质子交换膜燃料电池工作原理教具制造技术

本实用新型专利技术涉及燃料电池教学用具，具体说是一种质子交换膜燃料电池工作原理教具，包括化学氢气发生器，氢气缓冲罐，燃料电池组和负载组成；氢气发生器的上盖上设有进料管和氢气输出管；氢气缓冲罐上设有进气口与排气口，进气口与上述氢气输出管密闭相连，排气口与一氢气输入管的一端相连；燃料电池组多组电池单元串联于二块端板间用螺栓紧固组成。本实用新型专利技术的优点为直观性强，结构简单、容易操作；把本实用新型专利技术用于中学和大学的化学实验室，可以向学生演示金属与酸或碱反应生成氢气的化学实验；还可以为学生演示未来清洁能源利用的燃料电池工作原理，培养他们的环保和能源利用意识，集知识性和趣味性为一体。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及燃料电池(教学用具)，具体说是一种质子交换膜燃料电池工作原理教具。
技术介绍
质子膜型燃料电池(PEMFC)以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/碳或铂-钌/碳为电催化剂，氢或净重整气为燃料，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。PEMFC中的电极反应类同于其它电解质燃料电池，阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应----------(1)该电极反应产生的电子经外电路支达阴极，氢离子则经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-----(2)生成的水不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出。由于PEMFC可以同时获得高的功率密度和能量密度，低温起动，没有环境污染，因此在分散电源、交通运输和便携电源等方面均可以代替传统的柴油、汽油发电机，柴油、汽油发动机和蓄电池，高效和环境无公害地工作。因此，包括美国、日本、加拿大和欧盟等发达国家与组织，和中国、印度等发展中国家都投入巨大资金研发示范这种技术，目前，PEMFC已经进入商业化前夜，再有5～10年将进入大规模实际应用，但是，尽管这几年国内媒体对燃料电池有了一些报道，广大群众，特别是中小学生——未来燃料电池真正的使用者，对燃料电池知道的甚少，因此有必要在中学和大学的化学实验课中开设与燃料电池有关的实验，使未来的燃料电池使用和研究者在受教育阶段就对燃料电池有一个初步的感性的认识。但目前，这种用于教学用的燃料电池工作原理教具，尚未见报道。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种直观性强的质子交换膜燃料电池工作原理教具。为实现上述目的，本技术采用的技术方案为一种质子交换膜燃料电池工作原理教具，包括化学氢气发生器其上盖上设有进料管和氢气输出管；氢气缓冲罐其上设有进气口与排气口，进气口与上述化学氢气发生器的氢气输出管密闭相连，排气口与燃料电池组的氢气输入管的一端相连； 燃料电池组该燃料电池组由多组电池单元串联于二块端板间用螺栓紧固组成，每组电池单元又包括一质子交换膜电极组件和一双极板；质子交换膜电极组件由两张多孔气体扩散电极和电解质膜构成；多孔气体扩散电极由扩散层和催化层组成；双极板由导电板和流场组成；双极板设置在膜电极两侧，双极板的一面作为一个膜电极的氢气流场板，另一面作为另一个膜电极的空气流场板，所述氢气流场板上设有一对进出氢气的流体孔，该流体孔之间设有外围封闭的、平行的氢气导流槽，所述空气流场板上设有与环境空气相通的、平行的空气导流槽，该空气导流槽与另一面的氢气导流槽呈90℃交叉排列；在电池组的两侧设有集流板和端板，其中与电池氢气流场板相连的端板上设有氢气进出口，氢气进口与上述氢气输入管的另一端密闭相连；负载通过导线与燃料电池组的集流板相连。其中燃料电池根据负载功率的大小，燃料电池组可以由3～10组电池单元串联组成。电解质膜可以是杜邦公司的Nafion膜，也可以是其它非全氟磺酸膜；双极板由导电板和流场组成，可以是碳板或金属板；为了保证有足够的空气自然对流进入电池各节的阴极，为电极反应提供氧气，双极板的氧气流场的沟深度要在1～3mm，最好在1.5～2.5mm，宽度为1～2.5mm，最好为1.5～2.0mm。负载可以是灯泡、发光管、风扇或音乐盒、电子玩具等，功率在0.1～10W。本技术具有如下优点1.直观性强。本技术旨在为中学生或大学生提供一种直观的燃料电池演示性实验装置；其中氢气来自氢气发生装置，氢气发生部分可以是金属与水或酸、碱生成氢气，也可以是电解纯水产生氢气，使学生可以了解金属与水或酸、碱生成氢气的原理和过程或电解水制氢的原理与过程(使学生了解和掌握了一种制氢技术)，演示采用化学制氢技术为质子交换膜燃料电池提供氢气的方法；氧气来自空气自然对流，演示采用空气自然对流呼吸为质子交换膜燃料电池提供氧气的方法；而使学生可以直观地理解燃料电池工作原理。2.结构简单、容易操作。本技术由氢气发生装置、燃料电池组和负载三部分组成，采用化学制氢技术为质子交换膜燃料电池提供燃料氢气，以及自然呼吸从环境中获取氧化剂氧气，推动质子交换膜燃料电池组工作，带动灯泡、风扇、音乐盒、或电子玩具等负载，实验装置结构简单，容易操作，使学生(中学生和大学生)不但可以了解化学制氢的原理与过程(提供金属与水或酸、碱反应生成氢气和金属盐的演示实验装置)，同时直观的演示燃料电池的工作原理。3.集知识性与趣味性为一体。把本技术用于中学和大学的化学实验室，可以向学生演示金属于酸或碱反应生成氢气的化学实验；还可以为学生演示未来清洁能源利用的燃料电池工作原理，培养他们的环保和能源利用意识，集知识性和趣味性为一体。附图说明图1为本技术实施例1燃料电池教具的部件组装示意图；图2为本技术实施例2燃料电池教具的部件组装示意图；图3为本技术实施例2燃料电池教具的部件组装示意图；图4为双极板的氢气侧的侧视图；图5为双极板的氢气侧的俯视图；图6为双极板的空气侧的侧视图；图7为双极板的空气侧的俯视图。具体实施方式实施例1如图1、5、6、7所示，一种质子交换膜燃料电池工作原理教具，是利用金属锌(铝等金属)颗粒与稀酸(硫酸、盐酸等)反应生成氢气供给燃料电池组，并从环境中靠自然对流呼吸氧气，使质子交换膜燃料电池组工作，带动一个负载发光管的实例；以锌与硫酸反应为例，发生如下反应-----(3)生成的氢气经过一个气、水分离罐(缓冲罐)进入燃料电池组，环境空气中的氧气通过自然对流方式进入电池组，当接通负载以后，氢气和氧气分别在阳极和阴极发生式(1)和(2)反应，输出直流电能，带动负载工作。如图1所示，该教具由氢气发生器1、氢气缓冲罐2、燃料电池组3和负载4(灯泡)组成；氢气发生器1的上盖上设有进料管11和氢气输出管12；氢气缓冲罐2上设有进气口与排气口，进气口与上述氢气输出管12密闭相连，排气口与一氢气输入管21的一端相连；燃料电池组3由3组电池单元串联于二块端板间用螺栓紧固组成；燃料电池组3的3个导电板中的外侧2个同时起收集电流的集流板作用；每组电池单元又包括一质子交换膜电极组件和一双极板相靠接；质子交换膜电极组件由两张多孔气体扩散电极和电解质膜相贴接构成；多孔气体扩散电极由扩散层和催化层组成；如图4-7所示，双极板由导电板和流场组成；双极板设置在膜电极组件两侧，双极板的一面作为一个膜电极组件的氢气流场板31，另一面作为另一个膜电极组件的空气流场板34，如图4-5所示，所述氢气流场板上设有一对进出氢气的流体孔32，该流体孔32之间设有外围封闭的、平行的氢气导流槽33，如图6-7所示，所述空气流场板上设有与环境空气相通的、平行的空气导流槽35，该空气导流槽35与另一面的氢气导流槽33呈90℃交叉排列；在电池组的两侧设有端板，其中与电池氢气流场板相连的端板上设有氢气进出口，氢气进口与上述氢气输入管21的另一端密闭相连；负载4(灯泡)通过导线与燃料电池组3的两个集流双极板相联。实施例2如图2所示，与实施例1不同之处在于负载4为一个音乐盒，燃料电池组由5组电池单元串联组成。实施例3如图3所示，与实施例1不同之处在于利用金属铝粒氢氧化钠水溶液反应生成氢气供给燃料电池组，负载4为一个风扇，燃料电池组由5组电池单元串联组成。权利要求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池工作原理教具，其特征在于，包括：　　　　化学氢气发生器：其上盖上设有进料管和氢气输出管；　　　　氢气缓冲罐：其上设有进气口与排气口，进气口与上述化学氢气发生器的氢气输出管密闭相连，排气口与燃料电池组的氢气输入管的一端相连；　　　　燃料电池组：该燃料电池组由多组电池单元串联于二块端板间用螺栓紧固组成，每组电池单元又包括一质子交换膜电极组件和一双极板相靠接；　　　　质子交换膜电极组件由两张多孔气体扩散电极和电解质膜相贴接构成；多孔气体扩散电极由扩散层和催化层组成；　　　　双极板由导电板和流场组成；双极板设置在膜电极组件两侧，双极板的一面作为一个膜电极组件的氢气流场板，另一面作为另一个膜电极组件的空气流场板，所述氢气流场板上设有一对进出氢气的流体孔，该流体孔之间设有外围封闭的、平行的氢气导流槽，所述空气流场板上设有与环境空气相通的、平行的空气导流槽，该空气导流槽与另一面的氢气导流槽呈９０℃交叉排列；电池组最外侧的两片双极板上设有导线接口，该板同时起收集电流的集流板作用，在电池组的两侧设有端板，其中与电池氢气流场板相连的端板上设有氢气进出口，氢气进口与上述氢气输入管的另一端密闭相连，氢气出口与大气相通；　　　　负载：通过导线与燃料电池组的集流板相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐洪峰，阳贻华，戚朋，刘常富，孙佰文，刘超，
申请(专利权)人：大连新源动力股份有限公司，
类型：实用新型
国别省市：91[中国|大连]