氢氧燃料电池模块故障树分析

周阳宁，陈 敏



氢氧燃料电池模块故障树分析

周阳宁1，陈 敏2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 武汉软件工程职业学院，武汉 430205）

根据氢氧燃料电池模块的基本组成及相应的可靠性要求，从模块实际运行状态的角度建立相应故障树，以模块故障为顶事件，并进行定性定量分析，确定了燃料电池模块的关键件和重要件，计算得到燃料电池模块发生故障的概率，是否满足模块的设计要求。

氢氧燃料电池 故障树 整改措施

0 引言

能源与环境问题已经成为当前社会的主题，在快速发展的同时，如何保持能源与环境的可持续发展成为了各国的研究热点。一方面通过开发新技术、新循环、新机理來提高循环的效率，减缓当前的能源消耗速度；另一方面寻求开发新能源来替代化石燃料，为能源的可持续发展保持一定的储备。

具有代表性的新能源有风能、潮汐能、太阳能、地热能等可再生能源。然而这些可再生能源发电系统由于运行的间歇性和地处偏远地区，使上述能源载体的利用不是很方便，很多关键技术有待攻克。氢是另一种洁净能源载体，氢在燃烧或催化氧化后的产物为液态水或水蒸气，氢作为能源载体，相对于其它载体如汽油、乙烷和甲醇来讲，具有来源丰富、质量轻、能量密度高、绿色环保、储存方式与利用形式多样等特点。电作为迄今为止最方便的能源载体被广泛应用于全世界各个地区，但是发电用的化石燃料如煤、石油和天然气并不是洁净能源。氢氧燃料电池是一种直接以氢气为燃料，氧气为氧化剂，通过电化学反应产生电能的一种装置，能充分发挥氢能源与电能源的优势，具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、系统效率高、排放清洁、操作方便等优点，可以满足几乎所有场合能源的需要，具有宽广的应用空间，有着极大的市场潜力。鉴于目前对氢氧燃料电池模块故障率的评估方法和手段较少，而大多数应用场合下对燃料电池模块MTBF提出的要求不小于3000小时。故本文提出运用故障树分析法，对氢氧燃料电池模块进行定性分析和定量计算，确定了氢氧燃料电池模块关键件和重要件，通过计算得到氢氧燃料电池模块发生故障的概率，从而判断是否满足模块MTBF≥3000 h的要求。

1 氢氧燃料电池模块概述

氢氧燃料电池模块是以氢气为燃料、氧气为氧化剂的电化学反应装置，由几十种材料、若干种复杂结构精确组装而成。其总体设计需要同时考虑材料、结构、温度、湿度、气压、水压、应力、监测、启停、电性能等多种因素，是一种集整体设计与局部细节设计为一体的、涉及多学科交叉式的高集成度发电装置。

燃料电池模块由四大单元组成，分别为电堆单元、气体管理单元、水热管理单元和监控单元。每个单元由各种设备组成，每个设备又由各种零部件组成，氢氧燃料电池模块的组成框图如图1所示。

图1 氢氧燃料电池模块组成框图

2 氢氧燃料电池模块故障树分析

故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）是1961年提出来的，首次用于分析“民兵”导弹发射控制器，后来推广应用到航天部门及核能、化工等许多领域，成为复杂系统可靠性和安全性分析的一种有力工具，也是事故分析的一个重要手段。因此，通过故障树分析法定性分析燃料电池模块发生故障的原因，并根据分析结果为提高燃料电池模块可靠性提出具体的整改措施。分析结果也可应用在燃料电池模块的设计、制造、安装和运行各个阶段。并为模块故障源搜寻提供具体可行的步骤，大大减少了故障诊断的工作量。

图2 氢氧燃料电池模块故障树1

以氢氧燃料电池模块无电能输出为顶事件进行FTA，具体分析如图2～图8所示。

图3 氢氧燃料电池模块故障树2

图4 氢氧燃料电池模块故障树3

图5 氢氧燃料电池模块故障树4

3 故障树分析

3.1定性分析

采用下行法求出全部最小割集为：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}。

根据最小割集分析，底事件中出现频次最高的(X1～X4)、（X6、X25、X47、X50、X51）、（X48、X49）、(X27～X30)、（X34～X37）、X15、(X45、X46)和X38。

X1～X4为电磁阀失效，X6、X25、X47、X50、X51均为双极板故障，X48、X49均为膜电极故障，建议选定电磁阀、双极板、膜电极为关键件，严格选型并开展相关可靠性的试验验证工作。

X27～X30均为气水分离器故障，X34～X37为控制器与巡检板故障，建议选定气水分离器、控制器与巡检板为重要件，开展自研工作和相关可靠性的试验验证工作。

图6 氢氧燃料电池模块故障树5

X15为主路换热器，X45、X46为二极管及配件故障，均为小概率事件，可忽略不计。

X38为电磁干扰，建议在条件许可的情况下最大限度地采取电磁兼容措施，要求燃料电池模块电磁干扰试验按GJB152A-1997进行试验，结果应满足GJB151A-1997中CE101、CE102的要求。

3.2定量分析

根据下式计算顶事件的发生概率：

式中：P(T)——顶事件发生概率；

P(Ki)——第i个最小割集的发生概率；

Nk——最小割集数。

其中根据多轮可靠性分配与预计确定每个底事件的发生概率如下：

图7 氢氧燃料电池模块故障树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

顶事件发生的概率为：

4 结论

本文通过建造氢氧燃料电池模块故障树模型, 对其可靠性进行了定性和定量的分析, 其中通过定性分析确定了模块的关键件为电磁阀、双极板和膜电极，重要件为气水分离器、控制器与巡检板；通过定量分析，计算得到燃料电池模块发生故障的概率为3.13 ×10-4，满足模块MTBF≥3000 h的要求。要进一步提高模块可靠性，需要积极全面的收集模块各组成部件的可靠性特性，进一步补充和完善故障树，针对故障树中出现频次较高的事件，提出更有效的设计改进措施、使用补偿措施和控制方法。

[1] GJB 813-1990 可靠性模型的建立和可靠性预计[S].

[2] GJB/Z 768A-1998 故障树分析指南[S].

[3] 康锐, 石荣德, 肖波平等. 型号可靠性维修性保障性技术规范[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

周阳宁（1984-），男，工程师。研究方向：自动化。E-mail: 67744119@qq.com