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，詳細描述了故障情況，通過多種檢測手段開展故障機理分析，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反應裝置，也是一個多輸入、多輸出、非線性的強耦合復雜系統(tǒng)，其電子設備和元器件種類繁多，電磁干擾環(huán)境惡劣，在實際運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)損失后果將不堪設想。因此，對燃料電池模塊開展故障分析研究，對促進其今后的產(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。每個單元由各種設備組成，每個設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，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到45ml/min，遠高于單電池安全操作標準（≤1ml/min）。

3）機理分析

對該電極進一步采用紅外成像法進行了檢查，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)生化學反應溫度升高，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：電池在組裝或運輸過程中，局部尤其是膜電極邊角處由于形變等原因應力集中，造成膜出現(xiàn)破裂，導致啟動過程中氫氧局部互混，發(fā)生劇烈氧化還原反應。

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行了復現(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。通過該過程驗證了上述問題定位及機理分析的正確性。

4）整改措施

通過對故障堆單池進行檢測，表明電堆第76節(jié)膜電極氫氧互竄量嚴重超標是導致此次故障的直接原因，對該電極進行了進一步檢測，推測膜電極漏點產(chǎn)生的可能原因為：電堆在組裝或運輸過程中膜電極邊角處由于形變等原因應力集中，造成膜出現(xiàn)破裂。

整改措施為加強電堆事前檢測及過程監(jiān)控保護；同時舉一反三，加強對系統(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)中需要加強電堆防振動、沖擊等措施，提高電堆的環(huán)境適應性。

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，導致泵頭和單向閥彈簧片干涉，彈簧片損壞。

3）機理分析

泵轉(zhuǎn)速1500 rpm，泵頭往復運動一個周期只有40 ms。泵頭向下運動時，室腔壓力低，進口單向閥打開，彈簧片向下；當泵頭向上運動時，進口單向閥彈簧片應迅速回位，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行氣密檢查。對電堆進行氣密檢查，檢測結(jié)果表明電堆氣密性良好。對加濕器進行氣密檢查，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，氣密性良好。

2.4 燃料電池模塊停機階段水箱上側(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，導致觸發(fā)停機。

2）問題定位

電堆內(nèi)部氫氣減壓閥失效，氫氣壓力超過預設值，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，導致氫氣從膜增濕器處滲透至水側(cè)，進入循環(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程序未觸發(fā)，主要原因是燃料電池模塊停機信號的發(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，導致程序存在邏輯問題

3）機理分析

中空纖維膜增濕器的工作機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)的水滲透到反應氣側(cè)達到增濕效果。其中要求氣側(cè)與水側(cè)壓差不超過35kPa，一旦氣水壓差超標將導致增濕器內(nèi)的Nafion膜破裂或透水量超標。

4）整改措施

減壓閥返廠維修；燃料電池模塊自保護程序改進。

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，導致國產(chǎn)MEA擴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)設計水平不高。

3）機理分析

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，導致部分區(qū)域反應氣供應不足或散熱不良形成熱點。

4）整改措施

進一步改進膜電極加工工藝；優(yōu)化雙極板流場結(jié)構(gòu)設計。

2.6 模塊正常運行中控制器重啟初始化

1）問題概述

模塊穩(wěn)定運行時，在上位機未下達“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位重啟所致。

3）機理分析

控制器DSP電路復位原理如圖3所示。

在此電路中，當+5V1信號上出現(xiàn)一定的低電平時，電源電路會跟隨產(chǎn)生自動復位輸出新號，同時其D3.3V會跟隨產(chǎn)生低電平；當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就會被復位，進行初始化操作。

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復位輸入信號端瞬間產(chǎn)生低脈沖，從而導致DSP進行復位的初始化動作。

4）整改措施

利用CPLD編程，對發(fā)給DSP的復位信號在其完成上電復位動作后，進行封鎖處理，無論前端來自電源電路的自動復位和手動復位信號如何變化，不再對DSP進行復位輸出，以此來實現(xiàn)控制器復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的復位信號在其完成上電復位動作后，進行封鎖處理，使DSP不再被復位。

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）機理分析

采集板由CPU電路、電阻分壓網(wǎng)絡、多路選擇電路、運算放大電路、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)絡是整個數(shù)據(jù)采集的基礎。電阻網(wǎng)絡設計示意如圖5所示。

采集的電壓Unx經(jīng)電阻網(wǎng)絡八分之一分壓后得到Ux，Ux進入多路選擇電路。當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，從而導致兩個通道值顯示異常。

圖5 電阻網(wǎng)絡設計示意

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)顯示恢復正常。

2.8 燃料電池模塊在額定功率下無法長時間運行

1）問題概述

外循環(huán)水溫度從技術(shù)指標5～63℃降到40℃以下，外循環(huán)水流量從技術(shù)指標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，小于原始設計流量（≥50L/m），在換熱面積固定，換熱溫差無法進一步擴大的條件下，循環(huán)水換熱能力不足。

3）機理分析

電堆循環(huán)水管路主要包括循環(huán)水泵、循環(huán)水箱、電堆、板式換熱器等設備，其中循環(huán)水泵、循環(huán)水箱設置在模塊內(nèi)部，而板式換熱器設置在模塊外部。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，遠大于實際模塊換熱量，導致循環(huán)水沿程流阻較大。

4）整改措施

將循環(huán)水泵和水箱設置在模塊之外與板式換熱器集成設計，可以合理的設計循環(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)水流量遠遠低于指標，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）機理分析。DC/DC運行中的電磁干擾可能會通過直接傳導、近場耦合的遠場輻射的方式對附近的弱點設備的正常運行構(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計；優(yōu)化DC/DC電磁干擾抑制設計；更換為防護性、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行過程中發(fā)生的典型故障模式，開展問題定位、機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)·應用[M]．北京:化學工業(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)動機故障診斷研究[D]. 湖北:武漢理工大學, 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。