摘 要

能源对人类来说至关重要，一直以来都得到了广泛应用，是维持人类日常基本生存万万不能缺少的条件，也是提高生活水准不可或缺的基本保障，而能源的先进利用技术则最能彰显一个国家，一个民族的经济发展水平，和最能衡量这个国家人民生活所处的水平。人类社会生生不息的发展，文明的进步都离不开能源，能源的发展也离不开人类的智慧与技术，为更高效的能源使用创造动力，二者相辅相成共同促进社会进步。然而化石燃料的大量燃烧对我们的环境造成了极大地伤害，使得全球变暖。化石燃料的燃烧必须减少，所以我们需要找到一种清洁能源，能够代替传统的化石燃料。于是，具有高效率且清洁等特点的发电装置——燃料电池，为21世纪能源突破与创新开辟了新的道路。

燃料电池是通过氧化剂和燃料之间进行的反应，将储存在二者中的化学能转化成电能从而产生电能，为人类所用，发电过程对环境影响小，接近于零排放，在近几年得到了快速发展。然而，燃料电池在安全方面存在的问题依旧不能小视，如质子交换膜燃料电池中的质子膜由于超压导致破裂引起燃烧或者爆炸、由于氢气管理不当造成泄露以及燃料电池电压下降等故障，都会对影响燃料电池的正常使用，对其安全性造成威胁。

本文通过对燃料电池工作原理，常见的最重要的构成部分和经常出现广为人知的故障模式的分析处理与研究，利用相应软件建立不一样的故障树分析模型，对燃料电池安全性进行了系统有效的定性分析。本文具体工作如下：

⑴以常见的质子交换膜燃料电池为本文的主要研究对象，系统性地分析出质子交换膜燃料电池的基本工作原理以及其中常见的最主要的组成部件。

⑵燃料电池的各个各零件和整个系统之间是密不可分的，二者之间相互联系，根据燃料电池在工作环境方面的特点以及在交通运输等方面的应用，可以确定燃料电池的常见典型故障类型，之后针对不同的故障种类进行逐个处理分析。

⑶随着科技的进步，人们已经研发出了专门用于绘制故障树的软件，利用故障树分析法（FTA）对燃料电池常见故障模式进行可靠性分析，并以“燃料电池氢气泄漏、质子交换膜超压破裂、燃料电池电压下降”三种故障类型为例，建造三种不同类型的故障树分析模型，并对每一种故障树进行分析处理。

本文基于对燃料电池的国内外研究现状以及关于燃料电池安全性的研究现状所进行的相关分析，针对质子交换膜燃料电池基本工作原理及其关键部件进行仔细研究，做了相应的故障类型分析，以及采用故障树分析法建立燃料电池不同故障类型的故障树分析模型，最后对燃料电池的安全性进行定性分析评价。

关键字：质子交换膜；故障树；安全性；燃料电池；故障类型

Abstract

Energy is vital to human beings and has been widely used. It is an indispensable condition for maintaining basic survival and an essential guarantee for improving living standards. The advanced use of energy technology can best highlight a country. The level of national economic development is the best measure of the level of people’s lives in this country. The endless development of human society is inseparable from energy. The development of energy is also inseparable from human wisdom and technology， creating power for more efficient energy use， and the two complement each other to promote social progress. However， the massive burning of fossil fuels has caused great damage to our environment， making global warming. The burning of fossil fuels must be reduced， so we need to find a clean energy source that can replace traditional fossil fuels. As a result， fuel cells， which are characterized by high efficiency and cleanliness， have opened up new avenues for energy breakthroughs and innovations in the 21st century.

 Fuel cells generate electricity by converting chemical energy from oxidants and fuels into electrical energy. The power generation process has little impact on the environment and has developed rapidly in recent years. However， the safety problems of fuel cells can not be underestimated. For example， proton membranes in proton exchange membrane fuel cells may cause combustion or explosion due to overpressure， rupture due to improper hydrogen management， and fuel cell voltage drop. The safety of fuel cells poses a threat.

In this paper， the fuel cell safety is analyzed effectively by analyzing and processing the fuel cell working principle， the most common and most important components， and the frequently known failure modes. The specific work of this paper is as follows:

1) Proton exchange membrane fuel cell is the main research object， systematically analyze the working principle of proton exchange membrane fuel cell and the most important main components.

2) The various parts of the fuel cell and the whole system are inseparable， and the two are related to each other. According to the characteristics of the fuel cell in the working environment and the application in transportation， the common fuel cell is determined. Typical fault types are then processed one by one for different fault categories.

3) With the advancement of technology， people have developed software specifically for drawing fault trees， using fault tree analysis (FTA) to analyze the reliability of fuel cell common failure modes， and to "fuel cell hydrogen leak， proton For example， three fault types of exchange membrane overpressure rupture and fuel cell voltage drop are used to construct three different types of fault tree analysis models， and each fault tree is analyzed and processed.

This paper first analyzes the research status of fuel cells at home and abroad and the research status of fuel cell safety. Then it mainly studies the working principle and key components of proton exchange membrane fuel cells， and analyzes fault types， and then uses fault tree analysis. Establish a fuel cell fault tree analysis model， and finally analyze and evaluate the safety of the fuel cell.

Key words: proton exchange membrane； fault tree； security； fuel cell； fault types

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1燃料电池种类的国内外研究 2

1.2.2燃料电池安全性的国内外研究 4

1.3 本课题研究内容及技术路线 6

第2章 质子交换膜燃料电池的工作原理及关键部件 7

2.1质子交换膜燃料电池的工作原理 7

2.2质子交换膜燃料电池的关键部件 8

第3章 燃料电池常见故障分析 13

3.1燃料电池氢气泄漏 13

3.2燃料电池质子交换膜超压破裂造成火灾或爆炸 13

3.3燃料电池电压下降 14

第4章 燃料电池安全性故障树分析 15

4.1 故障树分析法 15

4.1.1 故障树分析法概述 15

4.1.2 故障树基本术语 15

4.1.3 故障树模型建立 17

4.1.4 故障树模型分析 17

4.2 燃料电池安全性故障树分析模型 19

4.2.1 燃料电池氢气泄漏故障树分析 19

4.2.2 燃料电池质子交换膜超压破裂故障树分析 22

4.2.3 燃料电池电压下降故障树分析 27

第5章 结论 30

5.1 本文的总结 30

5.2 本文的展望 30

致 谢 32

参考文献 33

附 录 34

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

一直以来，能源都可以直接影响一个国家的经济发展，是一个有着很高地位的重要因素，也是每个国家竞相争夺的宝贵资源，更是促进经济发展和提高我国人民生活水准的重要根基。随着科学技术的飞速发展，历史的丰富更迭，人类文明的不断进步，人们对能源的需求也日益增多，广为人们熟知的最主要的能源就是石油、煤、天然气，但它们的全球储存量正在日益减少，很难满足人类世世代代的需求了。因此，当今的研发电源产品的发展趋势就是对环境造成的污染小，效率要高，所以替代燃料的电源给与了人类极大的兴趣。随着人类社会物质与精神文明的进步，人类对生活质量提高以及周边环境的要求越来越严格，但是进行传统的化石能源的燃烧会对人类赖以生存的环境造成极大地破坏，它们燃烧之后会排会放出大量的二氧化碳，二氧化硫和碳氮化合物，这些是造成温室效应、酸雨、臭氧层破坏和光化学污染等一系列环境污染的首要因素。因此，研发一种全新的发电装置的需求愈发强烈，该这种新型发电装置不会排放出污染大自然的污染物质。在此背景下，燃料电池便应运而生，它被认为是最有前景的新型技术之一，能够实现上述目标，因此在近几年发展很迅速。

作为一种当前发展迅速的能量转换技术，燃料电池这一概念其实很早就被人们提出来了，但由于种种原因，各方面的限制，燃料电池直到近十几年才在国内外掀起了一股“燃料电池热”。燃料电池的工作原理很简单，就是把氧化剂（通常为氧气）和氢气中的化学能通过电化学反应一步转化成电能。和其他燃料相比，氢气不产生一氧化碳或者任何其它污染物质，当它输入燃料电池时，只产生水和热。从外表看它只有正负极和电解质等，看起来就像是我们常见的蓄电池一样，但实际上它并不能像蓄电池一样能够进行储电，而更像是一个"发电厂"，可以产生电能。燃料电池被誉为继水力、火力、核电之后的第四代发电技术，具有能量转换效率高、低温快速启动、低热辐射和低热排放、运行噪声低、使用不同功率要求等优点，具有非常好的前景。

燃料电池虽然发展迅速，但在其发电系统的整体结构设计和生活中的实际应用方面来说，依旧存在一系列安全性问题。燃料电池发电系统的安全性问题多种多样，其中最常见的就是机械危险、电气危险、热危险、化学危险、物理危险、设备故障危险、因不适当的人机工程学原理而导致的危险及人机界面危险、合理预见的误用、环境条件危险、污染等方面存在的安全问题。例如，众所周知的，燃料电池的燃料通常是氢，氢气既易燃又易爆，所以要求燃料电池的安全性能要足够高。因此想要保证燃料电池的长期稳定工作，就需要提高燃料电池的发电性能，深入探究燃料电池的故障类型，诊断方法，解决方案，因此进行燃料电池安全性评价分析和研究具有一定的理论研究意义和实际工程应用价值。

1.2国内外研究现状

1.2.1燃料电池种类的国内外研究

1.2.1.1碱性氢氧燃料电池（AFC）

最早得到应用的一种燃料电池就是碱性氢氧燃料电池，它的发展目前已经非常成熟，在航空航天飞行及潜水艇等领域都能见到它的身影，得到了非常成功的应用^[1]。AFC在载人航空航天飞行领域中运用的最多。电池堆内部发生反应生成水，这些水可以通过专门的净化装置得到净化，可以用来作为宇航员的日常饮用水；并且其中氧气供应分系统与生态保护系统相互依存。除此之外，石棉模型的AFC也被广泛应用在航天飞机中，扮演着很重要的角色，因为飞机上的主电源就是由它来担任的^[2]。

德国一家燃料电池研究公司，即Siemens公司曾在u1潜水艇上做了一个实验，将他们研发出的100KW的大功率AFC，作为该潜水艇的动力源，最终获得成功。值得一提的是，该种动力源不需要空气^[3]。

我国关于AFC研究，最早是在60年代由中科院长春物化所展开的。大连化物研究所于70年代成功研制出两种碱性氢氧燃料电池^[4]。80年代初，研究所成功研制出20kW 的大功率碱性石棉模型燃料电池样机，该样机被成功应用于潜艇领域。

从中短期来看，碱性燃料电池的应用主要局限于航天宇航、潜艇、固定发电系统等方面，因此相对于其他燃料电池而言，碱性燃料电池在其他领域的应用具有一定的挑战性。

1.2.1.2熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）

MCFC的电解质是由Li₂CO₃和K₂CO₃组成，其在阴极和阳极发生电化学反应时，反应速率相当快，所以根本不需要附加任何金属催化剂，自身就可以有效利用反应热来产生更多的能量。

当前MCFC的研究与运用已经得到了大范围的推广，但“领头羊”还是美国、日本、和西欧等国家。当MCFC在性质和能力发生衰减，电解质发生迁移等方面出现问题时，目前研制出的外公用管道型熔融碳酸盐燃料电池就为这些问题的解决提供了重大帮助。熔融碳酸盐燃料电池在美国燃料化学能源公司和M-C能源公司的不断推动下日益商业化。至今世界上正在运行的最大的单组电池就是由德国MTU公司研发的^[5]。

我国对于MCFC的研究是从90年代初开始，由长春物化所着手进行的，他们在MCFC的阳极材料的选取以及氧化锂铝的制取方法等方面取得了重大进展。从1993年起，大连化学物理所得到了中科院的鼎力支持与帮助，开始走上了自制MCFC的道路，由氧化铝粉末制成的MCFC其单体电池的性价比和功能在当时的80年代初来说，达到了国际水准。

1.2.1.3磷酸燃料电池（PAFC）

PAFC是一种常见的民用技术，得到了广泛的发展。它的燃料是经过重整的天然气，空气是氧化剂，电解质是用浓磷酸浸泡过的氧化硅小孔膜，用铂和碳做电催化剂，利用直交流变换的方法将反应产生的直流电流转化成交流电流，最终以交流电的形式供给需求方。

磷酸型燃料电池在美国得到了很高的重视，由于被美国列为国家级的重点科研项目，因此得到了着重研发制造。我国对磷酸燃料电池进行研究的人群主要是魏子栋等学者，他们对Pt3(Fe Co)/ C 氧化还原反应中使用的电催化剂的品种进行了研讨，并且提出了Fe / Co对Pt 的锚定效应^[6]。

当前PAFC技术已经比较成熟了，被公认为是能够用于热能和电能联合供应的发电装置，具有很高的可靠性，在一些对供电安全要求比较高的场合中有着非常好的光明前景，比如医院、监狱、旅馆等。

1.2.1.4固体氧化物燃料电池（SOFC）

SOFC的电解质是氧化锆和氧化钇，在锰酸镧( LSM)中掺杂着一些鍶，以此作为空气电极，阳极的全固态陶瓷结构为Ni-YSZ。固体氧化物燃料电池多种多样，其中管式、平板式^[7]和瓦楞式目前已经得到了广泛的开发，人们常称的第三代燃料电池也就是固体氧化物燃料电池。

1971年，上海硅酸盐研究所就开始对SOFC在电极材料的应用以及电解质材料的选择等方面展开研究。在之后的1995年，吉林大学得到了吉林省计委和国家计委的大力支持与帮助，展开了对SOFC的进一步研究，最终成功研制出一种电压可以达到1.18V ，电流密度400mA/ cm²的固体氧化物燃料电池。

SOFC 中运用的固体氧化物电解质普遍采用的是陶瓷材料，然而陶瓷材料脆性大，因此给SOFC电解质材料的制备造成了不小的困难。由于这个原因，所以当前大面积的固体电解质膜依旧很难被制造处出来，这对于建造大功率的SOFC也形成了极大的限制 。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：