---燃料電池系統簡介….. Chapter 基本觀念-氫燃料電池 1.2 電流的極限 1.3 串聯連接電池-雙極板的應用

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1 ---燃料電池系統簡介….. Chapter 1 1.1 基本觀念-氫燃料電池 1.2 電流的極限 1.3 串聯連接電池-雙極板的應用
1.4 燃料電池的分類 1.5 系統的其他部分 1.6 燃料電池系統的評估 1.7 燃料電池之優點與應用

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3 1.1 基本觀念-氫燃料電池….. 燃料電池的基本原理就是電解水的逆反應，可用以下兩個圖來解釋： Figure A Figure B

4 圖A中的電解液為水，當我們給一負載電壓時，水被分解為氫氣和氧氣， 而水中的白金棒則有助於反應的進行。
圖B中當氫氣和氧氣結合成水時，用安培計量測會有電流的反應，因此有了燃料電池的概念。

5 1.1基本觀念-氫燃料電池….. 由以上實驗可知，氫與氧結合成水的化學反應式為： 2H2+O2 2H2O
上面的化學反應式是燃料電池基本的總反應式，然而不同的燃料電池會有不同的電解質，這留待後面章節再作說明。

6 現舉質子交換膜燃料電池作例子： 而其半反應式為： 陽極： 陰極： 其電解質為氫離子，可是總反應式還是產生水。

7 1.1 基本觀念-氫燃料電池….. 我們從上述的實驗可了解燃料電池的確可以產生電流，但是所產生電流很小，其中最主要的原因如下：
電極、電解液和氣體的接觸面積太小 因為此三者 共存面只有一小部份。 電極之間距過長 電解液會阻礙電流流動。 解決這些問題的方法為：製作平且薄的電極。

8 1.1 基本觀念-氫燃料電池….. 這種構造的電極具有較好的滲透性，且電解質和燃料各可以從其兩側滲入，這種設計可以使電極、電解質和燃料有最大的接觸面積。

9 1.1基本觀念-氫燃料電池….. 　　為了了解氫氣和氧氣如何作用而產生電流，我們須探討在陽極和陰極的反應方程式，假設我們使用為酸性電解質的電池，其陽極反應方程式為下： 這個反應會釋放能量。 2H2 4H++ 4e-　　　　　 而在陰極一端的反應方程式為： O2+ 4e-+ 4H+ 2H2O 為了要使反應能持續進行，在陽極所產生的電子必須通過外電路流到陰極，氫離子則必須要通過電解質流到陰極。(見下圖)

10 1.1基本觀念-氫燃料電池…..

11 1.1基本觀念-氫燃料電池….. 對於鹼性燃料電池而言，是可利用OH- 來流動的。在陽極的反應如下： 2H2+ 4OH- 4H2O+ 4e-
在陰極的反應如下：　　 O2+ 4e-+ 2H2O 4OH- 為了要使反應能持續進行，在陽極所產生的電子必須通過外電路流到陰極，OH-則必須要通過電解質流到陰極。(見下圖)

12 1.1基本觀念-氫燃料電池…..

13 1.2電流的極限….. 此圖表示化學反應的能階變化，當要進行化學反應時要克服反應活化能，所以會損失一些能量，接下來即是化學反應放出的能量。

14 1.2電流的極限….. 為了增加反應速率有以下幾種方法： 使用催化劑。 可有助於反應的進行，像燃料電池常用的催化劑為白金。 增高溫度。
溫度的增高可減少活化能的損失，在第三章會有詳細說明。 增加電極的反應面積 使用多孔性電極。

15 1.3 串聯連接電池-雙極板的應用….. 由於燃料電池所產生的電壓很小，我們必須將電池串聯，才能達到我們所需電壓。最顯著的例子如下圖所示：
　由於燃料電池所產生的電壓很小，我們必須將電池串聯，才能達到我們所需電壓。最顯著的例子如下圖所示： 電子必須集中於電極的端點，因此不適用。

16 1.3串聯連接電池-雙極板的應用….. 使用雙極板，可以完全連接每一個電池的陰極和陽極。

17 1.3 串聯連接電池-雙極板的應用….. 　理論上，雙極板必須越薄越好，為了減低電阻，而且能使燃料電池更小，因此流道的設計很重要。

18 1.4燃料電池的分類….. 種 類 AFC PAFC MCFC SOFC PEFC DMFC
種 類 AFC PAFC MCFC SOFC PEFC DMFC 電解質 KOH 磷 酸 碳酸鹽 氧化物 高分子膜 高分子膜 溫 度 常 溫 oC oC oC 常 溫 常 溫 使用純氫 適合複循 適合複循 能量與功 直接使用 特 性 與純氧 環發電 環發電 率密度高 甲醇反應 使用液狀 磷酸具 高溫起動 高溫起動 起動快速 技術瓶頸 電解質 腐蝕性 時間長 時間長 有待突破 太空船電 現場型 大型發 大型發 運輸動力 運輸動力 用 途 力系統 發電機 電機組 電機組 家用型發 小型電池 電機組

19 1.5 系統的其他部分…..

20 一個燃料電池系統除了電池主體外，還有控制燃料入口溫度的熱交換器、將電池直流電轉成交流電的DA轉換器、控制燃料入口的壓力閥、、等， 因此其系統是十分複雜的。

21 1.6 燃料電池系統的評估 ….. 對於燃料電池之電極與電解質的評估：單位面積之電流量(mA.cm-2) = 電流密度(current density)。 若給予一特定之電壓範圍，則兩者相乘即為單位面積之電功率(mW.cm-2)。 一般工業對電池之評估項目： 1.功率密度(kW.m-3或kW/litre)。 2.比功(W.kg-1)。 3.費用($/kW)。

22 1.7 燃料電池之優點與應用….. 目前最大缺點：費用昂貴。 優點：1.效率高。 2.簡單。 3.低輻射。 4.安靜。

23 1.7 燃料電池之優點與應用….. 各種燃料電池之應用範圍：