处理故障及其原因的分析介绍

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：不过，脱水/水和循环是一个特别困难的运行过程，循环过程中所产生的机械应力和膜电极上形成的热点都会减少电堆寿命。控制膜电极水量的系统参数和控制水淹时的参数是一样的。杂质过多会减少膜电极的电活性表面，进而降低催化剂活性，不过采用合适的冲洗机理可以抑制这种影响。实际上，系统突然中止运行或者一段时间后不能使用，不仅仅只是膜电极故障引起的，系统发生故障远非只有这一种原因。

燃料电池电堆层面的故障可以有多种不同的分类方式，可以按照引起性能衰减现象的物理属性分类（如机械、热、电化学等），也可以按照性能衰减的严重程度来分类（干扰系统性能稳定性的可逆的性能衰减或是不可逆的性能衰减，以及由非法操作所导致的电池系统可靠性问题）。性能衰减的速度也是划分故障类型的一个依据^{[LAC 03，WIL 03]}。不过在本书的分析中，我们将只考虑发生在电堆层面的最常见的故障形式。

正如已经提及的，PEM电池的水管理是一个复杂而关键的问题，它是电池获得高且稳定性能的重要环节。膜水淹一般出现在局部的几个单体电池中，阻碍参加反应的气体到达化学反应界面。由此会引起单体电压波动，以及单体间电压的差异，而经常突然出现的、不可预测的波动，本质上就是电池性能不稳定的表现，这在高电流密度下尤为严重。一般来说，水淹是可以恢复的，通过控制系统运行参数可以使系统再次获得水淹前的性能，即降低反应气湿度（或者利用电池和气体加湿器间的温差，或者利用额外的反应气体清洗气路几秒钟）或者改变阳极和阴极之间的压力梯度。然而，反复水淹可令系统运行在亚化学计量状态，即使发生在局部，中、长期水淹对单体组件也会产生很大影响，使其性能衰减。

反之，反应气体湿度不足或者电池温度过高将引发膜脱水，降低膜的传导率。假如膜脱水时间不是太长，而且不会再发生，则当膜水分恢复正常状态之后，其性能通常可以重新恢复。不过，脱水/水和循环是一个特别困难的运行过程，循环过程中所产生的机械应力和膜电极上形成的热点都会减少电堆寿命。控制膜电极水量的系统参数和控制水淹时的参数是一样的。

至于反应气体的纯度及其杂质，比如一氧化碳（最大容许值为10～50ppm），是改善电堆寿命和性能所必须考虑的另一个重要因素。杂质过多会减少膜电极的电活性表面，进而降低催化剂活性，不过采用合适的冲洗机理可以抑制这种影响。

如果PEMFC燃料电池发生故障，通常都与系统的架构和控制相关。例如，如果阳极和阴极之间的压力梯度控制不好，则可能会导致膜的机械性损坏，膜的厚度（25～100μm）决定了它是一个脆弱的系统。反应气体的输送、调节不当，会导致系统工作在亚化学计量状态。而电池的小电流密度短暂运行，甚至根本就没有电流输出（处于开路状态，OCV开路电压）都对寿命有影响。当燃料电池系统运行在动态循环时（输出电流、气体流量、温度和压力梯度），尤其需要精细化掌握和控制各物理参数。

运行在额定和稳定状态下的电池也受到元件层面老化的影响，即扩散层、电极、膜和各接头。耐久性测试表明，从双极板到反应界面，与反应物传输相关的性能都存在降低现象，包括运行过程中催化剂活性降低，金属双极板存在腐蚀现象，阳极-阴极-冷却回路气室间的气密性也会发生损坏。

说到这里，需要着重强调的是，目前燃料电池系统的原型样机，其辅助装置成为系统机能障碍的主要因素。实际上，系统突然中止运行或者一段时间后不能使用，不仅仅只是膜电极故障引起的，系统发生故障远非只有这一种原因。

物理参数对电池性能降低、发生故障、单体和系统老化的影响，必须通过一系列能够描绘燃料电池系统性能特征的实验方法、系统的测试方法^{[WAH 06]}和适宜的诊断方法来分析判断^{[HER 06]}。

处理故障及其原因的分析介绍

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