电堆作为燃料电池系统的关键发电单元，其结构设计与制造工艺直接决定了系统的功率密度、效率与耐久性。电堆由数百个重复的单电池通过双极板串联堆叠而成，以产生所需的电压与功率。每个单电池是一个独自的电化学反应单元，其关键是膜电极组件。它由中间的质子交换膜，以及两侧的催化剂层和气体扩散层组成。质子交换膜是一种只允许质子通过而阻隔电子和气体的特殊高分子材料，它既是质子传导的通道，也是隔离阴阳极反应气体的屏障。催化剂层通常由铂或铂合金纳米颗粒分散在碳载体上构成，是氢气氧化反应与氧气还原反应发生的场所。气体扩散层则由多孔导电材料（如碳纸或碳布）制成，承担着均匀分布反应气体、传导电子及排出生成水等多重任务。双极板则位于两个单电池之间，它通常由石墨复合材料或表面改性的金属板制成。双极板的一面刻有供给氢气流动的流道，另一面则刻有供给空气流动的流道，同时板内部还可能集成冷却液流道。此外，双极板还负责收集电流，并在物理上支撑整个电堆结构。电堆的组装需要极高的精度与一致性，以确保每个单电池受力均匀、接触良好，避免因密封不严或接触电阻过大导致的性能衰减与安全隐患。水冷燃料电池系统采用液体冷却液实现高效的热量导出。天津高稳定性燃料电池系统性能测试报告
根据散热介质与方式的不同，燃料电池热管理系统主要分为风冷系统与水冷系统两大类别。这两种方案在结构复杂程度、散热能力、控制精度以及适用场景上存在明显差异。风冷系统，顾名思义，是使用空气作为冷却介质，直接利用风扇驱动环境空气流经电堆的散热表面（通常是带有翅片的双极板或独自的空气冷却流道）来带走热量。这种方案省去了整套液体循环回路，结构相对简单。水冷系统则采用液体冷却液（通常为去离子水与乙二醇的混合液）作为传热介质。冷却液在泵的驱动下强制流经电堆内部集成的冷却流道，吸收热量后流至外部散热器，通过风扇驱动空气与散热器进行热交换，将热量终散发到大气中。水冷系统结构复杂，但散热能力强。除了这两种主流方式外，在一些特殊应用或研究中也存在相变冷却系统或油冷系统等方案。选择何种热管理方式是一个综合性的工程决策，需要根据电堆的功率密度、目标应用环境、对系统重量体积成本的限制以及对噪音和维护性的要求进行权衡。广东公交车燃料电池系统售后保障户外应急供电的燃料电池系统，风冷系统抗风雨设计，恶劣天气下正常启动。
风冷系统在燃料电池应用中的优势主要体现在经济性和易用性上。其设计简单，零部件少，制造成本较低，适合预算有限的项目。安装便捷，无需复杂管道或密封处理，降低了集成难度。在低功率场景下，如小型无人机或应急电源，风冷能有效管理热量，维持系统正常运行。此外，风冷系统重量轻，利于移动设备的轻量化设计。然而，其散热能力受限于空气流通效率，极端天气下性能可能下降。总体而言，风冷系统为燃料电池提供了低成本的热管理选择，特别适合对空间和成本敏感的入门级应用。
系统的集成化设计深刻影响其体积、重量与功率密度的终表现。 这要求工程师在物理布局上尽可能紧凑地安排电堆、供氢模块、空气压缩机、热交换器、控制器等主要部件，并优化连接管路与线束的走向。集成并非简单堆叠，而需考虑维修便利性、电磁兼容、振动耐受以及热量聚集等问题。例如，将空压机与电机控制器等高发热部件布置在散热气流路径上，利用系统风道统一散热。水冷系统的集成往往更为复杂，需要协调冷却液环路与气体流路，避免相互干涉。高度的集成设计能有效减少系统外部尺寸，对于空间受限的移动应用具有积极意义。燃料电池系统的运行效率受到辅助功耗与电堆性能影响。
水冷系统的工作流程体现了一个精密的反馈控制过程。安装在电堆冷却液进出口以及可能的关键位置的温度传感器，持续将温度信号传送给燃料电池控制单元。控制单元根据这些实时数据与电堆当前的工作状态，计算出所需的散热强度，并生成控制指令。这些指令分别调节冷却液泵的转速（以改变流量）、调节节温器的开度（以分配流经散热器与旁通路的冷却液比例）、以及调节冷却风扇的转速（以改变通过散热器的空气流速）。例如，在高功率运行、电堆产热量大时，控制器会提高水泵转速增加冷却液流量，同时完全打开节温器并令风扇高速运转，以大化散热能力；在低功率或低温环境下，控制器则会降低风扇转速甚至停转，并调节节温器减少流经散热器的冷却液，以保持电堆的工作温度。这种多变量的协调控制，使得电堆温度能够被稳定在设定目标附近，且内部温差得到有效控制。矿区辅助供电燃料电池系统加装防尘风冷模块，可在-25℃、高粉尘环境下正常启动且无废气排放。天津高稳定性燃料电池系统性能测试报告
电商仓储的燃料电池系统，风冷系统适配仓库干燥环境，部件不易受潮损坏。天津高稳定性燃料电池系统性能测试报告
空气供应系统是为电堆阴极持续提供氧化剂的关键子系统，其性能对系统效率与动态响应有决定性影响。氧化剂通常为环境空气，但需要经过一系列处理才能满足电堆要求。系统首先通过空气滤清器去除空气中的颗粒物与杂质，以防止它们进入电堆堵塞流道或污染催化剂。随后，空气被送入空压机进行加压，提高氧气分压有助于提升电化学反应速率与电压输出。空压机是系统中的主要寄生功耗部件之一，其类型包括离心式、螺杆式等，选择时需权衡效率、噪音与成本。加压后的空气温度会明显升高，高温干燥的空气不利于质子交换膜保持湿润，因此通常需要加湿器对空气进行增湿。加湿器可能采用膜加湿或鼓泡加湿等原理，通过回收电堆排气中的水分来提高进气湿度。加湿后的空气通过管路与歧管被均匀分配到电堆阴极侧的各个流道中。反应后的湿空气与未反应的氮气等作为尾气排出系统，排气路径上通常设有背压阀，通过调节背压可以控制阴极侧的水蒸气分压，进而影响水管理效率。整个空气供应系统需要与电堆的功率需求实时匹配，控制单元根据负载指令精确调节空压机转速与背压阀开度，以在满足反应需求的同时小化寄生功耗。天津高稳定性燃料电池系统性能测试报告
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