第 三 章 質子交換膜燃料電池 (PEMFC)

大 綱  質子交換膜燃料電池(PEMFC)簡介  原理  特點  關鍵元件  幾種常用之質子交換膜物理特性之比較

質子交換膜燃料電池簡介  proton exchange membrane fuel cell之中文譯名是質子交換膜型( 縮寫為PEMFC) 。  PEMFC是藉由電池內發生燃料燃燒反應而將化學能轉換為電能的裝置。 質子交換膜型(PEMFC)在結構上相當於一般的電池，不同的是陰、陽兩極均為以觸媒粉體等壓製而成的2維多孔膜層，兩極間夾有一固體高分子電解質。

燃料電池的示意圖

發展燃料電池的原因 效率:能量轉換效率非常高，可達百分之四十以上，若再利用汽電共生的技術，總熱效率及可能超過百分之八十。 乾淨:發電過程幾乎沒有造成任何污染。 安靜: 即使在一千一百萬瓦級的燃料電池發電廠 附近，所測得的噪音量也低於五十五分貝。 體積小 :藉由奈米技術，可把電池微小化，容易攜帶。

燃料電池與內燃機的比較 內燃機 燃料電池

原 理 (氫氣) (質子) (電子) 運作方式是以氫與氧為反應物，在觸媒催化下或高溫環境下離子化，讓化學能直接轉變為電能。 (氧氣)

氫氧作燃料的燃料電池反應示意圖 電極反應式為： 正極 ： H22H++2e- 負極 ： O2+4H++4e-2H2O 全反應： H2 + 1/2O2  H2O

關鍵元件 質子交換膜 觸媒 電極 雙極板

質子交換膜型(PEMFC)結構 主要構造約分為： 1.高分子質子交換膜 （塗佈觸媒及其他物質）。 2.氣體導流板。 3.集電片。 4.夾板。

單一CELL 電池組 (薄膜) (氣體散播層) (離子導體) (電極) (電極流場) (金屬板) (金屬板) (集電極) (集電極)

離子交換膜(Perfluorocarbon )結構圖

離子交換膜(Perfluorocarbon )結構圖

氫氧作燃料的燃料電池結構示意圖~

觸媒 (陽極觸媒) (陰極觸媒)

電催化反應 催化觸媒：低溫燃料電池 電催化是電化學和觸媒的組合，我們可利用觸媒電極，使得電化學反應能在接近理論電壓和高電流密度下進行。而燃料電池是利用電催化觸媒把化學能直接轉換成電能的發電裝置。

膜電極組基本結構 (襯墊) (襯墊) (觸媒層和陽離子交換膜組合) (流道板) (電流收集極)

電池性能圖

電池性能圖說明 對於一般質子交換膜燃料電池（PEMRFC）用電極，由於膜與電極不是緊密地聯結在一起，用於PEMRFC電解時會使膜與電極分離，使電解性能差；並且由於作爲擴散層的碳紙中，PTFE的含量太高，防水性強，使電解性能很差。可逆式再生氫氧燃料電池，要求電極具有雙效性，即既能催化發生燃料電池反應，又能催化發生電解反應。針對這種特徵，我們設計一種雙層催化層電極，即首先在質子膜的兩側化學鍍pt、Ir，作爲水電解反應的催化層，然後製作類似於PEMFC用電極，其催化層主要催化燃料電池反應。PEMRFC採用雙層催化層後燃料電池性能如圖3所示，其中氫氧氣操作壓力爲0.3Mpa，採用Nafion 115 膜，氫氧氣的尾氣排放量爲化學計量值。從圖中可以看出，隨著操作溫度的升高，電池性能提高。這是因爲升高溫度有利於提高電化學反應的速度和質子在電解質膜中的傳遞速度。當電流密度爲500mA/cm2時，80℃RPEMRFC電池電壓爲0.65V,同PEMFC相比（沒有畫圖，當電流密度爲500mA/cm2時，80℃PEMFC電池電壓爲0.71V）有一定差距。這主要是由於PEMRFC氧電極催化層中含有一層化學鍍銥，而銥對氧氣還原催化活性很小，電極反應過程中，質子只有通過這層銥催化層，才能達到鉑催化劑的活性位上反應，從而增加了質子傳遞阻力，使電池性能下降。

電解曲線圖 隨著溫度升高，在同一電流密度下，電解電壓下降。這主要是由於隨著電解溫度的升高，水的理論分解電壓、陰陽極的過電位降低，使電解電壓下降。當電解溫度爲20℃，電流密度大於700mA/cm2時，電解電壓急劇升高，出現極限電流。這是由於在低溫情況下，質子交換膜的傳導質子能力下降，出現極限電流值。

多次循環伏安曲線圖

多次循環伏安曲線圖說明 從圖中可以看出，隨著迴圈次數的增加，燃料電池、電解性能都有衰減，其中電解性能衰減較快。我們把電池拆開後，進行氧電極擴散層防水試驗。氧電極在實驗前，蒸餾水在其上成珠狀分佈，氧電極在經過多次迴圈之後，蒸餾水在其上成膜狀分佈。說明電解過程中産生的氧氣對電極擴散層産生破壞，降低了電極的擴散層的防水性能，使氧氣到催化劑活性位的擴散阻力加大，使燃料電池性能下降。造成電解性能下降的原因可能是：一方面由於銥催化劑在電解時生産氧化銥，而氧化銥是一種半導體，增加了電極中電子傳導阻力，使電解性能下降；另一方面由於電解過程中有氫氧氣産生，多次迴圈後，氣體進入膜與催化劑的介面，可能使化學鍍鉑、銥催化層與膜分離，使電解性能衰減。需要進一步改進電極製備工藝，提從而提高電極迴圈使用壽命。

電極 電極反應 陽極： H22H++2e- 陰極: O2+4H++4e-2H2O+E E=-1.229v

雙極板 雙極板功能 分隔氧化劑與還原劑 收集電流 確保電池堆的溫度均勻分佈 達到散熱效果

雙極板規格特性要求 Target Value <$10/kg包含材料和加工 <16μA/cm2 >100 S/cm或者>200S/㎝2 < 2×10-6 cm3/cm2-s ΔP=2atm >1kW/kg (對於交通工具用) 足夠強度和彈性，允許雙極板製作較薄 製造成本 抗腐蝕性 材料導電性 材料氣密性 重量輕 良好的機械性質

EX:石墨雙極板製作 流道設計 石墨素材平面整修 建立CAD 素材切面 CAM模型建檔 石墨薄面平面整修 路徑模擬 NC加工程式 雙極板槽孔加工 燃料電池雙極板

多層複合型雙極板

流場 (集電器) (氣體通道) (氣體擴散器) (觸媒層) (薄膜層)

流道板實體照片

目前燃料電池商業化之設計~

燃料電池的應用

Q&A