图7-8所示为质子交换膜燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cell,PEMFC)的原理结构图。
由图7-8可见,PEMFC由三种基本组件构成:质子交换膜(两个表面上敷有催化剂Pt)、电极(兼气体扩散区)、双极板。质子交换膜将阳极和阴极隔开,质子交换膜中安装有固态酸电解质,电解质内含有自由氢离子H＋。
图7-8 PEMFC原理结构图
质子交换膜内部的固态酸电解质中充满液态的水,使得游离的H＋可以从阳极到阴极自由通过,而电子不能通过。由于氢原子由一个质子和一个电子构成,H＋是氢原子失去电子后的产物,只有一个质子,所以H＋可以通过进行交换的膜称为质子交换膜(Proton Exchange Membrane,PEM)。
下面分步骤来分析PEMFC的工作过程。
(1)从图7-8左侧双极板送来的氢气经过阳极的气体扩散层,与阳极表面的催化剂Pt接触,氢分子被分裂,并键合在Pt的表面,形成弱的H－Pt键。
(2)氢分子被分裂的过程就是氧化反应的过程,一个氢原子分裂后,释放出自己的电子,沿着阳极通过外电路,奔向阴极。同时,氢原子失去电子后,变成氢离子H＋,很快从H－Pt键中挣脱,黏附在膜表面的水分子上,形成水合氢离子,进入电解质内,穿过质子交换膜,向阴极扩散。反应式为
(3)从图7-8右侧双极板送来的氧气经过阴极的气体扩散层,与阴极表面的催化剂Pt接触,氧分子被分裂,并键合在Pt的表面,形成弱的O－Pt键。
(4)氧分子被分裂的过程就是还原反应的过程,一个氧原子分裂后,在阴极吸收从阳极通过外电路送来的两个电子,并与阳极通过质子交换膜在电解质中送来的两个H＋结合,生成水。反应式为
氢原子和氧原子分别在阳极和阴极同时发生了两个“半反应”:氢原子在阳极发生了氧化反应,失去了电子,变成了氢离子;氧原子在阴极发生了还原反应,得到了电子,与氢离子生成了水。这两个反应构成了一个完整的氧化一还原反应,氢气与氧气反应生成水。
图7-9所示为反映这一过程的单体PEMFC的工作原理示意图。
图7-9 单体PEMFC的工作原理示意图
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