一种环形阴极开放式空冷燃料电池的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别提出一种环形阴极开放式空冷燃料电池。


背景技术：

2.氢燃料电池是一种将利用氢气与氧气反应将化学能转换为电能和热能的一种能量转换装置。因为燃料电池的高转换效率、无辐射、零排放、低噪音和可扩展性的特点，近年来在汽车、无人机和联网发电等领域被广泛关注和应用。
3.环形阴极开放式空冷燃料电池是氢燃料电池的一种简化装置。与其他燃料电池相比，环形阴极开放式空冷燃料电池只有电堆和风机等部件，当电堆运行时，外部空气在风机作用下进入电堆中，参与系统内部的电化学反应，同时将反应产生的水和多余的热量带走，因此，环形阴极开放式空冷燃料电池又称为空冷燃料电池。环形阴极开放式空冷燃料电池不需要冷却循环水系统、氧气加湿系统和压力控制系统这类辅助装置，所以，它的结构简单、系统自身消耗低、体积较小，广泛应用在小型便携式电源、电单车、无人机和部分小型汽车中。当然，这些辅助系统的缺失也会加剧周围环境的温度、湿度因素对燃料电池系统的影响。特别是是大功率的环形阴极开放式空冷燃料电池，因为缺乏循环水的冷却降温，电池工作释放的热量可能无法通过被动方法从电池中充分去除。同时供给电池反应的空气也有可能存在供给不足、不均匀的情况。所以环形阴极开放式空冷燃料电池的空气传输和热管理是影响电堆性能的关键因素。
4.目前阴极开放式燃料电池外形结构简单，多数只是在双极板的空气流道形貌进行设计调整，风机类型以轴流风机为主，进风方向以轴平行方式进风为主，这样空气流道与气流方向平行流道，减少空气流动阻力。例如中国专利cn201920193863.3《空冷燃料电池和用于空冷燃料电池的电堆组件》中，提供了一种阵列式多风机的环形阴极开放式空冷燃料电池电堆，与传统单风机系统相比，这种多风机方式在保证空气流量的情况下，缩小了风机部分的体积，改善了单轴流风机气流分布不均的情况，提高了电池的性能。但是这种方法并没有从根本解决轴流式平行进风方式带来的风道体积大、气流分布不均、散热不均和流速低的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的是提供一种一种环形阴极开放式空冷燃料电池，以解决现有技术的阴极开放式空冷燃料电池以轴流式平行进风方式带来的风道体积大、气流分布不均、散热不均和流速低的问题问题。
6.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
7.一种环形阴极开放式空冷燃料电池，包括一个或多个电池单元，与集流板和绝缘板组装成电池电堆且共同限定两个氢气通孔，用于氢气的输入和排出；所述电池单元由双极板、膜电极组件、密封圈装配而成；所述双极板为具有双面流道的环形结构，所述双极板
的第一面为阳极面，设有氢气流道；第二面流道为阴极面，设置空气流道；所述电池电堆对应形成环形，电池电堆的内部形成环形内嵌式风道。
8.进一步地，所述电池电堆安装有风机；风机的轴心与环形电池电堆的中心位于同一条直线上；电池电堆的内部形成的环形内嵌式风道作为风机的空气风道，无需额外的风道；风机用于将电池电堆内部空气排出，在电堆内部形成负压，将外部空气被从电堆的圆环四周吸进阴极面的空气流道；空气流道反应产生的水和多余的热量通过外部空气携带经风机排出。
9.进一步地，双极板上开设有两个贯穿的氢气通孔，以构成电池电堆的氢气通孔；所述阳极面的氢气流道为蛇形多流道、混合蛇形流道、直通流道或者十字交叉流道中的一种或几种组合；密封圈设置于双极板与膜电极组件之间，与双极板和膜电极紧密贴合，以隔绝气体和水分的泄漏，防止氢气泄漏，防止氢氧互通。
10.在一些实施例中，双极板的阳极面和阴极面为环形；阳极面上设置有阳极密封槽；所述阳极密封槽将氢气通孔和氢气流道包围在内；阳极密封槽内设置有密封圈，与双极板的阳极面和膜电极组件紧密贴合，以防止氢气泄漏或氢氧互通；所述阳极密封槽为两个环形密封槽，将氢气流道和氢气通孔包围在其内；所述两个环形密封槽分别位于阳极面的内环边缘和外环边缘，对应为内环密封槽和外环密封槽；所述密封槽用于放置相适配的密封圈，防止氢气泄漏或氢氧互通；所述阴极面开设有阴极密封槽；所述阴极密封槽将氢气通孔包围在其内；所述阴极密封槽内设置有密封圈，与双极板的阴极面和膜电极组件紧密贴合，以防止氢气泄漏或氢氧互通。
11.进一步地，所述集流板包括第一集流板和第二集流板；所述绝缘板包括第一绝缘板和第二绝缘板；第一绝缘板设置于第一集流板外，位于电池电堆的机顶端；第二绝缘板设置于所述第二集流板外，位于电池电堆的底端；所述电池电堆还包括阴极端板和阳极端板，所述一个或多个电池单元设置于阴极端板和阳极端板之间；阳极端板为环形结构，阳极端板的一面为阳极面，设置有氢气流道，与膜电极组件叠合；阳极端板的另一面与第一集流板紧密配合；第一集流板位于阳极端板外侧；阴极端板为环形结构；阴极端板的一面为阴极面，设置有空气流道，与膜电极组件叠合；阴极端板的另一面与第二集流板紧密配合；第二集流板位于阴极端板外侧；阳极端板、膜电极组件、双极板的阴极面组成顶部电池单元，位于电池电堆的顶端；阴极端板、膜电极组件、双极板的阳极面组成底部电池单元，位于电池电堆的底端。
12.在一些实施例中，所述绝缘板设置于集流板外部，用于安装风机或封堵电池电堆内部风道，使得外部空气只能通过双极板或阴极端板的空气流道进入到燃料电池中；双极板的阴极面设置的空气流道与阴极端板的阴极面设置的空气流道结构和作用相同；双极板的阳极面设置的氢气流道与阳极端板设置的氢气流道结构和作用相同；第一绝缘板或第二绝缘板中之一绝缘板安装风机，另一绝缘板设置有两个氢气通孔作为氢气的进气口和出气口，与电池电堆的氢气通孔对应连通；所述风机为轴流式风机或离心式风机；风机安装于所述绝缘板上；所述集流板为环形结构；所述绝缘板为环形结构。
13.在一些实施例中，阳极端板的氢气流道的流道结构为蛇形多流道、混合蛇形流道、直通流道或者十字交叉流道中的一种或几种组合；阴极端板和双极板上分别设置有两个贯穿的氢气通孔，相互对应连通，且与绝缘板上设置的两个氢气通孔对应连通，共同构成电池
电堆的两个氢气通孔，两个氢气通孔之间由氢气流道连通；阳极端板设置有氢气入口和出口，由阳极端板的氢气流道连通；阳极端板的氢气入口和出口为未贯穿阳极端板的凹槽，与双极板上设置的两个贯穿的氢气通孔对应且连通；当燃料电池工作时，氢气从电池电堆的一个氢气通孔输入，贯穿到电池电堆的阳极端板，氢气从各个双极板以及阳极端板的氢气流道通过，到达电池电堆的另一氢气通道后排出；所述集流板为表面光滑的金属环，包括集流区和采电区。
14.在一些实施例中，在阴极端板的两面且位于氢气通孔的外部，各设置有密封槽，用于放置密封圈，与膜电极组件或集流板紧密配合，以防止氢气泄漏或氢氧互通；阳极端板的阳极面上设置有阳极密封槽；所述阳极密封槽将氢气通孔和氢气流道包围在内；阳极密封槽内设置阳极面密封圈，与膜电极组件紧密配合，以防止氢气泄漏或氢氧互通；所述绝缘板起到隔绝电池电堆工作时产生的热量和电流，支撑电池电堆密封和防冲击的作用，所述绝缘板为高抗弯强度的树脂
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玻纤复合材料板；所述绝缘板、集流板、一个或多个双极板和膜电极组件由固定联锁装置组装成一体。
15.优选地，所述阴极面的空气流道是直通空气流道，多条空气流道以双极板的环形中心向外作辐射状分布形成圆周阵列，外部空气由环形四周吸进阴极面的空气流道内。
16.在一些实施例中，所述双极板为圆环或椭圆环或类圆环形状；多条空气流道以双极板的中心径向辐射地排列成圆周阵列；或者，所述双极板为多边形的环形结构或不规则形状的环形结构，多条空气流道以双极板的环形中心向外辐射地排列成阵列。外部空气由环形四周吸进阴极面的空气流道内；在阵列中空气流道均匀排列；各条空氢流道的形状一致。
17.本实用新型的有益效果如下：
18.本实用新型的燃料电池通过设计和测试选择了环形的双极板，该双极板两面设有流道，其中第一面流道为氢气流道，第二面流道为氧气流道。同时将双极板与环形膜电极组件、密封圈、集流板与绝缘板组合在一起，可以得到内嵌风道环形阴极开放式空冷燃料电池。这种环形结构可以利用风机的负压，提高空气的进口压力，将外部的空气直接从环形周边快速且均匀的吸入，在降低电堆体积的同时，提高了电堆的散热能力和输出功率，解决了传统直流风道环形阴极开放式空冷燃料电池的散热效果差，反应区域不均匀，电堆性能不稳定的问题。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
20.图1为本实用新型实施例的内嵌风道的圆环形内嵌风道的圆环形阴极开放式空冷燃料电池的立体图。
21.图2为图1所示实施例中整体结构展开示意图。
22.图3为本实用新型实施例中的单电池的组合示意图。
23.图4为本实用新型实施例中的绝缘板
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集流板
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阴极板端板的组合示意图。
24.图5为本实用新型实施例中的绝缘板
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集流板
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阳极板端板的组合示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
27.另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以a和/或b为例，包括a技术方案、b技术方案，以及a和b同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
28.参照图1
‑
5，本实用新型内嵌风道内嵌风道的环形阴极开放式空冷燃料电池，整体为环形结构，包括一个或多个环形的双极板13与膜电极组件11装配的电池单元、密封圈12/12’、集流板4、绝缘板2和7、风机1、定位杆和固定联锁装置。
29.本实用新型内嵌风道的环形内嵌风道的圆环形阴极开放式空冷燃料电池运行过程中，风机1将电堆内环空气排出，外部空气被电堆内部负压均匀从环形四周进入双极板和阴极板的阴极面上设置的空气流道16中参与反应，反应产生的水和多余的热量也被外部空气携带经风机排出。
30.燃料电池双极板13为环形结构，开设有有两个贯穿的氢气通孔6。阳极面上设置有氢气流道17和密封槽，即内环密封槽18’和外环密封槽18。阳极面氢气流道17将两端氢气通孔6连通。阳极面氢气流道17的流道结构为蛇形多流道、混合蛇形流道、直通流道或者十字交叉流道，也可以采用其他适合的流道形状。阳极密封槽18、18’将两个氢气通孔6及氢气流道包围在内。本实施例中，阳极密封槽18、18’是设置于阳极面四周边沿的环形凹槽，与密封圈12、12’相适配，密封圈12、12’嵌设于阳极密封槽18、18’内可高于一定高度。
31.密封圈12、12’于位于双极板13与膜电极组件11之间，当燃料电池锁紧时，密封圈12与双极板和膜电极组件紧密贴合，隔绝气体和水分的泄漏，起到密封氢气通孔6和防止氢气泄漏的作用。密封圈12、12’可以是由液态硅胶注塑而得，经过点胶转移处理粘附在双极板的密封槽18、18’中。
32.本实用新型中，双极板13为环形，其第一面阳极面和第二面阴极面也为相应的环形。较佳地，双极板13为双面设有流道的一体结构。阳极面上设置的阳极密封槽为两个环形密封槽18、18’，分别位于阳极面的内环边缘和外环边缘，对应为内环密封槽18’和外环密封槽18。密封槽用于放置相适配的密封圈，即内环密封圈12’和外环密封圈12，防止氢气泄漏或氢氧互通。
33.本实施例中，双极板的阳极面以及阳极端板15的两个环形密封槽18、18’还设置有自密封槽边沿向阳极面的环形区域突出延伸形成的过渡区域21、22。所述过渡区域21、22不设置氢气流道，用于减缓密封圈挤压变形，提高密封效果。作为一种实施例，两个氢气通孔6、6’处分别设置有过渡区域位。每一氢孔通孔将过渡区载分为大过渡区域21和小过渡区域22。例如，大过渡区域为尺寸为长12mm，宽6mm，深0.3mm的矩形。小过渡区域为尺寸为长6mm，宽4mm，深0.3mm的矩形。
34.双极板13的第二面的阴极面开设有空气流道（或称氧气流道）16，阴极面开设有阴极密封槽，阴极密封槽将氢气通孔包围在内。本实施例中，阴极面密封槽为设置于氢气通孔6的外围的环形槽。阴极面设置的空气流道16是以双极板的中心向外发散分布或辐射分布成环形阵列的直线或直通空气流道，直线/直通空气流道沿半径方向的辐射排列成阵列。作为一种实施例，双极板13或阴极端板10上设置的阴极密封槽处将也可设置过渡区域20，用于支撑双极板13或阴极端板10，防止因流道过多导致双极板的强度较低；过渡区域设置氢气通孔，未设置氧气流道。
35.膜电极组件11为适配的环形结构，由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层热压粘接而成。所述膜电极组件的质子交换膜，由溶解有全氟磺酸聚合物的有机溶剂经过刮涂和高温干燥处理后得到的膜，起到传输燃料电池反应过程中产生的质子的作用。膜电极组件的催化剂层是燃料电池发生电化学反应的地方，催化剂层由含有表面负载有金属铂碳粉颗粒的催化剂浆料涂覆在聚四氟乙烯薄膜上所得，催化剂为表面负载金属铂的碳粉颗粒。气体扩散层起到传输反应气体和水，为膜电极组件提供机械支撑的作用，由碳纤维布经过疏水材料ptfe侵泡、干燥和烧结得到。
36.集流板4包括上集流板（即第一集流板）和下集流板（即第二集流板），分别与双极板端板（即电堆两端外层双极板配合的阳极端板15/阴极端板10)和绝缘板2和7接触，起到收集电堆电流的作用。集流板4为表面光滑的镀金铜板适配环形结构，分为集流区和采电区，集流区与双极板紧密贴合，采电区侧面多出两个采电极耳，通过中心焊接采电螺母柱与外部线路连接。
37.绝缘板包括上绝缘板（第一绝缘板）2和下绝缘板（第二绝缘板）7，绝缘板可以采用高抗弯强度的树脂
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玻纤复合材料，保证联锁紧固装置锁紧时，绝缘板不变形，各电池单元内部受力均匀，起到隔绝电堆工作时产生的热量和电流，支撑电堆密封和防冲击的作用。上绝缘板（即第一绝缘板）2为圆环形结构，与集流板和风机接触，风机风道的直径与上绝缘板（第一绝缘板）的圆环内环直径相适配例如相同。上绝缘板2设有多个用于锁紧电堆和风机的螺栓孔或通孔。下绝缘板（即第二绝缘板）7为圆形板，与集流板接触，可以封堵内部风道，使得外部空气只能通过双极板的空气流道16进入到燃料电池内，所述下绝缘板7设有两个氢气通孔6，还设有多个用于锁紧燃料电池的螺栓孔。
38.风机1被联锁紧固装置固定在上绝缘板2上，无需额外的风道，风机的轴心与环形电堆的中心轴在一条直线上，所述风机为轴流式风机或离心式风机。
39.定位杆装置包括定位杆，用于依次穿设于所述绝缘板2和7、集流板4、多个双极板13及膜电极组件11，以将所述绝缘板2和7、集流板4、多个双极板13及膜电极组件11定位于一体。绝缘板2和7、集流板4、多个双极板13及所述膜电极组件11上设有限位件，例如各圆形边沿上设置有凸耳或凸起/凹槽配合结构，且还设置有用于供定位杆穿设的通孔即定位孔
9。
40.固定联锁装置主要用于紧固风机与绝缘板，或者用于紧固燃料电池电堆，可以是螺栓连接装置或其他紧固件。
41.本发明环形阴极开放式空冷型燃料电池，整体呈环形柱体结构，由多层电池单元5层叠，两端与电极端板10/15、集流板4、绝缘板2/7组装成电池电堆，电堆进一步安装风机1。电池单元5为环形，由环形的双极板13、膜电极组件11、密封圈12/12’装配而成。其中，环形双极板13为圆环或椭圆环或类圆环形状；其上设置的多条空气流道以双极板的中心径向辐射地排列成圆周阵列。或者，环形双极板13为多边形的环形结构或不规则形状的环形结构，多条空气流道16以双极板13的环形中心向外辐射地排列成环形阵列，外部空气由环形四周吸进阴极面的空气流道内。电池电堆对应形成环形，电池电堆的内部形成环形内嵌式风道作为风机的空气风道。膜电极组件11、电极端板10/15、集流板4、绝缘板2/7的形状与环形双极板13相适配，可设置为形状及尺寸相适配的环形。
42.下述以圆形双极板13，以及由此构造成的圆环形电池单元5、圆环形电池电堆和圆环形阴极开放式空冷型燃料电池为例，进行具体举例说明本发明的结构特点。其他形状的环形结构进行相应形状的设计，与圆环形相似地进行配置，在些不作赘述。
43.再次参照图1，本实用新型的内嵌风道的圆环形阴极开放式空冷燃料电池包括了风机1、上绝缘板2、螺栓装置3、上集流板4、电池单元5、下集流板4、下绝缘板7和氢气通孔6。
44.作为一种实施例，风机1可选用sanace 9tm 100*25离心式风机，最大风压560pa，最大转速6400 r.p.m。
45.上绝缘板2和下绝缘板7为环形，可选用fr
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4级环氧玻纤板，绝缘板的厚度可以是15mm。上绝缘板的内径可以是75mm，外径可以是160mm，并且留有6个(不限于6个)用于固定风机的通孔和6个(不限于6个)用于固定电堆的通孔；下绝缘板7的外径可以是160mm，并且留有两个氢气通孔6，用于氢气的输入和排出。本实施例及附图中，氢气通道、氢气通孔、氢气进气口/出气口，氢气入口和出口均用标号6表示，对应连通形成氢气的输入通道和排出通道。
46.螺栓装置3可以是m3*15cm的304不锈钢内六角螺栓。
47.集流板4为环形，可以是：内环直径为90mm，外环直径为144mm，厚度为1.8mm的镀金铜板。集流板的采电极耳的两个通孔直径可以是3mm。
48.如图3所示的一个电池单元5包括阴极面密封圈14、阴极端板10、膜电极组件11、阳极面密封圈12、双极板13、阴极面密封圈14、膜电极组件11、阳极面密封圈12和阳极端板15依次叠放组成。
49.所述阴极端板10、双极板13和阳极端板15可以是内环直径为90mm，外环直径为144mm，厚度为2mm的石墨板圆环。
50.所述阴极端板10、双极板13的氧气流道16是以圆环圆心为中心发散（或辐射状）分布的直通流道的设计。作为一种实施例，氧气流道16可以是：长度为270mm，宽度为1.3mm，深度为1.1mm的长矩形，脊宽1.4mm，流道内壁与底部夹角为90
°
。
51.阴极端板10和双极板13的阴极面的氢气通孔有两个密封圈凹槽（即阴极密封槽），用于放置硅胶密封圈（即阴极面密封圈）14，防止氢气泄漏或氢氧互通。在一具体例子中，密封圈凹槽的深度为0.3mm，宽度为3mm，到氢气通孔6处距离为2mm。
52.如图3所示，密封圈12，12’为阳极端板和双极板的阳极面硅胶密封圈（即阳极面密封圈），用于密封氢气，防止氢气泄漏或氢氧互通。在一具体例子中，密封圈12的厚度0.5mm，宽度为3mm，外环直径为142mm。
53.如图4所示，阳极端板15的另一面为光滑的表面与上集流板（即第一集流板）4紧密接触。
54.双极板13、阳极端板15的氢气流道17为蛇形多流道设计，氢气流道17从一个氢气通孔6处背向出发，最终连通对角处的另一个氢气通孔6。在一具体例子中，氢气流道17的深度为0.3mm、宽度为0.45mm，流道内壁与底部夹角为90
°
。其中双极板的阳极面有两个对称的直径为3mm的氢气通孔。
55.如图4所示，所述阳极端板15的氢气入口和出口6’没有贯穿阳极端板15，只是在阳极面有两个深度为（但不限于）1.5mm，直径为（但不限于）3mm的圆形凹槽。当燃料电池工作时，氢气可以从电池电堆的一个氢气通孔6输入，贯穿到顶部的阳极端板15，氢气从各个双极板的氢气流道17通过，到达对角的另一氢气通孔6处后排出。
56.如图5所示，所述阴极端板10的另一面为光滑的表面，两个氢气通孔外部各设有密封圈凹槽用于放置密封圈14，然后与下集流板（即第二集流板）4紧密接触。
57.图1
‑
2所示，风机1通过螺栓8与上绝缘板2锁紧固定，上绝缘板2、上集流板4、电池单元5、下集流板4和下绝缘板7按照定位孔9所标定的位置依次叠加贴合，最后通过螺栓装置3锁紧固定得到内嵌风道的圆环形阴极开放式空冷燃料电池。
58.在其他实施例中，采用多个电池单元5重复堆叠，对应形成不同大小的内嵌风道内嵌风道的圆环形阴极开放式空冷燃料电池。
59.本实用新型的内嵌风道内嵌风道的圆环形阴极开放式空冷燃料电池电堆，通过设计和测试选择了圆环形的双极板13，该双极板体13两面为流道，其中第一面流道为氢气流道17，第二面流道为氧气流道16。将一组或多组双极板13与圆环形膜电极组件11、密封圈12、集流板4与绝缘板2和7组合在一起形成电池电堆，共同限定两个氢气通孔，由氢气流道连通。电池单元5是由两个圆环形膜电极组件11分别与一个圆形型双极板13的阳极面和阴极面配合，双极板13与膜电极组件11之间由密封圈密封。电池电堆一般是由多个电池单元5重复堆叠，两端分别配置阴极端板10和阳极端板15，外侧分别与绝缘板组装，一端安装风机1，另一端设置氢气入气口和出气口，而获得内嵌风道内嵌风道的圆环形阴极开放式空冷燃料电池。本实用新型内嵌风道内嵌风道的圆环形阴极开放式空冷燃料电池整体为环形圆柱体，各层为环形，较佳地，各层环形对齐，中心形成中空轴。风机1用于排风散热，在内嵌风道内嵌风道的圆环形阴极开放式空冷燃料电池电堆内部形成负压。这种圆环结构可以利用风机的负压，提高空气的进口压力，将外部的空气直接从圆环周边快速且均匀的吸入，在降低电堆体积的同时，提高了电堆的散热能力和输出功率，解决了传统直流风道内嵌风道的圆环形阴极开放式空冷燃料电池的散热效果差，反应区域不均匀，电堆性能不稳定的问题。