摘 要

燃料电池凭借其效率高、对环境友好的特点，其在便携式电源的应用上有很好的前景。对于便携式电源，传统的燃料电池的系统结构就会显得过于复杂，因为需要配套独立的氢气供应系统、空气供应系统和冷却系统。而风冷燃料电池就大大简化了燃料电池系统，主要是它简化了空气供应系统，省去了空气压缩机或者气泵系统，加湿系统，将空气供应系统和冷却系统合二为一，这大大简化了空冷燃料电池系统，使其作为便携式电源更加有利。

本文的工作主要是设计满足正常性能需求的风冷燃料电池系统，重点设计kW级燃料电池电堆，包括电堆极板、阴极/阳极双极板、膜电极组件、集流板、端板等。此外还对电堆设计配套的在线供氢系统、空气供应系统以及冷却系统。本文将依次从以上零部件的性能需求、结构需求、参数选择、参数校核等方面进行描述，完整的展现kW级风冷燃料电池系统的设计过程和建模过程。

关键词：风冷电堆；质子交换膜燃料电池；结构设计；系统

Abstract

Fuel cell with its high efficiency, environmentally friendly features, its portable power supply applications have a good prospect. For portable power supplies, the traditional fuel cell system architecture becomes too complex because of the need for a separate hydrogen supply system, an air supply system and a cooling system. The air-cooled fuel cell greatly simplifies the fuel cell system, mainly because it simplifies the air supply system, eliminating the air compressor or air pump system, humidification system, the air supply system and cooling system combined, which greatly simplified The air-cooled fuel cell system makes it more advantageous as a portable power supply.

The work of this paper is to design the air-cooled fuel cell system which meets the normal performance requirements. It mainly designs the kW-class fuel cell stack, including the electrode plate, the cathode / anode bipolar plate, the membrane electrode assembly, the current collecting plate, the end plate The In addition to the reactor design supporting the online hydrogen supply system, air supply systems and cooling systems. This paper will describe the performance requirements, structural requirements, parameter selection and parameter checking of the above components in order to show the design process and modeling process of kW-class air-cooled fuel cell system.

Key words: Air cooled stack; Proton exchange membrane fuel cell; Structural design; system

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1质子交换膜燃料电池 2

1.1.2质子交换膜燃料电池的结构 2

1.1.2质子交换膜燃料电池的工作原理 3

1.1.3质子交换膜燃料电池堆的组成 4

1.1.4空冷PEMFC的特点 4

1.2文献综述 5

1.2.1风冷燃料电池电堆的研究现状 5

1.2.2目前风冷电堆极板流场、流道设计 6

1.2.3风冷电堆的应用前景 7

1.3设计目标和设计要求 11

1.3.1设计目标 11

1.3.2设计要求 11

第二章 风冷电堆设计 12

2.1极板设计 12

2.1.1极板材料的选择 12

2.1.2极板外形尺寸设计 12

2.1.3极板阳极流场的设计 13

2.1.4极板阴极流场的设计 16

2.1.5极板定位螺栓孔的设计 17

2.1.6极板密封圈槽的设计 18

2.2集流板设计 20

2.2.1性能要求 20

2.2.2材料选择 20

2.2.3结构设计 21

2.3端板（绝缘板）设计 22

2.3.1性能要求 22

2.3.2材料选择 23

2.3.3结构设计 23

2.4密封垫圈设计 25

2.4.1性能要求 25

2.4.2材料选择 26

2.4.3结构设计 26

2.5定位螺栓、固定螺栓设计 28

2.5.1性能要求 28

2.5.2参数选择 28

2.5.3结构设计 28

2.6膜电极组设计 29

2.6.1质子交换膜 29

2.6.2催化层 29

2.6.3扩散层 29

2.6.4膜电极组 30

2.7电堆的总体装配 30

第三章 氢气供应系统设计 32

3.1电堆反应所需氢气量的计算 32

3.2在线供氢系统设计 32

3.3在线供氢反应物的选择和计算 33

第四章 空气供应系统设计 34

4.1电堆反应所需空气量的计算 34

4.2电堆散热所需空气量的计算 35

4.2.1电堆所需的散热量 35

4.2.2电堆散热所需的空气量 35

4.3电堆所需总空气量 35

4.4风扇的设计 36

4.4.1风扇尺寸和数量的选取 36

4.4.2风扇转速的选取 36

4.4.3风扇固定支架的设计 36

第五章 结论与展望 39

参考文献 40

致谢 42

第一章 绪论

1.1研究背景

人类的活动和世界的发展离不开能源，能源是万事万物动力的源泉。目前世界上用得较多的能源种类有石油、天然气、煤炭、核能、水电等。以上能源是世界能源体系的支柱，而他们的使用却带来了许多不好的影响：煤的开采和使用都会对环境产生不好的影响，煤的开采会导致地表塌陷；开采出的过多的矸石中含有碳和硫等物质，堆积过程会产生CO、S、等有害气体污染空气，遇到雨水还会污染地表水系和地下水；矿区的排水也会对该地区地下水的平衡造成破坏，排出后的水对当地的地表水系也会造成破坏。煤的使用过程会产生大量的S、N、挥发性有机物（VOC）、悬浮颗粒物和二氧化碳，由于这些气体在大气中的大量集聚，就会导致局部地区酸雨及酸雨导致的土壤酸化；由悬浮颗粒物导致的沙尘和雾霾污染严重；臭氧和光化学烟雾污染问题凸显；全球变暖的压力越来越大^[1]。因此我们必须在世界能源枯竭之前另寻出路，找到更好的代替能源，世界各国加大了新能源技术的开发力度。

氢能就是未来不错的一种新能源，氢能被称为“永恒的能源”。首先氢的储量十分的丰富，地表70被水覆盖，而水中就含有大量的氢；氢的来源多样，可以通过各种各样的方式来开发氢源；氢是环保的，可再生的，氢的利用过程就是和氧气发生化合反应生成水的过程，生成物对环境没有污染并且可以循环利用；氢能具有可储存性，这是氢能优于电能的一点，电能无法被大量的储存；氢是和平能源也是安全能源，由于氢的可再生性且来源广泛，因此就不会像化石能源一样引起地区的能源之争，甚至引发战争。氢能的使用还有以下 的优点：1.氢燃料燃烧或者反应的热值是所有化石燃料，化工燃料，生物燃料中最高的，达到了14235.2.在所有的元素中，氢的质量最轻，并且他可以以固体、液体、气体的形式存在，为氢能的广泛使用创造了条件。3.氢的燃烧性能好，有广泛的燃烧范围。4.氢本身无毒，与其他燃料相比氢的燃烧最清洁。5.氢的导热性好，在能源化工行业是极好的热载体。6.氢的利用形式多，储存方式多样，可以适应各种需求^[2]。