CN201689586U - 氢燃料电池实验器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种氢燃料电池实验器，包括氢气气源、氧气气源、燃料电池和负载，氢气气源、氧气气源分别连通燃料电池，燃料电池和负载电连接。本实用新型的氢燃料电池实验器直观生动，通过氧气气源和氢气气源连通燃料电池，向其提供反应需要的氢气和氧气，燃料电池带动负载工作，可以使学生直观的理解燃料电池的基本结构和工作原理。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种教育或演示用具，尤其涉及一种氢燃料电池实验器。
背景技术
燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应的方式直接转化为电能的高效发电装置，具有能量转化效率高、清洁、高功率密度等特点。与其他类型的燃料电池相比，质子交换膜氢燃料电池工作温度最低，比能量最高，启动快，寿命长，结构紧凑，因此是电动汽车最理想的候选电源，具有广阔的应用前景。
质子交换膜氢燃料电池以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/碳为电催化剂，氢气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应：
H2→2H++2e (1)
该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则经过质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水：
1/2O2+2H++2e→H2O (2)
生成的水随反应尾气排出。
作为质子交换膜氢燃料电池的核心部件，质子交换膜不仅用于传导质子和阻隔燃料和氧化剂的接触，还是氧化剂的支撑体。为保证燃料电池正常运行，质子交换膜应具有优异的化学、热力学稳定性和良好的质子传导性，同时，膜表面与催化剂适配性要好，能有效阻止气体扩散，阻隔氧化剂与燃料接触等。通常质子交换膜电极包括电解质膜、紧贴电解质膜两侧的催化层及催化层外侧的扩散层。
为普及质子交换膜氢燃料电池的相关知识，使广大群众，特别是中小学生对质子交换膜氢燃料电池有一个感性认识，一些中学和大学的化学课中开设了与质子交换膜氢燃料电池有关的实验，但用于演示和操作的氢燃料电池实验器在现有技术中还未看到。
实用新型内容
本实用新型解决的技术问题是提供一种可以直观演示氢燃料电池原理的氢燃料电池实验器。
本实用新型解决的另一技术问题是提供一种适合学生拆装、操作的氢燃料电池实验器。
本实用新型的氢燃料电池实验器，包括氢气气源、氧气气源、燃料电池和负载，所述氢气气源、氧气气源分别连通燃料电池，所述燃料电池和所述负载电连接。
本实用新型的氢燃料电池实验器，其中，所述氢气气源包括氢气输出管，所述氧气气源包括氧气输出管，所述燃料电池包括质子交换膜电极和流场板，所述质子交换膜电极包括电解质膜，紧贴电解质膜两侧的是催化层，催化层外侧是扩散层，所述流场板包括两块形状相同的板体，两板体分别设置在膜电极两侧，一个板体作为质子交换膜电极的氢气流场板，另一个板体作为质子交换膜电极的氧气流场板，所述氢气流场板上开有封闭的氢气导流槽，所述氢气导流槽内开有氢气进气孔和氢气排气孔，所述氢气导流槽内设有第一电极。所述氧气流场板上的对应位置开有封闭的氧气导流槽，所述氧气导流槽内开有氧气进气孔和氧气排气孔，所述氧气导流槽内设有第二电极，所述氢气导流槽、氧气导流槽分别位于在质子交换膜电极的两侧，第一电极、第二电极分别同质子交换膜电极的两个相对的侧面接触，所述氢气进气孔连接所述氢气输出管，所述氧气进气孔连接所述氧气输出管，所述氢气排气孔和氧气排气孔均与大气相通。
本实用新型的氢燃料电池实验器，其中，所述氢气气源、氧气气源为电解池。
本实用新型的氢燃料电池实验器，其中，还包括储气池，所述储气池包括氢气储气腔和氧气储气腔，所述氢气输出管连接所述氢气储气腔，所述氢气储气腔连接所述氢气进气孔，所述氧气输出管连接所述氧气储气腔，所述氧气储气腔连接所述氧气进气孔。
本实用新型的氢燃料电池实验器，其中，所述氢气储气腔的内壁上和氧气储气腔的内壁上均有刻度线。
本实用新型的氢燃料电池实验器，其中，所述负载可以是灯泡、风扇、发光管或音乐盒。
本实用新型的氢燃料电池实验器，其中，所述电解质膜采用全氟磺酸膜。
本实用新型的氢燃料电池实验器，其中，所述流场板的氢气流场板的氢气导流槽为阶梯槽，所述质子交换膜电极放置所述阶梯槽的浅槽中。
本实用新型的氢燃料电池实验器，其中，所述流场板通过可拆卸螺栓或夹板固定在一起。
本实用新型的氢燃料电池实验器，其中，所述流场板为透明有机玻璃材质或塑料材质。
本实用新型的氢燃料电池实验器直观生动，通过氧气气源和氢气气源连通燃料电池，向其提供反应需要的氢气和氧气，燃料电池带动负载工作，可以使学生直观的理解燃料电池的基本结构和工作原理。
本实用新型的氢燃料电池实验器结构简单，容易操作，各组件之间连接、组装、拆卸方便，燃料电池的零部件之间采用螺栓或夹板连接，更方便学生拆卸、组装，使学生更清楚理解氢燃料电池工作原理。
附图说明
图1是本实用新型的氢燃料电池实验器的结构示意图；
图2是图1中的燃料电池的结构示意图；
图3是图2中第一板体的结构示意图；
图4是图2中第二板体的结构示意图；
图5是图1中的燃料电池的组装示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的氢燃料电池实验器包括作为氢气、氧气发生装置的电解池60、储气池70、燃料电池20和负载40。
电解池60包括矩形的电解盒61，电解盒61的上盖板62上连接两个结构相同，并均伸入电解盒61中的电解腔63、64。第一电解腔63和第二电解腔64均没有底面，并且其下端均和电解盒61的底面留有空隙。第一电解腔63的上盖65和第二电解腔64的上盖66上分别***第一导电板67、第二导电板68。第一导电板67和第二导电板68分别伸入第一电解腔63和第二电解腔64中。第一出气管69和第二出气管691分别穿过上盖66伸入第一电解腔63和第二电解腔64中。
储气池70包括矩形的储气盒71，储气盒71内设有两个结构相同的储气腔73、74。第一储气腔73和第二储气腔74的内壁上均有刻度线，通过刻度线可以直观的表示进水、排水的体积。
第一储气腔73和第二储气腔74均没有底面，且其下端均和储气盒71的底面留有空隙。第一储气腔73的上盖75上***第一进气管77和第三出气管79。第二储气腔74的上盖76上***第二进气管78和第四出气管791。
第一进气管77和第一出气管69通过管道相连。第二进气管78和第二出气管691通过管道相连。
结合图2-5所示，燃料电池20包括两块形状相同的矩形板体22、23和质子交换膜电极。
第一板体22上开有正方形的阶梯槽24。阶梯槽24的浅槽作为放置质子交换膜电极的电极槽。阶梯槽24的深槽的底面中心开有第一圆孔，在第一圆孔中***第一金属杆2411作为燃料电池20的第一电极，第一金属杆2411的左端突出于阶梯槽24的深槽的底面，右端通过螺母固定于第一板体22上。阶梯槽24的深槽的底面上开有第一进气孔。第一进气孔内***第一通气管31，阶梯槽24的深槽的底面上开有第一排气孔245。第一排气孔245位于第一圆孔下方。阶梯槽24深槽的底面上设有四个凸起247，凸起247用来支撑质子交换膜电极，使其平稳放置于阶梯槽24的浅槽中。
正四边形的质子交换膜电极(图中未示出)，包括电解质膜，紧贴电解质膜两侧的是催化层，催化层外侧是扩散层。电解质膜可以采用全氟磺酸膜。
在第二板体23上的与第一板体22上的阶梯槽24相对应位置开有正方形的槽25，槽25同阶梯槽24的深槽大小相同。在槽25的底面与阶梯槽24深槽底面的第一圆孔的相对应位置开有第二圆孔，在第二圆孔中***第二金属杆2511作为燃料电池20的第二电极，第二金属杆2511的右端突出于槽25的底面，左端通过螺母固定于第二板体23上。槽25的底面上与第一板体22上的第一进气孔对应位置开有第二进气孔。第二进气孔内***第二通气管32。槽25的底面上与第一板体22上的第一排气孔245的对应位置开有第二排气孔255。
将质子交换膜电极放置于第一板体22上的阶梯槽24的浅槽中。第一板体22、第二板体23通过螺栓35或夹板夹紧固定形成燃料电池20。阶梯槽24与槽25相对，第一进气孔和第二进气孔相对，第一排气孔245和第二排气孔255相对。第一金属杆2411的左端和第二金属杆2511的右端分别同质子交换膜电极的两个相对的侧面接触。
第一通气管31和第四出气管791通过管道相连。第二通气管32和第三出气管79通过管道相连。
负载40通过导线分别与燃料电池20的第一金属杆2411、第二金属杆2511相连。
本实施例的负载40可以是灯泡、风扇、发光管或音乐盒。
本实用新型的氢燃料电池实验器在使用时，首先向电解池60中注入氢氧化钾或氢氧化钠溶液，将直流电源的正负极分别夹在电解池60的第一导电板67、第二导电板68，接通电源。电解池60开始工作，电解液中的氢氧根离子在电解池60的第一导电板67上失去电子，被氧化生成氧气和水；而水分子在电解池60的第二导电板68板上得到电子，被还原成氢气和氢氧根离子，正负极的反应式为：
正极 4OH-4e→O2+2H2O
负极 4H2O+4e→2H2+4OH
总反应式为：2H2O→O2+2H2
反应生成的氧气和氢气分别沿着出气管路进入到充满水的储气池70的第一储气腔73和第二储气腔74内，同时也会通过储气池70的出气管路进入燃料电池20中，氢气在燃料电池20的催化剂的作用下，释放出电子，被氧化成质子(H+)，电子通过外电路到达燃料电池20的正极，质子以水合质子(H3O+)的方式穿越质子交换膜电极到达燃料电池20的正极侧，氧气在燃料电池20的催化剂作用下得到电子，被还原成氢氧根OH-，氢氧根OH-与水合质子(H3O+)结合生成水。电极反应式为：
负极：2H2+4H2O-4e→4H3O+
正极：O2+2H2O+4e→4OH-
4H3O++4OH→4H2O
总反应方程式为：O2+2H2→2H2O
上述反应中，电子通过外电路的过程就是向负载40提供电能，带动负载40的过程。随着电解时间的延长，储气池70中的气体逐渐增多，第一储气腔73和第二储气腔74排出的水也增加，并且氢气和氧气的体积比大致为2∶1。当第二储气腔74内的氢气储满时，关闭电源，停止电解，储气池70中的氢气和氧气将继续供给燃料电池20，电池将继续发电，当储气池70中的气体用尽，水将充满第一储气腔73和第二储气腔74，燃料电池20停止工作。
以上所述实施例仅仅是本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种氢燃料电池实验器，包括氢气气源、氧气气源、燃料电池(20)和负载(40)，所述氢气气源、氧气气源分别连通燃料电池(20)，所述燃料电池(20)和所述负载(40)电连接。
2.如权利要求1所述的氢燃料电池实验器，其特征在于，所述氢气气源包括氢气输出管，所述氧气气源包括氧气输出管，所述燃料电池(20)包括质子交换膜电极和流场板，所述质子交换膜电极包括电解质膜，紧贴所述电解质膜两侧的是催化层，催化层外侧是扩散层，所述流场板包括两块形状相同的板体，所述两板体分别设置在膜电极两侧，一个板体作为质子交换膜电极的氢气流场板，另一个板体作为质子交换膜电极的氧气流场板，所述氢气流场板上开有封闭的氢气导流槽，所述氢气导流槽内开有氢气进气孔和氢气排气孔，所述氢气导流槽内设有第一电极，所述氧气流场板上的对应位置开有封闭的氧气导流槽，所述氧气导流槽内开有氧气进气孔和氧气排气孔，所述氧气导流槽内设有第二电极，所述氢气导流槽、氧气导流槽分别位于在质子交换膜电极的两侧，所述第一电极、第二电极分别同质子交换膜电极的两个相对的侧面接触，所述氢气进气孔连接所述氢气输出管，所述氧气进气孔连接所述氧气输出管，所述氢气排气孔和氧气排气孔均与大气相通。
3.如权利要求2所述的氢燃料电池实验器，其特征在于，所述氢气气源、氧气气源为电解池(60)。
4.如权利要求3所述的氢燃料电池实验器，其特征在于，还包括储气池(70)，所述储气池(70)包括氢气储气腔和氧气储气腔，所述氢气输出管连接所述氢气储气腔，所述氢气储气腔连接所述氢气进气孔，所述氧气输出管连接所述氧气储气腔，所述氧气储气腔连接所述氧气进气孔。
5.如权利要求4所述的氢燃料电池实验器，其特征在于，所述氢气储气腔的内壁上和氧气储气腔的内壁上均有刻度线。
6.如权利要求5所述的氢燃料电池实验器，其特征在于，所述负载(40)是灯泡、风扇、发光管或音乐盒。
7.如权利要求6所述的氢燃料电池实验器，其特征在于，所述电解质膜采用全氟磺酸膜。
8.如权利要求7所述的氢燃料电池实验器，其特征在于，所述流场板的氢气流场板的氢气导流槽为阶梯槽(24)，所述质子交换膜电极放置所述阶梯槽(24)的浅槽中。
9.如权利要求8所述的氢燃料电池实验器，其特征在于，所述流场板通过可拆卸螺栓(35) 或夹板固定在一起。
10.如权利要求9所述的氢燃料电池实验器，其特征在于，所述流场板为透明有机玻璃材质或塑料材质。
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