CN1503392A - 一种利用常压空气作为氧化剂及散热剂的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用常压空气作为氧化剂及散热剂的燃料电池，包括燃料电池堆、多个鼓风扇、多个吸风扇，该燃料电池堆包括质子交换膜电极、导空气流板、导氢气流板，所述的导空气流板设有多条导流槽，该导流槽呈波浪形，且各导流槽均从导空气流板的一侧直接穿到另一侧，在多块导空气流板、质子交换膜、导氢气流板叠加后，整个燃料电池堆的一侧形成空气入口，另一侧形成空气出口，所述的鼓风扇设在燃料电池堆的空气入口处，所述的吸风扇设在燃料电池堆的空气出口处。与现有技术相比，本发明具有结构简单、设备成本及运行成本低、节能等优点。

Description

一种利用常压空气作为氧化剂及散热剂的燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种利用常压空气作为氧化剂及散热剂的燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池可用作车、船等运载工具的动力系统，又可作手提式、移动式、固定式的发电装置。
质子交换膜燃料电池一般采用氢气为燃料，空气为氧化剂。一般情况下，燃料电池外围辅助设备必须使氢或空气强制在燃料电池内部流动，这样可以使燃料氢气与空气中的氧气可以有效地扩散到电极二侧中的反应区内发生电化学反应，而且快速流动的空气也有利于将燃料电池内部电化学反应生成的水带出燃料电池。
一般来说要使空气在燃料电池内部产生强制快速流动，必须要采用一种空气压缩泵，这种空气压缩泵可以产生大大高于自然空气压力的压缩空气流进入燃料电池，并可以克服燃料电池内部的导流场中的阻力从燃料电池出来。另外，采用较高压力的空气、氢气来运行燃料电池，燃料电池中的电极工作电流往往可以达到每平方厘米数百毫安，这样燃料电池内部产生的热能也非常大，一般来说必须采用冷却流体，如冷却水在燃料电池内部强制流动，由水泵驱动再经过外部的一个散热器将热量散走。
所以，现在一般的质子交换膜燃料电池有如下特点：
(1)为了促进燃料氢气、空气中的氧气在燃料电池电极二侧加快扩散，往往将燃料电池导流板上的导流场设计成蛇形状，使流体在导流场中反复拐弯碰撞，导流场对流体有一定的阻力。
(2)为了克服导流场中的阻力，并且提高燃料电池电极的工作电流密度，必须用一个空气压缩输送装置，将压缩状态的空气输送入燃料电池，并可以将燃料电池生成的水带出燃料电池。
(3)由于燃料电池电极的工作电流密度较大，燃料电池内部产生的热能也较大，必须采用冷却流体泵，使冷却流体在燃料电池内部强制流动，将热能带出燃料电池并且经过外部的散热器将热量散走。
上述国际上普遍推行质子交换膜燃料电池的技术有以下缺陷：
(1)燃料电池必须有外部的辅助运行设备，如空气压缩输送装置(例如：空气泵、水泵、散热器等)，这些辅助备的存在，大大增加了燃料电池系统的复杂性，并使整个系统的功率密度降低。
(2)空气压缩装置，如空气泵、水泵等价格较贵，不利于燃料电池发电系统的大规模产业化。
(3)空气压缩装置，如空气泵、水泵等的存在，使整个燃料电池发电系统的功耗增加，整个发电系统的效率下降，特别是压缩空气泵产生的功耗更大。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、设备成本及运行成本低、节能的利用常压空气作为氧化剂及散热剂的燃料电池。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种利用常压空气作为氧化剂及散热剂的燃料电池，包括燃料电池堆，该燃料电池堆由多组电池单元组成，每组电池单元又包括一质子交换膜电极，以及设置在该质子交换膜电极两侧的一导空气流板、一导氢气流板，其特征在于，所述的导空气流板设有多条导流槽，该导流槽呈波浪形，且各导流槽均从导空气流板的一侧直接穿到另一侧，在多块导空气流板、质子交换膜、导氢气流板叠加后，整个燃料电池堆的一侧形成空气入口，另一侧形成空气出口；还包括多个鼓风扇、多个吸风扇，所述的鼓风扇设在燃料电池堆的空气入口处，所述的吸风扇设在燃料电池堆的空气出口处。
所述的多条波浪形导流槽呈等间隔设置。
所述的多条波浪形导流槽呈纵向间隔设置，在整个燃料电池堆的上侧形成空气入口，下侧形成空气出口。
所述的鼓风扇设在燃料电池堆的上侧空气入口处，所述的吸风扇设在燃料电池堆的下侧空气出口处。
还包括二组贮氢材料瓶，该二组贮氢材料瓶分别设在鼓风扇和吸风扇的外侧。
所述的二组贮氢材料瓶分别设在鼓风扇和吸风扇的上侧和下侧。
本发明克服了现有普遍推行的质子交换膜燃料电池的技术缺陷，它是一种利用常压空气为氧化剂，同时利用常压空气进行散热的燃料电池。因此，它可以大大降低设备成本及运行成本，同时，又使燃料电池的结构变得更加简单、合理，还具有明显的节能效果。
本发明燃料电池中的燃料电池堆为偏平状，常压空气通过普通的鼓风扇和吸风扇就可以很容易地穿过燃料电池堆中的每块导流板上的空气导流场；为了让空气可以克服导流场中的阻力穿过导流场，但又利用空气中的氧气可以向电极空气侧扩散，一方面导流板作了比较特别的设计，导流板空气侧(导空气流板)空气导流场由许多条平行的空气导流槽组成，每条空气导流槽都成波浪形，主要是让常压空气可以自由穿过，但又可以在穿过时产生部分紊流流动，加快空气中的氧气向(膜)电极中扩散，并且每条导流槽都是从导流板的一侧直接穿到另一侧，这样当许多块导流板叠在一起组成一个电池堆后，整个电池堆的上侧成了空气入口，而整个电池堆的下侧成了空气出口，这样空气入口与出口面积大大增加，使常压空气容易穿过；另一方面，由于电池堆上侧空气入口面积很大，需要数个鼓风扇并排一齐吹才可以让常压空气同时穿过电池堆，而且电池堆下侧空气出口面积也一样大，也需要数个吸风扇并排一齐吸风，这样可以使常压空气更易穿过电池堆。
整个燃料电池堆的运行所产生的热量与该发电系统利用常压空气散热可以基本保持平衡，使燃料电池的运行温度控制在40-60℃之间。由于燃料电池堆运行过程中产生大量的水，当大量的常压空气通过空气导流板时，同时可将大量生成的水带走。所以燃料电池生成的热可以通过生成的水蒸发过程及常温、常压空气直接带走。另外，为保持燃料电池内部膜电极不失水，可以将鼓风扇与吸风扇的吹、吸方向互换，这种互换方向是通过电控制来完成的。例如，在一定的时间间隔内将鼓风扇与吸风扇的电动马达电源线正负极同时切换，达到电动马达正、反转的目的，这时鼓风扇变成了吸风扇，而吸风扇变成了鼓风扇，这样燃料电池生成的水可以在燃料电池内部停留，不会很快被常压干空气蒸发带走，而达到膜电极不失水的目的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的导空气流板的结构示意图；
图3为本发明的导氢气流板的结构示意图；
图4为本发明的质子交换膜电极的结构示意图；
图5为本发明的一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明作进一步说明。
如图1～5所示，一种利用上述技术设计的燃料电池发电系统，该燃料电池发电系统分为5层，如图5所示，第1层为鼓风扇，第2层为吸风扇，第3层为燃料电池堆，第4层为上贮氢材料瓶，第5层为下贮氢材料瓶。
鼓风扇层1与吸风扇层2(并通过电控制，互换鼓风扇与吸风扇的功能)分别位于电池堆3上下，该鼓风扇层1与吸风扇层2每层长、宽、高分别为200mm*150mm*300mm。
中间层为燃料电池堆3，其内部结构如图2～4所示，其中，电极8为质子交换膜电极，导流板为集导空气流板6与导氢气流板7为一体(背靠背)的双面设置，一面为空气导流场，另一面为氢气导流场，所述的导空气流板6设有多条导流槽61，该导流槽61呈波浪形，且各导流槽61均从导空气流板6的一侧直接穿到另一侧；本燃料电池的发电系统共由50张电极及50块导流板组成，每块导流板的长与宽分别是150mm，与80mm，电池堆长度是200mm。
如图5所示，上贮氢材料瓶4、下贮氢材料瓶5二层分别位于该燃料电池发电系统的上、下的外层，每层长、宽、高分别为200mm*150mm*500mm。
燃料电池工作时由于上、下鼓风扇与吸风扇的功能互换，常压热湿空气间歇性地将燃料电池内热量带出，吹向贮氢材料瓶，贮氢材料在放氢过程中，必须吸热，刚好从热湿空气中吸收热量，保证放出氢气源，不断供给燃料电池，该燃料电池可充分利用能源。
该燃料电池堆额定工作电流大约6安培，输出电压为35V，输出功率为210W，采用电池堆及上、下二层六只风扇，起到送风、吸风或吸风、送风向燃料电池堆输送空气并起到散热作用。

Claims (6)

1、一种利用常压空气作为氧化剂及散热剂的燃料电池，包括燃料电池堆，该燃料电池堆由多组电池单元组成，每组电池单元又包括一质子交换膜电极，以及设置在该质子交换膜电极两侧的一导空气流板、一导氢气流板，其特征在于，所述的导空气流板设有多条导流槽，该导流槽呈波浪形，且各导流槽均从导空气流板的一侧直接穿到另一侧，在多块导空气流板、质子交换膜、导氢气流板叠加后，整个燃料电池堆的一侧形成空气入口，另一侧形成空气出口；还包括多个鼓风扇、多个吸风扇，所述的鼓风扇设在燃料电池堆的空气入口处，所述的吸风扇设在燃料电池堆的空气出口处。
2、根据权利要求1所述的利用常压空气作为氧化剂及散热剂的燃料电池，其特征在于，所述的多条波浪形导流槽呈等间隔设置。
3、根据权利要求1所述的利用常压空气作为氧化剂及散热剂的燃料电池，其特征在于，所述的多条波浪形导流槽呈纵向间隔设置，在整个燃料电池堆的上侧形成空气入口，下侧形成空气出口。
4、根据权利要求3所述的利用常压空气作为氧化剂及散热剂的燃料电池，其特征在于，所述的鼓风扇设在燃料电池堆的上侧空气入口处，所述的吸风扇设在燃料电池堆的下侧空气出口处。
5、根据权利要求1或4所述的利用常压空气作为氧化剂及散热剂的燃料电池，其特征在于，还包括二组贮氢材料瓶，该二组贮氢材料瓶分别设在鼓风扇和吸风扇的外侧。
6、根据权利要求5所述的利用常压空气作为氧化剂及散热剂的燃料电池，其特征在于，所述的二组贮氢材料瓶分别设在鼓风扇和吸风扇的上侧和下侧。
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