选题背景及意义

电能的使用已经渗透到我们生活的方方面面，我们希望能够通过环境友好的方式实现电能转换，传统的火力发电由于对环境污染严重已经渐渐被取代。我们急需寻找环境友好，效率更高的电源产品。目前，国内和国外都提出了许多新能源技术并且都得到了一定的实际使用，比如风力发电、太阳能发电、生物质能发电、潮汐能发电、地热能发电等。但是这些方式都有一个共同点，就是体积庞大，不可移动，可以是固定的电源基站，但是无法成为移动电源，这一块市场完全是大有前景的。为了弥补这一空缺，我们开始发展燃料电池，燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，通过催化剂的作用，使氢与氧发生化学反应，等温、高效、无污染地转化为电能的发电装置，其反应过程不涉及到燃烧，能量转化率可高达80％，实际使用效率是普通内燃机的２倍以上。燃料电池（ＦＣ）具有能量转化率高，燃料多样化，环境污染小、噪声低、可靠性强、维修性好等特点。因此开发燃料电池，在能源环保形势日益严峻的情况下倍受瞩目。

燃料电池中的空冷燃料电池又更具发展潜力。它体积小、噪音低、能效高、对环境无污染、运行可靠，可以应用于电动汽车，移动便携设备，家庭用电领域。

空冷燃料电池技术主要是应用在小功率的PEMFC上，PEMFC的主要分为空冷型和水冷型，冷却方式的选择主要是根据其功率和用途。从功率上讲，一般功率小于2kW时，空气冷却就可以满足要求。功率超过10kW时，一般要采用循环水冷却。本文主要是研究便携式电源的千瓦级燃料电池，因此采用空冷式，可以简化繁杂的水冷系统。如果能够设计出合理的电堆的空冷系统，对提高空冷电堆的输出性能，提高其寿命和可靠性具有重要意义。

国内外研究现状分析

国内的空冷燃料电池研究现状：目前国内关于空冷燃料电池的研究也取得了丰硕的成果，不仅在空冷燃料电池的结构设计上有许多专利研发，针对空冷电堆的系统控制也做了大量的研究，并且研制出了许多高效的控制策略。还有许多学者对影响空冷燃料电池的参数进行了大量的测试，为优化电堆的性能做出了很大贡献。下面举例说明在各个方面的成就和代表人物，在2013年金英莲、王斌锐等人研发了一种基于热电偶和单片机的空冷燃料电池温度控制器，主要工作原理为单片机通过温度采集转换电路得到空冷型燃料电池内部温度。通过加载到风扇两端的不同电压来控制风扇的功率，从而控制燃料电池的温度。定期打开排气阀进行排气。当温度超过设定值上限的时，该控制器就会发出报警。在2012年王珂，陈维容等做了基于电流断路法的空冷型燃料电池阻抗谱实验分析；在2012年南京理工大学的陈雪娇等人做了关于空冷燃料电池的动态特性和性能测试研究；在2014年阎群，张文虎等人做了一个8kW的空冷燃料电池电堆并且运行良好；在2015年，赵思成，李龙等人对实验室自制的空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)在不同工况时的稳定性、负载阶跃响应、单体电池电压分布以及表面温度分布开展了实验研究。从以上可以看出，目前我国科研人员对燃料电池电堆的研究没有停止，还取得了许多不错的成果，我们应当坚持不懈，早日克服技术难题，将空冷燃料电池技术推向实用化，早日走进人们的日常生活。

国外的燃料电池研究比国内要早，研究的内容和目前国内的没有太多区别。主要内容包括空冷燃料电池结构设计，影响参数分析，控制系统研发设计，都取得了不错的成果。下面举例一些历史时间节点对国外发展有一个认识：1990年,8个国际能源局(IEA)成员国签署了一项联合开发FC技术的合作协议，到95年底合同期满,又有多个国家加入这一组织.目前该组织已扩大到15个国家,分别为澳大利亚、加拿大、丹麦、德国、意大利、日本、荷兰、新西兰、挪威、西班牙、瑞典、瑞士、英国和美国；日本对燃料电池的研究始于1981年；美国从70年代末期就开始了研究；西欧的FC研究始于60年代,但到了1976年研究工作基本停止,直至1986年在欧洲委员会(EC)的带动下才再次复兴；加拿大的FC研究主要集中在PEFC上,其水平居国际领先地位,1983年,加拿大国防部(DND)投资并组织该国Dow公司与Ballard电力公司研制PEFC,用作潜艇用脱离空气动力源(AIP).1994年Ballard公司开始研制40kW低温甲醇PEFC,1996年初,该公司制造的400 kW级潜艇用PEFC系统开始运行；巴拉德动力系统公司(Ballard PowerSystem Inc.)于1979年在加拿大成立，公司从1983年开始一直致力于燃料电池的开发制造，在30余年的经验积累下，目前已经成为质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术的全球领导者，是世界上最大的集设计、开发、生产、销售、服务为一体的质子交换膜燃料电池企业。

2. 研究的基本内容与方案

研究基本内容

本毕业设计对kW级风冷燃料电池系统进行设计，重点设计空冷式燃料电池电堆，此外，还包括空气供应系统、氢气供应系统等的设计以及零部件匹配。毕业设计内容主要包括：

（1）设计kW级空冷式燃料电池电堆，包括对电池的阴、阳极流场结构以及整个电堆的结构进行设计。

（2）设计满足电池正常工作的空气和冷却供应系统

（3）设计满足电池正常工作的氢气供应系统