CN217034969U - 一种氢燃料电池发电科普演示系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种氢燃料电池发电科普演示系统，包括氢燃料发电模块以及与所述氢燃料发电模块连接的用电器；还包括与氢燃料发电模块连接用于控制通入氢燃料发电模块的氢气和氧气流量的氢气开关和氧气开关。具有上述结构的氢燃料电池发电科普演示系统，可以动态的模拟演示氢燃料电池发电的全过程，并能通过指示灯带模拟电流方向和大小，模拟氢燃料电池化学反应过程产生，同时受众通过显示屏界面动态了解参数的变化。因此，本发明的装置科普的技术价值更高，并充分体现科普展品的创新性、动态性、互动性，从而提高科普演示效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种科普演示系统，尤其涉及一种展示氢燃料电池发电的科普演示系统。
背景技术
对于日益缺乏的能源，开发更多新的清洁能源非常重要。氢燃料电池发电正是一种新型发电技术，采用化学能转为电能，氢气获取方式也非常多，可来源于任何能分解出氢气的碳氢化合物，例如天然气、醇、和甲烷等。燃料电池有别于原电池，优点在于透过稳定供应氧和燃料，即可持续不间断的提供稳定电力，直至燃料耗尽。因此，开展氢燃料电池发电科普教育具有重要的现实意义。科普展品是科普教育的载体，直接决定科普的效果，目前在电池发电科普领域缺乏氢燃料电池发电原理科普类展品，科普展示功能单一、静态展示。鉴于此，本发明设计一种氢燃料电池发电科普演示方法及系统，帮助社会大众、特别是广大青少年学习掌握氢燃料电池发电基本原理，培养青少年探索新能源的兴趣，树立全社会节约能源意识。
现有展品多为氢燃料电池发电应用场景，缺乏具体氢燃料电池发电原理科普。例如，现有燃料电池发电演示模型主要是氢氧燃料电池的演示模型，比较粗糙的将燃料电池模型组件、储能电池模型组件、燃料电池应用组件构成一个整体后进行演示(如燃料电池汽车)。因此，现有的技术只能展示燃料电池发电的应用场景，无法科普其是如何产生化学反应并发电的，科普价值不高；现有科普模型为静态模型，无法动态演示，展示效果不强；现有科普模型只能演示原理，受众无法操作，缺乏互动性。现有科普展品主要从电池的应用场景出发，帮助青少年了解应用情况，如燃料电池电动汽车，这类展品设计方案为采用静态模型、应用场景模型组件构成，系统为静态展示，展示功能单一，只能宏观展现发电的应用情况，无法了解发电具体原理。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种氢燃料电池发电科普演示系统，该演示系统从氢燃料电池发电原理出发，展示氢燃料电池发电从化学能到电能的全过程。
为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案为采用一种氢燃料电池发电科普演示系统，包括氢燃料发电模块以及与所述氢燃料发电模块连接的用电器；还包括与氢燃料发电模块连接用于控制通入氢燃料发电模块的氢气和氧气流量的氢气开关和氧气开关。
作为一种改进，所述氢燃料发电模块包括依次设置的阳极扩散层、电解质层、阴极扩散层；所述阳极扩散层与电解质层之间、所述电解质层与阴极扩散层均利用催化剂层进行隔离。
作为一种进一步的改进，还包括与阳极扩散层连接的氢气输送管道和与阴极扩散层连接的氧气输送管道，所述氢气开关与设置在氢气输送管道上的阀门连接，所述氧气开关与设置在氧气输送管道上的阀门连接。
作为另一种更进一步的改进，还包括与阳极扩散层连接的氢气废气回收罐以及与阴极扩散层连接的氧气废气回收罐。
作为一种改进，所述氢气开关与阳极扩散层之间、阳极扩撒层到氢气废气回收罐之间、氧气开关与阴极扩散层之间、阴极扩散层到氧气废气回收罐之间、阳极扩撒层到用电器之间、阴极扩散层到用电器之间均设置有指示灯带；所述指示灯带用于指示电流、气流的走向，并通过亮度指示电流强弱。
作为一种改进，所述阴极扩散层连接有收集废水的储水箱。
作为一种改进，所述用电器为灯泡，其正负极分别与阳极扩散层和阴极扩散层的极耳连接。
作为一种改进，还包括用于显示氢燃料电池模块参数的显示屏。
本实用新型的有益之处在于：具有上述结构的氢燃料电池发电科普演示系统，可以动态的模拟演示氢燃料电池发电的全过程，并能通过指示灯带模拟电流方向和大小，模拟氢燃料电池化学反应过程产生，同时受众通过显示屏界面动态了解参数的变化。因此，本发明的装置科普的技术价值更高，并充分体现科普展品的创新性、动态性、互动性，从而提高科普演示效果。
附图说明
图1为本实用新型的结构原理图。
图2为氢燃料发电模块的反应原理图。
图中标记：1氢燃料发电模块、2用电器、3控制面板、4氢气废气回收罐、5氧气废气回收罐、6储水箱、7指示灯带、11阳极扩散层、12电解质层、13阴极扩散层、14催化剂层、31氢气开关、32氧气开关。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
如图1所示，本实用新型包括氢燃料发电模块1以及与所述氢燃料发电模块1连接的用电器2；还包括与氢燃料发电模块1连接用于控制通入氢燃料发电模块的氢气和氧气流量的氢气开关31和氧气开关32，所述氢气开关31和氧气开关32设置在控制面板3上。
氢燃料发电模块1包括依次设置的阳极扩散层11、电解质层12、阴极扩散层3；所述阳极扩散层11与电解质层12之间、所述电解质层12与阴极扩散层13均利用催化剂层14进行隔离。氧燃料发电模块1的反应原理如图2所示，通过氢气和氧气(空气)在催化剂作用下发生的电化学反应，直接将化学能转化成电能。氢气通入燃料电池的阳极板，空气通入燃料电池的阴极板，当氢气遇到电解质层时，在电解质膜中的催化剂作用下，氢分子外围电子剥离，形成氢离子，它将穿过电解质膜到达阴极板。但被剥离的电子则无法通过电解质层，因此电子在阳极板不断汇聚，形成电流，经过外电路到达阴极板，与氢离子和氧气结合形成水。氢燃料电池内部化学反应为：
2H2+O2＝2H2O
在整个发电过程中，氧燃料发电模块1发电实际上是电解水的逆过程，其系统的主要产物为水，整个反应过程不涉及燃烧反应，所以系统的能量转化效率高，不会产生其他污染物，生成的水还能用于循环制氢，绿色环保。
具体地，本实施例中，所述用电器2为灯泡，其正负极分别与阳极扩散层11和阴极扩散层13的极耳连接。当然也不排除其他可以展示用电效果的用电器。
为了氢气和氧气的输送，还包括与阳极扩散层11连接的氢气输送管道和与阴极扩散层13连接的氧气输送管道，所述氢气开关31与设置在氢气输送管道上的阀门连接，所述氧气开关32与设置在氧气输送管道上的阀门连接。
为了收集反应产生的废气，还包括与阳极扩散层11连接的氢气废气回收罐4以及与阴极扩散层13连接的氧气废气回收罐5。为了收集反应产生的废水，所述阴极扩散层13连接有储水箱6。气体回收罐上可以设置显示代表的气体图标；储水箱6上可以使用灯带进行水位的标识，可动态显示产生水的情况。当电池反应过程中，灯带会随着水位的升高从下往上亮起，受众可通过水位高低看到燃料电池内部化学反应的大致进程(通过水位传感器和灯带的组合来实现)。
为了展示气体和电流的产生以及流动方向，氢气开关31与阳极扩散层11之间、阳极扩撒层11到氢气废气回收罐4之间、氧气开关32与阴极扩散层13之间、阴极扩散层13到氧气废气回收罐5之间、阳极扩撒层11到用电器2之间、阴极扩散层13到用电器2之间均设置有指示灯带7；所述指示灯带7用于指示电流、气流的走向，并通过亮度指示电流强弱。
为了更好的展示氢燃料电池模块1的工作情况，还包括用于显示氢燃料电池模块参数的显示屏，通过显示屏可以进行电压、电流、功率参数显示，以及电压曲线、电流曲线、功率曲线的显示等等。本实施例中，显示屏型号选用ATK-7TFTLCD V2。
本实施例还包括控制系统，具体包括STM32最小系统、LED驱动电路。STM32选择STM32F407ZGT6单片机；指示灯带选用LED5050，采用STM32的I/O口结合MOSFTET进行驱动，LED亮度通过调节I/O口产生的PWM波占空比实现，流动速度以及方向通过调节循环逻辑位移的间隔时间以及方向实现；控制面板使用两个开关按钮以及两个LED灯带接口。另外，显示屏也与控制系统连接用于获取氢燃料发电模块的各种参数。
使用的时候，本实用新型通过同时向氢燃料发电模块1两极输入氢气和氧气进行反应，产生电流。按下氢气开关31和氧气开关32，进行燃料电池化学反应，通过氢气流量的变化控制指示灯带7的亮度，并模拟产生对应的电压、电流、功率参数，基于显示屏以数值表格和曲线方式动态呈现。采用指示灯带7展示燃料电池内部离子移动方向，指示灯带7指示产生电流方向以及废气废水的生成，从而动态展示化学能转换为电能的发电过程。
本实用新型主要针对的氢燃料电池发电的科普领域，设计一种氢燃料电池发电科普演示装置，该装置不仅仅是结构的设计连接，而且具有氢燃料电池发电技术实现原理和演示方法，并通过动态模拟清晰呈现，从而帮助广大青少年快速了解燃料电池发电技术，培养学习兴趣。目前市场上还没有这类科普装置，现存的装置通常为静态装置，只能向观众展示氢燃料电池发电原理，也无法上手操作，不能达到很好的科普效果。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种氢燃料电池发电科普演示系统，其特征在于：包括氢燃料发电模块以及与所述氢燃料发电模块连接的用电器；还包括与氢燃料发电模块连接用于控制通入氢燃料发电模块的氢气和氧气流量的氢气开关和氧气开关。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池发电科普演示系统，其特征在于：所述氢燃料发电模块包括依次设置的阳极扩散层、电解质层、阴极扩散层；所述阳极扩散层与电解质层之间、所述电解质层与阴极扩散层均利用催化剂层进行隔离。
3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池发电科普演示系统，其特征在于：还包括与阳极扩散层连接的氢气输送管道和与阴极扩散层连接的氧气输送管道，所述氢气开关与设置在氢气输送管道上的阀门连接，所述氧气开关与设置在氧气输送管道上的阀门连接。
4.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池发电科普演示系统，其特征在于：还包括与阳极扩散层连接的氢气废气回收罐以及与阴极扩散层连接的氧气废气回收罐。
5.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池发电科普演示系统，其特征在于：所述氢气开关与阳极扩散层之间、阳极扩撒层到氢气废气回收罐之间、氧气开关与阴极扩散层之间、阴极扩散层到氧气废气回收罐之间、阳极扩撒层到用电器之间、阴极扩散层到用电器之间均设置有指示灯带；所述指示灯带用于指示电流、气流的走向，并通过亮度指示电流强弱。
6.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池发电科普演示系统，其特征在于：所述阴极扩散层连接有收集废水的储水箱。
7.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池发电科普演示系统，其特征在于：所述用电器为灯泡，其正负极分别与阳极扩散层和阴极扩散层的极耳连接。
8.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池发电科普演示系统，其特征在于：还包括用于显示氢燃料电池模块参数的显示屏。
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