PEMFC 性能之實驗測試
單電池結構 典型單電池之結構
發電原理 當直流電力經過導電的電極進入水槽後，水即被分解，分別從陰、陽兩極產生氫氣及氧氣。而當氫氣和氧氣分別輸送到陽、陰兩極，經過與電極上的觸媒反應之後，就會產生直流電力和乾淨的水。
單電池之性能測試 為了探討操作條件對電池性能之影響，通常以實驗之結果作為燃料電池理論分析之基礎，來獲得更多有關燃料電池方面之知識。 實驗方法 改變質子交換膜厚度 改變不同之操作溫度 調整氫氧壓力
實驗裝置示意圖
實驗結果 (一) 圖為在23℃和相對溼度 為RH50%的情況下，幾 種厚度不同的質子交換 膜的性能曲線。
問題與解答 NE 101F;Nafion-112,115,135,117 等膜的厚度? 其百位數及十位數皆為當量重(Equivalent Weight)之意,即含有一莫耳之磺酸根(SO3+)的莫材克數重,而個位數代表莫材厚度. 所以說,112,115,117,135當量重為1100(g/mole of SO3+),四種膜厚分別為 2mil=2*25um;5mil=5*25um; 7mil=7*25um,(特例)3.5mil=3.5*25um. NE 101F的當量重為1100(g/mole of SO3+),其厚度為1 mil=1*25um.
實驗結果 (二) 圖為氫氣/氧氣操作壓 力為0.31/0.45 Mpa溫 度為40;60;70及80℃所 得到的溫度對電池性能 的影響。
老師所提的問題與解答 操作溫度過高,電池性能變低的原因? 燃料電池的操作溫度越高,性能越好.這是因為升高溫度有利於提高電化學反應速度和質子在電解質膜內的傳遞速度.雖然提高操作溫度有利於提高電池性能,然而 PEMFC 所採用的電解質膜是一種有機膜,其耐溫程度有限,而且考量膜的含水問題, PEMFC 的操作溫度不能高於100 ℃,一般的操作溫度為室溫至80℃左右.
實驗結果 (三) 圖為把氫氧壓力由0.1 MPa增加到0.3 MPa;0.3 MPa增加到0.31MPa以至 於0.45MPa時，所得到 的操作壓力對電池性能 的影響。
老師所提的問題與解答 操作壓力過高,電池性能變低的原因? 由於增加反應氣體壓力時,可以改變氫氧氣體的質傳能力,所以電池在較高的電流密度操作時,提高氣體壓力對電池性能的影響較大,然而增加反應氣體的操作壓力時必需消耗較高的泵功而降低系統的效率,因此,從系統效率角度考慮,在實際應用時通常不會將進入 PEMFC 內的反應氣體壓力調的太高.
實驗結果總結 1. 膜厚對電池性能的影響相當大，減薄質子交換膜的厚度對改善電池性能是最佳的方法。 2. 燃料電池的操作溫度越高，性能越好。升高溫度有利於提高電化學反應速度和質子在電解質膜內的傳遞速度。 3. 電池在較高的電流密度操作時，提高氣體壓力對電池性能的影響較大;但卻必須降低系統效率，因此通常不會將進入PEMFC內的反應氣體壓力調的太高。
電池堆技術 電池堆示意圖
電池堆的密封技術 反應氣體溢漏是造成燃料電池性能降低之主要因素之一，因此電池堆電池堆組裝過程中密封技術相當重要。 橡皮環密封件
電池堆的水管理 為了確保PEMFC具有較高的輸出功率，質子交換膜內必須保持高的含水量。 水在質子交換膜內的輸送現象關係著薄膜內水含量。水在膜內主要有水拖曳及水回擴散兩種輸送現象。 質子交換膜內水的輸送現象
電池堆的增濕技術 水分子因冷卻而凝結在薄膜上，以擴散方式蒸發至新鮮空氣中，同時提高進入電池的新鮮空氣的溫度與溼度。 平板交換式增濕器 陶瓷轉子吸附水分子及熱量，藉由轉子旋轉將水與熱釋放給進入焓輪之甘冷空氣而達到增濕加熱的效果。 焓輪增溼器
電池堆的散熱技術 目前普遍採用的散熱技術是在燃料電池堆內設置具有散熱通道的雙極板，也就是散熱雙極板。 藉由水或其它冷煤循環，將餘熱已對流或蒸發的方式排出，以適度控制燃料電池的操作溫度。 具有散熱通道之雙極板
燃料電池的應用 Fraunhofer-Initiative on Miniature Fuel Cells 北京天恒可持續發展研究商 電動機車 索羅爾 公司 電動遙控車 高瑋公司 肯駱電動自行車
參考資料 黃鎮江編著 燃料電池 中華大學 王士豪 質子交換膜燃料電池性能之實驗量測碩士論文 www.solore.com.tw 黃鎮江編著 燃料電池 中華大學 王士豪 質子交換膜燃料電池性能之實驗量測碩士論文 www.solore.com.tw www.wheelgiant.com.tw www.snisd.org.cn
謝謝指教