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
技術領域：
本發明涉及燃料電池，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：
質子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統，又可作手提式、移動式、固定式的發電裝置。
質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備必須使氫或空氣強制在燃料電池內部流動，這樣可以使燃料氫氣與空氣中的氧氣可以有效地擴散到電極二側中的反應區內發生電化學反應，而且快速流動的空氣也有利于將燃料電池內部電化學反應生成的水帶出燃料電池。
一般來說要使空氣在燃料電池內部產生強制快速流動，必須要采用一種空氣壓縮泵，這種空氣壓縮泵可以產生大大高于自然空氣壓力的壓縮空氣流進入燃料電池，并可以克服燃料電池內部的導流場中的阻力從燃料電池出來。另外，采用較高壓力的空氣、氫氣來運行燃料電池，燃料電池中的電極工作電流往往可以達到每平方厘米數百毫安，這樣燃料電池內部產生的熱能也非常大，一般來說必須采用冷卻流體，如冷卻水在燃料電池內部強制流動，由水泵驅動再經過外部的一個散熱器將熱量散走。
所以，現在一般的質子交換膜燃料電池有如下特點(1)為了促進燃料氫氣、空氣中的氧氣在燃料電池電極二側加快擴散，往往將燃料電池導流板上的導流場設計成蛇形狀，使流體在導流場中反復拐彎碰撞，導流場對流體有一定的阻力。
(2)為了克服導流場中的阻力，并且提高燃料電池電極的工作電流密度，必須用一個空氣壓縮輸送裝置，將壓縮狀態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，燃料電池內部產生的熱能也較大，必須采用冷卻流體泵，使冷卻流體在燃料電池內部強制流動，將熱能帶出燃料電池并且經過外部的散熱器將熱量散走。
上述國際上普遍推行質子交換膜燃料電池的技術有以下缺陷(1)燃料電池必須有外部的輔助運行設備，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的復雜性，并使整個系統的功率密度降低。
(2)空氣壓縮裝置，如空氣泵、水泵等價格較貴，不利于燃料電池發電系統的大規模產業化。
(3)空氣壓縮裝置，如空氣泵、水泵等的存在，使整個燃料電池發電系統的功耗增加，整個發電系統的效率下降，特別是壓縮空氣泵產生的功耗更大。

發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種結構簡單、設備成本及運行成本低、節能的利用常壓空氣作為氧化劑及散熱劑的燃料電池。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現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子交換膜電極，以及設置在該質子交換膜電極兩側的一導空氣流板、一導氫氣流板，其特征在于，所述的導空氣流板設有多條導流槽，該導流槽呈波浪形，且各導流槽均從導空氣流板的一側直接穿到另一側，在多塊導空氣流板、質子交換膜、導氫氣流板疊加后，整個燃料電池堆的一側形成空氣入口，另一側形成空氣出口；還包括多個鼓風扇、多個吸風扇，所述的鼓風扇設在燃料電池堆的空氣入口處，所述的吸風扇設在燃料電池堆的空氣出口處。
所述的多條波浪形導流槽呈等間隔設置。
所述的多條波浪形導流槽呈縱向間隔設置，在整個燃料電池堆的上側形成空氣入口，下側形成空氣出口。
所述的鼓風扇設在燃料電池堆的上側空氣入口處，所述的吸風扇設在燃料電池堆的下側空氣出口處。
還包括二組貯氫材料瓶，該二組貯氫材料瓶分別設在鼓風扇和吸風扇的外側。
所述的二組貯氫材料瓶分別設在鼓風扇和吸風扇的上側和下側。
本發明克服了現有普遍推行的質子交換膜燃料電池的技術缺陷，它是一種利用常壓空氣為氧化劑，同時利用常壓空氣進行散熱的燃料電池。因此，它可以大大降低設備成本及運行成本，同時，又使燃料電池的結構變得更加簡單、合理，還具有明顯的節能效果。
本發明燃料電池中的燃料電池堆為偏平狀，常壓空氣通過普通的鼓風扇和吸風扇就可以很容易地穿過燃料電池堆中的每塊導流板上的空氣導流場；為了讓空氣可以克服導流場中的阻力穿過導流場，但又利用空氣中的氧氣可以向電極空氣側擴散，一方面導流板作了比較特別的設計，導流板空氣側(導空氣流板)空氣導流場由許多條平行的空氣導流槽組成，每條空氣導流槽都成波浪形，主要是讓常壓空氣可以自由穿過，但又可以在穿過時產生部分紊流流動，加快空氣中的氧氣向(膜)電極中擴散，并且每條導流槽都是從導流板的一側直接穿到另一側，這樣當許多塊導流板疊在一起組成一個電池堆后，整個電池堆的上側成了空氣入口，而整個電池堆的下側成了空氣出口，這樣空氣入口與出口面積大大增加，使常壓空氣容易穿過；另一方面，由于電池堆上側空氣入口面積很大，需要數個鼓風扇并排一齊吹才可以讓常壓空氣同時穿過電池堆，而且電池堆下側空氣出口面積也一樣大，也需要數個吸風扇并排一齊吸風，這樣可以使常壓空氣更易穿過電池堆。
整個燃料電池堆的運行所產生的熱量與該發電系統利用常壓空氣散熱可以基本保持平衡，使燃料電池的運行溫度控制在40-60℃之間。由于燃料電池堆運行過程中產生大量的水，當大量的常壓空氣通過空氣導流板時，同時可將大量生成的水帶走。所以燃料電池生成的熱可以通過生成的水蒸發過程及常溫、常壓空氣直接帶走。另外，為保持燃料電池內部膜電極不失水，可以將鼓風扇與吸風扇的吹、吸方向互換，這種互換方向是通過電控制來完成的。例如，在一定的時間間隔內將鼓風扇與吸風扇的電動馬達電源線正負極同時切換，達到電動馬達正、反轉的目的，這時鼓風扇變成了吸風扇，而吸風扇變成了鼓風扇，這樣燃料電池生成的水可以在燃料電池內部停留，不會很快被常壓干空氣蒸發帶走，而達到膜電極不失水的目的。


圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明的導空氣流板的結構示意圖；圖3為本發明的導氫氣流板的結構示意圖；圖4為本發明的質子交換膜電極的結構示意圖；圖5為本發明的一實施例的結構示意圖。
具體實施例方式
下面將結合具體實施例，對本發明作進一步說明。
如圖1～5所示，一種利用上述技術設計的燃料電池發電系統，該燃料電池發電系統分為5層，如圖5所示，第1層為鼓風扇，第2層為吸風扇，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。
鼓風扇層1與吸風扇層2(并通過電控制，互換鼓風扇與吸風扇的功能)分別位于電池堆3上下，該鼓風扇層1與吸風扇層2每層長、寬、高分別為200mm*150mm*300mm。
中間層為燃料電池堆3，其內部結構如圖2～4所示，其中，電極8為質子交換膜電極，導流板為集導空氣流板6與導氫氣流板7為一體(背靠背)的雙面設置，一面為空氣導流場，另一面為氫氣導流場，所述的導空氣流板6設有多條導流槽61，該導流槽61呈波浪形，且各導流槽61均從導空氣流板6的一側直接穿到另一側；本燃料電池的發電系統共由50張電極及50塊導流板組成，每塊導流板的長與寬分別是150mm，與80mm，電池堆長度是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電系統的上、下的外層，每層長、寬、高分別為200mm*150mm*500mm。
燃料電池工作時由于上、下鼓風扇與吸風扇的功能互換，常壓熱濕空氣間歇性地將燃料電池內熱量帶出，吹向貯氫材料瓶，貯氫材料在放氫過程中，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、下二層六只風扇，起到送風、吸風或吸風、送風向燃料電池堆輸送空氣并起到散熱作用。
權利要求
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子交換膜電極，以及設置在該質子交換膜電極兩側的一導空氣流板、一導氫氣流板，其特征在于，所述的導空氣流板設有多條導流槽，該導流槽呈波浪形，且各導流槽均從導空氣流板的一側直接穿到另一側，在多塊導空氣流板、質子交換膜、導氫氣流板疊加后，整個燃料電池堆的一側形成空氣入口，另一側形成空氣出口；還包括多個鼓風扇、多個吸風扇，所述的鼓風扇設在燃料電池堆的空氣入口處，所述的吸風扇設在燃料電池堆的空氣出口處。
2.根據權利要求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流槽呈等間隔設置。
3.根據權利要求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流槽呈縱向間隔設置，在整個燃料電池堆的上側形成空氣入口，下側形成空氣出口。
4.根據權利要求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，所述的鼓風扇設在燃料電池堆的上側空氣入口處，所述的吸風扇設在燃料電池堆的下側空氣出口處。
5.根據權利要求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在鼓風扇和吸風扇的外側。
6.根據權利要求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在鼓風扇和吸風扇的上側和下側。
全文摘要
本發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、多個鼓風扇、多個吸風扇，該燃料電池堆包括質子交換膜電極、導空氣流板、導氫氣流板，所述的導空氣流板設有多條導流槽，該導流槽呈波浪形，且各導流槽均從導空氣流板的一側直接穿到另一側，在多塊導空氣流板、質子交換膜、導氫氣流板疊加后，整個燃料電池堆的一側形成空氣入口，另一側形成空氣出口，所述的鼓風扇設在燃料電池堆的空氣入口處，所述的吸風扇設在燃料電池堆的空氣出口處。與現有技術相比，本發明具有結構簡單、設備成本及運行成本低、節能等優點。
文檔編號H01M8/10GK1503392SQ0214537
公開日2004年6月9日 申請日期2002年11月25日 優先權日2002年11月25日
發明者胡里清 申請人:上海神力科技有限公司