專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理教具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及燃料電池(教學(xué)用具)，具體說是一種質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理教具。
背景技術(shù)：
質(zhì)子膜型燃料電池(PEMFC)以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)，鉑/碳或鉑-釕/碳為電催化劑，氫或凈重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，帶有氣體流動通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極板。
PEMFC中的電極反應(yīng)類同于其它電解質(zhì)燃料電池，陽極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應(yīng)----------(1)該電極反應(yīng)產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路支達陰極，氫離子則經(jīng)質(zhì)子交換膜到達陰極。氧氣與氫離子及電子在陰極發(fā)生反應(yīng)生成水-----(2)生成的水不稀釋電解質(zhì)，而是通過電極隨反應(yīng)尾氣排出。
由于PEMFC可以同時獲得高的功率密度和能量密度，低溫起動，沒有環(huán)境污染，因此在分散電源、交通運輸和便攜電源等方面均可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柴油、汽油發(fā)電機，柴油、汽油發(fā)動機和蓄電池，高效和環(huán)境無公害地工作。因此，包括美國、日本、加拿大和歐盟等發(fā)達國家與組織，和中國、印度等發(fā)展中國家都投入巨大資金研發(fā)示范這種技術(shù)，目前，PEMFC已經(jīng)進入商業(yè)化前夜，再有5～10年將進入大規(guī)模實際應(yīng)用，但是，盡管這幾年國內(nèi)媒體對燃料電池有了一些報道，廣大群眾，特別是中小學(xué)生——未來燃料電池真正的使用者，對燃料電池知道的甚少，因此有必要在中學(xué)和大學(xué)的化學(xué)實驗課中開設(shè)與燃料電池有關(guān)的實驗，使未來的燃料電池使用和研究者在受教育階段就對燃料電池有一個初步的感性的認識。但目前，這種用于教學(xué)用的燃料電池工作原理教具，尚未見報道。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種直觀性強的質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理教具。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案為一種質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理教具，包括化學(xué)氫氣發(fā)生器其上蓋上設(shè)有進料管和氫氣輸出管；氫氣緩沖罐其上設(shè)有進氣口與排氣口，進氣口與上述化學(xué)氫氣發(fā)生器的氫氣輸出管密閉相連，排氣口與燃料電池組的氫氣輸入管的一端相連；
燃料電池組該燃料電池組由多組電池單元串聯(lián)于二塊端板間用螺栓緊固組成，每組電池單元又包括一質(zhì)子交換膜電極組件和一雙極板；質(zhì)子交換膜電極組件由兩張多孔氣體擴散電極和電解質(zhì)膜構(gòu)成；多孔氣體擴散電極由擴散層和催化層組成；雙極板由導(dǎo)電板和流場組成；雙極板設(shè)置在膜電極兩側(cè)，雙極板的一面作為一個膜電極的氫氣流場板，另一面作為另一個膜電極的空氣流場板，所述氫氣流場板上設(shè)有一對進出氫氣的流體孔，該流體孔之間設(shè)有外圍封閉的、平行的氫氣導(dǎo)流槽，所述空氣流場板上設(shè)有與環(huán)境空氣相通的、平行的空氣導(dǎo)流槽，該空氣導(dǎo)流槽與另一面的氫氣導(dǎo)流槽呈90℃交叉排列；在電池組的兩側(cè)設(shè)有集流板和端板，其中與電池氫氣流場板相連的端板上設(shè)有氫氣進出口，氫氣進口與上述氫氣輸入管的另一端密閉相連；負載通過導(dǎo)線與燃料電池組的集流板相連。
其中燃料電池根據(jù)負載功率的大小，燃料電池組可以由3～10組電池單元串聯(lián)組成。電解質(zhì)膜可以是杜邦公司的Nafion膜，也可以是其它非全氟磺酸膜；雙極板由導(dǎo)電板和流場組成，可以是碳板或金屬板；為了保證有足夠的空氣自然對流進入電池各節(jié)的陰極，為電極反應(yīng)提供氧氣，雙極板的氧氣流場的溝深度要在1～3mm，最好在1.5～2.5mm，寬度為1～2.5mm，最好為1.5～2.0mm。負載可以是燈泡、發(fā)光管、風扇或音樂盒、電子玩具等，功率在0.1～10W。
本實用新型具有如下優(yōu)點1.直觀性強。本實用新型旨在為中學(xué)生或大學(xué)生提供一種直觀的燃料電池演示性實驗裝置；其中氫氣來自氫氣發(fā)生裝置，氫氣發(fā)生部分可以是金屬與水或酸、堿生成氫氣，也可以是電解純水產(chǎn)生氫氣，使學(xué)生可以了解金屬與水或酸、堿生成氫氣的原理和過程或電解水制氫的原理與過程(使學(xué)生了解和掌握了一種制氫技術(shù))，演示采用化學(xué)制氫技術(shù)為質(zhì)子交換膜燃料電池提供氫氣的方法；氧氣來自空氣自然對流，演示采用空氣自然對流呼吸為質(zhì)子交換膜燃料電池提供氧氣的方法；而使學(xué)生可以直觀地理解燃料電池工作原理。
2.結(jié)構(gòu)簡單、容易操作。本實用新型由氫氣發(fā)生裝置、燃料電池組和負載三部分組成，采用化學(xué)制氫技術(shù)為質(zhì)子交換膜燃料電池提供燃料氫氣，以及自然呼吸從環(huán)境中獲取氧化劑氧氣，推動質(zhì)子交換膜燃料電池組工作，帶動燈泡、風扇、音樂盒、或電子玩具等負載，實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，使學(xué)生(中學(xué)生和大學(xué)生)不但可以了解化學(xué)制氫的原理與過程(提供金屬與水或酸、堿反應(yīng)生成氫氣和金屬鹽的演示實驗裝置)，同時直觀的演示燃料電池的工作原理。
3.集知識性與趣味性為一體。把本實用新型用于中學(xué)和大學(xué)的化學(xué)實驗室，可以向?qū)W生演示金屬于酸或堿反應(yīng)生成氫氣的化學(xué)實驗；還可以為學(xué)生演示未來清潔能源利用的燃料電池工作原理，培養(yǎng)他們的環(huán)保和能源利用意識，集知識性和趣味性為一體。


圖1為本實用新型實施例1燃料電池教具的部件組裝示意圖；圖2為本實用新型實施例2燃料電池教具的部件組裝示意圖；圖3為本實用新型實施例2燃料電池教具的部件組裝示意圖；圖4為雙極板的氫氣側(cè)的側(cè)視圖；圖5為雙極板的氫氣側(cè)的俯視圖；圖6為雙極板的空氣側(cè)的側(cè)視圖；圖7為雙極板的空氣側(cè)的俯視圖。
具體實施方式
實施例1如圖1、5、6、7所示，一種質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理教具，是利用金屬鋅(鋁等金屬)顆粒與稀酸(硫酸、鹽酸等)反應(yīng)生成氫氣供給燃料電池組，并從環(huán)境中靠自然對流呼吸氧氣，使質(zhì)子交換膜燃料電池組工作，帶動一個負載發(fā)光管的實例；以鋅與硫酸反應(yīng)為例，發(fā)生如下反應(yīng)-----(3)生成的氫氣經(jīng)過一個氣、水分離罐(緩沖罐)進入燃料電池組，環(huán)境空氣中的氧氣通過自然對流方式進入電池組，當接通負載以后，氫氣和氧氣分別在陽極和陰極發(fā)生式(1)和(2)反應(yīng)，輸出直流電能，帶動負載工作。
如圖1所示，該教具由氫氣發(fā)生器1、氫氣緩沖罐2、燃料電池組3和負載4(燈泡)組成；氫氣發(fā)生器1的上蓋上設(shè)有進料管11和氫氣輸出管12；氫氣緩沖罐2上設(shè)有進氣口與排氣口，進氣口與上述氫氣輸出管12密閉相連，排氣口與一氫氣輸入管21的一端相連；燃料電池組3由3組電池單元串聯(lián)于二塊端板間用螺栓緊固組成；燃料電池組3的3個導(dǎo)電板中的外側(cè)2個同時起收集電流的集流板作用；每組電池單元又包括一質(zhì)子交換膜電極組件和一雙極板相靠接；質(zhì)子交換膜電極組件由兩張多孔氣體擴散電極和電解質(zhì)膜相貼接構(gòu)成；多孔氣體擴散電極由擴散層和催化層組成；如圖4-7所示，雙極板由導(dǎo)電板和流場組成；雙極板設(shè)置在膜電極組件兩側(cè)，雙極板的一面作為一個膜電極組件的氫氣流場板31，另一面作為另一個膜電極組件的空氣流場板34，如圖4-5所示，所述氫氣流場板上設(shè)有一對進出氫氣的流體孔32，該流體孔32之間設(shè)有外圍封閉的、平行的氫氣導(dǎo)流槽33，如圖6-7所示，所述空氣流場板上設(shè)有與環(huán)境空氣相通的、平行的空氣導(dǎo)流槽35，該空氣導(dǎo)流槽35與另一面的氫氣導(dǎo)流槽33呈90℃交叉排列；在電池組的兩側(cè)設(shè)有端板，其中與電池氫氣流場板相連的端板上設(shè)有氫氣進出口，氫氣進口與上述氫氣輸入管21的另一端密閉相連；負載4(燈泡)通過導(dǎo)線與燃料電池組3的兩個集流雙極板相聯(lián)。
實施例2如圖2所示，與實施例1不同之處在于負載4為一個音樂盒，燃料電池組由5組電池單元串聯(lián)組成。
實施例3如圖3所示，與實施例1不同之處在于利用金屬鋁粒氫氧化鈉水溶液反應(yīng)生成氫氣供給燃料電池組，負載4為一個風扇，燃料電池組由5組電池單元串聯(lián)組成。
權(quán)利要求1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理教具，其特征在于，包括化學(xué)氫氣發(fā)生器其上蓋上設(shè)有進料管和氫氣輸出管；氫氣緩沖罐其上設(shè)有進氣口與排氣口，進氣口與上述化學(xué)氫氣發(fā)生器的氫氣輸出管密閉相連，排氣口與燃料電池組的氫氣輸入管的一端相連；燃料電池組該燃料電池組由多組電池單元串聯(lián)于二塊端板間用螺栓緊固組成，每組電池單元又包括一質(zhì)子交換膜電極組件和一雙極板相靠接；質(zhì)子交換膜電極組件由兩張多孔氣體擴散電極和電解質(zhì)膜相貼接構(gòu)成；多孔氣體擴散電極由擴散層和催化層組成；雙極板由導(dǎo)電板和流場組成；雙極板設(shè)置在膜電極組件兩側(cè)，雙極板的一面作為一個膜電極組件的氫氣流場板，另一面作為另一個膜電極組件的空氣流場板，所述氫氣流場板上設(shè)有一對進出氫氣的流體孔，該流體孔之間設(shè)有外圍封閉的、平行的氫氣導(dǎo)流槽，所述空氣流場板上設(shè)有與環(huán)境空氣相通的、平行的空氣導(dǎo)流槽，該空氣導(dǎo)流槽與另一面的氫氣導(dǎo)流槽呈90℃交叉排列；電池組最外側(cè)的兩片雙極板上設(shè)有導(dǎo)線接口，該板同時起收集電流的集流板作用，在電池組的兩側(cè)設(shè)有端板，其中與電池氫氣流場板相連的端板上設(shè)有氫氣進出口，氫氣進口與上述氫氣輸入管的另一端密閉相連，氫氣出口與大氣相通；負載通過導(dǎo)線與燃料電池組的集流板相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理教具，其特征在于所述空氣導(dǎo)流槽的槽深度為1～3mm，寬度為1～2.5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理教具，其特征在于所述負載為燈泡、風扇、音樂盒或電子玩具。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理教具，其特征在于所述燃料電池組由3～10組電池單元串聯(lián)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理教具，其特征在于所述空氣流場板的槽深度為1.5～2.5mm，寬度為1.5～2.0mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理教具，其特征在于所述雙極板材質(zhì)為石墨或金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理教具，其特征在于電解質(zhì)膜為Nafion膜或非全氟磺酸膜。
專利摘要本實用新型涉及燃料電池教學(xué)用具，具體說是一種質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理教具，包括化學(xué)氫氣發(fā)生器，氫氣緩沖罐，燃料電池組和負載組成；氫氣發(fā)生器的上蓋上設(shè)有進料管和氫氣輸出管；氫氣緩沖罐上設(shè)有進氣口與排氣口，進氣口與上述氫氣輸出管密閉相連，排氣口與一氫氣輸入管的一端相連；燃料電池組多組電池單元串聯(lián)于二塊端板間用螺栓緊固組成。本實用新型的優(yōu)點為直觀性強，結(jié)構(gòu)簡單、容易操作；把本實用新型用于中學(xué)和大學(xué)的化學(xué)實驗室，可以向?qū)W生演示金屬與酸或堿反應(yīng)生成氫氣的化學(xué)實驗；還可以為學(xué)生演示未來清潔能源利用的燃料電池工作原理，培養(yǎng)他們的環(huán)保和能源利用意識，集知識性和趣味性為一體。
文檔編號G09B23/00GK2757255SQ20042003201
公開日2006年2月8日 申請日期2004年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月9日
發(fā)明者徐洪峰, 陽貽華, 戚朋, 劉常富, 孫佰文, 劉超 申請人:大連新源動力股份有限公司