專利名稱：一種利用常壓空氣作為氧化劑及散熱劑的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種利用常壓空氣作為氧化劑及散熱劑的燃料電池。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作車、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，又可作手提式、移動(dòng)式、固定式的發(fā)電裝置。
質(zhì)子交換膜燃料電池一般采用氫氣為燃料，空氣為氧化劑。一般情況下，燃料電池外圍輔助設(shè)備必須使氫或空氣強(qiáng)制在燃料電池內(nèi)部流動(dòng)，這樣可以使燃料氫氣與空氣中的氧氣可以有效地?cái)U(kuò)散到電極二側(cè)中的反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，而且快速流動(dòng)的空氣也有利于將燃料電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)生成的水帶出燃料電池。
一般來(lái)說(shuō)要使空氣在燃料電池內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)制快速流動(dòng)，必須要采用一種空氣壓縮泵，這種空氣壓縮泵可以產(chǎn)生大大高于自然空氣壓力的壓縮空氣流進(jìn)入燃料電池，并可以克服燃料電池內(nèi)部的導(dǎo)流場(chǎng)中的阻力從燃料電池出來(lái)。另外，采用較高壓力的空氣、氫氣來(lái)運(yùn)行燃料電池，燃料電池中的電極工作電流往往可以達(dá)到每平方厘米數(shù)百毫安，這樣燃料電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱能也非常大，一般來(lái)說(shuō)必須采用冷卻流體，如冷卻水在燃料電池內(nèi)部強(qiáng)制流動(dòng)，由水泵驅(qū)動(dòng)再經(jīng)過(guò)外部的一個(gè)散熱器將熱量散走。
所以，現(xiàn)在一般的質(zhì)子交換膜燃料電池有如下特點(diǎn)(1)為了促進(jìn)燃料氫氣、空氣中的氧氣在燃料電池電極二側(cè)加快擴(kuò)散，往往將燃料電池導(dǎo)流板上的導(dǎo)流場(chǎng)設(shè)計(jì)成蛇形狀，使流體在導(dǎo)流場(chǎng)中反復(fù)拐彎碰撞，導(dǎo)流場(chǎng)對(duì)流體有一定的阻力。
(2)為了克服導(dǎo)流場(chǎng)中的阻力，并且提高燃料電池電極的工作電流密度，必須用一個(gè)空氣壓縮輸送裝置，將壓縮狀態(tài)的空氣輸送入燃料電池，并可以將燃料電池生成的水帶出燃料電池。
(3)由于燃料電池電極的工作電流密度較大，燃料電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱能也較大，必須采用冷卻流體泵，使冷卻流體在燃料電池內(nèi)部強(qiáng)制流動(dòng)，將熱能帶出燃料電池并且經(jīng)過(guò)外部的散熱器將熱量散走。
上述國(guó)際上普遍推行質(zhì)子交換膜燃料電池的技術(shù)有以下缺陷(1)燃料電池必須有外部的輔助運(yùn)行設(shè)備，如空氣壓縮輸送裝置(例如空氣泵、水泵、散熱器等)，這些輔助備的存在，大大增加了燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜性，并使整個(gè)系統(tǒng)的功率密度降低。
(2)空氣壓縮裝置，如空氣泵、水泵等價(jià)格較貴，不利于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
(3)空氣壓縮裝置，如空氣泵、水泵等的存在，使整個(gè)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的功耗增加，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的效率下降，特別是壓縮空氣泵產(chǎn)生的功耗更大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備成本及運(yùn)行成本低、節(jié)能的利用常壓空氣作為氧化劑及散熱劑的燃料電池。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種利用常壓空氣作為氧化劑及散熱劑的燃料電池，包括燃料電池堆，該燃料電池堆由多組電池單元組成，每組電池單元又包括一質(zhì)子交換膜電極，以及設(shè)置在該質(zhì)子交換膜電極兩側(cè)的一導(dǎo)空氣流板、一導(dǎo)氫氣流板，其特征在于，所述的導(dǎo)空氣流板設(shè)有多條導(dǎo)流槽，該導(dǎo)流槽呈波浪形，且各導(dǎo)流槽均從導(dǎo)空氣流板的一側(cè)直接穿到另一側(cè)，在多塊導(dǎo)空氣流板、質(zhì)子交換膜、導(dǎo)氫氣流板疊加后，整個(gè)燃料電池堆的一側(cè)形成空氣入口，另一側(cè)形成空氣出口；還包括多個(gè)鼓風(fēng)扇、多個(gè)吸風(fēng)扇，所述的鼓風(fēng)扇設(shè)在燃料電池堆的空氣入口處，所述的吸風(fēng)扇設(shè)在燃料電池堆的空氣出口處。
所述的多條波浪形導(dǎo)流槽呈等間隔設(shè)置。
所述的多條波浪形導(dǎo)流槽呈縱向間隔設(shè)置，在整個(gè)燃料電池堆的上側(cè)形成空氣入口，下側(cè)形成空氣出口。
所述的鼓風(fēng)扇設(shè)在燃料電池堆的上側(cè)空氣入口處，所述的吸風(fēng)扇設(shè)在燃料電池堆的下側(cè)空氣出口處。
還包括二組貯氫材料瓶，該二組貯氫材料瓶分別設(shè)在鼓風(fēng)扇和吸風(fēng)扇的外側(cè)。
所述的二組貯氫材料瓶分別設(shè)在鼓風(fēng)扇和吸風(fēng)扇的上側(cè)和下側(cè)。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有普遍推行的質(zhì)子交換膜燃料電池的技術(shù)缺陷，它是一種利用常壓空氣為氧化劑，同時(shí)利用常壓空氣進(jìn)行散熱的燃料電池。因此，它可以大大降低設(shè)備成本及運(yùn)行成本，同時(shí)，又使燃料電池的結(jié)構(gòu)變得更加簡(jiǎn)單、合理，還具有明顯的節(jié)能效果。
本發(fā)明燃料電池中的燃料電池堆為偏平狀，常壓空氣通過(guò)普通的鼓風(fēng)扇和吸風(fēng)扇就可以很容易地穿過(guò)燃料電池堆中的每塊導(dǎo)流板上的空氣導(dǎo)流場(chǎng)；為了讓空氣可以克服導(dǎo)流場(chǎng)中的阻力穿過(guò)導(dǎo)流場(chǎng)，但又利用空氣中的氧氣可以向電極空氣側(cè)擴(kuò)散，一方面導(dǎo)流板作了比較特別的設(shè)計(jì)，導(dǎo)流板空氣側(cè)(導(dǎo)空氣流板)空氣導(dǎo)流場(chǎng)由許多條平行的空氣導(dǎo)流槽組成，每條空氣導(dǎo)流槽都成波浪形，主要是讓常壓空氣可以自由穿過(guò)，但又可以在穿過(guò)時(shí)產(chǎn)生部分紊流流動(dòng)，加快空氣中的氧氣向(膜)電極中擴(kuò)散，并且每條導(dǎo)流槽都是從導(dǎo)流板的一側(cè)直接穿到另一側(cè)，這樣當(dāng)許多塊導(dǎo)流板疊在一起組成一個(gè)電池堆后，整個(gè)電池堆的上側(cè)成了空氣入口，而整個(gè)電池堆的下側(cè)成了空氣出口，這樣空氣入口與出口面積大大增加，使常壓空氣容易穿過(guò)；另一方面，由于電池堆上側(cè)空氣入口面積很大，需要數(shù)個(gè)鼓風(fēng)扇并排一齊吹才可以讓常壓空氣同時(shí)穿過(guò)電池堆，而且電池堆下側(cè)空氣出口面積也一樣大，也需要數(shù)個(gè)吸風(fēng)扇并排一齊吸風(fēng)，這樣可以使常壓空氣更易穿過(guò)電池堆。
整個(gè)燃料電池堆的運(yùn)行所產(chǎn)生的熱量與該發(fā)電系統(tǒng)利用常壓空氣散熱可以基本保持平衡，使燃料電池的運(yùn)行溫度控制在40-60℃之間。由于燃料電池堆運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大量的水，當(dāng)大量的常壓空氣通過(guò)空氣導(dǎo)流板時(shí)，同時(shí)可將大量生成的水帶走。所以燃料電池生成的熱可以通過(guò)生成的水蒸發(fā)過(guò)程及常溫、常壓空氣直接帶走。另外，為保持燃料電池內(nèi)部膜電極不失水，可以將鼓風(fēng)扇與吸風(fēng)扇的吹、吸方向互換，這種互換方向是通過(guò)電控制來(lái)完成的。例如，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)將鼓風(fēng)扇與吸風(fēng)扇的電動(dòng)馬達(dá)電源線正負(fù)極同時(shí)切換，達(dá)到電動(dòng)馬達(dá)正、反轉(zhuǎn)的目的，這時(shí)鼓風(fēng)扇變成了吸風(fēng)扇，而吸風(fēng)扇變成了鼓風(fēng)扇，這樣燃料電池生成的水可以在燃料電池內(nèi)部停留，不會(huì)很快被常壓干空氣蒸發(fā)帶走，而達(dá)到膜電極不失水的目的。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的導(dǎo)空氣流板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的導(dǎo)氫氣流板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的質(zhì)子交換膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1～5所示，一種利用上述技術(shù)設(shè)計(jì)的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)分為5層，如圖5所示，第1層為鼓風(fēng)扇，第2層為吸風(fēng)扇，第3層為燃料電池堆，第4層為上貯氫材料瓶，第5層為下貯氫材料瓶。
鼓風(fēng)扇層1與吸風(fēng)扇層2(并通過(guò)電控制，互換鼓風(fēng)扇與吸風(fēng)扇的功能)分別位于電池堆3上下，該鼓風(fēng)扇層1與吸風(fēng)扇層2每層長(zhǎng)、寬、高分別為200mm*150mm*300mm。
中間層為燃料電池堆3，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2～4所示，其中，電極8為質(zhì)子交換膜電極，導(dǎo)流板為集導(dǎo)空氣流板6與導(dǎo)氫氣流板7為一體(背靠背)的雙面設(shè)置，一面為空氣導(dǎo)流場(chǎng)，另一面為氫氣導(dǎo)流場(chǎng)，所述的導(dǎo)空氣流板6設(shè)有多條導(dǎo)流槽61，該導(dǎo)流槽61呈波浪形，且各導(dǎo)流槽61均從導(dǎo)空氣流板6的一側(cè)直接穿到另一側(cè)；本燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)共由50張電極及50塊導(dǎo)流板組成，每塊導(dǎo)流板的長(zhǎng)與寬分別是150mm，與80mm，電池堆長(zhǎng)度是200mm。
如圖5所示，上貯氫材料瓶4、下貯氫材料瓶5二層分別位于該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的上、下的外層，每層長(zhǎng)、寬、高分別為200mm*150mm*500mm。
燃料電池工作時(shí)由于上、下鼓風(fēng)扇與吸風(fēng)扇的功能互換，常壓熱濕空氣間歇性地將燃料電池內(nèi)熱量帶出，吹向貯氫材料瓶，貯氫材料在放氫過(guò)程中，必須吸熱，剛好從熱濕空氣中吸收熱量，保證放出氫氣源，不斷供給燃料電池，該燃料電池可充分利用能源。
該燃料電池堆額定工作電流大約6安培，輸出電壓為35V，輸出功率為210W，采用電池堆及上、下二層六只風(fēng)扇，起到送風(fēng)、吸風(fēng)或吸風(fēng)、送風(fēng)向燃料電池堆輸送空氣并起到散熱作用。
權(quán)利要求
1.一種利用常壓空氣作為氧化劑及散熱劑的燃料電池，包括燃料電池堆，該燃料電池堆由多組電池單元組成，每組電池單元又包括一質(zhì)子交換膜電極，以及設(shè)置在該質(zhì)子交換膜電極兩側(cè)的一導(dǎo)空氣流板、一導(dǎo)氫氣流板，其特征在于，所述的導(dǎo)空氣流板設(shè)有多條導(dǎo)流槽，該導(dǎo)流槽呈波浪形，且各導(dǎo)流槽均從導(dǎo)空氣流板的一側(cè)直接穿到另一側(cè)，在多塊導(dǎo)空氣流板、質(zhì)子交換膜、導(dǎo)氫氣流板疊加后，整個(gè)燃料電池堆的一側(cè)形成空氣入口，另一側(cè)形成空氣出口；還包括多個(gè)鼓風(fēng)扇、多個(gè)吸風(fēng)扇，所述的鼓風(fēng)扇設(shè)在燃料電池堆的空氣入口處，所述的吸風(fēng)扇設(shè)在燃料電池堆的空氣出口處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用常壓空氣作為氧化劑及散熱劑的燃料電池，其特征在于，所述的多條波浪形導(dǎo)流槽呈等間隔設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用常壓空氣作為氧化劑及散熱劑的燃料電池，其特征在于，所述的多條波浪形導(dǎo)流槽呈縱向間隔設(shè)置，在整個(gè)燃料電池堆的上側(cè)形成空氣入口，下側(cè)形成空氣出口。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用常壓空氣作為氧化劑及散熱劑的燃料電池，其特征在于，所述的鼓風(fēng)扇設(shè)在燃料電池堆的上側(cè)空氣入口處，所述的吸風(fēng)扇設(shè)在燃料電池堆的下側(cè)空氣出口處。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的利用常壓空氣作為氧化劑及散熱劑的燃料電池，其特征在于，還包括二組貯氫材料瓶，該二組貯氫材料瓶分別設(shè)在鼓風(fēng)扇和吸風(fēng)扇的外側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用常壓空氣作為氧化劑及散熱劑的燃料電池，其特征在于，所述的二組貯氫材料瓶分別設(shè)在鼓風(fēng)扇和吸風(fēng)扇的上側(cè)和下側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用常壓空氣作為氧化劑及散熱劑的燃料電池，包括燃料電池堆、多個(gè)鼓風(fēng)扇、多個(gè)吸風(fēng)扇，該燃料電池堆包括質(zhì)子交換膜電極、導(dǎo)空氣流板、導(dǎo)氫氣流板，所述的導(dǎo)空氣流板設(shè)有多條導(dǎo)流槽，該導(dǎo)流槽呈波浪形，且各導(dǎo)流槽均從導(dǎo)空氣流板的一側(cè)直接穿到另一側(cè)，在多塊導(dǎo)空氣流板、質(zhì)子交換膜、導(dǎo)氫氣流板疊加后，整個(gè)燃料電池堆的一側(cè)形成空氣入口，另一側(cè)形成空氣出口，所述的鼓風(fēng)扇設(shè)在燃料電池堆的空氣入口處，所述的吸風(fēng)扇設(shè)在燃料電池堆的空氣出口處。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備成本及運(yùn)行成本低、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1503392SQ0214537
公開日2004年6月9日 申請(qǐng)日期2002年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月25日
發(fā)明者胡里清 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司