专利名称：氢燃料电池演示器的制作方法
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演示器。
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，还可以作为家用理想的备用电源，具有非常广阔的应 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，钼/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等为双 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(即质子)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l/202+2H++2e — H2O(2)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演示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 电池演示器。本实用新型的氢燃料电池演示器，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演示器，其中，所述燃料电池包括质子交换膜电极、第三 夹板和第四夹板，所述第三夹板和第四夹板分别设置在质子交换膜电极两侧，所述第三夹 板上开有封闭的第一导流槽，所述第一导流槽内开有第一进气孔和第一排水孔，所述第一 导流槽内设有第一采电电极，所述第四夹板上的对应位置开有封闭的第二导流槽，所述第 二导流槽内开有第二进气孔和第二排水孔，所述第二导流槽内设有第二采电电极，所述第 一导流槽、第二导流槽分别位于质子交换膜电极的两侧，所述第一采电电极、第二采电电极分别同质子交换膜电极的两个相对的侧面接触，所述第一进气孔通过管道连通所述氧气气 源，所述第二进气孔通过管道连通所述氢气气源，所述第一排水孔和第二排水孔均与大气 相通，所述第一采电电极和第二采电电极和所述负载电连接。本实用新型的氢燃料电池演示器，其中，所述氢气气源、氧气气源为水电解池，所 述水电解池的包括质子交换电解膜、第一夹板和第二夹板，所述第一夹板和第二夹板分别 设置在所述质子交换电解膜两侧，所述第一夹板和第二夹板上分别开有第一流水槽和第二 流水槽，所述第一流水槽内设有第一电解电极，所述第一流水槽内开有第一进水孔和第一 出气孔，所述第二流水槽内设有第二电解电极，所述第二流水槽内开有第二进水孔和第二 出气孔，所述第一流水槽、第二流水槽分别位于在质子交换电解膜的两侧，所述第一电解电 极、第二电解电极分别同质子交换电解膜的两个相对的侧面接触，所述第一进水孔和第二 进水孔均通过管道接通水源，所述第一出气孔通过管道连通所述第一进气孔，所述第二出 气孔通过管道连通所述第二进气孔。本实用新型的氢燃料电池演示器，其中，所述水源为储水储气装置，所述储水储气 装置包括第一储水储气管和第二储水储气管，所述第一出气孔通过管道连通第一储水储气 管中部的第二通气孔，所述第一进水孔通过管道连通第一储水储气管下部的第二通水孔， 所述第二出气孔通过管道连通第二储水储气管中部的第四通气孔，所述第二进水孔通过管 道连通第二储水储气管下部的第四通水孔，所述第一进气孔通过管道连通第一储水储气管 上部的第一通气孔，所述第二进气孔通过管道连通第二储水储气管上部的第三通气孔。本实用新型的氢燃料电池演示器，其中，所述第一储水储气管的下部和第二储水 储气管的下部通过管道相连。本实用新型的氢燃料电池演示器，其中，所述负载是灯泡、风扇、发光管或音乐盒。本实用新型的氢燃料电池演示器，其中，所述第三夹板和第四夹板通过可拆卸螺 栓固定在一起。本实用新型的氢燃料电池演示器直观生动，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，燃料电池发电带动负载工作，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演示器结构简单，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。
图1是本实用新型的氢燃料电池演示器的结构示意图的立体图；图2是本实用新型的氢燃料电池演示器的结构示意图的俯视图；图3是图1中的水电解池的第一夹板的结构示意图的后视图；图4是图1中的水电解池的第一夹板的结构示意图的主视图；图5是图1中的水电解池的第二夹板的结构示意图的后视图。
具体实施方式
如图1-5所示，本实用新型的氢燃料电池演示器包括作为氢气、氧气发生装置的水电解池20、储水储气装置70、燃料电池60、负载40和基座90。在本实用新型的氢燃料电池演示器中，水电解池20固定于基座90上，用来电解水
产生氢气与氧气。水电解池20包括两块形状、结构相同的正方形夹板22、23和质子交换电解膜99。第一夹板22上开有正方形的第一阶梯槽24。第一阶梯槽24的浅槽作为放置质子 交换电解膜99的电极槽。第一阶梯槽24的深槽的底面中心开有第一圆孔，在第一圆孔中插 入第一电解电极2411，第一电解电极2411包括第一螺钉杆2412和焊接在第一螺钉杆2412 一端的第一金属网2413。第一金属网2413和第一阶梯槽24的浅槽形状、面积相同，并放置 于第一阶梯槽24的浅槽上。第一螺钉杆2412的另一端穿过第一夹板22，并通过螺母固定 于第一夹板22上。第一电解电极2411是水电解池20的用于电解的电解电极。第一圆孔 的上下两侧，第一阶梯槽24的深槽的底面上分别开有第一透气孔221和第一通孔222。第 一通孔222作为水电解池20的第一进水孔。第一透气孔221位于第一圆孔的上方，第一通 孔222位于第一圆孔的下方。正四边形的质子交换电解膜99包括电解质膜，紧贴电解质膜的是镀上去的催化 物质层。电解质膜可以采用全氟磺酸膜。在第二夹板23上的与第一夹板22上的第一阶梯槽24的相对应位置开有正方形 的第二阶梯槽25，第二阶梯槽25同第一阶梯槽24大小、形状相同。在第二夹板23上与第一夹板22上的第一圆孔的相对应位置开有第二圆孔，在第 二圆孔中插入第二电解电极2421，第二电解电极2421同样包括第二螺钉杆2422和焊接在 第二螺钉杆2422—端的第二金属网2423。第二金属网2423和第二阶梯槽25的浅槽形状、 面积相同，并放置于第二阶梯槽25的浅槽上。第二螺钉杆2422的另一端穿过第二夹板23， 并通过螺母固定于第二夹板23上。第二电解电极2421是水电解池20的用于电解的电解 电极。第二阶梯槽25的底面上与第一夹板22上的第一透气孔221对应位置开有第二透气 孔231。第二阶梯槽25的底面上与第一夹板22上的第一通孔222的对应位置开有第二通 孔232。第二通孔232作为水电解池20的第二进水孔。将质子交换电解膜99放置于第一夹板22上的第一阶梯槽24浅槽和第二阶梯槽 25的浅槽中。第一夹板22、第二夹板23通过螺栓35夹紧固定形成水电解池20。第一阶梯 槽24与第二阶梯槽25相对，并通过橡胶垫密封。第一透气孔221和第二透气孔231相对， 第一通孔222和第二通孔232相对。第一金属网2413和第二金属网2423分别同质子交换 电解膜99的两个相对的侧面接触。第一阶梯槽24的深槽与第二阶梯槽25的深槽分别作为水电解池20的第一流水
槽和第二流水槽。储水储气装置70包括两个结构相同的且均固定于基座90上的储水储气管73、74。 第一储水储气管73和第二储水储气管74的上部分别通过第一气塞75、第二气塞76密封。第一储水储气管73下部的管壁上开有第一通水孔731和第二通水孔732。第一储 水储气管73上部的管壁上开有第一通气孔733，第一通气孔733和第二通水孔732之间的 管壁上开有第二通气孔734。第二通气孔734大致位于第一储水储气管73的中部。第二储水储气管74下部的管壁上开有第三通水孔743和第四通水孔744。第二储 水储气管74上部的管壁上开有第三通气孔745，第三通气孔745和第四通水孔744之间的
5管壁上开有第四通气孔746。第四通气孔746大致位于第二储水储气管74的中部。为保持第一储水储气管73和第二储水储气管74内的液面高度相同，第一通水孔 731和第三通水孔743通过管道相连通。水电解池20的第一透气孔221作为第一出气孔和第一储水储气管73的第二通气 孔734通过管道相连通。水电解池20的第二透气孔231作为第二出气孔和第二储水储气管74的第四通气 孔746通过管道相连通。水电解池20的第一通孔222作为第一进水孔和第一储水储气管73的第二通水孔 732通过管道相连通。水电解池20的第二通孔232作为第二进水孔和第二储水储气管74的第四通水孔 744通过管道相连通。固定于基座90上的燃料电池60和水电解池20结构大致相同，燃料电池60同样 包括两块形状相同的正方形夹板和质子交换膜电极。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。电解质膜可以采用全氟磺酸膜。在本实用新型的氢燃料电池演示器中，燃料电池60将氢气和氧气中的化学能通 过电化学反应的方式直接转化为电能。燃料电池60的正方形夹板为第三夹板43和第四夹板44。第三夹板43、第四夹板 44和第一夹板的结构完全相同。与第一夹板22、第二夹板23相同，第三夹板43和第四夹 板44上分别安装第一采电电极、第二采电电极。第一采电电极和第二采电电极的结构、安 装方式与第一电解电极2411、第二电解电极2421完全相同。第三夹板43上的第三阶梯槽的深槽和第四夹板44上的第四阶梯槽的深槽分别作 为燃料电池60的第一导流槽和第二导流槽。第一导流槽和第二导流槽是燃料电池60的气 体流道。燃料电池60的第三夹板43上的第三透气孔作为第一进气孔和第一储水储气管73 的第一通气孔733通过管道相连通。燃料电池60的第四夹板44上的第四透气孔作为第二进气孔和第二储水储气管74 的第三通气孔745通过管道相连通。燃料电池60的第三夹板43上的第三通孔和第四夹板44上的第四通孔分别作为 第一排水孔和第二排水孔，第一排水孔和第二排水孔均和大气相通。固定于基座90上的负载40通过导线分别与燃料电池60的第一采电电极和第二 采电电极相连。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演示器在使用时，首先向第一储水储气管73和第二储 水储气管74中注入去离子水或蒸馏水，去离子水或蒸馏水在大气压的作用下通过水电解 池20的第一通孔222和第二通孔232进入水电解池20中，并充满第一流水槽和第二流水槽。将直流电源的正负极分别与水电解池20的第一电解电极2411、第二电解电极 2421相连，接通电源。水电解池20开始工作，水电解池20的阳极发生水电解反应[0053]2H20 — 02+4H++4e"分离的氧离子形成氧气，氧气随水流通过第一透气孔221输入到第一储水储气管 73内。阳极离解出来的质子(H+)，通过水电解池20的质子交换电解膜99到达水电解池20 的阴极，和电子(e_)结合，两个氢离子还原成一个氢分子4H++4e" — 2H2生成的氢气随水流通过水电解池20的第二透气孔231输入到第二储水储气管74 内。总反应式为2H20 — 02+2H2第一储水储气管73的氧气通过第一通气孔733进入燃料电池60中，第二储水储 气管74的氢气通过第三通气孔745进入燃料电池60中。氢气在燃料电池60的质子交换膜电极的催化剂的作用下，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60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60的正极侧，氧气在燃料电池60的质子交换膜电极的催化剂 作用下得到电子，被还原成氢氧根0H_，氢氧根0H_与水合质子(H3O+)结合生成水。电极反 应式为负极2H2+4H20-4e— 4H30+正极02+2H20+4e— 40Γ4H30++40r — 4H20总反应方程式为02+2H2 — 2H20反应生成的水从燃料电池60的第一排水孔和第二排水孔流出。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。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 新型的技术方案做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。
权利要求一种氢燃料电池演示器，包括氢气气源、氧气气源、燃料电池(60)和负载(40)，所述氢气气源、氧气气源分别连通燃料电池(60)，所述燃料电池(60)和所述负载(40)电连接。
2.如权利要求1所述的氢燃料电池演示器，其特征在于，所述燃料电池(60)包括质 子交换膜电极、第三夹板(43)和第四夹板(44)，所述第三夹板(43)和第四夹板(44)分别 设置在质子交换膜电极两侧，所述第三夹板(43)上开有封闭的第一导流槽，所述第一导流 槽内开有第一进气孔和第一排水孔，所述第一导流槽内设有第一采电电极，所述第四夹板 (44)上的对应位置开有封闭的第二导流槽，所述第二导流槽内开有第二进气孔和第二排水 孔，所述第二导流槽内设有第二采电电极，所述第一导流槽、第二导流槽分别位于质子交换 膜电极的两侧，所述第一采电电极、第二采电电极分别同质子交换膜电极的两个相对的侧 面接触，所述第一进气孔通过管道连通所述氧气气源，所述第二进气孔通过管道连通所述 氢气气源，所述第一排水孔和第二排水孔均与大气相通，所述第一采电电极和第二采电电 极和所述负载(40)电连接。
3.如权利要求2所述的氢燃料电池演示器，其特征在于，所述氢气气源、氧气气源为 水电解池(20)，所述水电解池(20)的包括质子交换电解膜(99)、第一夹板(22)和第二夹 板(23)，所述第一夹板(22)和第二夹板(23)分别设置在所述质子交换电解膜(99)两侧， 所述第一夹板(22)和第二夹板(23)上分别开有第一流水槽和第二流水槽，所述第一流水 槽内设有第一电解电极(2411)，所述第一流水槽内开有第一进水孔和第一出气孔，所述第 二流水槽内设有第二电解电极(2421)，所述第二流水槽内开有第二进水孔和第二出气孔， 所述第一流水槽、第二流水槽分别位于在质子交换电解膜(99)的两侧，所述第一电解电极 (2411)、第二电解电极(2421)分别同质子交换电解膜(99)的两个相对的侧面接触，所述第 一进水孔和第二进水孔均通过管道接通水源，所述第一出气孔通过管道连通所述第一进气 孔，所述第二出气孔通过管道连通所述第二进气孔。
4.如权利要求3所述的氢燃料电池演示器，其特征在于，所述水源为储水储气装置 (70)，所述储水储气装置(70)包括第一储水储气管(73)和第二储水储气管(74)，所述第一 出气孔通过管道连通第一储水储气管(73)中部的第二通气孔(734)，所述第一进水孔通过 管道连通第一储水储气管(73)下部的第二通水孔(732)，所述第二出气孔通过管道连通第 二储水储气管(74)中部的第四通气孔(746)，所述第二进水孔通过管道连通第二储水储气 管(74)下部的第四通水孔(744)，所述第一进气孔通过管道连通第一储水储气管(73)上部 的第一通气孔(733)，所述第二进气孔通过管道连通第二储水储气管(74)上部的第三通气 孔(745)。
5.如权利要求4所述的氢燃料电池演示器，其特征在于，所述第一储水储气管(73)的 下部和第二储水储气管(74)的下部通过管道相连。
6.如权利要求5所述的氢燃料电池演示器，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所述的氢燃料电池演示器，其特征在于，所述第三夹板(43)和第四夹 板(44)通过可拆卸螺栓固定在一起。
8.如权利要求7所述的氢燃料电池演示器，其特征在于，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，所述催化层外侧是扩散层。
9.如权利要求8所述的氢燃料电池演示器，其特征在于，所述电解质膜采用全氟磺酸膜。
专利摘要本实用新型涉及一种氢燃料电池演示器，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演示器直观生动，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，燃料电池发电带动负载工作，可以使学生直观的理解燃料电池的基本结构和工作原理。
文档编号G09B23/18GK201732505SQ20102027391
公开日2011年2月2日 申请日期2010年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者余东风, 刘学温, 谢添 申请人:北京飞驰绿能电源技术有限责任公司