氫氧燃料電池模塊故障樹分析

周陽寧，陳 敏

?

氫氧燃料電池模塊故障樹分析

周陽寧1，陳 敏2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，武漢 430205）

根據(jù)氫氧燃料電池模塊的基本組成及相應(yīng)的可靠性要求，從模塊實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的角度建立相應(yīng)故障樹，以模塊故障為頂事件，并進(jìn)行定性定量分析，確定了燃料電池模塊的關(guān)鍵件和重要件，計(jì)算得到燃料電池模塊發(fā)生故障的概率，是否滿足模塊的設(shè)計(jì)要求。

氫氧燃料電池 故障樹 整改措施

0 引言

能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為當(dāng)前社會的主題，在快速發(fā)展的同時(shí)，如何保持能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展成為了各國的研究熱點(diǎn)。一方面通過開發(fā)新技術(shù)、新循環(huán)、新機(jī)理來提高循環(huán)的效率，減緩當(dāng)前的能源消耗速度；另一方面尋求開發(fā)新能源來替代化石燃料，為能源的可持續(xù)發(fā)展保持一定的儲備。

具有代表性的新能源有風(fēng)能、潮汐能、太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉?。然而這些可再生能源發(fā)電系統(tǒng)由于運(yùn)行的間歇性和地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，使上述能源載體的利用不是很方便，很多關(guān)鍵技術(shù)有待攻克。氫是另一種潔凈能源載體，氫在燃燒或催化氧化后的產(chǎn)物為液態(tài)水或水蒸氣，氫作為能源載體，相對于其它載體如汽油、乙烷和甲醇來講，具有來源豐富、質(zhì)量輕、能量密度高、綠色環(huán)保、儲存方式與利用形式多樣等特點(diǎn)。電作為迄今為止最方便的能源載體被廣泛應(yīng)用于全世界各個(gè)地區(qū)，但是發(fā)電用的化石燃料如煤、石油和天然氣并不是潔凈能源。氫氧燃料電池是一種直接以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑，通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的一種裝置，能充分發(fā)揮氫能源與電能源的優(yōu)勢，具有工作溫度低、啟動(dòng)快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)效率高、排放清潔、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足幾乎所有場合能源的需要，具有寬廣的應(yīng)用空間，有著極大的市場潛力。鑒于目前對氫氧燃料電池模塊故障率的評估方法和手段較少，而大多數(shù)應(yīng)用場合下對燃料電池模塊MTBF提出的要求不小于3000小時(shí)。故本文提出運(yùn)用故障樹分析法，對氫氧燃料電池模塊進(jìn)行定性分析和定量計(jì)算，確定了氫氧燃料電池模塊關(guān)鍵件和重要件，通過計(jì)算得到氫氧燃料電池模塊發(fā)生故障的概率，從而判斷是否滿足模塊MTBF≥3000 h的要求。

1 氫氧燃料電池模塊概述

氫氧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，由幾十種材料、若干種復(fù)雜結(jié)構(gòu)精確組裝而成。其總體設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮材料、結(jié)構(gòu)、溫度、濕度、氣壓、水壓、應(yīng)力、監(jiān)測、啟停、電性能等多種因素，是一種集整體設(shè)計(jì)與局部細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)為一體的、涉及多學(xué)科交叉式的高集成度發(fā)電裝置。

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(gè)單元由各種設(shè)備組成，每個(gè)設(shè)備又由各種零部件組成，氫氧燃料電池模塊的組成框圖如圖1所示。

圖1 氫氧燃料電池模塊組成框圖

2 氫氧燃料電池模塊故障樹分析

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是1961年提出來的，首次用于分析“民兵”導(dǎo)彈發(fā)射控制器，后來推廣應(yīng)用到航天部門及核能、化工等許多領(lǐng)域，成為復(fù)雜系統(tǒng)可靠性和安全性分析的一種有力工具，也是事故分析的一個(gè)重要手段。因此，通過故障樹分析法定性分析燃料電池模塊發(fā)生故障的原因，并根據(jù)分析結(jié)果為提高燃料電池模塊可靠性提出具體的整改措施。分析結(jié)果也可應(yīng)用在燃料電池模塊的設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行各個(gè)階段。并為模塊故障源搜尋提供具體可行的步驟，大大減少了故障診斷的工作量。

圖2 氫氧燃料電池模塊故障樹1

以氫氧燃料電池模塊無電能輸出為頂事件進(jìn)行FTA，具體分析如圖2～圖8所示。

圖3 氫氧燃料電池模塊故障樹2

圖4 氫氧燃料電池模塊故障樹3

圖5 氫氧燃料電池模塊故障樹4

3 故障樹分析

3.1定性分析

采用下行法求出全部最小割集為：X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X9，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21，X22，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X29，X30，X31，X32，X33，X34，X35，X36，X37，X38，X39，X40，X41，X42，X43，X44，{ X7，X8}，{ X9，X10}，{ X45，X47}，{ X45，X48}，{ X45，X49}，{ X45，X50}，{ X45，X51}，{ X45，X27}，{ X45，X28}，{ X45，X29}，{ X45，X30}，{ X45，X1}，{ X45，X2}，{ X45，X3}，{ X45，X4}，{ X46，X47}，{ X46，X48}，{ X46，X49}，{ X46，X50}，{ X46，X51}，{ X46，X27}，{ X46，X28}，{ X46，X29}，{ X46，X30}，{ X46，X1}，{ X46，X2}，{ X46，X3}，{ X46，X4}。

根據(jù)最小割集分析，底事件中出現(xiàn)頻次最高的(X1～X4)、（X6、X25、X47、X50、X51）、（X48、X49）、(X27～X30)、（X34～X37）、X15、(X45、X46)和X38。

X1～X4為電磁閥失效，X6、X25、X47、X50、X51均為雙極板故障，X48、X49均為膜電極故障，建議選定電磁閥、雙極板、膜電極為關(guān)鍵件，嚴(yán)格選型并開展相關(guān)可靠性的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

X27～X30均為氣水分離器故障，X34～X37為控制器與巡檢板故障，建議選定氣水分離器、控制器與巡檢板為重要件，開展自研工作和相關(guān)可靠性的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

圖6 氫氧燃料電池模塊故障樹5

X15為主路換熱器，X45、X46為二極管及配件故障，均為小概率事件，可忽略不計(jì)。

X38為電磁干擾，建議在條件許可的情況下最大限度地采取電磁兼容措施，要求燃料電池模塊電磁干擾試驗(yàn)按GJB152A-1997進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果應(yīng)滿足GJB151A-1997中CE101、CE102的要求。

3.2定量分析

根據(jù)下式計(jì)算頂事件的發(fā)生概率：

式中：P(T)——頂事件發(fā)生概率；

P(Ki)——第i個(gè)最小割集的發(fā)生概率；

Nk——最小割集數(shù)。

其中根據(jù)多輪可靠性分配與預(yù)計(jì)確定每個(gè)底事件的發(fā)生概率如下：

圖7 氫氧燃料電池模塊故障樹6

F1=F2=F3=F4=F7=F9=F18=F30=6.8×10-6

F5=F11=6.3×10-6

F6=F25=F47=F50=F51=3.3×10-5

F8=F10=F39=F40=F41=F42=F43=1×10-8

F12=F13=F16=F17=F21=F22=8×10-6

F14=F23=4.6×10-6

F15=F24=5.1×10-6

F19=F20=F26=F29=3.4×10-6

F27=F28=5.8×10-6

F31=4.3×10-6

F32=F33=4.8×10-6

F34=F35=F36=F37=F38= 1.4×10-5

F44=3.5×10-6

F45=F46=6.4×10-6

F48=F49=9.5×10-5

頂事件發(fā)生的概率為：

4 結(jié)論

本文通過建造氫氧燃料電池模塊故障樹模型, 對其可靠性進(jìn)行了定性和定量的分析, 其中通過定性分析確定了模塊的關(guān)鍵件為電磁閥、雙極板和膜電極，重要件為氣水分離器、控制器與巡檢板；通過定量分析，計(jì)算得到燃料電池模塊發(fā)生故障的概率為3.13 ×10-4，滿足模塊MTBF≥3000 h的要求。要進(jìn)一步提高模塊可靠性，需要積極全面的收集模塊各組成部件的可靠性特性，進(jìn)一步補(bǔ)充和完善故障樹，針對故障樹中出現(xiàn)頻次較高的事件，提出更有效的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施、使用補(bǔ)償措施和控制方法。

[1] GJB 813-1990 可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計(jì)[S].

[2] GJB/Z 768A-1998 故障樹分析指南[S].

[3] 康銳, 石榮德, 肖波平等. 型號可靠性維修性保障性技術(shù)規(guī)范[M].

Fault Tree Analysis of Hydrogen-oxygen Fuel Cell Module

Zhou Yangning1, Chen Min2

(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2.Wuhan Vocational College of Software and Engineering, Wuhan 430205, China)

A

TM911.4

A

1003-4862（2017）08-0017-05

2017-02-17

周陽寧（1984-），男，工程師。研究方向：自動(dòng)化。E-mail: 67744119@qq.com