導(dǎo)致部分區(qū)域反應(yīng)氣供應(yīng)不足或散熱不良形成熱點。

4）整改措施

進(jìn)一步改進(jìn)膜電極加工工藝；優(yōu)化雙極板流場結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.6 模塊正常運(yùn)行中控制器重啟初始化

1）問題概述

模塊穩(wěn)定運(yùn)行時，在上位機(jī)未下達(dá)“停車”指令的情況下，模塊突然停車，氫氣和氧氣壓力泄至常壓，但泄壓過程與正常的停車程序不同。

2）問題定位

分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，異常關(guān)機(jī)后，控制器的所有IO端口全部置“0”，所有程序寄存器依舊保持原狀態(tài)。且隨后所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作與啟動段的程序吻合，由此斷定系統(tǒng)異常停車為控制器復(fù)位重啟所致。

3）機(jī)理分析

控制器DSP電路復(fù)位原理如圖3所示。

在此電路中，當(dāng)+5V1信號上出現(xiàn)一定的低電平時，電源電路會跟隨產(chǎn)生自動復(fù)位輸出新號，同時其D3.3V會跟隨產(chǎn)生低電平；當(dāng)與門的輸入端只要有一個輸入為低時，其輸出就會為低。則DSP就會被復(fù)位，進(jìn)行初始化操作。

由于電堆供電線距離控制器較近，隨著發(fā)電功率的增加，電堆及其供電輸出線上所產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度逐漸增大，在發(fā)電高工況時，加在控制器DSP供電5V1的高頻干擾信號，引起DSP復(fù)位輸入信號端瞬間產(chǎn)生低脈沖，從而導(dǎo)致DSP進(jìn)行復(fù)位的初始化動作。

4）整改措施

利用CPLD編程，對發(fā)給DSP的復(fù)位信號在其完成上電復(fù)位動作后，進(jìn)行封鎖處理，無論前端來自電源電路的自動復(fù)位和手動復(fù)位信號如何變化，不再對DSP進(jìn)行復(fù)位輸出，以此來實現(xiàn)控制器復(fù)位信號的抗高頻干擾功能。其處理流程如圖4所示。

利用CPLD編程，對發(fā)給DSP的復(fù)位信號在其完成上電復(fù)位動作后，進(jìn)行封鎖處理，使DSP不再被復(fù)位。

經(jīng)試驗驗證，系統(tǒng)多次熱試未出現(xiàn)控制器重啟現(xiàn)象，整改措施有效。

圖4 復(fù)位信號處理流程

2.7 巡檢儀單片電壓顯示異常

1）問題概述

在燃料電池模塊與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗過程中，巡檢儀第二組單片電壓數(shù)據(jù)顯示異常。

2）問題定位

試驗現(xiàn)場測量電堆電壓，其值正常，說明電堆工作正常，排除了電堆故障導(dǎo)致巡檢儀顯示異常的可能。經(jīng)試驗現(xiàn)場工作人員檢查，同時排除了巡檢儀組件與電堆接線接觸不良的導(dǎo)致巡檢儀工作異常的可能，問題定位在2#采集板本身出現(xiàn)異常。將采集板拆卸后發(fā)現(xiàn)電路板有黑斑，經(jīng)測試排查，2#采集板問題定位在分壓電阻R33上；

3）機(jī)理分析

采集板由CPU電路、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、多路選擇電路、運(yùn)算放大電路、CAN接口電路、JTAG仿真器接口電路、電源供電電路組成。

其中，電阻分壓網(wǎng)絡(luò)是整個數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計示意如圖5所示。

采集的電壓Unx經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)八分之一分壓后得到Ux，Ux進(jìn)入多路選擇電路。當(dāng)R33阻值發(fā)生異常時，分壓得到的U17值異常。而多路選擇電路是將從電阻分壓網(wǎng)絡(luò)得到的相鄰兩片單片電池的電壓值循環(huán)選通，作為差分運(yùn)算放大電路的輸入。即采集板得到U17異常數(shù)值，會同時影響U16和U18這兩個數(shù)據(jù)與U17的差分結(jié)果，從而導(dǎo)致兩個通道值顯示異常。

圖5 電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計示意

4）整改措施

更換新的精密電阻。2#板重新安裝到巡檢儀中，單片電壓數(shù)據(jù)顯示恢復(fù)正常。

2.8 燃料電池模塊在額定功率下無法長時間運(yùn)行

1）問題概述

外循環(huán)水溫度從技術(shù)指標(biāo)5～63℃降到40℃以下，外循環(huán)水流量從技術(shù)指標(biāo)4 m3/h增加到5m3/h，模塊在30kW功率等級工作時間超過5 min后，電堆溫度就達(dá)到72℃，超過報警溫度。

2）問題定位

電堆溫度過高的主要原因在于電堆循環(huán)水管路阻力系數(shù)過大，限制了循環(huán)水流量。目前的實際流量為30～35 L/m，小于原始設(shè)計流量（≥50L/m），在換熱面積固定，換熱溫差無法進(jìn)一步擴(kuò)大的條件下，循環(huán)水換熱能力不足。

3）機(jī)理分析

電堆循環(huán)水管路主要包括循環(huán)水泵、循環(huán)水箱、電堆、板式換熱器等設(shè)備，其中循環(huán)水泵、循環(huán)水箱設(shè)置在模塊內(nèi)部，而板式換熱器設(shè)置在模塊外部。因為外部的板式換熱器離模塊有一定距離，而且額定換熱量為146 kW，遠(yuǎn)大于實際模塊換熱量，導(dǎo)致循環(huán)水沿程流阻較大。

4）整改措施

將循環(huán)水泵和水箱設(shè)置在模塊之外與板式換熱器集成設(shè)計，可以合理的設(shè)計循環(huán)水管路，保證模塊散熱。

2.9 燃料電池模塊在啟動階段循環(huán)水流量計經(jīng)常顯示異常

1）問題概述。燃料電池模塊啟動階段循環(huán)水流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于指標(biāo)，觸發(fā)報警程序?qū)е氯剂想姵啬K啟動失敗。2）問題定位。

經(jīng)檢查排除循環(huán)水泵故障、閥件和過濾器堵塞等問題，最后通過調(diào)整流量計安裝位置解決該問題，初步斷定為電磁干擾導(dǎo)致流量計電信號傳輸異常，電磁干擾源初步定位燃料電池模塊附近的DC/DC。3）機(jī)理分析。DC/DC運(yùn)行中的電磁干擾可能會通過直接傳導(dǎo)、近場耦合的遠(yuǎn)場輻射的方式對附近的弱點設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成極大的威脅。4）整改措施。增加燃料電池模塊抗電磁干擾設(shè)計；優(yōu)化DC/DC電磁干擾抑制設(shè)計；更換為防護(hù)性、可靠性更好的流量計。

3 結(jié)論

本文針對氫氧燃料電池模塊在運(yùn)行過程中發(fā)生的典型故障模式，開展問題定位、機(jī)理分析和整改措施研究。研究結(jié)果說明其典型故障主要有三類，第一類是關(guān)鍵零部件故障，如膜電極、減壓閥、增濕器和氣體循環(huán)泵；第二類是監(jiān)控設(shè)備故障，如主控制器和單電壓巡檢板；第三類是模塊整體某性能方面的故障，如熱設(shè)計、均一性和電磁兼容性等。

[1] 衣寶廉. 燃料電池－原理·技術(shù)·應(yīng)用[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[2] 汪飛杰, 余意. 燃料電池系統(tǒng)臺架試驗故障與分析[J].上海汽車, 2016,（9）:3-10.

[3] 全睿. 燃料電池發(fā)動機(jī)故障診斷研究[D]. 湖北:武漢理工大學(xué), 2014.

Typical Test Fault and Analysis of Hydrogen-oxygen Fuel Cell Module

Wang Zhen, Xu Zengshi

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM911

A

1003-4862（2017）07-0006-04

2017-02-15

王振(1983-)，男，碩士。研究方向：燃料電池。