專利名稱：質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池試驗教具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池試驗教具，特別涉及其中一種電解水制取氫氣、氧氣裝置和一種質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池試驗教具電解水制取氫氣和氧氣裝置通常是用注滿電解液的U型管兩端分別插陰極和陽極結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)有下列缺陷一是溶液中的氫氣和氧氣有可能混合，造成氫氣和氧氣不純或易有爆炸危險；二是陰極和陽極離開較遠，引起電解電阻增大,氫氣和氧氣制取效率低。質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池應(yīng)用現(xiàn)在尚未普及，因而目前國內(nèi)只有少數(shù)廠家生產(chǎn)質(zhì) 子交換膜氫氧燃料電池，所生產(chǎn)的產(chǎn)品是某一類工業(yè)所用，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，性能較好，但價格很高，不適宜作教具使用；現(xiàn)有質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池試驗教具上的質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池氣體導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)不夠合理，不能最大限度地保證氫氣導(dǎo)流槽和氧氣導(dǎo)流槽有最大的貼合面積，從而影響氫氧電化學反應(yīng)時電的產(chǎn)生效率。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池試驗教具電解水制取氫氣、氧氣裝置和質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池結(jié)構(gòu)不足，本實用新型提供一種質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池試驗教具，該試驗教具電解水制取氫氣、氧氣裝置能使氫氣和氧氣有效分離，電解電阻減小，氫氣和氧氣制取效率提高；同時，該教具質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池結(jié)構(gòu)簡單，氫氧電化學反應(yīng)時電廣生效率提聞，制造容易，成本較低。本實用新型解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是1、質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池試驗教具，由電解水制取氫氣氧氣裝置、質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池組和電池測量裝置三部分組成。2、電解水制取氫氣和氧氣裝置以圓柱形容器燒杯為基礎(chǔ),包含氫氣和氧氣兩個氣體發(fā)生腔，在每個腔的蓋板上裝有圓柱形電極、出氣孔接頭、平衡孔接頭，兩腔之間用以框形隔板為骨架的布膜隔開，電解液里的離子能夠通過布膜，而氫氣和氧氣由于兩者壓力差較小，不能通過布膜。這樣陰極和陽極可以靠得較近，電解電阻減少，氫氣和氧氣制取效率提高，同時產(chǎn)生的氫氣和氧氣靠布膜能夠分開，所有零件之間都靠粘結(jié)劑固定并密封，平衡孔接頭上裝有塞子，所以氫氣和氧氣只能從各自的出氣口出來，通過連接軟管到達燃料電池里。
3、質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池采用三個單體電池串聯(lián)而成，靠四對螺栓螺母連接，氣體導(dǎo)流板之間靠框形橡膠密封墊片絕緣電和密封氣體，其上的氣體導(dǎo)流槽除靠近進氣孔或出氣孔的一小段是斜向布置外，其余各段都沿導(dǎo)流板的縱向和橫向交替均衡連續(xù)布置，并對稱于導(dǎo)流板橫向中心面，各縱向槽與導(dǎo)流板縱向中心面距離相等，當氫氣導(dǎo)流槽和氧氣導(dǎo)流槽隔著膜電極相互貼合時，除一小段斜向布置的導(dǎo)流槽不重合外，其余導(dǎo)流槽都能重合。這樣就能保證三個氫氣導(dǎo)流槽和氧氣導(dǎo)流槽最大限度貼合。本實用新型的有益效果是電解水制取氫氣和氧氣量多，電解效率高，氫氣和氧氣能有效隔離；質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池氣體密封性好，氫氧電化學反應(yīng)時電產(chǎn)生效率高，結(jié)構(gòu)簡單；整個裝置成本低，制造容易。

圖I是本實用新型的總體結(jié)構(gòu)圖。圖中I.直流穩(wěn)壓電源器，2.電線，3.燃料電池安放支撐塊，4.橡膠軟管,5.質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池,6.萬用表測筆,7.萬用表,8.氫氣和氧氣制取裝置，9.電源開關(guān)。圖2為電解水制取氫氣和氧氣裝置圖。圖中10.燒杯，11.石墨電極(陰極)，12.硫酸鈉溶液，13.粘結(jié)劑，14.氫氣出口管接頭，15.電極接線固定螺釘，16.氧氣出氣管接頭，17.平衡孔堵塞，18.平衡孔管接頭，19.密封蓋板，20.框形隔板，21.氣體分隔布膜，22.石墨電極(陽極)。圖3為質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池外形圖。·圖4為圖3在A-A截面上的剖視圖。圖中23.左壓板，24.膜電極，25.單氣體導(dǎo)流板，26.固定螺栓螺母，27.密封墊片，28.框形橡膠密封墊片，29.右壓板，30.絕緣隔圈，31.雙氣體導(dǎo)流板。圖5為圖3在B-B截面上的剖視圖。圖中32.氧氣進口管接頭，33.氫氣出口管接頭，34.電池電壓輸出端子，35.氧氣出口管接頭，36.氫氣進口管接頭。圖6為雙氣體導(dǎo)流板(31)沿氫氣導(dǎo)流面方向上的視圖，表明了氫氣導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)。圖7為圖6在C-C截面上的剖視圖。圖8為圖7在D方向上的視圖，表明了氧氣導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
在圖I中，整個質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池試驗教具主要由電解水制取氫氣和氧氣裝置、質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池(5)、萬用表(7)三大部分組成，輸入為220V交流電的直流穩(wěn)壓電源器⑴通過電線⑵與氫氣和氧氣制取裝置⑶的電極相連，提供12V直流電壓，在與陽極相連的電線上安裝有電源開關(guān)(9)。氫氣和氧氣制取裝置產(chǎn)生的氫氣和氧氣通過橡膠軟管(4)傳導(dǎo)給燃料電池(5)，電池產(chǎn)生的電量通過數(shù)字式萬用表(7)測量來驗證，方法是通過將數(shù)字式萬用表測筆(6)抵在相應(yīng)電池電壓輸出端子或電池兩側(cè)導(dǎo)流板上來測量，可測量單體、多體或整體燃料電池輸出電壓，也可在電壓輸出端子上串聯(lián)負載、電流表，在負載上并聯(lián)電壓表來實現(xiàn)。由于電解水制取氫氣和氧氣量時，氫氣和氧氣生成速度不是很大，氣體壓力也不大；又因為氫氣密度比空氣小很多，氧氣密度略大于空氣，整個燃料電池布置在氫氣和氧氣制取裝置的后上方，所以其要用放在支撐塊3上。在圖2中，燒杯(10)被密封蓋板(19)、框形隔板(20)、氣體分隔布膜(21)圍成兩個型腔，即氫氣發(fā)生腔和氧氣發(fā)生腔。在每個腔上方的蓋板(19)上都開有三個孔，一個裝石墨電極(11)或(22)，一個裝氫氣或氧氣出口管接頭(14)或(16)，一個裝平衡孔管接頭(18)。電解前，兩型腔分別被加入等高度的Na2SO4溶液(12)，高度以離開密封蓋板上的出氣管接頭(14)、(16)下方5mm、并淹沒整個布膜一段距離為最佳。陰、陽兩石墨電極棒
(11)、(22)分別與直流穩(wěn)壓電源的負、正極用電線連接。當陰、陽極間通以12V直流電壓后，電解質(zhì)溶液中的水便開始電解，在陰極石墨棒附近產(chǎn)生氫氣，陽極石墨棒附近產(chǎn)生氧氣，兩氣體由于密度比電解質(zhì)溶液小，便開始上升，與溶液分離。由于布膜兩側(cè)氫氣和氧氣兩者壓力差較小，所以用布膜就可將它們分隔開來。布膜能夠阻礙氫氣和氧氣穿越，但不會阻礙離子通過，不但不影響水的電解，反而由于兩電極因為距離近，電離電阻大大減小，有利于加快電解速率。集聚在溶液上方的氫氣和氧氣被氣體分隔板或布膜可靠的隔開，并分別從各自的出口管接頭流出，通過橡膠軟管向燃料電池提供氫氣和氧氣。布膜可采用空隙大小40S*30S、密度為138*86、133*95和140*90的舊絲光棉襯衫布料剪切而成。本實用新型氫氣和氧氣制取裝置的所有零件之間的連接都用粘結(jié)劑(13)粘結(jié)而成，這樣結(jié)構(gòu)得到簡化，同時保證了容器對氣體和液體的密封。膠粘劑(13)可采用KD-504A-II高級萬能膠粘劑。在圖3、圖4和圖5中，質(zhì)子交換膜燃料電池由三個單體燃料電池串聯(lián)而成，最外側(cè)采用兩塊非導(dǎo)電的壓板(23)、(29)通過螺栓螺母(26)將三個單體燃料電池固定在一起，螺栓與氣體導(dǎo)流板安裝孔間有絕緣隔圈(30)。與壓板靠近的為單氣體導(dǎo)流板(25)，即氫氣或氧氣導(dǎo)流板，其他都是雙氣體導(dǎo)流板(31)，即一面作氫氣導(dǎo)流板用，另一面作氧氣導(dǎo)流板用。每個單體電池有兩塊導(dǎo)流板和一個膜電極(23)組成。每個膜電極由兩層電極擴散材料和一層質(zhì)子交換膜組成，質(zhì)子交換膜處于中間位置。組裝燃料電池前，膜電極須按一定的 工藝程序制作好。在兩壓板上分別裝有氫氣進氣管接頭(36)、出氣管接頭(33)，氧氣進氣管接頭(32)、出氣管接頭(35)。電池組電壓通過電池輸出端子(34)輸出。在圖6、圖7和圖8中，圖6的雙氣體導(dǎo)流板(31)上的氫氣導(dǎo)流槽和圖8的氧氣導(dǎo)流槽都采用沿導(dǎo)流板縱向和橫向交替連續(xù)布置的均衡結(jié)構(gòu)，槽的兩端分別與垂直于板面的進、出氣孔相連。圖6中氫氣導(dǎo)流槽下方開始端為進氣孔，上方為出氣孔，兩孔對稱布置于導(dǎo)流板橫向中心面兩側(cè)；圖8中氧氣導(dǎo)流槽上方開始端為進氣孔，下方為出氣孔，兩孔對稱布置于導(dǎo)流板橫向中心面兩側(cè)；氫氣進氣孔、出氣孔和氧氣出氣孔、進氣孔分別對稱布置于導(dǎo)流板縱向中心面兩側(cè)。雙氣體導(dǎo)流板四個進或出氣孔都為通孔。氫氣及氧氣導(dǎo)流槽，除上下各有一小段是斜向布置外，其余各段都沿導(dǎo)流板的縱向和橫向交替均衡布置，并對稱于導(dǎo)流板橫向中心面，各縱向槽與導(dǎo)流板縱向中心面距離相等。當一個導(dǎo)流板開有氫氣導(dǎo)流槽的一面和另一個導(dǎo)流板開有氧氣導(dǎo)流槽的一面隔著膜電極相互貼合時，兩氣體導(dǎo)流槽除上下各有一小段斜向布置的導(dǎo)流槽不重合外，其余導(dǎo)流槽都能重合，這樣就能保證氫氣和氧氣相互有最大電化學反應(yīng)面積。圖4中的氫氣或氧氣單氣體導(dǎo)流板(25)結(jié)構(gòu)與圖6或圖8的所表示的雙氣體導(dǎo)流板(31)結(jié)構(gòu)相比，除了分別少一個進、出氣孔外，對應(yīng)氣體導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)完全相同。使用時，將組裝好的燃料電池放在燃料電池安放支撐塊上，用一根橡膠軟管連接氫氣和氧氣發(fā)生裝置氫氣出氣管接頭和燃料電池的氫氣進氣管接頭，再用另外一根橡膠軟管連接氫氣和氧氣發(fā)生裝置氧氣出氣管接頭和燃料電池的氧氣進氣管接頭。燃料電池氫氣出口和氧氣出口分別與外面的大氣相通。電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣并進入到燃料電池里后，用萬用表就可以測量到燃料電池對外輸出電壓值，從而證明燃料電池是否產(chǎn)生電能及電能大小。
權(quán)利要求1.一種質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池試驗教具，由電解水制取氫氣氧氣裝置、質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池組和電池測量裝置三部分組成，其特征是電解水制取氫氣氧氣裝置的陰極和陽極采用布膜隔開，質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池組為三個氫氣導(dǎo)流槽和氧氣導(dǎo)流槽能最大限度貼合的單體燃料電池串聯(lián)而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池試驗教具，其特征是以圓柱形容器燒杯為基礎(chǔ)的氫氣和氧氣制取裝置包含氫氣和氧氣兩個氣體發(fā)生腔，在每個腔的蓋板上裝有圓柱形電極、出氣孔管接頭、平衡孔管接頭，兩腔之間用以框形隔板為骨架的布膜隔開，所有零件之間都靠粘結(jié)劑固定并密封。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池試驗教具，其特征是質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池采用三個單體電池串聯(lián)而成，靠四對螺栓螺母連接，氣體導(dǎo)流板之間靠框形橡膠密封墊片絕緣和密封氣體，其上的導(dǎo)流槽除兩端各有一小段是斜向布置外，其余各段都沿導(dǎo)流板的縱向和橫向交替均衡連續(xù)布置，并對稱于導(dǎo)流板橫向中心面，各縱向槽與導(dǎo)流板縱向中心面距離相等，當一個氣體導(dǎo)流板開有氫氣導(dǎo)流槽的一面和另一個氣體導(dǎo)流板開有氧氣導(dǎo)流槽的一面隔著膜電極相互貼合時，兩氣體導(dǎo)流槽除兩端各有一小段斜向布置的導(dǎo)流槽不重合外，其余導(dǎo)流槽都能重合。
專利摘要一種能提高電解水制氫效率及氫氧電化學反應(yīng)電產(chǎn)生效率的質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池試驗教具。電解水制取氫氣裝置通過穩(wěn)壓直流電源器提供電源，陰極、陽極之間采用布膜隔開；質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池組為氫氣、氧氣導(dǎo)流槽能最大面積貼近重合的三個單體燃料電池串聯(lián)而成；采用萬用表測量電池電壓輸出端子間或?qū)Я靼彘g電壓，顯示電池是否產(chǎn)生電能及其大小。該試驗教具可供大、中專院校相關(guān)專業(yè)的教師和學生研究、學習質(zhì)子膜氫氧燃料電池結(jié)構(gòu)原理使用，也可供中學教師和學生研究、學習電解水化學反應(yīng)原理及質(zhì)子膜氫氧燃料電池結(jié)構(gòu)原理時使用。
文檔編號G09B23/00GK202632592SQ201220102910
公開日2012年12月26日 申請日期2012年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月11日
發(fā)明者陳錦華 申請人:陳錦華