风冷燃料电池系统采用空气直接冷却的方式，其系统架构呈现出高度简化的特征。整个冷却回路不包含独自的液体工质，因此无需配置冷却液泵、散热器、水箱、节温器以及复杂的液体管路与密封接口。冷却空气通常由专门设计的风扇或鼓风机提供，风扇的性能直接决定了系统的散热能力。电堆的双极板设计需要兼顾反应气体分配与散热功能，为此，双极板上可能集成延伸的散热翅片或开辟独自的空气冷却流道，以增大与冷却空气的接触面积。控制系统根据安装在电堆上的温度传感器反馈，实时调节风扇的转速，从而改变冷却空气的流量，实现对电堆温度的粗略控制。被加热的空气直接排放到设备周围的环境中。这种系统结构紧凑，整体重量较轻。由于部件数量少，其潜在的故障点也相对减少，维护工作主要集中在风扇的检查与清洁上。物流车配套的燃料电池系统，搭载风冷系统，能适应频繁启停的运输场景，稳定性强。吉林科教示范燃料电池系统安装调试
冷却系统对燃料电池效率的影响直接而关键。温度过高会加速催化剂烧结和膜降解，使输出功率下降10%-20%；温度过低则增加内阻，降低反应速率。风冷系统在稳定环境中效果良好，但环境温度波动大时易失效；水冷系统通过液态介质实现精确控温，将效率稳定在90%以上。例如，在汽车应用中，水冷使系统在高速行驶时保持高效，而风冷在低速城市驾驶中更经济。优化冷却设计能提升系统整体寿命30%以上，因此成为燃料电池研发的重点方向，影响商业化进程。福建应急电源燃料电池系统系统集成长三角园区的分布式燃料电池系统，水冷系统与光伏联动，应对用电高峰负荷。
燃料电池系统的高效稳定运行，极度依赖于其关键“大脑”——即控制单元。它通常是一个功能强大的电子控制器，负责采集、处理数百个来自各子系统的传感器信号，并向下游的执行器发出精确的控制指令。控制单元实现的功能异常复杂：包括根据整车或总负载的功率需求，计算出电堆的目标电流与电压；通过调节氢气供应量、空气供应量来匹配该需求；实时监测电堆电压、温度、压力等参数，进行水热平衡管理，并防止出现缺气、饥饿、水淹等故障；执行系统启停序列（包括复杂的吹扫与氮气置换程序）；进行多层次的故障诊断与安全保护，一旦检测到氢气泄漏、电压异常、超温等危险情况，立即启动分级保护措施。控制算法的开发涉及电化学、流体力学、热力学与控制理论的深度交叉，需要通过大量的标定与测试来优化控制参数映射图，以确保系统在所有许可的工作条件下都能安全、高效且平顺地运行。
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。长三角地区的分布式燃料电池系统，水冷系统与区域供冷管网结合，综合效益高。
耐久性是衡量燃料电池系统商业化成熟度的关键指标之一。系统的寿命衰减体现在输出电压随运行时间的缓慢下降。衰减机理复杂，包括催化剂活性表面积的损失、碳载体的腐蚀、质子交换膜的化学降解与机械损伤，以及双极板涂层的腐蚀等。一个出色的热管理系统，通过维持电堆在适宜且均匀的温度下工作，可以明显减缓这些衰减过程，例如避免高温加速催化剂烧结与膜降解，避免低温引起的水淹腐蚀。同时，精确的控制系统通过管理运行工况也能极大影响寿命，例如避免在低电压条件下长时间运行以减少催化剂腐蚀，优化启停策略以减少启动时的碳腐蚀，通过湿度控制避免膜干湿循环造成的机械应力。系统级的耐久性目标是满足具体应用的生命周期要求，如乘用车通常要求五千小时以上，商用车要求更高，达到两万小时以上。这需要通过材料改进、系统优化与控制策略协同创新来实现。大型商超的燃料电池系统，水冷系统回收的余热用于食品加工间供暖，节能明显。四川离网发电燃料电池系统热管理系统
华南地区雨季的燃料电池系统，风冷系统加装防雨罩，防止雨水渗入部件。吉林科教示范燃料电池系统安装调试
当前，燃料电池系统的制造成本仍然是其大规模商业化推广的主要障碍之一。成本构成复杂，主要包括贵金属铂催化剂、质子交换膜、气体扩散层（碳纸或碳布）、精密加工的双极板，以及各种子系统部件（如空压机、氢循环泵、控制系统等）。降低成本的路径是多维并行的。一是在材料层面，持续减少催化剂中铂的用量，开发非贵金属催化剂或低铂合金催化剂，推进质子交换膜等关键材料的国产化与规模化生产，以降低采购成本。二是在设计与制造层面，提升电堆的功率密度，使得每千瓦功率所消耗的材料减少；优化双极板的流场设计与冲压工艺，以提高生产效率；开发自动化的电堆装配与检测生产线。三是在系统层面，通过集成化设计减少部件数量与管路长度，采用更具成本竞争力的商业化部件（如空压机）。随着市场规模扩大，规模效应将明显摊薄研发与制造成本。预计在未来几年，系统成本有望持续下降。吉林科教示范燃料电池系统安装调试
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