專利名稱：氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種教育或演示用具，尤其涉及一種氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)的方式直接轉(zhuǎn)化為 電能的高效發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、清潔、高功率密度等特點(diǎn)。與其他類型的燃料 電池相比，質(zhì)子交換膜氫燃料電池工作溫度最低，比能量最高，啟動(dòng)快，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊， 因此是電動(dòng)汽車最理想的候選電源，具有廣闊的應(yīng)用前景。質(zhì)子交換膜氫燃料電池以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)，鉬/碳為電催化劑， 氫氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，帶有氣體流動(dòng)通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極 板。陽(yáng)極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應(yīng)H2 — 2H++2e(1)該電極反應(yīng)產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路到達(dá)陰極，氫離子則經(jīng)過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極。 氧氣與氫離子及電子在陰極發(fā)生反應(yīng)生成水l/202+2H++2e — H2O(2)生成的水隨反應(yīng)尾氣排出。作為質(zhì)子交換膜氫燃料電池的核心部件，質(zhì)子交換膜不僅用于傳導(dǎo)質(zhì)子和阻隔燃 料和氧化劑的接觸，還是氧化劑的支撐體。為保證燃料電池正常運(yùn)行，質(zhì)子交換膜應(yīng)具有優(yōu) 異的化學(xué)、熱力學(xué)穩(wěn)定性和良好的質(zhì)子傳導(dǎo)性，同時(shí)，膜表面與催化劑適配性要好，能有效 阻止氣體擴(kuò)散，阻隔氧化劑與燃料接觸等。通常質(zhì)子交換膜電極包括電解質(zhì)膜、緊貼電解質(zhì) 膜兩側(cè)的催化層及催化層外側(cè)的擴(kuò)散層。為普及質(zhì)子交換膜氫燃料電池的相關(guān)知識(shí)，使廣大群眾，特別是中小學(xué)生對(duì)質(zhì)子 交換膜氫燃料電池有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，一些中學(xué)和大學(xué)的化學(xué)課中開(kāi)設(shè)了與質(zhì)子交換膜氫燃 料電池有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，但用于演示和操作的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器在現(xiàn)有技術(shù)中還未看到。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可以直觀演示氫燃料電池原理的氫燃料 電池實(shí)驗(yàn)器。本實(shí)用新型解決的另一技術(shù)問(wèn)題是提供一種適合學(xué)生拆裝、操作的氫燃料電池實(shí) 驗(yàn)器。本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，包括氫氣氣源、氧氣氣源、燃料電池和負(fù)載，所 述氫氣氣源、氧氣氣源分別連通燃料電池，所述燃料電池和所述負(fù)載電連接。本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其中，所述氫氣氣源包括氫氣輸出管，所述氧氣 氣源包括氧氣輸出管，所述燃料電池包括質(zhì)子交換膜電極和流場(chǎng)板，所述質(zhì)子交換膜電極 包括電解質(zhì)膜，緊貼電解質(zhì)膜兩側(cè)的是催化層，催化層外側(cè)是擴(kuò)散層，所述流場(chǎng)板包括兩塊 形狀相同的板體，兩板體分別設(shè)置在膜電極兩側(cè)，一個(gè)板體作為質(zhì)子交換膜電極的氫氣流場(chǎng)板，另一個(gè)板體作為質(zhì)子交換膜電極的氧氣流場(chǎng)板，所述氫氣流場(chǎng)板上開(kāi)有封閉的氫氣 導(dǎo)流槽，所述氫氣導(dǎo)流槽內(nèi)開(kāi)有氫氣進(jìn)氣孔和氫氣排氣孔，所述氫氣導(dǎo)流槽內(nèi)設(shè)有第一電 極。所述氧氣流場(chǎng)板上的對(duì)應(yīng)位置開(kāi)有封閉的氧氣導(dǎo)流槽，所述氧氣導(dǎo)流槽內(nèi)開(kāi)有氧氣進(jìn) 氣孔和氧氣排氣孔，所述氧氣導(dǎo)流槽內(nèi)設(shè)有第二電極，所述氫氣導(dǎo)流槽、氧氣導(dǎo)流槽分別位 于在質(zhì)子交換膜電極的兩側(cè)，第一電極、第二電極分別同質(zhì)子交換膜電極的兩個(gè)相對(duì)的側(cè) 面接觸，所述氫氣進(jìn)氣孔連接所述氫氣輸出管，所述氧氣進(jìn)氣孔連接所述氧氣輸出管，所述 氫氣排氣孔和氧氣排氣孔均與大氣相通。本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其中，所述氫氣氣源、氧氣氣源為電解池。本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其中，還包括儲(chǔ)氣池，所述儲(chǔ)氣池包括氫氣儲(chǔ)氣 腔和氧氣儲(chǔ)氣腔，所述氫氣輸出管連接所述氫氣儲(chǔ)氣腔，所述氫氣儲(chǔ)氣腔連接所述氫氣進(jìn) 氣孔，所述氧氣輸出管連接所述氧氣儲(chǔ)氣腔，所述氧氣儲(chǔ)氣腔連接所述氧氣進(jìn)氣孔。本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其中，所述氫氣儲(chǔ)氣腔的內(nèi)壁上和氧氣儲(chǔ)氣腔 的內(nèi)壁上均有刻度線。本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其中，所述負(fù)載可以是燈泡、風(fēng)扇、發(fā)光管或音樂(lè)盒。本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其中，所述電解質(zhì)膜采用全氟磺酸膜。本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其中，所述流場(chǎng)板的氫氣流場(chǎng)板的氫氣導(dǎo)流槽 為階梯槽，所述質(zhì)子交換膜電極放置所述階梯槽的淺槽中。本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其中，所述流場(chǎng)板通過(guò)可拆卸螺栓或夾板固定
在一起。本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其中，所述流場(chǎng)板為透明有機(jī)玻璃材質(zhì)或塑料 材質(zhì)。本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器直觀生動(dòng)，通過(guò)氧氣氣源和氫氣氣源連通燃料電 池，向其提供反應(yīng)需要的氫氣和氧氣，燃料電池帶動(dòng)負(fù)載工作，可以使學(xué)生直觀的理解燃料 電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易操作，各組件之間連接、組裝、拆 卸方便，燃料電池的零部件之間采用螺栓或夾板連接，更方便學(xué)生拆卸、組裝，使學(xué)生更清 楚理解氫燃料電池工作原理。

圖1是本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中的燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2中第一板體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖2中第二板體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖1中的燃料電池的組裝示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器包括作為氫氣、氧氣發(fā)生裝置的電 解池60、儲(chǔ)氣池70、燃料電池20和負(fù)載40。[0030]電解池60包括矩形的電解盒61，電解盒61的上蓋板62上連接兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同，并 均伸入電解盒61中的電解腔63、64。第一電解腔63和第二電解腔64均沒(méi)有底面，并且其 下端均和電解盒61的底面留有空隙。第一電解腔63的上蓋65和第二電解腔64的上蓋66 上分別插入第一導(dǎo)電板67、第二導(dǎo)電板68。第一導(dǎo)電板67和第二導(dǎo)電板68分別伸入第一 電解腔63和第二電解腔64中。第一出氣管69和第二出氣管691分別穿過(guò)上蓋66伸入第 一電解腔63和第二電解腔64中。儲(chǔ)氣池70包括矩形的儲(chǔ)氣盒71，儲(chǔ)氣盒71內(nèi)設(shè)有兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的儲(chǔ)氣腔73、74。 第一儲(chǔ)氣腔73和第二儲(chǔ)氣腔74的內(nèi)壁上均有刻度線，通過(guò)刻度線可以直觀的表示進(jìn)水、排 水的體積。第一儲(chǔ)氣腔73和第二儲(chǔ)氣腔74均沒(méi)有底面，且其下端均和儲(chǔ)氣盒71的底面留有 空隙。第一儲(chǔ)氣腔73的上蓋75上插入第一進(jìn)氣管77和第三出氣管79。第二儲(chǔ)氣腔74的 上蓋76上插入第二進(jìn)氣管78和第四出氣管791。第一進(jìn)氣管77和第一出氣管69通過(guò)管道相連。第二進(jìn)氣管78和第二出氣管691 通過(guò)管道相連。結(jié)合圖2-5所示，燃料電池20包括兩塊形狀相同的矩形板體22、23和質(zhì)子交換膜 電極。第一板體22上開(kāi)有正方形的階梯槽24。階梯槽24的淺槽作為放置質(zhì)子交換膜 電極的電極槽。階梯槽24的深槽的底面中心開(kāi)有第一圓孔，在第一圓孔中插入第一金屬桿 2411作為燃料電池20的第一電極，第一金屬桿2411的左端突出于階梯槽24的深槽的底 面，右端通過(guò)螺母固定于第一板體22上。階梯槽24的深槽的底面上開(kāi)有第一進(jìn)氣孔。第 一進(jìn)氣孔內(nèi)插入第一通氣管31，階梯槽24的深槽的底面上開(kāi)有第一排氣孔245。第一排氣 孔245位于第一圓孔下方。階梯槽24深槽的底面上設(shè)有四個(gè)凸起247，凸起247用來(lái)支撐 質(zhì)子交換膜電極，使其平穩(wěn)放置于階梯槽24的淺槽中。正四邊形的質(zhì)子交換膜電極(圖中未示出)，包括電解質(zhì)膜，緊貼電解質(zhì)膜兩側(cè)的 是催化層，催化層外側(cè)是擴(kuò)散層。電解質(zhì)膜可以采用全氟磺酸膜。在第二板體23上的與第一板體22上的階梯槽24相對(duì)應(yīng)位置開(kāi)有正方形的槽25， 槽25同階梯槽24的深槽大小相同。在槽25的底面與階梯槽24深槽底面的第一圓孔的相 對(duì)應(yīng)位置開(kāi)有第二圓孔，在第二圓孔中插入第二金屬桿2511作為燃料電池20的第二電極， 第二金屬桿2511的右端突出于槽25的底面，左端通過(guò)螺母固定于第二板體23上。槽25 的底面上與第一板體22上的第一進(jìn)氣孔對(duì)應(yīng)位置開(kāi)有第二進(jìn)氣孔。第二進(jìn)氣孔內(nèi)插入第 二通氣管32。槽25的底面上與第一板體22上的第一排氣孔245的對(duì)應(yīng)位置開(kāi)有第二排氣 孔 255。將質(zhì)子交換膜電極放置于第一板體22上的階梯槽24的淺槽中。第一板體22、第 二板體23通過(guò)螺栓35或夾板夾緊固定形成燃料電池20。階梯槽24與槽25相對(duì)，第一進(jìn) 氣孔和第二進(jìn)氣孔相對(duì)，第一排氣孔245和第二排氣孔255相對(duì)。第一金屬桿2411的左端 和第二金屬桿2511的右端分別同質(zhì)子交換膜電極的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面接觸。第一通氣管31和第四出氣管791通過(guò)管道相連。第二通氣管32和第三出氣管79 通過(guò)管道相連。負(fù)載40通過(guò)導(dǎo)線分別與燃料電池20的第一金屬桿2411、第二金屬桿2511相連。[0041]本實(shí)施例的負(fù)載40可以是燈泡、風(fēng)扇、發(fā)光管或音樂(lè)盒。本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器在使用時(shí)，首先向電解池60中注入氫氧化鉀或 氫氧化鈉溶液，將直流電源的正負(fù)極分別夾在電解池60的第一導(dǎo)電板67、第二導(dǎo)電板68， 接通電源。電解池60開(kāi)始工作，電解液中的氫氧根離子在電解池60的第一導(dǎo)電板67上失 去電子，被氧化生成氧氣和水；而水分子在電解池60的第二導(dǎo)電板68板上得到電子，被還 原成氫氣和氫氧根離子，正負(fù)極的反應(yīng)式為正極40F4e — 02+2H20負(fù)極4H20+4e — 2H2+40H總反應(yīng)式為2H20— 02+2H2反應(yīng)生成的氧氣和氫氣分別沿著出氣管路進(jìn)入到充滿水的儲(chǔ)氣池70的第一儲(chǔ)氣 腔73和第二儲(chǔ)氣腔74內(nèi)，同時(shí)也會(huì)通過(guò)儲(chǔ)氣池70的出氣管路進(jìn)入燃料電池20中，氫氣在 燃料電池20的催化劑的作用下，釋放出電子，被氧化成質(zhì)子(H+)，電子通過(guò)外電路到達(dá)燃料 電池20的正極，質(zhì)子以水合質(zhì)子(H3O+)的方式穿越質(zhì)子交換膜電極到達(dá)燃料電池20的正 極側(cè)，氧氣在燃料電池20的催化劑作用下得到電子，被還原成氫氧根0H_，氫氧根0H_與水 合質(zhì)子(H3O+)結(jié)合生成水。電極反應(yīng)式為負(fù)極2H2+4H20-4e— 4H30+正極02+2H20+4e— 40F4H30++40H — 4H20總反應(yīng)方程式為02+2H2 — 2H20上述反應(yīng)中，電子通過(guò)外電路的過(guò)程就是向負(fù)載40提供電能，帶動(dòng)負(fù)載40的過(guò) 程。隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng)，儲(chǔ)氣池70中的氣體逐漸增多，第一儲(chǔ)氣腔73和第二儲(chǔ)氣腔74 排出的水也增加，并且氫氣和氧氣的體積比大致為2 1。當(dāng)?shù)诙?chǔ)氣腔74內(nèi)的氫氣儲(chǔ)滿 時(shí)，關(guān)閉電源，停止電解，儲(chǔ)氣池70中的氫氣和氧氣將繼續(xù)供給燃料電池20，電池將繼續(xù)發(fā) 電，當(dāng)儲(chǔ)氣池70中的氣體用盡，水將充滿第一儲(chǔ)氣腔73和第二儲(chǔ)氣腔74，燃料電池20停止 工作。以上所述實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本實(shí)用新型 的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本實(shí)用新型設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用 新型的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本實(shí)用新型的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范 圍內(nèi)。
權(quán)利要求一種氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，包括氫氣氣源、氧氣氣源、燃料電池(20)和負(fù)載(40)，所述氫氣氣源、氧氣氣源分別連通燃料電池(20)，所述燃料電池(20)和所述負(fù)載(40)電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其特征在于，所述氫氣氣源包括氫氣輸出 管，所述氧氣氣源包括氧氣輸出管，所述燃料電池(20)包括質(zhì)子交換膜電極和流場(chǎng)板，所 述質(zhì)子交換膜電極包括電解質(zhì)膜，緊貼所述電解質(zhì)膜兩側(cè)的是催化層，催化層外側(cè)是擴(kuò)散 層，所述流場(chǎng)板包括兩塊形狀相同的板體，所述兩板體分別設(shè)置在膜電極兩側(cè)，一個(gè)板體作 為質(zhì)子交換膜電極的氫氣流場(chǎng)板，另一個(gè)板體作為質(zhì)子交換膜電極的氧氣流場(chǎng)板，所述氫 氣流場(chǎng)板上開(kāi)有封閉的氫氣導(dǎo)流槽，所述氫氣導(dǎo)流槽內(nèi)開(kāi)有氫氣進(jìn)氣孔和氫氣排氣孔，所 述氫氣導(dǎo)流槽內(nèi)設(shè)有第一電極，所述氧氣流場(chǎng)板上的對(duì)應(yīng)位置開(kāi)有封閉的氧氣導(dǎo)流槽，所 述氧氣導(dǎo)流槽內(nèi)開(kāi)有氧氣進(jìn)氣孔和氧氣排氣孔，所述氧氣導(dǎo)流槽內(nèi)設(shè)有第二電極，所述氫 氣導(dǎo)流槽、氧氣導(dǎo)流槽分別位于在質(zhì)子交換膜電極的兩側(cè)，所述第一電極、第二電極分別同 質(zhì)子交換膜電極的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面接觸，所述氫氣進(jìn)氣孔連接所述氫氣輸出管，所述氧氣 進(jìn)氣孔連接所述氧氣輸出管，所述氫氣排氣孔和氧氣排氣孔均與大氣相通。
3.如權(quán)利要求2所述的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其特征在于，所述氫氣氣源、氧氣氣源為電 解池(60)。
4.如權(quán)利要求3所述的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其特征在于，還包括儲(chǔ)氣池(70)，所述儲(chǔ)氣 池(70)包括氫氣儲(chǔ)氣腔和氧氣儲(chǔ)氣腔，所述氫氣輸出管連接所述氫氣儲(chǔ)氣腔，所述氫氣儲(chǔ) 氣腔連接所述氫氣進(jìn)氣孔，所述氧氣輸出管連接所述氧氣儲(chǔ)氣腔，所述氧氣儲(chǔ)氣腔連接所 述氧氣進(jìn)氣孔。
5.如權(quán)利要求4所述的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其特征在于，所述氫氣儲(chǔ)氣腔的內(nèi)壁上和 氧氣儲(chǔ)氣腔的內(nèi)壁上均有刻度線。
6.如權(quán)利要求5所述的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其特征在于，所述負(fù)載(40)是燈泡、風(fēng)扇、 發(fā)光管或音樂(lè)盒。
7.如權(quán)利要求6所述的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其特征在于，所述電解質(zhì)膜采用全氟磺酸膜。
8.如權(quán)利要求7所述的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其特征在于，所述流場(chǎng)板的氫氣流場(chǎng)板的 氫氣導(dǎo)流槽為階梯槽(24)，所述質(zhì)子交換膜電極放置所述階梯槽(24)的淺槽中。
9.如權(quán)利要求8所述的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其特征在于，所述流場(chǎng)板通過(guò)可拆卸螺栓 (35)或夾板固定在一起。
10.如權(quán)利要求9所述的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，其特征在于，所述流場(chǎng)板為透明有機(jī)玻璃 材質(zhì)或塑料材質(zhì)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器，包括氫氣氣源、氧氣氣源、燃料電池和負(fù)載，氫氣氣源、氧氣氣源分別連通燃料電池，燃料電池和負(fù)載電連接。本實(shí)用新型的氫燃料電池實(shí)驗(yàn)器直觀生動(dòng)，通過(guò)氧氣氣源和氫氣氣源連通燃料電池，向其提供反應(yīng)需要的氫氣和氧氣，燃料電池帶動(dòng)負(fù)載工作，可以使學(xué)生直觀的理解燃料電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。
文檔編號(hào)G09B23/24GK201689586SQ20102018153
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日
發(fā)明者余東風(fēng), 彭實(shí) 申請(qǐng)人:教育部教學(xué)儀器研究所;北京飛馳綠能電源技術(shù)有限責(zé)任公司