CN114744256B - 一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统，包括：用于对电堆进行性能测试的氢燃料电池测试子系统；用于向电堆加载热辐射和/或风环境的环境耦合加载子系统；与氢燃料电池测试子系统相连的下位机硬件子系统，下位机硬件子系统用于控制氢燃料电池测试子系统的测试过程以及用于采集氢燃料电池测试子系统的各项状态数据；分别与下位机硬件子系统和环境耦合加载子系统相连的上位机软件平台，上位机软件平台用于获取氢燃料电池测试子系统和环境耦合加载子系统的各项状态数据，对各项状态数据进行存储和展示；上位机软件平台还用于向下位机硬件子系统和环境耦合加载子系统发送控制指令。本发明能够实现氢燃料电池的环境适应性测试。

Description

一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统及方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池测试的技术领域，尤其是一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统及方法。
背景技术
过度消耗传统化石能源导致的环境污染问题已经无法忽视，氢能作为理想的清洁能源被越来越重视。氢能可以促进能源的结构转变和绿色发展，已经被广泛应用在交通动力、移动式电源和固定式发电站等方面。氢燃料电池是氢能利用中主要的应用形式，以氢燃料电池作为动力系统的无人机、新能源汽车和新能源船舶正推动氢燃料电池的研发技术快速发展。阴极开放式质子交换膜氢燃料电池因其独特的结构和工作原理，其工作性能在使用中易受到环境因素导致性能衰减。
高温环境和强风环境是氢燃料电池动力设备运行时遇到的典型极端环境。高温环境通常发生在氢燃料电池无人机火灾探测作业环境、新能源汽车电池热失控场景以及新能源船舶氢燃料泄漏火灾事故中，高温辐射环境会使氢燃料电池电堆的输出性能急剧衰减，严重威胁氢燃料电池无人机、新能源汽车和新能源船舶的安全性和稳定性。强风环境通常发生在氢燃料电池无人机高空飞行、新能源汽车高原行驶以及新能源船舶遭遇海洋季风的场景中，强风环境会影响阴极开放式氢燃料电池的进气气体参数和电堆电压，进而影响电堆的工作性能。因此，研究氢燃料电池在高温环境和强风环境作用下的性能变化机理是十分必要的。
目前关于氢燃料电池的研究大量集中在提高电堆的输出性能方面，然而有关氢燃料电池在异常高温、强烈风等复杂极端环境下的适应性研究非常匮乏。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统，能够研究氢燃料电池在异常高温、强烈风的复杂极端环境下的适应性，解决了现有技术缺乏氢燃料电池环境适应性测试的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统，其特征在于，包括：
用于对电堆进行性能测试的氢燃料电池测试子系统；
用于向电堆加载热辐射和/或风环境的环境耦合加载子系统；
与氢燃料电池测试子系统相连的下位机硬件子系统，所述下位机硬件子系统用于控制氢燃料电池测试子系统的测试过程，以及用于采集氢燃料电池测试子系统的各项状态数据。
优选的，还包括：分别与下位机硬件子系统和环境耦合加载子系统相连的上位机软件平台；
所述上位机软件平台用于通过下位机硬件子系统接收氢燃料电池测试子系统的各项状态数据，以及接收环境耦合加载子系统的各项状态数据，并对各项状态数据进行存储和展示；所述上位机软件平台还用于向下位机硬件子系统和环境耦合加载子系统发送控制指令，控制氢燃料电池测试子系统的测试过程以及控制环境耦合加载子系统的环境加载过程。
优选的，所述环境耦合加载子系统包括加热板、防火板、风机、稳压器；
所述加热板设置在电堆的上方，用于向电堆加载热辐射环境；所述防火板可移动地设置在加热板与电堆的中间，用于隔绝加热板向电堆加载的热辐射；所述风机设置于电堆的侧面，用于向电堆加载风环境；所述稳压器分别与加热板和风机相连，用于调节加热板和风机的工作电压，从而调节对电堆加载的热辐射强度和风强度。
优选的，所述氢燃料电池测试子系统包括电堆、供气管道、排气管道、氢气瓶组、氮气瓶组、阴极风扇、负载、膜管加湿器；
所述氢气瓶组通过氢气供气管道、氮气瓶组通过氮气供气管道均与供气管道的进气口相连；所述供气管道的出气口与电堆的阳极进气侧相连，所述电堆的排气侧与排气管道相连；所述氢气瓶组用于向电堆提供氢气；所述氮气瓶组用于提供氮气对供气管道进行吹扫；所述电堆的阴极进气侧设置阴极风扇，用于向电堆提供氧气以及用于冷却电堆；所述负载与电堆的电流输出端相连，用于设置负载电流以及测量电堆运行时输出的电压和功率；所述膜管加湿器安装在供气管道上，用于加湿供气管道内的氢气。
优选的，所述氢燃料电池测试子系统还包括恒温水浴箱、纯水器；
所述恒温水浴箱与膜管加湿器相连，用于向膜管加湿器提供加湿用的循环热水；所述纯水器与恒温水浴箱相连，用于制取并向恒温水浴箱提供去离子水。
优选的，所述下位机硬件子系统包括：
与阴极风扇相连的直流稳压电源，用于控制阴极风扇的启停和调节风扇的工作电压；
安装在氢气供气管道上的氢气进气电磁阀，用于控制氢气供气管道的通断；安装在供气管道和氮气供气管道上的减压阀，用于对管道内的气体进行减压稳压；安装在供气管道上的氢气质量流量控制器，用于测量供气管道内氢气的质量流量；安装在排气管道上的出口排气电磁阀，用于对未完全反应完的氢气和电堆内生成的水进行排放；安装在供气管道上的氮气吹扫电磁阀，用于控制氮气吹扫电堆的启停；分别与氢气进气电磁阀、减压阀、氢气质量流量控制器、出口排气电磁阀、氮气吹扫电磁阀相连的继电器，继电器用于控制各个阀门的开闭。
优选的，所述下位机硬件子系统还包括：
安装在供气管道上的第一温度传感器、第一湿度传感器、压力传感器，分别用于测量氢气进气温度、氢气进气相对湿度、氢气进气压力；安装在电堆阴极进气侧的第二温度传感器和第二湿度传感器，分别用于测量空气进气温度和空气进气相对湿度；安装在电堆阴极出气侧的第三温度传感器和第三湿度传感器，分别用于测量空气出气温度和空气相对湿度；分别与第一温度传感器、第一湿度传感器、压力传感器、第二温度传感器、第二湿度传感器、第三温度传感器、第三湿度传感器相连的传感器信号采集模块，传感器信号采集模块用于将各个传感器所采集的模拟信号转换为数字信号；
固定电堆的各个单电池流道内部的热电偶，与热电偶相连的温度采集模块，温度采集模块根据热电偶所测量的数据信号，得到电堆中单电池的温度值；
分别与电堆中各个单电池相连的单体电压采集模块，用于采集电堆中单电池的电压值。
优选的，还包括：测试台架和加载台架；
所述测试台架用于集中放置氢燃料电池测试子系统和下位机硬件子系统中的所有设备仪器；
所述加载台架用于集中放置环境耦合加载子系统中的所有设备仪器；
所述测试台架和加载台架彼此配合，使得放置于测试台架上的电堆可移动地进入在加载台架中，实现放置于加载台架上的环境耦合加载子系统对电堆进行环境加载。
本发明还提供了一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统的方法，具体方式如下所示：
若对电堆进行热辐射环境适应性测试，则先将防火板放置在加热板与电堆的中间，加热板进行预热；然后在氢燃料电池测试子系统中启动电堆，待电堆的温度和电压稳定后，移开防火板，加热板向电堆加载热辐射环境；
若对电堆进行风环境适应性测试，则在氢燃料电池测试子系统中启动电堆，待电堆的温度和电压稳定后，风机运行并向电堆加载风环境；
若对电堆进行热辐射与风的耦合环境适应性测试，则先将防火板放置在加热板与电堆的中间，加热板进行预热；然后在氢燃料电池测试子系统中启动电堆，待电堆的温度和电压稳定后，移开防火板，加热板向电堆加载热辐射环境，同时风机运行并向电堆耦合加载风环境。
本发明还提供了一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统的方法，具体包括以下步骤：
S1，开启氢气进气电磁阀和阴极风扇，关闭出口排气电磁阀和氮气吹扫电磁阀，按实验要求设定负载的负载电流；
S2，运行电堆，利用环境耦合加载子系统向电堆加载热辐射和/或风环境，利用下位机硬件子系统采集氢燃料电池测试子系统中的各项状态数据；等待电堆运行达到设定时间或电堆停止运行时，结束本次的适应性测试；
S3，关闭氢气进气电磁阀，开启出口排气电磁阀和氮气吹扫电磁阀，利用氮气对供气管道进行吹扫，利用阴极风扇对电堆进行冷却；
S4，按照步骤S1～S3的方式，进行下一次的适应性测试试验。
本发明的优点在于：
（1）本发明的测试系统可以研究氢燃料电池在异常高温、强烈风的复杂极端环境下的适应性，解决了现有技术缺乏氢燃料电池环境适应性测试的问题。
（2）本发明的环境耦合加载子系统可以模拟热辐射环境、风环境、热辐射和风的耦合环境，可以研究单一环境加载或复合环境耦合加载作用下电堆性能衰减机理，以及反应气体的参数变化规律，对研究电堆在复杂环境作用下的性能衰减机制、优化电堆性能、扩大氢燃料电池应用场景具有重要工程意义。
（3）本发明的上位机软件平台不仅可以远程操控各个子系统，实现电堆的远程操控，还可以对电堆的电压数据和温度数据，反应气体的温度数据、气体压力数据和相对湿度数据进行实时观测、记录和存储，实现电堆在复杂环境加载作用下的性能参数可视化、数据记录存储和数据后处理的功能，极大地方便电堆环境适应性测试过程，具有重要的工程意义。
本发明的氢燃料电池测试子系统中设置氮气供气管道，在每一次环境适应性测试后，对供气管道进行氮气吹扫，保证供气管道内的气体纯净度、湿度、温度。
附图说明
图1为一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统的架构图。
图2为氢燃料电池的连接结构示意图。
图3为电堆正面结构示意图。
图4为电堆侧面结构示意图。
图5为测试台架正面装载示意图。
图6为测试台架背面装载示意图。
图7为测试台架结构示意图。
图8为加载台架的装载和配合使用的示意图。
图9为测试方法流程图。
图10为电堆单电池电压-时间曲线图。
图11为电堆单电池温度-时间曲线图。
图12为反应气体湿度-时间曲线图。
图13为反应气体温度-时间曲线图。
附图标记说明：
1-电堆；101-单电池；2-供气管道；3-排气管道；4-氢气瓶组；
5-氮气瓶组；6-阴极风扇；7-负载；8-膜管加湿器；9-恒温水浴箱；
10-纯水器；11-测试台架；12-加热板；13-防火板；14-风机；15-稳压器；
16-加载台架；17-直流稳压电源；18-氢气进气电磁阀；19-减压阀；
20-氢气质量流量控制器；21-出口排气电磁阀；22-氮气吹扫电磁阀；
23-第一温度传感器；24-第一湿度传感器；25-压力传感器；
26-第二温度传感器；27-第二湿度传感器；28-第三温度传感器；
29-第三湿度传感器；30-热电偶；31-传感器信号采集模块；32-继电器；
33-温度采集模块；34-单体电压采集模块；35-数据传输标准线缆
36-RS485总线；111-主控面板；112-悬挑平台；113-上平台；
114-下平台；115-侧面板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
由图1所示，一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统包括：氢燃料电池测试子系统、环境耦合加载子系统、下位机硬件子系统、上位机软件平台；
所述氢燃料电池测试子系统用于对电堆1进行性能测试；
所述环境耦合加载子系统用于向电堆1加载热辐射和/或风环境；
所述下位机硬件子系统与氢燃料电池测试子系统相连，所述下位机硬件子系统用于控制氢燃料电池测试子系统的测试过程，以及用于采集氢燃料电池测试子系统的各项状态数据；
所述上位机软件平台分别与下位机硬件子系统和环境耦合加载子系统相连，所述上位机软件平台用于接收氢燃料电池测试子系统和环境耦合加载子系统的各项状态数据，对各项状态数据进行存储和展示；所述上位机软件平台还用于向下位机硬件子系统和环境耦合加载子系统发送控制指令，控制氢燃料电池测试子系统的测试过程以及控制环境耦合加载子系统的环境加载过程。
由图2所示，所述氢燃料电池测试子系统包括电堆1、供气管道2、排气管道3、氢气瓶组4、氮气瓶组5、阴极风扇6、负载7、膜管加湿器8、恒温水浴箱9、纯水器10。
由图3和图4所示，所测试的电堆1为风冷电堆，采用市售的由10个单电池101组成的阴极开放式质子交换膜氢燃料电池电堆，电堆功率为500W，其尺寸为200mm×60mm×60mm，重量为1000g，本实施例利用电堆1在环境加载作用下的电堆参数，评估电堆1的性能。电堆1的上方是阳极进气侧，电堆1的下方是排气侧，电堆1的左侧面是阴极进气侧，电堆1的右侧面是阴极出气侧，阳极进气侧与供气管道2的出气口相连，通过阳极进气侧向电堆内提供发生电化学反应所需的氢气，排气侧与排气管道3相连，通过排气侧排放未完全反应完的氢气和电堆内部生成的水，阴极进气侧向电堆内提供与阳极侧氢气发生电化学反应的氧气，阴极出气侧用于排放未完全反应完的氧气，电堆1的基本工作原理是阳极侧氢气与阴极侧氧气发生电化学反应生成水、热能以及供应负载7工作的电能。
氢气瓶组4通过氢气供气管道、氮气瓶组5通过氮气供气管道均与供气管道2的进气口相连，供气管道2的出气口与电堆1的阳极进气侧相连，阳极进气侧位于电堆1的上方，通过阳极进气侧向电堆内提供发生电化学反应所需的氢气；电堆1的排气侧与排气管道3连接，排气侧位于电堆1的下方，通过排气侧排放未完全反应完的氢气以及电堆内部生成的水；氢气瓶组4用于向电堆1提供氢气；氮气瓶组5用于提供氮气吹扫供气管道2，保证供气管道2内的气体纯净度、湿度、温度。
由图4所示，阴极风扇6采用市售轴流风扇，其工作电压范围是5V～10V，尺寸大小为80mm×80mm×20mm，阴极风扇6安装在电堆1的阴极进气侧，阴极进气侧位于电堆1的左侧面，通过阴极进气侧向电堆内提供与阳极侧氢气发生电化学反应的氧气，阴极出气侧位于电堆1的右侧面，用于排放未完全反应完的氧气，阴极风扇6用于促进电堆1阴极进气侧的氧气流动以及用于冷却电堆1。
负载7与电堆1的电流输出端直接相连，负载7用于设置负载电流，并测量电堆1运行时输出的电压和功率。
膜管加湿器8安装在供气管道2上，用于加湿供气管道2内的氢气，恒温水浴箱9与膜管加湿器8相连，用于向膜管加湿器8提供加湿用的循环热水，纯水器10与恒温水浴箱9连通，用于制取并向恒温水浴箱9提供去离子水。
所述环境耦合加载子系统包括加热板12、防火板13、风机14、稳压器15。
加热板12采用远红外辐射加热板，其作为稳定可靠的辐射热源被固定在电堆1的上方，加热板最大工作电压220V，最大工作功率1500W，加热板12的不同工作电压可提供不同的辐射热流密度，进而对电堆1加载不同的辐射强度。
防火板13作为一个隔热装置，可移动地设置在加热板12与电堆1的中间，用于隔绝加载前后辐射热源对电堆1的影响。
风机14用于提供稳定均匀的风场，风机14的最大工作电压380V，最大功率250W，被固定在电堆1的侧面位置，风机14的不同工作电压可实现不同的转速，进而对电堆1加载不同强度的风荷载。
稳压器15可调节加热板12和风机14的工作电压。调节稳压器15对电堆1施加不同强度的环境辐射热以及不同强度的环境风荷载，并测量电堆运行中的性能参数。本实施例中，利用稳压器15设置加热板12的工作电压为220V，设置风机14的工作电压为220V，对电堆1施加高温辐射热和环境风耦合作用。
由图2、3、4所示，所述下位机硬件子系统包括直流稳压电源17、氢气进气电磁阀18、减压阀19、氢气质量流量控制器20、出口排气电磁阀21、氮气吹扫电磁阀22、第一温度传感器23、第一湿度传感器24、压力传感器25、第二温度传感器26、第二湿度传感器27、第三温度传感器28、第三湿度传感器29、热电偶30、传感器信号采集模块31、继电器32、温度采集模块33、单体电压采集模块34、数据传输标准线缆35和RS485总线36。
直流稳压电源17通过电源线连接阴极风扇6，控制阴极风扇6的启停和调节风扇6的工作电压。
氢气进气电磁阀18安装在氢气供气管道上，用于控制氢气供气管道的通断，减压阀19分别安装在供气管道2和氮气供气管道上，对供气管道2内的氢气减压稳压后送入电堆1与阴极侧空气发生电化学反应。氢气质量流量控制器20安装在供气管道2上，用于测量管道内氢气的质量流量。未完全反应完的氢气和电堆内生成的水通过位于排气管道3上的出口排气电磁阀21排放至室外。氮气吹扫电磁阀22安装在氮气供气管道上，控制氮气对供气管道2和电堆1的吹扫启停。
第一温度传感器23和第一湿度传感器24先后安装在供气管道2上，用于测量供气管道2内的氢气进气温度和氢气进气相对湿度。压力传感器25安装在供气管道2上，用于测量供气管道2内的氢气进气压力。第二温度传感器26和第二湿度传感器27安装在电堆1阴极进气侧位置，测量阴极进气侧的空气进气温度和空气进气相对湿度。第三温度传感器28和第三湿度传感器29安装在电堆1阴极出气侧位置，测量阴极出气侧的空气出气温度和空气出气相对湿度。
热电偶30固定在各个单电池101的流道内部，用于测量电堆1运行期间单电池温度。热电偶30还可以被等距离固定在电堆1的两个端板的外表面。
传感器信号采集模块31分别与第一温度传感器23、第一湿度传感器24、压力传感器25、第二温度传感器26、第二湿度传感器27、第三温度传感器28、第三湿度传感器29相连，用于采集氢气进气温度、氢气进气相对湿度、氢气进气压力、空气进气温度、空气进气相对湿度、空气出气温度和空气出气相对湿度的模拟信号，并将模拟信号转换为上位机软件平台用于读取的数字信号。
继电器32分别与氢气进气电磁阀18、减压阀19、氢气质量流量控制器20、出口排气电磁阀21、氮气吹扫电磁阀22相连，用于快速启停和调节各个管道电磁阀。
温度采集模块33与热电偶30相连，用于采集电堆1内部的热电偶数据信号，以监测电堆1的温度变化情况。
单体电压采集模块34分别与电堆1内的各个单电池101相连，用于采集氢燃料电池运行期间各个单电池101的电压值。
数据传输标准线缆35实现下位机硬件子系统内部仪器之间的通讯连接和数据传输。下位机硬件子系统内部的各个仪器通过挂载在RS485总线36上实现与上位机的通讯。
所述上位机软件平台包括登录模块、控制与监测模块、在线数据可视化模块、数据报表模块。
用户通过登录模块登录上位机软件平台，且登录模块设有账户和密码，用户输入正确的登录账户密码后，才可登录上位机软件平台开展操作，增加了测试系统的数据安全性。
用户通过控制与监测模块分别向下位机硬件子系统和环境耦合加载子系统发送控制指令，分别控制氢燃料电池测试子系统的测试过程和环境耦合加载子系统的环境加载过程。用户通过控制与监测模块监测氢燃料电池测试子系统、下位机硬件子系统、环境耦合加载子系统的各项状态数据。
在线数据可视化模块用于实时观测反应气体的状态、电堆1的温度、电堆1输出的功率、单体电压变化趋势等。
数据报表模块用于记录、查询和读取测试系统的实时与历史数据，同时用于保存实时与历史数据报表。
实施例2
由图5、6、7所示，针对实施例1所述的氢燃料电池测试子系统和下位机硬件子系统设置一个测试台架11，测试台架11的主体结构是由铝型材框架和铝单板构成的，用以集中放置氢燃料电池测试子系统和下位机硬件子系统中的所有设备仪器。
所述测试台架11经过合理的空间设计和功能区划，实现了将氢燃料电池测试子系统和下位机硬件子系统中的所有硬件设备集中并固定在一个测试台架11上。
测试台架11的前面板为主控面板111，主控面板111上放置有氢气质量流量控制器20以及减压阀19方便集中设定流量和调节压力，同时将第一温度传感器23、第一湿度传感器24和压力传感器25固定在前面板上，方便操作人员观察和读取传感器的示数变化。
测试台架11的悬挑平台112用于放置电堆1，方便安装进气管道2与排气管道3。
测试台架11的上平台113用于放置负载7，方便调节负载电流，测试台架11的下平台114用于放置恒温水浴箱9和纯水器10，方便对管道进行加湿水温调节。
主控面板111的后方划分两层区域以固定剩余硬件设备，具体为：第一层区域固定氢气进气电磁阀18、膜管加湿器8、出口排气电磁阀21和氮气吹扫电磁阀22，第二层区域固定传感器信号采集模块31、继电器32、温度采集模块33和单体电压采集模块34，数据传输标准线缆35和RS485总线36通过测试台架的侧面板115预留孔洞中延伸至测试台架11的外部与上位机相连。
实施例3
由图8所示，针对实施例1所述的环境耦合加载子系统设置一个加载台架16，用于支撑并固定加热板12、防火板13、风机14和稳压器15。
所述加载台架16是由铝型材搭建而成的框架结构件，加载台架16总共包含三层框架，其中，第二层框架用于放置风机14；第三层框架的顶部放置加热板12，第三层框架的底部放置稳压器15和防火板13，移动防火板13的位置用于实现环境辐射热对电堆1的加载与隔绝；采用M8的螺栓和螺帽将加热板12、稳压器15和风机14固定在加载台架16上；加载台架16的底部安装四个滑轮，方便移动环境耦合加载子系统的位置对电堆1实现不同方位的环境耦合加载。
实施例4
由图9所示，基于上述的一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统，其测试方法具体如下所示：
S1，将待测的电堆1放置在测试台架11的悬挑平台112上，将负载7连接在电堆1上，将测试台架11的供气管道2、排气管道3依次连接至电堆1上；
S2，将热电偶30的测量端固定各个单电池101的流道内部，热电偶30的另一端连接至温度采集模块33，将单体电压采集模块34连接至电堆1上；
S3，调试第一温度传感器23、第一湿度传感器24、压力传感器25、第二温度传感器26、第二湿度传感器27、第三温度传感器28和第三湿度传感器29至工作状态；
S4，开启直流稳压电源17，开启氢气质量流量控制器20，开启氢气进气电磁阀18，关闭出口排气电磁阀21，关闭氮气吹扫电磁阀22；
S5，设定负载电流20A，登录上位机软件平台，等待实验开始指令；
S6，根据实验目的，选择环境加载方式为热辐射和/或风环境，具体加载步骤如下所示：
S61，当测试电堆1的热辐射环境适应性时，首先将防火板13放置在加热板12与电堆1的中间，然后通过设定稳压器15对加热板12进行预热，进入上位机软件平台的控制与监测模块，启动电堆1并监测各项状态数据，观察并等待电堆温度和电堆电压保持稳定后，抽离防火板13，加热板12向电堆1加载热辐射环境；
S62，当测试电堆1的风环境适应性时，首先设定稳压器15为风机14的工作电压，待稳压器15上的电压值稳定后，进入上位机软件平台的控制与监测模块，启动电堆1并监测各项状态数据，观察并等待电堆温度和电堆电压保持稳定后，启动风机14向电堆1加载风环境；
S63，当测试电堆1的热辐射和风耦合环境的适应性时，首先将防火板13放置在加热板12与电堆1的中间，然后通过稳压器15设定加热板12的工作电压为220V，加热板12进行预热，通过稳压器15设定风机14的工作电压为220V，待稳压器15上的电压值稳定后，进入上位机软件平台的控制与监测模块，启动电堆1，观察并等待电堆温度和电堆电压保持稳定后，抽离防火板13，启动风机14，向电堆1加载热辐射和风耦合环境；
S7，等待电堆1运行30min或因电堆1输出给负载7的电压急剧衰减而停止运行时，通过控制与监测模块关闭氢气进气电磁阀18，开启出口排气电磁阀21，开启氮气吹扫电磁阀22，利用氮气对供气管道2和电堆1进行吹扫，开启阴极风扇6置换电堆1周围空气并对电堆1进行冷却，关闭直流稳压电源17，关闭氢气质量流量控制器20；
S8，利用在线数据可视化模块，生成并观察反应气体的温度曲线、压力曲线、湿度曲线，电堆的温度曲线、压力曲线，根据不同物理量的时程曲线进行后续的数据处理分析；
S9，利用数据报表模块保存测试系统运行时的各项数据记录；
S10，观察并等待电堆温度和电堆电压保持稳定后，关闭氮气吹扫电磁阀22，重复步骤S4～S10，开展下一次环境的适应性测试实验。
步骤S8中，上位机软件平台所生成的电堆单电池电压-时间曲线、电堆单电池温度-时间曲线、反应气体湿度-时间曲线、反应气体温度-时间曲线，分别如图10～图13所示。图10中，单电池1～10即为本实施例中所采用的电堆中的10个单电池，图11中，热电偶1～10分别对应采集单电池1～10的温度。
本实施例根据上位机软件平台所得到的电堆温度曲线、电堆电压曲线和数据报表，分析电堆在工作电压为220V的加热板和/或工作电压为220V的风机加载作用下的电堆参数变化规律以及性能变化情况，完成电堆的环境适应性实验评估。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统，其特征在于，包括：
用于对电堆（1）进行性能测试的氢燃料电池测试子系统；
用于向电堆（1）加载风环境，或者加载热辐射与风环境的环境耦合加载子系统；
与氢燃料电池测试子系统相连的下位机硬件子系统，所述下位机硬件子系统用于控制氢燃料电池测试子系统的测试过程，以及用于采集氢燃料电池测试子系统的各项状态数据；
所述环境耦合加载子系统包括加热板（12）、防火板（13）、风机（14）、稳压器（15）；
所述加热板（12）设置在电堆（1）的上方，用于向电堆（1）加载热辐射环境；所述防火板（13）可移动地设置在加热板（12）与电堆（1）的中间，用于隔绝加热板（12）向电堆（1）加载的热辐射；所述风机（14）设置于电堆（1）的侧面，用于向电堆（1）加载风环境；所述稳压器（15）分别与加热板（12）和风机（14）相连，用于调节加热板（12）和风机（14）的工作电压，从而调节对电堆（1）加载的热辐射强度和风强度；
所述氢燃料电池测试子系统包括电堆（1）、供气管道（2）、排气管道（3）、氢气瓶组（4）、氮气瓶组（5）、阴极风扇（6）、负载（7）、膜管加湿器（8）；
所述氢气瓶组（4）通过氢气供气管道、氮气瓶组（5）通过氮气供气管道均与供气管道（2）的进气口相连；所述供气管道（2）的出气口与电堆（1）的阳极进气侧相连，所述电堆（1）的排气侧与排气管道（3）相连；所述氢气瓶组（4）用于向电堆（1）提供氢气；所述氮气瓶组（5）用于提供氮气对供气管道（2）进行吹扫；所述电堆（1）的阴极进气侧设置阴极风扇（6），用于向电堆（1）提供氧气以及用于冷却电堆（1）；所述负载（7）与电堆（1）的电流输出端相连，用于设置负载电流以及测量电堆（1）运行时输出的电压和功率；所述膜管加湿器（8）安装在供气管道（2）上，用于加湿供气管道（2）内的氢气；
适应性测试方法，具体包括以下步骤：
S1，开启氢气进气电磁阀（18）和阴极风扇（6），关闭出口排气电磁阀（21）和氮气吹扫电磁阀（22），按实验要求设定负载（7）的负载电流；
S2，运行电堆（1），利用环境耦合加载子系统向电堆（1）加载风环境或者加载热辐射与风环境，研究单一环境加载或复合环境耦合加载作用下电堆性能衰减机理，利用下位机硬件子系统采集氢燃料电池测试子系统中的各项状态数据；等待电堆（1）运行达到设定时间或电堆（1）停止运行时，结束本次的适应性测试；
S3，关闭氢气进气电磁阀（18），开启出口排气电磁阀（21）和氮气吹扫电磁阀（22），利用氮气对供气管道（2）进行吹扫，利用阴极风扇（6）对电堆（1）进行冷却；
S4，按照步骤S1～S3的方式，进行下一次的适应性测试试验；
步骤S2中，利用环境耦合加载子系统向电堆（1）加载风环境或者加载热辐射与风环境，研究单一环境加载或复合环境耦合加载作用下电堆性能衰减机理，具体方式如下所示：
若对电堆（1）进行风环境适应性测试，则在氢燃料电池测试子系统中启动电堆（1），待电堆（1）的温度和电压稳定后，风机（14）运行并向电堆（1）加载风环境；若对电堆（1）进行热辐射与风的耦合环境适应性测试，则先将防火板（13）放置在加热板（12）与电堆（1）的中间，加热板（12）进行预热；然后在氢燃料电池测试子系统中启动电堆（1），待电堆（1）的温度和电压稳定后，移开防火板（13），加热板（12）向电堆（1）加载热辐射环境，同时风机（14）运行并向电堆（1）耦合加载风环境。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统，其特征在于，还包括：分别与下位机硬件子系统和环境耦合加载子系统相连的上位机软件平台；
所述上位机软件平台用于通过下位机硬件子系统接收氢燃料电池测试子系统的各项状态数据，以及接收环境耦合加载子系统的各项状态数据，并对各项状态数据进行存储和展示；所述上位机软件平台还用于向下位机硬件子系统和环境耦合加载子系统发送控制指令，控制氢燃料电池测试子系统的测试过程以及控制环境耦合加载子系统的环境加载过程。
3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统，其特征在于，所述氢燃料电池测试子系统还包括恒温水浴箱（9）、纯水器（10）；
所述恒温水浴箱（9）与膜管加湿器（8）相连，用于向膜管加湿器（8）提供加湿用的循环热水；所述纯水器（10）与恒温水浴箱（9）相连，用于制取并向恒温水浴箱（9）提供去离子水。
4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统，其特征在于，所述下位机硬件子系统包括：
与阴极风扇（6）相连的直流稳压电源（17），用于控制阴极风扇（6）的启停和调节阴极风扇（6）的工作电压；
安装在氢气供气管道上的氢气进气电磁阀（18），用于控制氢气供气管道的通断；安装在供气管道（2）和氮气供气管道上的减压阀（19），用于对管道内的气体进行减压稳压；安装在供气管道（2）上的氢气质量流量控制器（20），用于测量供气管道（2）内氢气的质量流量；安装在排气管道（3）上的出口排气电磁阀（21），用于对未完全反应完的氢气和电堆内生成的水进行排放；安装在供气管道（2）上的氮气吹扫电磁阀（22），用于控制氮气吹扫电堆（1）的启停；分别与氢气进气电磁阀（18）、减压阀（19）、氢气质量流量控制器（20）、出口排气电磁阀（21）、氮气吹扫电磁阀（22）相连的继电器（32），继电器（32）用于控制各个阀门的开闭。
5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统，其特征在于，所述下位机硬件子系统还包括：
安装在供气管道（2）上的第一温度传感器（23）、第一湿度传感器（24）、压力传感器（25），分别用于测量氢气进气温度、氢气进气相对湿度、氢气进气压力；安装在电堆（1）阴极进气侧的第二温度传感器（26）和第二湿度传感器（27），分别用于测量空气进气温度和空气进气相对湿度；安装在电堆（1）阴极出气侧的第三温度传感器（28）和第三湿度传感器（29），分别用于测量空气出气温度和空气相对湿度；分别与第一温度传感器（23）、第一湿度传感器（24）、压力传感器（25）、第二温度传感器（26）、第二湿度传感器（27）、第三温度传感器（28）、第三湿度传感器（29）相连的传感器信号采集模块（31），传感器信号采集模块（31）用于将各个传感器所采集的模拟信号转换为数字信号；
固定电堆（1）的各个单电池（101）流道内部的热电偶（30），与热电偶（30）相连的温度采集模块（33），温度采集模块（33）根据热电偶（30）所测量的数据信号，得到电堆（1）中单电池（101）的温度值；
分别与电堆（1）中各个单电池（101）相连的单体电压采集模块（34），用于采集电堆（1）中单电池（101）的电压值。
6.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池热辐射与风环境适应性测试系统，其特征在于，还包括：测试台架（11）和加载台架（16）；
所述测试台架（11）用于集中放置氢燃料电池测试子系统和下位机硬件子系统中的所有设备仪器；
所述加载台架（16）用于集中放置环境耦合加载子系统中的所有设备仪器；
所述测试台架（11）和加载台架（16）彼此配合，使得放置于测试台架（11）上的电堆（1）可移动地进入在加载台架（16）中，实现放置于加载台架（16）上的环境耦合加载子系统对电堆（1）的环境加载。
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