CN202632592U - 质子交换膜氢氧燃料电池试验教具 - Google Patents

Abstract

一种能提高电解水制氢效率及氢氧电化学反应电产生效率的质子交换膜氢氧燃料电池试验教具。电解水制取氢气装置通过稳压直流电源器提供电源，阴极、阳极之间采用布膜隔开；质子交换膜氢氧燃料电池组为氢气、氧气导流槽能最大面积贴近重合的三个单体燃料电池串联而成；采用万用表测量电池电压输出端子间或导流板间电压，显示电池是否产生电能及其大小。该试验教具可供大、中专院校相关专业的教师和学生研究、学习质子膜氢氧燃料电池结构原理使用，也可供中学教师和学生研究、学习电解水化学反应原理及质子膜氢氧燃料电池结构原理时使用。

Description

质子交换膜氢氧燃料电池试验教具

技术领域

本实用新型涉及一种质子交换膜氢氧燃料电池试验教具，特别涉及其中一种电解水制取氢气、氧气装置和一种质子交换膜氢氧燃料电池结构。 

背景技术

目前质子交换膜氢氧燃料电池试验教具电解水制取氢气和氧气装置通常是用注满电解液的U型管两端分别插阴极和阳极结构，此结构有下列缺陷：一是溶液中的氢气和氧气有可能混合，造成氢气和氧气不纯或易有爆炸危险；二是阴极和阳极离开较远，引起电解电阻增大，氢气和氧气制取效率低。 

质子交换膜氢氧燃料电池应用现在尚未普及，因而目前国内只有少数厂家生产质子交换膜氢氧燃料电池，所生产的产品是某一类工业所用，结构比较复杂，性能较好，但价格很高，不适宜作教具使用；现有质子交换膜氢氧燃料电池试验教具上的质子交换膜氢氧燃料电池气体导流板上的导流槽结构不够合理，不能最大限度地保证氢气导流槽和氧气导流槽有最大的贴合面积，从而影响氢氧电化学反应时电的产生效率。 

发明内容

为了克服现有质子交换膜氢氧燃料电池试验教具电解水制取氢气、氧气装置和质子交换膜氢氧燃料电池结构不足，本实用新型提供一种质子交换膜氢氧燃料电池试验教具，该试验教具电解水制取氢气、氧气装置能使氢气和氧气有效分离，电解电阻减小，氢气和氧气制取效率提高；同时，该教具质子交换膜氢氧燃料电池结构简单，氢氧电化学反应时电产生效率提高，制造容易，成本较低。 

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：1、质子交换膜氢氧燃料电池试验教具，由电解水制取氢气氧气装置、质子交换膜氢氧燃料电池组和电池测量装置三部分组成。2、电解水制取氢气和氧气装置以圆柱形容器烧杯为基础，包含氢气和氧气两个气体发生腔，在每个腔的盖板上装有圆柱形电极、出气孔接头、平衡孔接头，两腔之间用以框形隔板为骨架的布膜隔开，电解液里的离子能够通过布膜，而氢气和氧气由于两者压力差较小，不能通过布膜。这样阴极和阳极可以靠得较近，电解电阻减少，氢气和氧气制取效率提高，同时产生的氢气和氧气靠布膜能够分开，所有零件之间都靠粘结剂固定并密封，平衡孔接头上装有塞子，所以氢气和氧气只能从各自的出气口出来，通过连接软管到达燃料电池里。3、质子交换膜氢氧燃料电池采用三个单体电池串联而成，靠四对螺栓螺母连接，气体导流板之间靠框形橡胶密封垫片绝缘电和密封气体，其上的气体导流槽除靠近进气孔或出气孔的一小段是斜向布置外，其余各段都沿导流板的纵向和横向交替均衡连续布置，并对称于导流板横向中心面，各纵向槽与导流板纵向中心面距离相等，当氢气导流槽和氧气导流槽隔着膜电极相互贴合时，除一小段斜向布置的导流槽不重合外，其余导流槽都能重合。这样就能保证三个氢气导流槽和氧气导流槽最大限度贴合。 

本实用新型的有益效果是：电解水制取氢气和氧气量多，电解效率高，氢气和氧气能有效隔离；质子交换膜氢氧燃料电池气体密封性好，氢氧电化学反应时电产生效率高，结构简单；整个装置成本低，制造容易。 

附图说明

图1是本实用新型的总体结构图。图中1.直流稳压电源器，2.电线，3.燃料电池安放支撑块，4.橡胶软管，5.质子交换膜氢氧燃料电池，6.万用表测笔，7.万用表，8.氢气和氧气制取装置，9.电源开关。 

图2为电解水制取氢气和氧气装置图。图中10.烧杯，11.石墨电极(阴极)，12.硫酸钠溶液，13.粘结剂，14.氢气出口管接头，15.电极接线固定螺钉，16.氧气出气管接头，17.平衡孔堵塞，18.平衡孔管接头，19.密封盖板，20.框形隔板，21.气体分隔布膜，22.石墨电极(阳极)。 

图3为质子交换膜氢氧燃料电池外形图。 

图4为图3在A-A截面上的剖视图。图中23.左压板，24.膜电极，25.单气体导流板，26.固定螺栓螺母，27.密封垫片，28.框形橡胶密封垫片，29.右压板，30.绝缘隔圈，31.双气体导流板。 

图5为图3在B-B截面上的剖视图。图中32.氧气进口管接头，33.氢气出口管接头，34.电池电压输出端子，35.氧气出口管接头，36.氢气进口管接头。 

图6为双气体导流板(31)沿氢气导流面方向上的视图，表明了氢气导流槽结构。 

图7为图6在C-C截面上的剖视图。 

图8为图7在D方向上的视图，表明了氧气导流槽结构。 

具体实施方式

在图1中，整个质子交换膜氢氧燃料电池试验教具主要由电解水制取氢气和氧气装置、质子交换膜氢氧燃料电池(5)、万用表(7)三大部分组成，输入为220V交流电的直流稳压电源器(1)通过电线(2)与氢气和氧气制取装置(8)的电极相连，提供12V直流电压，在与阳极相连的电线上安装有电源开关(9)。氢气和氧气制取装置产生的氢气和氧气通过橡胶软管(4)传导给燃料电池(5)，电池产生的电量通过数字式万用表(7)测量来验证，方法是通过将数字式万用表测笔(6)抵在相应电池电压输出端子或电池两侧导流板上来测量，可测量单体、多体或整体燃料电池输出电压，也可在电压输出端子上串联负载、电流表，在负载上并联电压表来实现。由于电解水制取氢气和氧气量时，氢气和氧气生成速度不是很大，气体压力也不大；又因为氢气密度比空气小很多，氧气密度略大于空气，整个燃料电池布置在氢气和氧气制取装置的后上方，所以其要用放在支撑块3上。 

在图2中，烧杯(10)被密封盖板(19)、框形隔板(20)、气体分隔布膜(21)围成两个型腔，即氢气发生腔和氧气发生腔。在每个腔上方的盖板(19)上都开有三个孔，一个装石墨电极(11)或(22)，一个装氢气或氧气出口管接头(14)或(16)，一个装平衡孔管接头(18)。电解前，两型腔分别被加入等高度的Na₂SO₄溶液(12)，高度以离开密封盖板上的出气管接头(14)、(16)下方5mm、并淹没整个布膜一段距离为最佳。阴、阳两石墨电极棒 (11)、(22)分别与直流稳压电源的负、正极用电线连接。当阴、阳极间通以12V直流电压后，电解质溶液中的水便开始电解，在阴极石墨棒附近产生氢气，阳极石墨棒附近产生氧气，两气体由于密度比电解质溶液小，便开始上升，与溶液分离。由于布膜两侧氢气和氧气两者压力差较小，所以用布膜就可将它们分隔开来。布膜能够阻碍氢气和氧气穿越，但不会阻碍离子通过，不但不影响水的电解，反而由于两电极因为距离近，电离电阻大大减小，有利于加快电解速率。集聚在溶液上方的氢气和氧气被气体分隔板或布膜可靠的隔开，并分别从各自的出口管接头流出，通过橡胶软管向燃料电池提供氢气和氧气。布膜可采用空隙大小40S*30S、密度为138*86、133*95和140*90的旧丝光棉衬衫布料剪切而成。本实用新型氢气和氧气制取装置的所有零件之间的连接都用粘结剂(13)粘结而成，这样结构得到简化，同时保证了容器对气体和液体的密封。胶粘剂(13)可采用KD-504A-II高级万能胶粘剂。 

在图3、图4和图5中，质子交换膜燃料电池由三个单体燃料电池串联而成，最外侧采用两块非导电的压板(23)、(29)通过螺栓螺母(26)将三个单体燃料电池固定在一起，螺栓与气体导流板安装孔间有绝缘隔圈(30)。与压板靠近的为单气体导流板(25)，即氢气或氧气导流板，其他都是双气体导流板(31)，即一面作氢气导流板用，另一面作氧气导流板用。每个单体电池有两块导流板和一个膜电极(23)组成。每个膜电极由两层电极扩散材料和一层质子交换膜组成，质子交换膜处于中间位置。组装燃料电池前，膜电极须按一定的工艺程序制作好。在两压板上分别装有氢气进气管接头(36)、出气管接头(33)，氧气进气管接头(32)、出气管接头(35)。电池组电压通过电池输出端子(34)输出。 

在图6、图7和图8中，图6的双气体导流板(31)上的氢气导流槽和图8的氧气导流槽都采用沿导流板纵向和横向交替连续布置的均衡结构，槽的两端分别与垂直于板面的进、出气孔相连。图6中氢气导流槽下方开始端为进气孔，上方为出气孔，两孔对称布置于导流板横向中心面两侧；图8中氧气导流槽上方开始端为进气孔，下方为出气孔，两孔对称布置于导流板横向中心面两侧；氢气进气孔、出气孔和氧气出气孔、进气孔分别对称布置于导流板纵向中心面两侧。双气体导流板四个进或出气孔都为通孔。氢气及氧气导流槽，除上下各有一小段是斜向布置外，其余各段都沿导流板的纵向和横向交替均衡布置，并对称于导流板横向中心面，各纵向槽与导流板纵向中心面距离相等。当一个导流板开有氢气导流槽的一面和另一个导流板开有氧气导流槽的一面隔着膜电极相互贴合时，两气体导流槽除上下各有一小段斜向布置的导流槽不重合外，其余导流槽都能重合，这样就能保证氢气和氧气相互有最大电化学反应面积。 

图4中的氢气或氧气单气体导流板(25)结构与图6或图8的所表示的双气体导流板(31)结构相比，除了分别少一个进、出气孔外，对应气体导流槽结构完全相同。 

使用时，将组装好的燃料电池放在燃料电池安放支撑块上，用一根橡胶软管连接氢气和氧气发生装置氢气出气管接头和燃料电池的氢气进气管接头，再用另外一根橡胶软管连接氢气和氧气发生装置氧气出气管接头和燃料电池的氧气进气管接头。燃料电池氢气出口和氧气出口分别与外面的大气相通。电解水产生氢气和氧气并进入到燃料电池里后，用万用表就可以测量到燃料电池对外输出电压值，从而证明燃料电池是否产生电能及电能大小。 

Claims (3)

1.一种质子交换膜氢氧燃料电池试验教具，由电解水制取氢气氧气装置、质子交换膜氢氧燃料电池组和电池测量装置三部分组成，其特征是：电解水制取氢气氧气装置的阴极和阳极采用布膜隔开，质子交换膜氢氧燃料电池组为三个氢气导流槽和氧气导流槽能最大限度贴合的单体燃料电池串联而成。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜氢氧燃料电池试验教具，其特征是：以圆柱形容器烧杯为基础的氢气和氧气制取装置包含氢气和氧气两个气体发生腔，在每个腔的盖板上装有圆柱形电极、出气孔管接头、平衡孔管接头，两腔之间用以框形隔板为骨架的布膜隔开，所有零件之间都靠粘结剂固定并密封。

3.根据权利要求1所述的质子交换膜氢氧燃料电池试验教具，其特征是：质子交换膜氢氧燃料电池采用三个单体电池串联而成，靠四对螺栓螺母连接，气体导流板之间靠框形橡胶密封垫片绝缘和密封气体，其上的导流槽除两端各有一小段是斜向布置外，其余各段都沿导流板的纵向和横向交替均衡连续布置，并对称于导流板横向中心面，各纵向槽与导流板纵向中心面距离相等，当一个气体导流板开有氢气导流槽的一面和另一个气体导流板开有氧气导流槽的一面隔着膜电极相互贴合时，两气体导流槽除两端各有一小段斜向布置的导流槽不重合外，其余导流槽都能重合。 

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