一种新型氢氧燃料电池结构设计方案
陈锦华
(江苏信息职业技术学院，江苏无锡214153)
摘要：为了设计无铂金催化剂氢氧燃料电池，通过对简易氢氧燃料电池做各种试验，分析了其反应机理。简易氢氧燃料
电池无铂金催化剂但有工作能力。不是由于两个电极本身或溶液带电荷，也非两电极端附近溶液有酸碱性．而是两电
极小孔间隙里面有剩余O。、H。气体分子以及充满着的电解质溶液．除此之外的O。、H：气体分子不参加反应。由此提出
一种用高压的O。、H。气体通过内含小孔间隙的电极，再泄漏于电解质溶液产生电压的新型氢氧燃料电池结构设计方
案。
关键词：简易氢氧燃料电池；新型氢氧燃料电池；石墨电极
中图分类号：TM911文献标识码：A文章编号：1002—087X(2011)10-1243-03
Structuredesignforanewtypehydrogen—oxygenfuelcell
CHENJin．hua
(J『angsuCollegeot"lnformarionTechnology,WuxiJiangsu214153，China)
Abstract：Inordertodesignhydrogen-oxygenfuelcell(HOFC)withnoplatinum，varioustestswerepefformedto
thesimpleandeasyHOFC(SEHOFC)，andthereactionprinciplewasanalyzed．SEHOFCwasabletowork，not
becauseofthetwoelectrodesorsolution，ortheacidicandalkalinesolutionnearthetwoelectrodes，butbecauseof
theresiduaImoleculesofhydrogenandoxygenintheIntervalsoftwoelectrodesfilledwithelectrolytesolution。and
theothermoleculesofhydrogenandoxygendidnotjointhereaction．Theplanofstructuredesignforanewtypeof
HOFCwasputforwardthatvoltagewasproducedwhilehighpressurehydrogenandoxygenleakedoutofthe
intervalsfillingelectrolytesolutioninsideelectrodes．
Keywords：asimpleandeasyhydrogen-oxygenfuelcell；anewtypehydrogen-oxygenfuelcell；graphiteelectrode
为适应环境保护的要求，汽车动力正越来越向新能源方
向发展，而燃料电池电动汽车又是各方看好的、极具前途的新
能源汽车。质子膜氢氧燃料电池汽车，由于其体积小、质量轻，
是目前研究的重点。但由于其要用列铂金作催化剂[tl，而以现
在汽车生产量计算，现在全球铂金存有量只够汽车生产5年，
所以铂金催化剂存量严重制约着燃料电池汽车的发展。另外，
质子膜价格昂贵，也对燃料电池汽车发展不利。为解决这一问
题．本文从简易氢氧燃料电池反应条件研究人手，提出一种无
需催化剂和质子膜、采用无害的硫酸盐溶液作为电解质溶液
的新型氢氧燃料电池结构设计方案。
1简易氢氧燃料电池基本原理
在烧杯巾装有电解质溶液(图1)，两个多孔碳棒电极插入
溶液中，并分别与直流电源及发光二极管连接。将开关S2打
开，而Sl闭合，这时溶液中的水电解，分别生成H：和0：；隔
一会儿，将开关S2打开。而sl闭合，这时就成为简易燃料电
池装置，对发光二极管供电，可看到二极管发亮。
如果图1中电解质溶液为没有任何危害的Na2SO,水溶
液，则：
收稿日期：2011-03-17
作者简介：陈锦华(1％卜)．男．江苏省人，硕士。副教授，高级工
程师．主要研究方向为新能源汽车教学与研究。
图1简易氢氧燃料电池结构示意图翻
电解化学反应式：
阳极：H20_Ht+OH一；40H一一4e=02t+2H20
阴极：H20=H++OH一；4H++4e=2H2t
总的化学反应：2H20=2H2t+0zt
简易氢氧燃料电池化学反应式：
正极：02+4e+2H20；40H一
负极：2H2—4e=4H+
溶液中反应：H++0H一=H20
总的化学反应：2H2+Oz=2Hp
2简易氢氧燃料电池制作
由于条件所限，用4个长度为55mm的2B铅笔芯(直径
毋2mm)作为两组石墨电极。一组石墨电极在火中加热10s【31，
表面没有变红时．投入水中淬火，称为第l号组电极；另一组
12432011．10VOI．35NO．10万方数据
电极在火中加热至整体变红色，再投入水中淬火，称为第2号
组电极。4个电极水中淬火后，各插在1个橡皮塞上(图2)。用
一般自来水加无水Na2SO。分析纯配制成浓度约lmol／L的
Na：SO。水溶液，装满孔径为咖15mm的“U”型管；将第1号
组电极的2个橡皮塞分别插入“u”型管两端，电极伸进溶液
中25lnnl。用废弃复读机变压器作为电解水的电源，电源开口
直流电压经测量为11v。将2个石墨电极分别接在直流电源
正、负极上通电一定时间后，卸下电源．剩F的“U”型管、溶
液、电极等装置即成为简易氢氧燃料电池。
3简易氢氧燃料电池试验
将图2自制简易氢氧燃料电池每次通电2min来电解
水，这时可看到，两个电极不断有气体向上逸出，橡皮塞下液
面在下降，“U”型管两端分别生成H：和O：。拆除直流电源；
再经2min30S后，将燃料电池对一作为负载的石英钟供电，
测鼍石英钟秒针行走的秒数。通过石英钟秒针行走的秒数来
衡量燃料电池的供电能力。
石■曩囊
琉囊锖嘉裹
图2自制简易氢氧燃料电池结构
3．1燃料电池的放电能力测定
燃料电池的放电能力测定值如表l所示。表l表明自制
表1简易氢氧燃料电池放电能力测定值
给lJ焚钟11链钟指ttIU解时刻(分；秒)
通电u,t纠Jt分：秒)行走蛀K时fuJ／s
07：12—旬9：12ll：425l
14：33～14：3319：0363
26：02～28：0230：3257
简易氢氧燃料电池放电能力是使石英钟行走约60s。
3．2燃料电池放电能力增大试验
简易氧氧燃料电池放电能力增大试验结果如表2所示。表
2表明，将阳、阴极调换后电解，提高了燃料电池的最终放电能
力。其原闪是原来阳、阴极附近的OH一和H+的浓度分别得到提
高，所以产生的O：、H：量增加，从而电池放电能力也增大。
给fi英钟“诞计呻日针
电解时刻(分：秒)通IU时刻行走最长备注
(分：秒)时fHJ／s
55：55—57：5500：2565
03：05—05：0507：350I乜解时阳、阴极调换
19：50～2l：5024：201
27：10一29：103l：4057
35：19～37：1939：49123
44：ll~46：ll48：4IJ82
3．3溶液上方02、H。气体是否参加反应验证
验证简易氢氧燃料电池溶液上方02、H：气体是否参加反
应的试验结果如表3所示。南表3可看出，将溶液上方0：、H：
气体放掉后，燃料电池放电能力下降不多，证明溶液上方O，、
H：气体并没有参加燃料电池的工作(放电能力之所以会有一
点下降，是因为拿出电极放气时，电极里的O：、H：气体也泄露
一些)，这从燃料电池工作时溶液表面不上升也可看出。
表3验证简易氢氧燃料电池溶液上方02、H2气体是否参加反应的试验结果
电解II,f刻(分：秒)给7i英钟通IUl|『刎(分：秒)fi共钟指tf仃止最长时I''11Jb备沣
12：08一14：0816：3748
36：08～38：0840：380I乜极巾02、H2过少
47：00～49：OO5l：3065
57：15～59：15Ol：4556接通“美钟|i{『，将溶液}：方02、H2放掉
25：46—27：4630：1658
3．4燃料电池放电溶液影响验证试验
将简易氢氧燃料电池装置通电电解后，从溶液中拿出两
个电极，放入事先没有电解过的另一“U”型管的溶液中，验
证电解后阳、阴极附近溶液中产生的H+、OH一是否是燃料电
池O：、H2气体能够反应的必要条件。试验结果如表4所示。表
4表明。即使换了溶液，简易燃料电池仍然可以工作，工作能
力不减低，说明电解后阳、阴极附近溶液中产生的H+、OH一对
燃料电池正、负极02、H：气体能否参加反应并产生电流没有
2、3长，是因为此次试验单独配制的溶液浓度高，已达到饱和
程度，由此可见，氢氧燃料电池电解质溶液浓度对其工作能力
有很大影响。
3．5溶液带电和电容充电影响试验
自制氢氧燃料电池电解2min后，再经2min30s后．用
其给石英钟供电。石英钟能行走64s。然后，将两个电极卸下，
用万用表测得“U”型管两端溶液间电压为0．115v。拆下电
极．12min46S后再装上，测量电极电Faq；此后再拆下电极，用
太大影响。表4中燃料电池使石英钟走过的秒数明显比表l、导线连接两端溶液使其短路；然后再将两电极装上试管并测
电解时刻f分：秒)给石英钟通I也ft,j"glJ(分：秒)“典钟指针iJ止最L：．1J,tfuJ／s器沣
24：38—26：3829；080fI英钟坏
03：45～05：4508：1558l换fi英钟测
电解后。将两电极争m，放任另‘装相同溶23：20～25：2028：lO616
液的“u”掣试l々两端，接通4i英钟。
2011．10V01．35No．101244万方数据
电檄问电压：如此，再重复一次。电压测量值如表5所示。
因为要使石英钟行走，电源电压须达到15V左右。表5
电解质电离留下的结果)。表5还表明．简易燃料电池对外供
电。不是因为电极上有正负电荷(即电容)引起，否则，两电极
表明，石英钟行走不是因为两端溶液有电压(o．i15v电压是用导线连接50s后，就不会存有电压，
l潮量时刻(分：秒)f两端电极问电压ⅣI备注
l13t24lo．i15I电解后使右英钟{i走64s后．卸F}乜极．测试皆两端溶液间电压值
l26：lol1．545l电解后卸下也极，12rain46s后重新装上1n投．再测两lb擞问电压值
l29；40l1334l电撮卸下后，用导线连接两电极50s佰装七试管再洲两I乜极问电压值
I35；lol1．233I电极卸下后，用导线连接两电极50s后，装卜试管再铡两电极问电压值
06燃牡电j岂《：极结构影口自试驻
将以上试验的简易燃料电池用的第l号组电极换成第2
号组电极，做电池放电能力试验．结果如表6所示。从表6可
看出．自制简易氢氧燃料电池换用第2号组电极后．放电能力
大大降低，其原因是该组电极制作1j艺与第1号组电极不同，
淬火时电极加热时间长．已使电极整体变红。所以淬火后．其
内部组织过松．里面的间隙过大，电解时生成0：、／-／：气体的速
度变快，但释放也快，电极内部残余量少．所以可反应的气体
也少．从而引起放电能力下降。
给石英钟石英钟指行走电解时§4f分：秒1备注
通电时麦叽分：秒)最长时问／s
ll：lif-13：2315：40用第2号组电饭
19：36≈l：36用第2号组电极
27：56也9：5632：2452用第l号组电饭
38：29-40：29用第2号组电投
47：17-49：”5l：47用第1号组电极
4简易氢氧燃料电池试验结沦
由3．1"3．6试验可得出结论．简易氢氧电池之所以不用
铂金做催化剂，也能产生供外界使用的电源电压，依靠的是浸
没在电解质溶液中的、同时卫在两个石墨电极小孔问隙里面
贮存的o：、H：气体分子。当用导线将两电极和负载(如：石英
钟)连接时．只有这些气体分子才能参加反应．转化为OH。、
}r，并产生电流．流经负载，对负载作功．溶液上方和溶液中的
02、心气体分子不能参加反应。转化产生的OH一、H+在溶液
里流动．传递电流，并结合生成H20。Na：SO。等盐类电解质溶
液浓度对简易燃料电池1二作能力影响很大。
5新型氢氧燃糊电池结构设计方案
根据以上试验得H5的结论．可以设计出如下一种新型氧
氧燃料电池。
将以上简易氢氧燃料电池巾的
两个石墨电报做成空心，中央分别
通高压0：、H2气体(如图3所示)。通
过对石墨电极材料的选择和热处理
的控制，控制石墨巾空隙结构和大
小．进而控制o：、H：气体泄漏的路
径和速度。将两电极放进硫酸钠溶
液中后．将会}fj现以上简易燃料电
池相同的情形．即电极、o：及H：气
体、电解质溶液三者充分结合，两电
毫正气体
看l电囊
围3新型氢氯燃料
电池电极结构
极间将会对外界产生电压。
如图4所示，高压O：、H：气体采用氧气瓶和氢气瓶经过
减压阀供应。为了防止未反应的H：流人大气产生危险，同时
为节省能源，O：及H：气体压力与石墨电极空隙结构、大小要
相互匹配．设计成O：及H：分子在流ff{电极前全部反应完．并
转化为电流。溶液使用}∈后易产生极化．影响放电性能．可采
用循环方法．消除极化．不断补充新鲜溶液。此外，要利用传感
器对溶液中的H：含量进行检测．设法分离…意外泄露到溶液
中的H：．通过燃烧消除H：．并将热量加以回收利用。
图4新型氢氲燃料电池结构原理示意图
eⅡ
由于溶液中会产生水，并不断增多．必须及时除水，否则
Na2so。水溶液浓度会逐渐变稀，影响其工作能力。除水方法
可考虑用半透膜除水，半透膜是一种对透过的物质具有选择
性的薄膜，半透膜只能透过溶剂而不能透过溶质。
由于空气巾【乜含有q，所以理论上高压O：也nf用空气压
缩机产生，但这时可能电池放电能力和速度会受到影响．
6结束语
以上新型氢氧燃料电池设计方案．制造过程无毒无害，工
艺不复杂．取材方便，摒弃了价格昂贵的铂金催化荆和质子
膜．不但使汽车动力得到绿色使用，而且制造过程绿色、对环
境无污染，是值得深入研究的燃料电池方案。
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12452011．10VG3r，～v0，?万方数据
一种新型氢氧燃料电池结构设计方案
作者：陈锦华，CHENJin-hua
作者单位：江苏信息职业技术学院,江苏无锡,214153
刊名：电源技术
英文刊名：ChineseJournalofPowerSources
年，卷(期)：2011,35(10)
参考文献(3条)
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dianyjs201110019.aspx
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