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近几年,燃料电池由于高效、无污染受到很多国家的重视,并在众多领域有着广泛的应用。其中,质子交换膜燃料电池结构简单、工作温度低、启动速度快,是目前市场上最受欢迎的燃料电池。质子交换膜燃料电池空冷电堆用空气取代水作为电堆的冷却剂,减少了电堆系统的BOP(辅助设备),被广泛应用于便携电源、无人机等领域。然而空冷电堆的性能和寿命问题是阻碍其大规模发展的重要因素。本论文设计、制作了 50W的小型空冷电堆,并使用锥型空气进气管路取代传统的风扇装置,用以调控具体的进气流量。为保证电堆的性能,首先对选用的膜电极进行了单电池测试,结果表明电池在0.6V电压下功率可达1W/cm2,然后对电堆不同条件下的性能优化进行了研究,取得的主要进展如下:首先,在高低温交变环境实验箱内研究了环境温度(5～40℃)对电堆性能的影响。实验研究表明,电堆在环境温度20～30℃表现出最佳性能。环境温度过低时,电堆的整体温度较低,性能变差;环境温度过高时,电堆内部缺水,膜电极性能降低。其次,采用锥型进气管路,研究空气进气量(30L/min,60L/min,90 L/min)对电堆性能的影响。研究发现,空冷电堆中,因为空气既是反应气又是冷却剂,空气进气量越大,电堆的冷却效果越好,电堆温度降低,性能下降。电堆最佳的空气进气量为60L/min。最后,在电堆额定电流工况下研究尾气排放周期对电堆性能的影响。研究表明,电堆在0.3s/20.0s的尾气排放周期时性能最好。电堆的寿命也是影响其商业化发展的重要因素,然而目前对于燃料电池空冷电堆寿命的研究较少。本论文在优化的实验条件下,采用车用电堆的使用寿命测试评价方法对电堆进行了分工况的寿命测试。将电堆的运行分为怠速工况、额定工况、变载工况和启停工况,在四个工况下,分别进行了 15组,每组4h的测试,研究电堆基准电压的衰减变化。研究表明,电堆在怠速、额定工况下运行比较稳定,电压下降速度缓慢,在启停工况下的衰减速率最快,经计算电堆的使用寿命可达2000h,达到市场的一般水准。