Chapter 4 ---質子交換膜燃料電池….. 4.1 總覽 4.2 聚合電解質的工作原理 4.3 電極與電極結構 4.4 在PEMFC的水管理 4.5 質子交換膜的冷卻和空氣的供應

4.1 總覽 ….. 左圖為質子交換膜燃料電池的單電池模型 2H+ + 2e- + O2 H2O H2 2H+ + 2e- H2O e- Membrane Electrode Assembly H2 2H+ + 2e- 2H+ + 2e- + O2 H2O 1 2 Catalyst Layer Single Cell H2 channel H+ O2 Cathode Membrane Anode e- H2O 左圖為質子交換膜燃料電池的單電池模型

1.聚合電解質在低溫下運作，能使PEMFC快速作動。 2.沒有腐蝕性的流體產生。 3.能在任何方向下運作。 4.近年來，電流密度提高到1A.cm-2。 5.觸媒-鉑，其使用量減少了100多倍(28mg.cm-2→0.2mg.cm-2)。

質子交換膜燃料電池應用範圍 1 W 1GW 100MW 10 MW 1 MW 100kW 10 kW 1 kW 100 W 10 W PEMFC SOFC PAFC MCFC

1.許多PEMFC的相似之處： a.電解質的使用。 b.電極的構造與觸媒。 2.許多PEMFC的相異之處： a.水的處理。 d.作動壓力的處理。 b.冷卻方式。 e.反應物的使用。 c.電池的串聯方式。

4.2 聚合電解質的運作原理 ….. 下圖的四氟乙烯是其基本結構，聚四氟乙烯是是質子交換膜的分子結構式。 四氟乙烯 聚四氟乙烯

PTFE的重要特性： a.防水性 由於材料性質的關係，故具防水性。 b.大部分也應用於外出衣服與鞋類等 PTFE就是俗稱的鐵氟龍，其應用的範圍相當的廣。

4.2 聚合電解質的運作原理 ….. 磺胺氟乙烯 防 水 區 親水區

上圖所說的親水區，是因為有磺酸根離子的存在，因此對正離子的吸附性很高，所以稱為親水區。(燃料電池中氫離子 會附著在水中到達交換膜) 而防水區則是分子結構相當穩定，並且其性質有排斥水的效應。

質子交換膜的示意圖

磺酸氟離子的主要特色： 1.高的化學阻抗。 2.強的機械性質，因此能作成很薄的薄膜。 3.酸性的。 4.能吸附大量的水分。 5.如果含水量很高，H+能在材料中輕易的自由移動-好 的質子傳導體。

4.3 電極與電極的構造 ….. 由上圖可知，一個碳分子附著著許多的觸媒分子，這樣的做法是為了要增加反應面積。

<電極的製造> 1.分離電極法： a.多孔與傳導性材料所提供觸媒層的碳是被固定的-碳布與碳紙。 b.加入PTFE。 c.碳布與碳紙有擴散氣體到觸媒層的能力。 d.電極固定於薄膜電解質的兩側。

2.在電解質上直接建立電極法： a.觸媒直接被固定於電解質上。 b.加入PTFE。 c.碳布與碳紙被使用，有擴散氣體的能力。

反應燃料的傳導路徑

氣體擴散層(Gas Diffusion Layer)的功用： 1.擴散氣體。 2.能連接提供觸媒的碳與雙極板之間的電子。 3.能帶走在電解質表面的水。 4.在觸媒層上形成保護薄膜。

討論： 氣體擴散層的選擇-碳布與碳紙的選擇 在氣體擴散層的材料選用碳的原因是由於 1.是多孔性材質 2.具導電性 而碳布與碳紙的選用，則是看設計者的需求。

4.4 Water Management in the PEMFC 1.電滲作用(electro-osmotic drag)。 因為在陽極部分，氫離子的移動需附著於水分子，靠著水分子移動而傳輸，此稱為電滲作用。 2.如何在電解液層內取得適當的水平衡。 在交換膜的部分，由於陽極水分子不斷傳輸過來，又有陰極產生水的逆滲透，使得交換膜會有水氾濫情況，造成電池性能下降，所以交換膜的水平衡是重要的。

上圖表示在電池內，水的傳輸路徑。

Air flow and water evaporation 溼度比(humidity ratio): 相對溼度(relative humidity): 水氣質量 乾空氣質量 水在系統中的分壓 飽和水蒸氣壓力

表示水蒸發與凝結呈平衡的示意圖

表示水蒸發大於凝結的示意圖

表示水蒸發小於凝結的示意圖

不同溫度下的飽和蒸氣壓

化學計量數(stoichiometry) 在電池的反應過程中，由於輸入的反應物並不會達到完全反應，而會有所損失，因此，我們定義化學計量數 :

A2.2 Oxygen and Air Usage 現在介紹在電池中燃料用量的計算，例如氧的計算： 要消耗1莫耳的氧氣需要4個電子 所以氧還原反應的電量為

以上是介紹以純氧為燃料時的算法，現在介紹以空氣為燃料的算法： 空氣中的氧佔空氣整體的21%，又知氧氣的莫耳質量為 ，所以空氣用量的算法如下：

A2.3 Air Exit Flowrate Exit air flowrate =Air inlet flowrate –oxygen usage.

A2.4 Hydrogen Usage 這裡介紹氫氣使用量的算法 在n個電池串聯時的用量表示：

A2.5 Water Production

由Appendix 2的公式推導後可得: Rate of water production: Exit air flowrate : λ is the stoichiometry of the air

Humidity ratio :

溫度與相對溼度的分佈圖

在不同溫度與化學計量數時的相對溼度

4.4.3 Running PEM fuel cells without extra humidification 1997年由Büchi及Srinivasan提出的加濕設計

Example:一小風扇有4. 7 cfm的流率，假設只有2 cfm的空氣確實流過陰極，電池平均電壓為0. 6 volts，根據方程式A2 在此問題中，風扇的電功率只有0.7 watts，因此空氣循環的使用率小於1%的電池功率。

4.4.4 External humidification 外部加濕有三種方法: 一、由Paul Scherrer Institute(1999)證明。

二、直接注入液態水進入燃料電池 1998年由Wood等人公佈，並且對這方法創造了“ interdigitated flow field ”此名詞。其結合雙極板及流場的設計，利用壓力差，強迫反應氣體攜帶著水進入電池並且充滿電極。

上圖即是Interdigited flow channel 的流道設計

三、Self-humidification Watanabe於1996年所提出。說明改變電解液的成分，在電解液中加入silica( )和titania( )的顆粒，其為吸水性材料。會造成電解液不只保留水還會產生水的影響。

4.5 PEM Fuel Cell Cooling and Air Supply 能量離開燃料電池有三種方式: 1.電流 2.可感覺的熱 3.潛熱 下式表示電池生熱的物理現象

燃料電池在低於100W時，可以不依賴風扇而使用空氣對流來冷卻電池，並且提供有效的空氣流率去蒸發水(限於每個電池間隔在5mm~10mm之間)。事實上， 濕空氣的密度會比乾空氣較稀，此有助於空氣的循環過程。 Example: P.82 假設一燃料電池在操作時有40%的廢熱被空氣吸收，而所造成的溫差為 30 ℃，操作電壓 0.6 V，比熱 為1004 ，請問其化學計量數為多少?

Heating rate =

傳統的雙極板結構