燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵零部件開放性測試臺架的研發(fā)

摘 要：燃料電池技術(shù)作為氫能產(chǎn)業(yè)的核心組成部分，其關(guān)鍵零部件，如電堆、空氣壓縮機、氫氣循環(huán)泵以及引射器等性能優(yōu)劣，將直接影響到整個系統(tǒng)的效率和可靠性。在燃料電池系統(tǒng)運行中，電堆負責將化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化為電能，空壓機精準調(diào)控反應(yīng)氣體的供應(yīng)，氫氣循環(huán)泵確保氫氣的穩(wěn)定循環(huán)，引射器則優(yōu)化氣體混合效果，任何一個部件出現(xiàn)性能短板，都會對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。然而，傳統(tǒng)測試臺架存在封閉性強、兼容性差、成本高等問題，嚴重制約了研發(fā)效率。研究提出一種基于模塊化設(shè)計的開放性測試臺架，通過標準化硬件接口、多協(xié)議通信支持及可擴展軟件架構(gòu)，實現(xiàn)多類型零部件的兼容性測試。

關(guān)鍵詞：燃料電池 模塊化設(shè)計 測試臺架 多協(xié)議通信

在全球積極推進碳中和目標的背景下，傳統(tǒng)以化石燃料為主的能源與交通模式，因高碳排放、資源有限等問題，難以契合可持續(xù)發(fā)展需求。氫燃料電池技術(shù)憑借零排放、高能量轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)勢，成為交通、能源等領(lǐng)域深度脫碳的關(guān)鍵方案。

在汽車市場，燃料電池汽車續(xù)航長、加氫快，有效解決了純電動車的續(xù)航與充電難題，備受市場關(guān)注。截至 2024 年，全球燃料電池汽車保有量超9.6萬輛，且穩(wěn)步增長。中國憑借龐大市場與完善產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈，燃料電池汽車數(shù)量增長迅猛[1]；歐盟多國也積極布局，借助技術(shù)創(chuàng)新與政策引導(dǎo)，推動其在公共交通和物流領(lǐng)域應(yīng)用。

為加速氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，各國紛紛出臺扶持政策。中國制定涵蓋研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)的政策，給予企業(yè)資金支持，推進加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建完整氫能產(chǎn)業(yè)鏈；日本通過立法保障、補貼激勵，鼓勵企業(yè)開展燃料電池技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)品推廣；歐盟在區(qū)域?qū)用鎱f(xié)同推進氫能項目，促進成員國間技術(shù)交流與產(chǎn)業(yè)合作，推動氫能商業(yè)化應(yīng)用。

燃料電池系統(tǒng)[2]由多個核心部件構(gòu)成，各部件性能對系統(tǒng)整體效率與壽命至關(guān)重要。電堆是核心，通過電化學(xué)反應(yīng)將氫氧化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，其性能直接影響系統(tǒng)輸出功率與效率；空氣壓縮機為電堆供應(yīng)適量有壓空氣，保障電化學(xué)反應(yīng)，其工作效率和能耗顯著影響系統(tǒng)性能；氫氣循環(huán)泵使未反應(yīng)的氫氣循環(huán)利用，提高氫氣利用率，降低運行成本；增濕器調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體濕度，防止電堆內(nèi)干燥導(dǎo)致膜電極性能下降，延長電堆使用壽命。這些核心部件協(xié)同運作，保障燃料電池系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運行。

1 燃料電池系統(tǒng)測試現(xiàn)狀與技術(shù)需求

1.1 氫燃料電池系統(tǒng)發(fā)展及測試挑戰(zhàn)?

在全球?qū)η鍧嵞茉葱枨笕找嫫惹械漠斚拢瑲淙剂想姵叵到y(tǒng)憑借零排放、高能量密度等顯著優(yōu)勢，在交通運輸、分布式發(fā)電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)的電堆、氫氣循環(huán)泵、引射器等關(guān)鍵零部件，其性能對系統(tǒng)整體的效率、穩(wěn)定性與壽命起著決定性作用。

然而，傳統(tǒng)測試臺架存在諸多弊端。一方面，其封閉性強，僅能適配特定品牌和型號的零部件，難以滿足如今多樣化的測試需求；另一方面，建設(shè)與維護成本高昂，嚴重阻礙了燃料電池技術(shù)的快速更新迭代。所以，開發(fā)具備高兼容性、高開放性且成本低廉的測試臺架，已成為推動燃料電池技術(shù)進步的當務(wù)之急。

1.2 開放性測試臺架的必要性與研究現(xiàn)狀?

開放性測試臺架以標準化接口和可擴展架構(gòu)，直擊傳統(tǒng)測試臺架適配性差、成本高的痛點。目前，國外企業(yè)雖已開展相關(guān)研發(fā)并推出部分開放性測試臺架，但仍存在標準化程度不足、系統(tǒng)集成水平較低等問題。相比之下，國內(nèi)相關(guān)研究起步滯后，大多聚焦單一零部件測試設(shè)備，缺乏覆蓋燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的開放性測試方案。現(xiàn)有測試臺架在硬件接口通用化、通信協(xié)議兼容適配、軟件功能拓展等方面存在明顯短板，亟須突破。因此，研發(fā)一套先進的開放性測試臺架，對推動燃料電池技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級具有重要的理論價值與實踐意義。

2 開放性測試臺架的設(shè)計思路

研究以燃料電池實驗臺架為基礎(chǔ)，對電堆和氫氣供應(yīng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件開展特性測試和研究，測試臺架主要包括燃料電池電堆、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)及相應(yīng)的負載回路控制與監(jiān)控系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)原理如圖1所示。其中，陽極尾氣處理采用集成引射器和氫氣循環(huán)泵并聯(lián)結(jié)構(gòu)的再循環(huán)模式，并設(shè)置了多個壓力、流量傳感器負責采集信息；排氣模塊包括水分離器和排氫排水閥，負責從循環(huán)氣體中分離出液態(tài)水并調(diào)節(jié)氣體排放。

基于模塊化設(shè)計原則，將測試臺架劃分為硬件層、通信層和軟件層。硬件層通過標準化接口，適配電堆、引射器等多種關(guān)鍵零部件，實現(xiàn)快速更換與測試；通信層支持 CAN、Modbus 等多種通信協(xié)議，確保設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定與高效；軟件層采用分層架構(gòu)，具備良好的擴展性與兼容性，可根據(jù)測試需求靈活調(diào)整功能模塊。明確測試臺架須具備測試參數(shù)精準控制、數(shù)據(jù)實時采集與分析、測試流程自動化等核心功能。?

2.1 硬件設(shè)計?

精心選型各類傳感器與執(zhí)行器，如壓力傳感器、流量傳感器、溫度控制器等，確保能夠精確采集與控制測試過程中的關(guān)鍵參數(shù)。設(shè)計標準化硬件接口，統(tǒng)一接口規(guī)格與電氣特性，使不同型號的零部件均可方便接入測試臺架。優(yōu)化硬件電路設(shè)計，采用低功耗芯片與節(jié)能電路，降低系統(tǒng)能耗，同時通過冗余設(shè)計與故障診斷機制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。?

2.2 通信設(shè)計?

分析測試臺架中各設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸特點與需求，選擇適配的通信協(xié)議，構(gòu)建多協(xié)議通信網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計通信接口電路，采用隔離技術(shù)與抗干擾措施，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性與實時性。搭建星型或總線型通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c穩(wěn)定性進行測試驗證，為測試臺架的穩(wěn)定運行提供可靠的通信保障。?

2.3 軟件設(shè)計?

采用分層架構(gòu)設(shè)計測試臺架軟件系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和用戶交互層。數(shù)據(jù)采集層負責實時采集測試數(shù)據(jù)，并進行初步的濾波與校驗；數(shù)據(jù)處理層運用數(shù)據(jù)分析算法，對采集到的數(shù)據(jù)進行深度挖掘與分析，生成測試報告；用戶交互層采用圖形化界面設(shè)計，操作簡單直觀，方便用戶進行測試參數(shù)設(shè)置、測試流程監(jiān)控與結(jié)果查看。選擇 LabVIEW、Matlab 等成熟的軟件開發(fā)工具，進行軟件系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試。

3 測試臺架系統(tǒng)的設(shè)計與搭建

3.1 監(jiān)控平臺的搭建

針對文章所研究的燃料電池系統(tǒng)，考慮到其工作環(huán)境復(fù)雜，為了保證燃料電池高效且平穩(wěn)地運行，文章使用 LabVIEW 基于 CAN 通訊協(xié)議設(shè)計了燃料電池系統(tǒng)監(jiān)控平臺[3]，將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸至上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行分析與存儲，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括。

（1）數(shù)據(jù)監(jiān)控：實時獲取燃料電池工作過程中，氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，并監(jiān)測燃料電池的工作狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)回顧與本地存儲：對實驗過程中采集的數(shù)據(jù)進行記錄與保存。在實驗結(jié)束后，可以通過該功能回顧歷史數(shù)據(jù)并可視化顯示其變化曲線，提高了數(shù)據(jù)記錄效率，降低了人力成本。

（3）安全預(yù)警：氫氣是易燃氣體，通過配置氫氣濃度安全閾值對氫氣實時濃度進行監(jiān)控，檢測系統(tǒng)中是否存在氫氣泄漏情況，從而提高實驗過程的安全性。

3.2 測試平臺的搭建

基于模塊化設(shè)計與系統(tǒng)集成原理，開放式燃料電池系統(tǒng)測試平臺通過多模塊協(xié)同架構(gòu)實現(xiàn)高效測試功能。平臺以燃料電池電堆為核心，構(gòu)建包含供氣子系統(tǒng)、濕度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、負載控制子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的閉環(huán)體系。供氣子系統(tǒng)[4]采用質(zhì)量流量控制器精準調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流速與配比，配合壓力傳感器實現(xiàn)動態(tài)壓力平衡；濕度調(diào)節(jié)模塊通過超聲波霧化器與氣體混配腔，模擬不同濕度工況；負載子系統(tǒng)采用可編程電子負載，實現(xiàn)恒流、恒壓、恒功率多模式切換；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭載高精度傳感器與高速數(shù)據(jù)采集卡，實時監(jiān)測電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)。各模塊通過標準化通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，依托 LabVIEW 開發(fā)的上位機軟件，完成測試流程自動化控制與多維度數(shù)據(jù)分析，確保平臺在開放環(huán)境下具備測試精度與工況模擬的靈活性。?

3.3 應(yīng)用場景開發(fā)及功能拓展

針對燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的不同測試需求，開發(fā)多樣化的應(yīng)用場景。如設(shè)計電堆耐久性測試場景，模擬實際工況下的長時間運行，評估電堆的壽命；搭建空壓機性能測試場景，測試不同工況下空壓機的壓力、流量等參數(shù)。通過這些應(yīng)用場景，充分發(fā)揮測試臺架的開放性與兼容性優(yōu)勢。?

根據(jù)實際應(yīng)用反饋，對測試臺架進行功能拓展與優(yōu)化。增加新的測試功能模塊，如氫氣純度檢測、系統(tǒng)故障診斷等，提升測試臺架的綜合性能。優(yōu)化測試流程，提高測試效率與自動化程度，降低人工干預(yù)，進一步發(fā)揮測試臺架在燃料電池技術(shù)研發(fā)中的支撐作用。

4 結(jié)語

研究成功設(shè)計并搭建了一套燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的開放性測試臺架，通過模塊化設(shè)計實現(xiàn)了硬件接口標準化、通信協(xié)議多元化與軟件架構(gòu)可擴展。該測試臺架具備良好的兼容性與開放性，能夠滿足多種零部件的測試需求，有效提升了測試效率，降低了研發(fā)成本，為燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的研發(fā)提供了有力的技術(shù)支持。

盡管研究取得了一定成果，但測試臺架在智能化水平、復(fù)雜工況模擬能力等方面仍存在不足。未來研究可聚焦于引入人工智能技術(shù)，實現(xiàn)測試過程的智能優(yōu)化與故障預(yù)測；進一步拓展測試臺架的應(yīng)用場景，模擬更多復(fù)雜的實際工況，為燃料電池技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供更強大的技術(shù)支撐。

基金項目：大流量長壽命供氫部件及關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)項目（2021YFB2500502）。

參考文獻：

[1]光明網(wǎng).我國燃料電池汽車示范規(guī)模達1.5萬輛[EB/OL].2024.https：//baijiahao.Baidu.com/s？id=1814968557963587534amp;wfr=spideramp;for=pc.

[2]張廣孟，李增山，任科軒，等. 120kW氫燃料電池系統(tǒng)設(shè)計與試驗分析[J].高校化學(xué)工程學(xué)報，2024，38（05）：788-795.

[3]王應(yīng)文，蔣黔，張林，等.基于LabVIEW的氫燃料電池上位機系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2024，62（07）：118-121.

[4]李昌磊，方存光.氫燃料電池測試平臺的氣體供給系統(tǒng)設(shè)計[J].內(nèi)燃機與配件，2023（14）：79-81.