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燃 料 電 池 構 成 模 組 4.1 質子交換膜燃料電池(PEMFC)膜電極組 (MEA) 設計製作 授課時間: 3小時
授課老師: 張幼珍教授 膜電極組簡介 膜電極組工作原理 膜電極組基本結構 膜電極組製作概念 膜電極組效能評估 膜電極目前發展與未來挑戰
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4.1.1 膜電極組簡介 膜電極組是英文 Membrane Electrode Assembly (縮寫為MEA，以下均以此名稱呼)的中文譯名。 MEA在功能上是PEMFC燃料電池中將化學能轉換成電能的核心元件。 MEA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。因此除非有形狀或結構設計上的特別需要，否則一般壓製完成的MEA一般是如三明治般的平面結構。 MEA在設計上是一個涉及多門學科包括質傳、熱傳遞、流體力學、電化學、觸媒與表面科學、化工動力、熱力學、電子與質子傳遞、水熱管理、進料增濕處理等的問題。
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元智大學 開發之MEA 製程 尺寸: 25 cm2 氣體擴散層:碳紙 尺寸: 25 cm2 氣體擴散層:碳紙
最大輸出功率: 0.45 W/cm2 (常壓, 70°C; Anode/Cathode Pt loading 分別為 0.5/1.0 mgPt/cm2 ; MEA試片製作重現性良好; 能委會計劃成果)
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4.1.2 膜電極組工作原理 MEA中的電極是一微孔結構體，觸媒電化學反應即在此一結構體內發生
反應的發生，首先需要將反應氣體傳送到達微孔結構體內被薄層Nafion覆蓋的Pt活性位置 反應發生後，氫氣在Pt的催化下，生成氫離子與電子 電子傳導路徑 – 電子藉碳粉傳遞到石墨板(兼具進氣流道 與電子傳遞到外電路間傳導的橋樑)，傳遞方向與進氣方向相反，最後再經一外電路傳遞到陰極端; 質子或氫離子傳導路徑 – 質子藉覆蓋在Pt上的Nafion來傳遞到陰、陽兩極間的Nafion 膜，再由Nafion膜傳遞到陰極端;
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電解質增濕 – 溼度越高，離子傳導效果越好; 反之亦然;
適當水份 – 反應產生的水份過多(water flooding)會阻塞孔隙(pores)，大幅降低反應氣體到達觸媒表面的機會;
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Perfluorocarbon 離子交換膜結構圖
（Kordesch and Simader , 1996） PEMFC 使用離子交換膜充當電解質，且此種交換膜為電的絕緣體但卻是氫離子的良導體，這類型的高分子膜大多以C、F為骨幹
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典型的極化曲線圖 (Rho et al.,1994)
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4.1.3 膜電極組基本結構 (陽極) (陰極) (電解質) 氣體擴散層 觸媒層 高分子電解質薄膜 (熱壓)
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4.1.4 膜電極組製作概念 傳統方法 製備觸媒懸浮液 過濾轉印法將觸媒層製作在氣體擴散層上 預備高分子電解質薄膜 壓製MEA
優點: ____________________________________ _________________________________________ 挑戰: ____________________________________
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MEA 量產方法 製作觸媒漿液 預備高分子電解質膜 將漿液塗佈在電解質膜上並進行乾燥 兩面夾上氣體擴散層即成
優點: ____________________________________ _________________________________________ 挑戰: ____________________________________
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MEA製作上的挑戰 Pt觸媒用量(loading)必須降低，來降低單位輸出電功率的成本
電極中Pt觸媒有效利用率(utilization)必須提高 電極結構中反應氣體供應或滲透(permeation)速率必須提高，才能提供實際有用的電流密度和電池功率密度。 電極上氫氣吸附表面積 觸媒利用率 (Utilization,%)= 電極上Pt 總表面積
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其它: ____________________________________
4.1.5 膜電極組效能評估 Electrodes Half-Cell Test Single-Cell Test EDX SEM TEM 元素分析 微結構 電極與單電池效能 膜層連續性 CV & IV 其它: ____________________________________ _________________________________________
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單電池 (Single Cell) 單電池組裝前 進氣流道 氧氣端 bipolar plate MEA夾於其間
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組裝後的25 cm2單電池
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Cell Voltage vs. Current Density
20 wt% Pt/C,Carbon Paper
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Power Density vs. Current Density
20 wt% Pt/C,Carbon Paper
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定電流下 Potential vs. Time
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4.1.6 膜電極目前發展與未來挑戰 目前國外指標 Pt 利用率 (%) __________ 能量轉換效率 (%) _________
單位面積上的 Pt 用量(mg/cm2 ) ________ 使用壽命(hrs) _________ 生產成本 ($) _________
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目前國內指標 Pt 利用率 (%) __________ 能量轉換效率 (%) _________
單位面積上的 Pt 用量(mg/cm2 ) ________ 使用壽命(hrs) _________ 生產成本 ($) _________
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未來設計方向 提高 Pt 利用率 提高能量轉換效率 減少 Pt 用量或以其他 較價廉的觸媒取代 提高反應氣體滲透率
減少反應生成的水與熱在 MEA 中的蓄積 提高使用壽命 降低生產成本
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