關鍵材料與元件(1) 燃料電池基本元件包含:  電極  電解質隔膜  集電器

關鍵材料與元件(2) 1.電極(electrode): 為燃料氧化和氧化劑還原的電化學反應發生的場所;分成陰極(cathode)與陽極(anode)。為多孔結構;厚度一般在200μm~500μm間。    2.電解質隔膜(electrolyte membrane):功能是分隔氧化劑和還原劑;並傳導離子其厚度越薄越好。   3.集電器(current collector)或稱雙極板(bipolar plate):具有收集電流、疏導反應氣體及分隔氧化劑和還原劑的作用。

 觸媒  電催化  電極  電解質隔膜  雙極板  燃料電池堆  燃料電池系統 關鍵材料與元件(3) 基本元件包含:  觸媒  電催化  電極  電解質隔膜  雙極板  燃料電池堆  燃料電池系統

關鍵材料與元件(4) 觸媒: a.要對特定的電化學反應有良好的催化活性高選擇性。 b.要在一定的電位範圍內耐電解質的腐蝕。   觸媒: a.要對特定的電化學反應有良好的催化活性高選擇性。 b.要在一定的電位範圍內耐電解質的腐蝕。 c.同時也要具有良好的電子導電性。

表1--表示各種燃料電池使用的觸媒與電極結構 關鍵材料與元件(5) 表1--表示各種燃料電池使用的觸媒與電極結構

關鍵材料與元件(6) 電催化： a.是加速電化學反應中電荷轉移的一種催化作用。 b.一般發生在電極與電解質界面上。 c.其反應速度與觸媒的活性、電雙層(charge double layer) 內電 場及電解質溶液的本性有關。

關鍵材料與元件(7) 電極: 因其使用之燃料與氧化劑通常為氣體;而氣體在電解質中的溶解度很低;故為了提高燃料電池的實際工作電流密度與減少極化而提出的改善方法;為增加反應電極的表面積而發展出比平板電極高出3~5個數量級的多孔氣體擴散電極。

關鍵材料與元件(8) a.是使燃料電池由理論研究進入到實際應用的關鍵因素。 b.多孔氣體擴散電極的液相質傳邊界層的厚度也從平板電極 的100μm壓縮到1~10μm。   c.大幅提高了電極的限制電流密度(limiting current density)。 d.目前燃料電池所採用的多孔氣體擴散電極的結構可分成多層結構的黏結型電極(bind electrode)及單層燒結型電極(sintered electrode)兩類。圖1為兩者結構之示意圖。

關鍵材料與元件(9) 圖1--為兩者結構之示意圖

關鍵材料與元件(10) 以下用氫氧燃料電池陰極氧還原反應說明多孔氣體擴散電極內反應物和產物的輸送現象: 1/2 O2 ＋ 2 H+ 2e- → H2O 此反應中同時有氧氣、水、電子及質子等四種不同型態與物性的反應物或產物;設計良好的電極須同時能將上述物質輸送抵達或離開反應點上;使電極反應能連續穩定的進行;故在電極觸媒層須同時具備表2所列4種通道。

關鍵材料與元件(11) 表2--多孔氣體擴散電極的四種通道

固態電解質 液態電解質 (電解質載體須具備能力) 關鍵材料與元件(12) 電解質隔膜: 固態電解質 液態電解質 (電解質載體須具備能力)

關鍵材料與元件(13) 由其型態來看;燃料電池的電解質;可以區分成液態電解質(AFC、PAFC、MCFC)與固態電解質兩種(PEMFC、SOFC)。   1.固態電解質: 屬無孔膜結構;可直接製作成薄膜來阻隔氣體與傳導離子。 2.液態電解質: 無法單獨完成阻隔陰極與陽極氣體的工作;須藉由毛細力吸附在電解質載體的多孔隔膜內來進行工作。

關鍵材料與元件(14) 3.電解質載體須具有以下能力: a.能承受在電池工作條件下的電解質腐蝕;以保持其結構的穩定性。 b.是電子絕緣材料。 c.其多孔膈膜的孔徑須小於多孔電極的孔徑。 d.隔膜的微孔內所浸的電解液須能承受一定壓力差。 e.隔膜越薄則歐姆阻抗越小。

關鍵材料與元件(15) 表3--為燃料電池所用電解質隔膜之比較

 無孔石墨板  表面改性之金屬板  複合碳板 關鍵材料與元件(16) 雙 極 板:  無孔石墨板  表面改性之金屬板  複合碳板

關鍵材料與元件(17) 考慮以下的因素: a.具阻隔氣體能力。 b.須重量輕。強度要夠。 c具有收集電流功能。 d.是電、熱的良導體。   a.具阻隔氣體能力。 b.須重量輕。強度要夠。 c具有收集電流功能。 d.是電、熱的良導體。 e.在燃料電池的操作環境下具抗腐蝕能力。 f.有輸送反應氣體的功用。

關鍵材料與元件(18) 目前雙極板材料主要為: a.無孔石墨板:   a.無孔石墨板: 其導電性及耐腐蝕性均佳。但製程複雜費時、質地硬脆不易加工、流場製作成本高及其厚度有其限制。 b.表面改性之金屬板: 其厚度較薄、可用衝壓成型等機械化生產方法加工孔道及流場;有助降低成本及提高體積功率。但必須解決腐蝕問題。 c.複合碳板: 其製作方式可將流場形狀直接製作在模具上;故大量降低製作成本及時間;適合大量生產。但其內電阻較大影響電池的性能。

關鍵材料與元件(19) 表4--為燃料電池雙極板使用材料之比較

關鍵材料與元件(20) 燃料電池堆: 為滿足高電壓之需求;須將多個單電池串接起來;以提 高電池堆的輸出電壓。如圖2所示。燃料電池堆通常將多個單電池按壓濾機(filter press)方式堆疊起來;構成一個燃料電池堆。

關鍵材料與元件(21) 圖2--燃料電池堆

關鍵材料與元件(22) 電池堆的設計須考慮以下因素: a.根據使用者及電池性能決定單電池的工作(電極)面積 和串聯數目。 b.反應氣體在電池堆的各節單電池間的分配問題。 c.由電池堆組裝形成的單電池間的共通管道阻力必須小於單電池的流場阻力。 d.各單電池雙極板流場結構務必一致。

圖3為燃料電池堆置設計流程;以24V、600W規格為例 關鍵材料與元件(24) 圖3為燃料電池堆置設計流程;以24V、600W規格為例

關鍵材料與元件(23) 燃料電池系統:   a.中、低溫的燃料電池;如PEMFC、PAFC以醇類或輕類為燃料時要先通過燃料重整改質器(reformer);經過重整改質過程後;將燃料轉換為富氫氣體;並去除對氫陽極氧化過程有毒的雜質後;再進入燃料電池堆。 b.高溫燃料電池;如SOFC、MCFC;因本身具有內重整能力;故不必設置燃料重整改質器;而可直接用甲醇、天然氣等碳氫燃料。 目前燃料電池的電能轉換效率約在40~60﹪之間;故近半的化學能須以熱的形式表現。

關鍵材料與元件(25) 圖4--為燃料電池發電系統的示意圖