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氢燃料电池风冷电堆是氢燃料电池系统中以空气作为冷却介质的核心发电组件，由多个单电池串联而成，通过电化学反应将氢气和氧气的化学能转化为电能，同时依赖空气流动带走反应产生的热量。相较于水冷燃料电池电堆，风冷电堆并不需要额外的冷却循环系统，结构更为简单，在中小功率场景中具有独特优势。
一、核心构成
风冷电堆的基本单元是单电池，多个单电池通过端板、集流板等部件紧固串联形成电堆，核心组成包括膜电极组件（MEA）、双极板、冷却/供氧系统、端板与紧固结构等。
（1）MEA
电化学反应的核心区域，由质子交换膜（PEM）、两侧的催化剂层（通常为铂基催化剂）和气体扩散层（GDL）组成。氢气在阳极催化剂层被氧化为质子（H⁺）和电子（e⁻），质子通过质子交换膜到达阴极，电子经外电路形成电流；氧气（来自空气）在阴极与质子、电子结合生成水，同时释放热量。
（2）双极板
双极板材料多为金属（如不锈钢、钛合金，兼顾导电性和轻量化）或石墨（成本低但脆性大）。双极板分隔相邻单电池的关键部件，需同时实现三大功能：
a) 提供氢气（阳极）和空气（阴极）的流通通道（流道设计直接影响反应效率和散热）；
b) 传导电流（连接相邻单电池，形成串联电路）；
c) 辅助散热（风冷电堆的双极板流道需与空气流动匹配，增强热量交换）。
（3）冷却/供氧系统
风冷电堆的核心特征是空气兼具“氧化剂”和“冷却介质”双重作用：通过风扇或鼓风机将环境空气送入阴极流道，一方面为反应提供氧气，另一方面通过对流带走电堆产生的热量（反应产热约占总能量的 40%-60%），维持电堆工作温度（通常 60-80℃，避免质子交换膜脱水或过热失效）。
（4）端板与紧固结构
位于电堆两端，通过螺栓等部件将所有单电池紧密压合，确保气体密封（防止氢气 / 空气泄漏）和电流传导通畅。
图1 风冷燃料电池电堆示意图
二、工作原理
（1）电化学反应：
阳极（氢气侧）：H₂ → 2H⁺ + 2e⁻（氧化反应，释放电子）；
阴极（空气侧）：½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O（还原反应，消耗电子，生成水）；
总反应：H₂ + ½O₂ → H₂O + 电能 + 热能（反应效率约 50%-60%，其余能量以热能形式释放）。
（2）散热与供氧协同：
反应产生的热量使电堆温度升高，风扇驱动空气流过阴极流道及电堆表面，通过对流换热将热量散发到环境中；同时，空气中的氧气在阴极参与反应，无需额外的氧化剂供应系统（简化结构）。
三、与水冷电堆的核心差异
风冷电堆与水冷电堆的核心差异参见表1。
表1 风冷电堆与水冷电堆的核心差异
风冷电堆因其结构简单、成本低、轻量化的特点，在中小功率、对体积/重量敏感的应用场景中大显神威：
a）便携式设备：无人机（续航比锂电池长 3-5 倍）、户外电源、应急通信设备；
b）低速交通工具：电动自行车、高尔夫球车、园区巡逻车（功率需求 5-10kW）；
c）小型固定式电源：家庭备用电源、偏远地区基站供电（功率 1-5kW）。
四、关键技术挑战
风冷电堆目前仍在散热均匀性、适度控制、低温启动性能和功率密度提升等方面面临挑战。
（1）散热均匀性：
电堆不同区域（如中心与边缘）产热速率不同，空气流动易出现 “局部风量不足”，导致局部过热（可能烧毁 MEA）或温度过低（反应效率下降）。需优化双极板流道结构（如蛇形、平行流道）和风扇送风方式（如分布式通风）。
（2）湿度控制：
质子交换膜需保持一定湿度才能维持质子传导性，但风冷过程中空气流动可能加速水分蒸发（尤其干燥环境），导致膜脱水；而高湿度环境下，反应生成的水可能在流道内凝结，堵塞气体通道。需通过加湿器（小型）或流道疏水设计平衡湿度。
（3）低温启动性能：
环境温度低于 0℃时，反应生成的水可能结冰，损坏 MEA 或堵塞流道。需开发低温催化剂（降低反应活化能）或预热系统（如利用电堆自身产热快速升温）。
（4）功率密度提升：
受限于空气散热能力，风冷电堆功率密度（通常≤1.5kW/L）低于水冷电堆（2-3kW/L）。需通过材料改进（如高活性催化剂、薄型质子交换膜）和结构优化（紧凑化设计）提升功率。
五、测试项目
风冷电堆的测试项目和水冷电堆的测试项目大同小异，可分为基本性能测试、安全性测试、耐久性测试、环境适应性测试等四部分。表2中列举了部分风冷电堆的测试项目。
表2 风冷电堆的测试项目
上海汽检氢能与燃料电池检测研究实验室建设了Greenlight、Fuelcon、群翌、锐格等品牌的覆盖1kW~400kW的燃料电池电堆测试台，可满足不同功率段的风冷电堆测试。不仅如此，部分电堆台还搭配了高低温环境仓，可模拟高低温、高温高湿、低温低湿、温度冲击等不同环境，满足客户风冷电堆的环境适应性测试需求。
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