CN115600058A - 一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法和系统，其中方法包括：基于待设计电堆系统的目标工作电压和单电池平均输出电压Vcell计算所需的单电池数目N；再基于单电池的输出额定功率Pcell计算单电池活性面积S；判断单电池数目N是否小于第一预设数目：若是，则继续判断单电池活性面积S是否大于预设面积；若否，则判断单电池数目N是否大于第二预设数目，满足条件后计算电堆系统的氢气需求量和空气需求量；将N个单电池、氢气供应系统和空气供应系统集成到电堆系统中，并对电堆系统进行气密性实验后进行活化，直至电堆系统达到预设工作状态则完成电堆系统设计。

Description

一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法和系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法和系统。
背景技术
为实现大功率电力输出，现阶段主要采用多个燃料电池电堆并联的方式来构造大功率燃料电池，而针对如何利用大功率单体燃料电池的研究则较少。《MW cogeneratedproton exchange membrane fuel cell combined heat and power system design foreco-neighborhoods in North China》(LixinFan,ZhengkaiTu,XiaobingLuo,SiewHwaChan,International Journal of Hyd rogen Energy,10.1016/J.IJHYDENE.2021.11.012)一文中公开了一种燃料电池多堆串联的方法，但存在气体分配、散热设计以及多堆一致性等达不到高效的燃料分配及多应用场景的问题。而单体燃料电池电堆空间上更紧凑，更适用于电站等工作环境，但是并没有一种成熟有效的方法来设计出能满足实际应用的大功率单体燃料电池集成的电堆系统。因此，设计具有高效燃料分配、热管理能力和高燃料利用率的大功率单体燃料电堆系统，来适应兆瓦级应用场景的大功率运行工况，如发电等领域而言具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法及电堆系统，以实现高效燃料分配及适应兆瓦级应用场景的大功率运行工况的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法，所述设计方法包括：
S1、基于电堆系统的目标工作电压Vtot和单电池平均输出电压Vcell计算所需的单电池数目N；
再基于单电池的输出额定功率Pcell计算单电池活性面积S；
S2、判断所述单电池数目N是否小于第一预设数目：
若是，则继续判断所述单电池活性面积S是否大于预设面积：若是，需调整每个单电池的长宽比例以使其内部的电流分布均一；若否，则只调节所述电堆系统的热管理系统，以使所述电堆系统的温度分布均一；
若否，则进一步判断单电池数目是否大于第二预设数目：若是，则调整电堆系统的进气歧管布置，以使其气体分配均一，同时调节电堆系统的热管理系统，以使电堆系统的温度分布均一；若否，则直接进行下一步骤；
S3、基于所述电堆系统的目标额定功率Pe，计算所述电堆系统中氢气供应系统的氢气需求量；
基于所述目标额定功率Pe计算所述电堆系统中空气供应系统的空气需求量；
S4、将N个单电池、步骤S3中计算的所述氢气用量对应的氢气供应系统和所述空气用量对应的空气供应系统集成所述电堆系统，并对集成的电堆系统进行气密性实验后进行活化，直至集成的电堆系统达到预设工作状态则完成电堆系统设计。
进一步的，步骤S4中，气密性检测的步骤包括：
向集成后的电堆系统的氢气侧、氧气侧以及冷却回路中分别通入氮气，使集成后的电堆系统压力达到150kpa，并保压一定时间，判断预设时间内集成的电堆系统的压力变化是否超过10kpa：
若否，则停止气密性检测进行活化；
若是,则需要重新紧固集成的电堆系统的密封部件后重新进行气密性检测，直至集成的电堆系统的压力变化不超过10kpa。
进一步的，步骤S4对集成的电堆系统活化时，还实施步骤：
S401、实时读取集成的电堆系统的电堆温度分布、工作电流和电压，基于工作电流和输出电压计算实时输出功率Pout；
S402、判断所述输出功率Pout是否达到额定功率Pe，以及所述电堆温度分布是否满足温度要求值：若是，继续进行活化；若否，则调节集成的电堆系统的工况和温度，直至使所述输出功率Pout以及所述电堆温度分布满足预设条件，即完成电堆系统设计。
进一步的，步骤S2中，所述第一预设数目为200；所述预设面积优选为1000cm2；所述第二预设数目优选为500。
进一步的，保压时间优选为1min。
进一步的，步骤S4中，对集成的电堆系统活化的步骤包括：
对集成的电堆系统以预设电流密度为间隔依次加载电流，并在每个电流密度下运行一定时间，当加载的任一电流密度对应的单电池输出电压达到预设保护电压时，使集成的电堆系统在该对应电流密度下持续运行一定时间，直至单电池输出电压低于所述预设保护电压后，逐步卸载电流并停止活化。
进一步的，所述预设电流密度优选为50mA/cm2；气密性检测后的电堆系统在每个电流密度下运行的时间优选为30s。
进一步的，当加载的任一电流密度对应的单电池输出电压达到预设保护电压时，使集成的电堆系统在该对应电流密度下持续运行300s；所述预设保护电压优选为0.35V。
进一步的，步骤S4中，集成的电堆系统还包括冷却系统，所述冷却系统采用双路冷却循环，一路大循环为冷却液流出集成的电堆系统后流经背压阀、节温器、散热器和水泵散热后回到冷却通道；另一路小循环为冷却液流经背压阀、节温器、水泵和伴热带升温后回到冷却通道，适用于冷启动和低输出工况；步骤S4中，集成的电堆系统还包括控制系统，所述控制系统用于对运行中的电堆系统的工作参数进行监控。
根据本发明的另一个方面，还公开一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计系统，所述设计系统包括：
数据处理模块，用于计算所需的单电池数目N和单电池活性面积S；用于计算待设计的电堆系统的氢气用量和空气用量；
结果判断模块，用于判断所述单电池数目N是否小于第一预设数目，用于判断所述单电池活性面积S是否大于预设面积，还用于进一步判断单电池数目N是否大于第二预设数目；
电堆系统参数设计模块，用于对每个单电池内的电流分布进行均一性设计；用于对所述电堆系统进行气体分配均一性设计；用于对所述电堆系统进行温度分布均一性设计；
电堆系统检测模块，用于对集成后的电堆系统进行气密性实验及活化。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要具备以下优点：
本发明涉及的燃料电池电堆依据额定输出功率和输出电压2个因素进行设计，电堆的额定输出功率为电堆输出电压和输出电流的乘积，大多数单电池的平均输出电压为0.6～0.8V之间，其电压电流关系可通过单电池历史运行数据确定。本发明公开的设计方法基于待设计电堆系统的目标输出功率和单体电池的活性面积大小，来计算出所需要的单电池数目和电堆系统的体积，并基单电池数目来对电堆系统的气体分配均一性、电流分布均一性和温度分布均一性进行针对性设计，将特定数量的单电池与预先设计好的冷却系统和控制系统集成后进行气密性检测并活化，进一步加快电堆系统的膜电极润湿过程，能使电堆系统的催化剂处于最佳活性，从而进一步提高电堆系统的输出效率。
本发明的整个设计方法操作简单、设计出的电堆系统性能更好、输出效率更高。本发明可以实现大功率电堆及其系统的快速设计，便于快速确定电堆系统关键技术参量，设计流程简化，为大功率电堆的设计提供了技术参考。本发明提供了系统集成时氢气供应系统、空气供应系统和热管理系统的工作参数的技术指导，同时还提供了适用于工程实践的气密性检测标准，提升了电堆系统的安全性。
本发明还通过能效评价系数来判断本方法设计出的电堆系统的气体分配均一性和输出功率的关系是否适用于具有高效燃料分配、热管理能力和高燃料利用率的电堆系统，从而使得设计出的电堆系统能更好地适应兆瓦级应用领域，如发电等高效率、大功率的运行工况。
总的来说，本发明具有简化设计流程、快速确定系统参量、提升系统运行安全性和输出一致性的优点。
附图说明
图1是本发明实施例的设计方法流程示意图；
图2是本发明实施例集成的电堆系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
质子交换膜燃料电池的单电池开路电压约为1V，如果需要使用高电压的燃料电池，则需要把多个单电池的气体流场和电极串联起来组成电堆，从而达到输出高电压的目的。燃料电池电堆依据额定输出功率和输出电压2个因素进行设计，电堆的额定输出功率为电堆输出电压和输出电流的乘积，大多数单电池的平均输出电压为0.6～0.8V之间，电压电流关系可通过单电池历史运行数据确定。
本实施例提供的一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法，其中涉及到的数据处理和计算可通过现有的多种计算软件实现，包括但不限于matlab和各类型的仿真软件，设计方法的具体步骤参考图1所示，包括：
S1、通过燃料电池目标工作电压Vtot和目标总额定功率Pe来确定燃料电池电堆系统的结构参量,一般可按照单电池在i＝600mA·cm-2的电流密度下平均输出电压Vcell＝0.6V进行设计，依据
Figure BDA0003910604430000061
确定单电池片数；根据目标总额定功率Pe确定单电池输出额定功
Figure BDA0003910604430000062
再通过单电池输出额定功率确定单电池面积
Figure BDA0003910604430000063
基于待设计电堆系统的目标工作电压Vtot和单电池平均输出电压Vcell计算所需的单电池数目N：
Figure BDA0003910604430000064
再基于单电池的输出额定功率Pcell计算单电池活性面积S,计算公式为：
Figure BDA0003910604430000065
其中，i＝600mA·cm-2；
S2、判断单电池数目N是否小于第一预设数目200：
若是，则继续判断单电池活性面积S是否大于预设面积：若是，需对每个单电池内的电流分布进行均一性设计；若否，则只对待设计的电堆系统的温度分布进行均一性设计，本实施例中，预设面积选为1000cm2；
若否，则进一步判断单电池数目是否大于第二预设数目500：若是，则对待设计的电堆系统进行气体分配均一性设计和温度分布均一性设计；若处于200和500之间，则直接进行下一步骤的设计；
前述的电流分布均一性设计为：通过调整不同工况下每个单电池的长宽比例来使其内部的电流分布均一；
温度分布均一性设计为：对应不同工况，调节电堆系统的热管理系统，以使电堆系统的温度分布均一；
气体分配均一性设计为：调整电堆系统的进气歧管布置，以使其气体分配均一；
本发明使用的电流分布均一性设计方法、气体分布均一性设计方法和温度分布均一性设计方法均为本领域技术人员常规使用的技术手段，不作为本发明的重点，在此不展开讲述；
S3、基于待设计的电堆系统的目标额定功率Pe，计算电堆系统氢气供应系统的氢气需求量，氢气供应系统可以提高电堆系统的氢气利用率，排出液态水，保障电堆系统的稳定性，其氢气用量的计算公式为：
Figure BDA0003910604430000071
其中：F为法拉第常数；Vcell为单电池平均输出电压，Pe为目标额定功率；
基于目标额定功率Pe计算电堆系统的空气供应系统的空气需求量，其空气用量的计算公式为：
Figure BDA0003910604430000072
其中：λ为空气计量比，取2.5-3.0；
外界空气流经电堆系统的过滤器、空压机、加湿器后进入电堆系统，并在电堆系统启动阶段，电堆系统的负荷低，利用尾气(排出的空气)循环的高温，快速提升电堆系统的温度，进而提高电堆系统的启动性能。控制系统控制空气供应系统进行配气以及其与控制系统的动态响应时间，确保电堆系统的启动时间≤6s；电堆系统处于额定功率输出状态时，利用循环回收尾气的高温维持电堆温度；同时，利用其较高的湿度，减弱由于电堆系统低功率输出造成的燃料电池电极工作湿度不足对电堆系统稳定性的影响，来进一步提高电堆系统寿命。在电堆系统停止输出后，空气供应系统控制空气在一定周期内持续循环，并与上一步骤设计的氢气供应系统相配合，逐渐消耗密闭氢气回路中的氢气，同时降低空气供应系统中的空气量，降低电堆系统的电压，直至电堆系统的电压趋近于零。
S4、基于步骤S3中计算的氢气用量和空气用量，将前述计算出的N个单电池、氢气供应系统、空气供应系统以及电堆系统必备的冷却系统、控制系统等集成到电堆系统中，并对集成的电堆系统进行气密性实验后进行活化，直至集成的电堆系统达到所需的工作状态则完成电堆系统设计；
前述的冷却系统的冷却循环和冷启动均经过预先设计，其中冷却循环采用双路冷却循环，其大循环为冷却液流出电堆系统后流经背压阀、节温器、散热器和水泵散热后回到冷却通道，适用于大功率工作工况；其小循环则为冷却液流经背压阀、节温器、水泵、伴热带升温后回到冷却通道，适用于冷启动和低输出工况；
前述的控制系统也为预先设计的，该控制系统能够在电堆系统的运行过程中对电堆电压、温度和压力等工作参数进行监控，并对电堆系统中的其他部件的工作情况进行控制，比如控制空压机流量、氢气流量、电磁阀开合、以及电堆系统自身的工作情况等。
在步骤S2中，电流分布均一性设计和气体分配均一性可通过优化流场或进气方式来进行，如减小气体在双极板内的流动长度，或采用多路进气等方式；为减小气体流动阻力，可优选直流道进气；温度分布均一性设计可通过增强换热来实现，如采用导热好的材质制作双极板，采用水冷的冷却方式，改变冷却入口参数或增强换热等，前述的电流分布均一性设计、气体分配均一性设计和温度分布均一性设计为本领域技术人员常用的设计手段，不作为本发明的重点阐述对象。
在步骤S4中，气密性检测的步骤包括：
向集成后的电堆系统的氢气侧、氧气侧以及冷却回路中分别通入氮气，使集成后的电堆系统压力达到150kpa，并保压1min，判断预设时间内集成的电堆系统的压力变化是否超过10kpa：
若不超过10kpa，则停止气密性检测进行活化；
若超过10kpa,则需要重新紧固集成的电堆系统的密封部件后重新进行气密性检测，直至集成的电堆系统的压力变化不超过10kpa后再开始活化。
步骤S4中，对集成的电堆系统活化的步骤包括：
对集成的电堆系统以预设电流密度为间隔依次加载电流，并在每个电流密度下运行一定时间，当加载的任一电流密度对应的单电池输出电压达到预设保护电压时，使集成的电堆系统在该对应电流密度下持续运行300s，直至单电池输出电压低于预设保护电压后，逐步卸载电流并停止活化；
前述的预设电流密度优选为50mA/cm2；气密性检测后的电堆系统在每个电流密度下运行的时间优选为30s；前述的预设保护电压优选为0.35V。
步骤S4的电堆系统的活化过程中：先实时读取集成的电堆系统的电堆温度分布、工作电流和电压，基于工作电流和输出电压计算实时输出功率Pout；再判断输出功率Pout是否达到额定功率Pe，以及电堆温度分布是否满足温度要求值：若是，继续进行活化并观测相关的工作参数；若否，则调节集成的电堆系统的工况和温度，直至使输出功率Pout以及电堆温度分布满足所需条件，即完成电堆系统设计，得到输出效率较高的电堆系统。
实施例2
本实施例提供的一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法，其中涉及到的数据处理和计算可通过下述设计系统实现，一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计系统，该设计系统包括：数据处理模块，用于计算所需的单电池数目N和单电池活性面积S；用于计算待设计的电堆系统的氢气用量和空气用量；结果判断模块，用于判断单电池数目N是否小于第一预设数目，用于判断单电池活性面积S是否大于预设面积，还用于进一步判断单电池数目N是否大于第二预设数目；电堆系统参数设计模块，用于对每个单电池内的电流分布进行均一性设计；用于对待设计的电堆系统进行气体分配均一性设计；用于对待设计的电堆系统进行温度分布均一性设计；电堆系统检测模块，用于对集成后的电堆系统进行气密性实验及活化。
设计方法的具体步骤参考实施例1：
S1、通过燃料电池目标工作电压110V和目标总额定功率100kW确定燃料电池电堆系统的结构参量,一般可按照单电池在i＝600mA·cm-2的电流密度下平均输出电压Vcell＝0.6V进行设计，依据
Figure BDA0003910604430000101
确定单电池片数为184片；根据目标总额定功率Pe确定单电池输出额定功
Figure BDA0003910604430000102
为0.54kW，再通过单电池输出额定功率确定单电池面积
Figure BDA0003910604430000103
为900cm2；
基于待设计电堆系统的目标工作电压Vtot和单电池平均输出电压Vcell计算所需的单电池数目N：
Figure BDA0003910604430000104
再基于单电池的输出额定功率Pcell计算单电池活性面积S,计算公式为：
Figure BDA0003910604430000105
其中，i＝600mA·cm-2；
S2、判断单电池数目N是否小于第一预设数目100：
若是，则继续判断单电池活性面积S是否大于500cm2：若是，需对每个单电池内的电流分布进行均一性设计；若否，则只对待设计的电堆系统的温度分布进行均一性设计；
由于本实施例中N为184片，不小于100，则进一步判断单电池数目是否大于第二预设数目500：判断出本实施例中N处于100和500之间，则直接进行下一步骤的设计；
S3、基于待设计的电堆系统的目标额定功率Pe，计算电堆系统氢气供应系统的氢气需求量，氢气供应系统可以提高电堆系统的氢气利用率，排出液态水，保障电堆系统的稳定性，其氢气用量的计算公式为：
Figure BDA0003910604430000111
其中：F为法拉第常数；Vcell为单电池平均输出电压，Pe为目标额定功率；
基于目标额定功率Pe计算电堆系统的空气供应系统的空气需求量，其空气用量的计算公式为：
Figure BDA0003910604430000112
其中：λ为空气计量比，取2.5-3.0，本实施例中优选取3；
外界空气流经电堆系统的过滤器、空压机、加湿器后进入电堆系统，并在电堆系统启动阶段，电堆系统的负荷低，利用尾气(排出的空气)循环的高温，快速提升电堆系统的温度，进而提高电堆系统的启动性能。控制系统控制空气供应系统进行配气以及其与控制系统的动态响应时间，确保电堆系统的启动时间≤6s；电堆系统处于额定功率输出状态时，利用循环回收尾气的高温维持电堆温度；同时，利用其较高的湿度，减弱由于电堆系统低功率输出造成的燃料电池电极工作湿度不足对电堆系统稳定性的影响，来进一步提高电堆系统寿命；在电堆系统停止输出后，空气供应系统控制空气在一定周期内持续循环，并与上一步骤设计的氢气供应系统相配合，逐渐消耗密闭氢气回路中的氢气，同时降低空气供应系统中的空气量，降低电堆系统的电压，直至电堆系统的电压趋近于零。
S4、基于步骤S3中计算的氢气用量和空气用量(计算结果未示出，空气计量比取值不同，计算结果不同，根据实际情况进行取值)，将前述计算出的N个单电池、氢气供应系统、空气供应系统以及电堆系统必备的冷却系统、控制系统等模块集成到电堆系统中，集成的电堆系统如图2所示，并对该集成的电堆系统进行气密性实验后进行活化，直至集成的电堆系统达到所需的工作状态则完成电堆系统设计；
本实施例集成的电堆系统如图2所示，其中，前述的冷却系统的冷却循环和冷启动均经过预先设计，其中冷却循环采用双路冷却循环，其大循环为冷却液流出电堆系统后依次流经背压阀、节温器、散热器和水泵散热后回到冷却通道，适用于大功率工作工况；其小循环则为冷却液依次流经背压阀、节温器、水泵、伴热带升温后回到冷却通道，适用于冷启动和低输出工况；
前述的控制系统也为预先设计的，该控制系统能够在电堆系统的运行过程中对电堆电压、温度和压力等工作参数进行监控，并对电堆系统中的其他部件的工作情况进行控制，比如控制空压机流量、氢气流量、电磁阀开合、以及电堆系统自身的工作情况等。
在步骤S2中，电流分布均一性设计和气体分配均一性可通过优化流场或进气方式来进行，如减小气体在双极板内的流动长度，或采用多路进气等方式；为减小气体流动阻力，可优选直流道进气；温度分布均一性设计可通过增强换热来实现，如采用导热好的材质制作双极板，采用水冷的冷却方式，改变冷却入口参数或增强换热等，前述的电流分布均一性设计、气体分配均一性设计和温度分布均一性设计为本领域技术人员常用的设计手段，不作为本发明的重点阐述对象。
在步骤S4中，气密性检测的步骤包括：
向集成后的电堆系统的氢气侧、氧气侧以及冷却回路中分别通入氮气，使集成后的电堆系统压力达到150kpa，并保压1min，判断预设时间内集成的电堆系统的压力变化是否超过10kpa：
若否，则停止气密性检测进行活化；
若是10kpa,则需要重新紧固集成的电堆系统的密封部件后重新进行气密性检测，直至集成的电堆系统的压力变化不超过10kpa后再开始活化。
步骤S4中，对集成的电堆系统活化的步骤包括：
对集成的电堆系统以预设电流密度为间隔依次加载电流，并在每个电流密度下运行一定时间，当加载的任一电流密度对应的单电池输出电压达到预设保护电压时，使集成的电堆系统在该对应电流密度下持续运行300s，直至单电池输出电压低于预设保护电压后，逐步卸载电流并停止活化；
前述的预设电流密度优选为50mA/cm2；气密性检测后的电堆系统在每个电流密度下运行的时间优选为30s；前述的预设保护电压优选为0.35V。
步骤S4的电堆系统的活化过程中：先实时读取集成的电堆系统的电堆温度分布、工作电流和电压，基于工作电流和输出电压计算实时输出功率Pout；再判断输出功率Pout是否达到额定功率Pe，以及电堆温度分布是否满足温度要求值：若是，继续进行活化并观测相关的工作参数；若否，则调节集成的电堆系统的工况和温度，直至使输出功率Pout以及电堆温度分布满足所需条件，即完成电堆系统设计，得到输出效率较高的电堆系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：
S1、基于电堆系统的目标工作电压Vtot和单电池平均输出电压Vcell计算所需的单电池数目N；
再基于单电池的输出额定功率Pcell计算单电池活性面积S；
S2、判断所述单电池数目N是否小于第一预设数目：
若是，则继续判断所述单电池活性面积S是否大于预设面积：若是，需调整每个单电池的长宽比例以使其内部的电流分布均一；若否，则只调节所述电堆系统的热管理系统，以使所述电堆系统的温度分布均一；
若否，则进一步判断单电池数目是否大于第二预设数目：若是，则调整电堆系统的进气歧管布置，以使其气体分配均一，同时调节电堆系统的热管理系统，以使电堆系统的温度分布均一；若否，则直接进行下一步骤；
S3、基于所述电堆系统的目标额定功率Pe，计算所述电堆系统中氢气供应系统的氢气需求量；并基于所述目标额定功率Pe计算所述电堆系统中空气供应系统的空气需求量；
S4、将N个单电池、步骤S3中计算的所述氢气用量对应的氢气供应系统和所述空气用量对应的空气供应系统集成所述电堆系统，并对集成的电堆系统进行气密性实验后进行活化，直至集成的电堆系统达到预设工作状态则完成电堆系统设计。
2.如权利要求1所述的一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法，其特征在于，步骤S4中，气密性检测的步骤包括：
向集成后的电堆系统的氢气侧、氧气侧以及冷却回路中分别通入氮气，使集成后的电堆系统压力达到150kpa，并保压一定时间，判断预设时间内集成的电堆系统的压力变化是否超过10kpa：
若否，则停止气密性检测进行活化；
若是，则需要重新紧固集成的电堆系统的密封部件后重新进行气密性检测，直至集成的电堆系统的压力变化不超过10kpa。
3.如权利要求1所述的一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法，其特征在于，步骤S4对集成的电堆系统活化时，还实施步骤：
S401、实时读取集成的电堆系统的电堆温度分布、工作电流和电压，基于工作电流和输出电压计算实时输出功率Pout；
S402、判断所述输出功率Pout是否达到额定功率Pe，以及所述电堆温度分布是否满足温度要求值：若是，继续进行活化；若否，则调节集成的电堆系统的工况和温度，直至使所述输出功率Pout以及所述电堆温度分布满足预设条件，即完成电堆系统设计。
4.如权利要求1所述的一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法，其特征在于，步骤S2中，所述第一预设数目为200；所述预设面积优选为1000cm2；所述第二预设数目优选为500。
5.如权利要求4所述的一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法，其特征在于，保压时间优选为1min。
6.如权利要求1所述的一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法，其特征在于，步骤S4中，对集成的电堆系统活化的步骤包括：
对集成的电堆系统以预设电流密度为间隔依次加载电流，并在每个电流密度下运行一定时间，当加载的任一电流密度对应的单电池输出电压达到预设保护电压时，使集成的电堆系统在该对应电流密度下持续运行一定时间，直至单电池输出电压低于所述预设保护电压后，逐步卸载电流并停止活化。
7.如权利要求6所述的一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法，其特征在于，所述预设电流密度优选为50mA/cm2；气密性检测后的电堆系统在每个电流密度下运行的时间优选为30s。
8.如权利要求6-7任一所述的一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法，其特征在于，当加载的任一电流密度对应的单电池输出电压达到预设保护电压时，使集成的电堆系统在该对应电流密度下持续运行300s；所述预设保护电压优选为0.35V。
9.如权利要求1所述的一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计方法，其特征在于，步骤S4中，集成的电堆系统还包括冷却系统，所述冷却系统采用双路冷却循环，一路大循环为冷却液流出集成的电堆系统后流经背压阀、节温器、散热器和水泵散热后回到冷却通道；另一路小循环为冷却液流经背压阀、节温器、水泵和伴热带升温后回到冷却通道，适用于冷启动和低输出工况；步骤S4中，集成的电堆系统还包括控制系统，所述控制系统用于对运行中的电堆系统的工作参数进行监控。
10.一种大功率单体燃料电池电堆系统的设计系统，其特征在于，所述设计系统包括：
数据处理模块，用于计算所需的单电池数目N和单电池活性面积S；用于计算待设计的电堆系统的氢气用量和空气用量；
结果判断模块，用于判断所述单电池数目N是否小于第一预设数目，用于判断所述单电池活性面积S是否大于预设面积，还用于进一步判断单电池数目N是否大于第二预设数目；
电堆系统参数设计模块，用于对每个单电池内的电流分布进行均一性设计；用于对所述电堆系统进行气体分配均一性设计；用于对所述电堆系统进行温度分布均一性设计；
电堆系统检测模块，用于对集成后的电堆系统进行气密性实验及活化。
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