燃料電池可利用的燃料不只是氫,但本文以氫為例介紹其發(fā)電原理和構(gòu)造。
兩邊最外側(cè)是極板(分離器),往里依次是墊片、觸媒電極,插在兩個觸媒電極中間的是氫離子交換膜。兩側(cè)分離器的作用是向觸媒電極分別供給燃料及氧氣,同時排出在觸媒電極上生成的水。分離器的材料必須具有導(dǎo)電性,用石墨板及金屬板制作,在板的兩側(cè)開有很多溝槽,使燃料、空氣、水在溝槽中流動,燃料氫從分離器擴散,到達(dá)相對的觸媒電極。觸媒電極板只有數(shù)十微米厚,板上涂布有炭粉,在炭粉中分散有數(shù)十埃大小粒度的貴金屬鉑粉粒,厚度是0.2~數(shù)mg/cm2。
在金屬鉑粉粒上,氫分子被分離為氫離子和電子,即H2鉑2H++2e,這個與燃料接觸的電極為燃料極,叫做陽極。在陽極生成的氫離子可以穿過氫離子交換膜,氫離子交換膜是數(shù)十微米厚的高分子材料,這個膜具有只傳導(dǎo)氫離子,不能傳導(dǎo)電子的性質(zhì)。即只允許氫離子透過,不允許電子透過。
電極上的電子返流向分離器,傳給外部回路導(dǎo)體,通過外部回路再轉(zhuǎn)移到另一側(cè)的電極。電子移動產(chǎn)生電能,在電子通過的外部回路中接入電動機,電能就可以驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn),電能轉(zhuǎn)換成了動能。在此,重要的是氫離子和電子傳遞的是不同的路徑。
氫離子和電子從不同的路徑到達(dá)同一電極,在這個電極上電子和氫離子與從外部供給的空氣中的氧反應(yīng)生成水,即2H++2e+0.5O2→H2O,這個進行氧化反應(yīng)的電極叫空氣極或陰極。由氧化反應(yīng)產(chǎn)生的能量成為移動電子和氫離子的力。
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