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燃料电池从入门到精通——第十一篇:燃料电池的秘笈1——燃料电池发电的电化学原理

已有 1504 次阅读 2023-2-21 10:04 |个人分类:好好学习|系统分类:科研笔记

上面对于燃料电池的介绍都是偏向常识性的,那么燃料电池的真正面目是什么样的呢?它的工作原理是什么样的?那么下面就提供一个燃料电池的秘笈,对燃料电池的工作原理进行物理化学的揭示。如果看过本书第三篇:燃料电池强大基因的揭秘,那么对于本秘笈的理解会很有帮助。上过初中化学的同学应该可以看懂,而如果小学的同学能看懂,那肯定是神童小天才了!

首先,让我们先了解一下燃料电池的能量来源。顾名思义,燃料电池的能量来自燃料和氧气的反应。燃料电池的燃料有很多种,其中最常见的是氢气。而只有氢气燃料还不够,还需要氧化剂,最常见的氧化剂是我们空气中的氧气。如果直接把氢气在氧气中燃烧,能量的释放方式是这样的,如图所示。这样只能产生火焰和热量,而不能直接产生电。所以,氢气的能量的确是释放了,但是是通过热能的形式释放的,而没有电力的产生。那么怎么样才能最直接得到电能呢?

 

11.png

1. 氢气燃烧的火焰。

 

那就用到燃料电池了。那么燃料电池的原理是什么样子的呢?只要大家稍微耐心一点,花10分钟肯定能懂。首先要告诉大家的是,燃料电池的反应可以分解成4个步骤,如图所示。下面将分别解释(这里需要一点耐心,一步一步看懂):

第一步,氢气分子在白金催化剂的作用下分解为电子和氢离子,如图最左侧所示。这一步很重要,有了自由流动的电子就有了电能,使氢气的能量释放出来了。

第二步,电子沿着电线被传递出来,经过电灯、汽车等,这时候电灯就亮了,电车也可以开动了。直观上,我们看到氢气的能量就变成电能了。这是我们看到的外部现象,而电池的内部发生了什么呢?

第三步,氢离子通过质子交换膜从负极传递到正极。质子交换膜是一种神奇的材料,它能允许氢离子的通过。为了减小电池的内阻,通常使用非常薄的膜,它的厚度比人的头发丝还小。

第四步,传递过来的电子和质子,再加上氧气分子,最后生成了水。至此,氢气和氧气通过电化学的曲折反应,生成了产物——水,同时直接发了电,供给电灯、手机、汽车等。

 

如果再专业一点,可以用电化学的反应式来表示:

H2 – 2e- è 2H+  

(1/2)O2 + 2H+ + 2e- è H2O

综合反应式为:

H2+(1/2)O2è H2O

 12.png

2. 燃料电池的原理示意图。




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