質子交換膜燃料電池 (PEMFC) 第 三 章1 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 大綱2質子交換膜燃料電池簡介簡介 proton proton exchange exchange membrane membrane fuel fuel cellcell之之中中文文譯譯名名是質子交換膜型是質子交換膜型( ( 縮寫為縮寫為PEMFC)PEMFC) 。 PEMFCPEMFC是是藉藉由由電電池池內內發發生生燃燃料料燃燃燒燒反反應應而而將將化化學學能轉換為電能的裝置。能轉換為電能的裝置。 質質子子交交換換膜膜型型( (PEMFC)PEMFC)在在結結構構上上相相當當於於一一般般的的電電池池，不不同同的的是是陰陰、陽陽兩兩極極均均為為以以觸觸媒媒粉粉體體等等壓壓製製而而成成的的2 2維多孔膜層，兩極間夾有一固體高分子電解質。維多孔膜層，兩極間夾有一固體高分子電解質。3v燃料電池的示意圖燃料電池的示意圖4發展燃料電池的原因 效率效率: :能量轉換效率非常高，可達百分之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。熱效率及可能超過百分之八十。 乾淨乾淨: :發電過程幾乎沒有造成任何污染。發電過程幾乎沒有造成任何污染。 安靜安靜: : 即使在一千一百萬瓦級的燃料電池即使在一千一百萬瓦級的燃料電池發電廠發電廠 附近，所測得的噪音量也低於五附近，所測得的噪音量也低於五十五分貝。十五分貝。 體積小體積小 : :藉由奈米技術，可把電池微小化，藉由奈米技術，可把電池微小化，容易攜帶。容易攜帶。5燃料電池與內燃機的比較燃料電池燃料電池內燃機內燃機6 原 理v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。離子化，讓化學能直接轉變為電能。 (氫氣氫氣)(質子質子)(氧氣氧氣)(電子電子)7氫氧作燃料的燃料電池反應示意圖 vv電極反應式為：電極反應式為：正極正極 ：H22H+2e-負極負極 ：O2+4H+4e-2H2O全反應：全反應： H H2 2 + + 1/21/2OO2 2 H H2 2O O 8關鍵元件v質子交換膜v觸媒v電極v雙極板9質子交換膜型(PEMFC)結構結構vv主要構造約分為：主要構造約分為： 1. 1.高分子質子交換膜高分子質子交換膜（塗佈觸媒及其他物質）。（塗佈觸媒及其他物質）。 2. 2.氣體導流板。氣體導流板。 3. 3.集電片。集電片。 4. 4.夾板。夾板。 10單一單一CELL 電池組電池組 (金屬板金屬板)(集電極集電極)(電極流場電極流場)(電極電極)(氣體散播層氣體散播層)(離子導體離子導體)(薄膜薄膜)(金屬板金屬板)(集電極集電極)(電極電極)(氣體散播層氣體散播層)(離子導體離子導體)(薄膜薄膜)(電極流場電極流場)11離子交換膜離子交換膜(Perfluorocarbon )結構圖結構圖12離子交換膜離子交換膜(Perfluorocarbon )結構圖結構圖13v氫氫氧氧作作燃燃料料的的燃燃料料電電池池結結結結構構構構示示意意圖圖 14觸媒觸媒( (陽極觸媒陽極觸媒) )( (陰極觸媒陰極觸媒) )15電催化反應電催化反應vv催化觸媒：低溫燃料電池催化觸媒：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電催化觸媒把化學能直接轉換成電能的發電裝置。裝置。16( (流道板流道板) )( (電流收集極電流收集極) )( (襯墊襯墊) )( (襯墊襯墊) )( (觸媒層和陽離子觸媒層和陽離子交換膜組合交換膜組合) )膜電極組膜電極組基本結構結構17電池性能圖電池性能圖18電池性能圖說明電池性能圖說明n n對於一般質子交換膜燃料電池（對於一般質子交換膜燃料電池（對於一般質子交換膜燃料電池（對於一般質子交換膜燃料電池（PEMRFCPEMRFC）用電極，由於膜與電極不是緊密用電極，由於膜與電極不是緊密用電極，由於膜與電極不是緊密用電極，由於膜與電極不是緊密地聯結在一起，用於地聯結在一起，用於地聯結在一起，用於地聯結在一起，用於PEMRFCPEMRFC電解時會使膜與電極分離，使電解性能差；並電解時會使膜與電極分離，使電解性能差；並電解時會使膜與電極分離，使電解性能差；並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，且由於作爲擴散層的碳紙中，且由於作爲擴散層的碳紙中，且由於作爲擴散層的碳紙中，PTFEPTFE的含量太高，防水性強，使電解性能很差。的含量太高，防水性強，使電解性能很差。的含量太高，防水性強，使電解性能很差。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極，即首先在質子膜的兩側化學鍍極，即首先在質子膜的兩側化學鍍極，即首先在質子膜的兩側化學鍍ptpt、IrIr，作爲水電解反應的催化層，然後作爲水電解反應的催化層，然後作爲水電解反應的催化層，然後作爲水電解反應的催化層，然後製作類似於製作類似於製作類似於製作類似於PEMFCPEMFC用電極，其催化層主要催化燃料電池反應。用電極，其催化層主要催化燃料電池反應。用電極，其催化層主要催化燃料電池反應。用電極，其催化層主要催化燃料電池反應。PEMRFCPEMRFC採用採用採用採用雙層催化層後燃料電池性能如圖雙層催化層後燃料電池性能如圖雙層催化層後燃料電池性能如圖雙層催化層後燃料電池性能如圖3 3所示，其中氫氧氣操作壓力爲所示，其中氫氧氣操作壓力爲所示，其中氫氧氣操作壓力爲所示，其中氫氧氣操作壓力爲0.30.3MpaMpa，採採採採用用用用NafionNafion 115 115 膜，氫氧氣的尾氣排放量爲化學計量值。從圖中可以看出，隨膜，氫氧氣的尾氣排放量爲化學計量值。從圖中可以看出，隨膜，氫氧氣的尾氣排放量爲化學計量值。從圖中可以看出，隨膜，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。當電流密度爲應的速度和質子在電解質膜中的傳遞速度。當電流密度爲應的速度和質子在電解質膜中的傳遞速度。當電流密度爲應的速度和質子在電解質膜中的傳遞速度。當電流密度爲500500mA/cmmA/cm2 2時，時，時，時，8080RPEMRFCRPEMRFC電池電壓爲電池電壓爲電池電壓爲電池電壓爲0.650.65V,V,同同同同PEMFCPEMFC相比（沒有畫圖，當電流密度爲相比（沒有畫圖，當電流密度爲相比（沒有畫圖，當電流密度爲相比（沒有畫圖，當電流密度爲500500mA/cmmA/cm2 2時，時，時，時，8080PEMFCPEMFC電池電壓爲電池電壓爲電池電壓爲電池電壓爲0.710.71V V）有一定差距。這主要是由於有一定差距。這主要是由於有一定差距。這主要是由於有一定差距。這主要是由於PEMRFCPEMRFC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，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，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，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。上反應，從而增加了質子傳遞阻力，使電池性能下降。上反應，從而增加了質子傳遞阻力，使電池性能下降。上反應，從而增加了質子傳遞阻力，使電池性能下降。 19電解曲線圖電解曲線圖n n隨著溫度升高，在同一電隨著溫度升高，在同一電隨著溫度升高，在同一電隨著溫度升高，在同一電流密度下，電解電壓下降。流密度下，電解電壓下降。流密度下，電解電壓下降。流密度下，電解電壓下降。這主要是由於隨著電解溫這主要是由於隨著電解溫這主要是由於隨著電解溫這主要是由於隨著電解溫度的升高，水的理論分解度的升高，水的理論分解度的升高，水的理論分解度的升高，水的理論分解電壓、陰陽極的過電位降電壓、陰陽極的過電位降電壓、陰陽極的過電位降電壓、陰陽極的過電位降低，使電解電壓下降。當低，使電解電壓下降。當低，使電解電壓下降。當低，使電解電壓下降。當電解溫度爲電解溫度爲電解溫度爲電解溫度爲2020，電流密，電流密，電流密，電流密度大於度大於度大於度大於700700mAmA/cm/cm2 2時，時，時，時，電解電壓急劇升高，出現電解電壓急劇升高，出現電解電壓急劇升高，出現電解電壓急劇升高，出現極限電流。這是由於在低極限電流。這是由於在低極限電流。這是由於在低極限電流。這是由於在低溫情況下，質子交換膜的溫情況下，質子交換膜的溫情況下，質子交換膜的溫情況下，質子交換膜的傳導質子能力下降，出現傳導質子能力下降，出現傳導質子能力下降，出現傳導質子能力下降，出現極限電流值。極限電流值。極限電流值。極限電流值。 20多次循環伏安曲線圖多次循環伏安曲線圖21多次循環伏安曲線圖說明多次循環伏安曲線圖說明n n從圖中可以看出，隨著迴圈次數的增加，燃料電池、電解從圖中可以看出，隨著迴圈次數的增加，燃料電池、電解從圖中可以看出，隨著迴圈次數的增加，燃料電池、電解從圖中可以看出，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。我們把電池拆開性能都有衰減，其中電解性能衰減較快。我們把電池拆開性能都有衰減，其中電解性能衰減較快。我們把電池拆開性能都有衰減，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，蒸餾後，進行氧電極擴散層防水試驗。氧電極在實驗前，蒸餾後，進行氧電極擴散層防水試驗。氧電極在實驗前，蒸餾後，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，蒸餾水在其上成珠狀分佈，氧電極在經過多次迴圈之後，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水在其上成膜狀分佈。說明電解過程中産生的氧氣對電極水在其上成膜狀分佈。說明電解過程中産生的氧氣對電極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，使氧擴散層産生破壞，降低了電極的擴散層的防水性能，使氧擴散層産生破壞，降低了電極的擴散層的防水性能，使氧擴散層産生破壞，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。氣到催化劑活性位的擴散阻力加大，使燃料電池性能下降。氣到催化劑活性位的擴散阻力加大，使燃料電池性能下降。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造成電解性能下降的原因可能是：一方面由於銥催化劑在造成電解性能下降的原因可能是：一方面由於銥催化劑在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，增加了電極電解時生産氧化銥，而氧化銥是一種半導體，增加了電極電解時生産氧化銥，而氧化銥是一種半導體，增加了電極電解時生産氧化銥，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中電子傳導阻力，使電解性能下降；另一方面由於電解過中電子傳導阻力，使電解性能下降；另一方面由於電解過中電子傳導阻力，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程中有氫氧氣産生，多次迴圈後，氣體進入膜與催化劑的程中有氫氧氣産生，多次迴圈後，氣體進入膜與催化劑的程中有氫氧氣産生，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，使電解性能介面，可能使化學鍍鉑、銥催化層與膜分離，使電解性能介面，可能使化學鍍鉑、銥催化層與膜分離，使電解性能介面，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，提從而提高電極迴衰減。需要進一步改進電極製備工藝，提從而提高電極迴衰減。需要進一步改進電極製備工藝，提從而提高電極迴衰減。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。圈使用壽命。圈使用壽命。圈使用壽命。 22電極v電極反應電極反應陽極陽極陽極陽極：H H2 22H2H+ +2e+2e- -陰極陰極陰極陰極: :O O2 2+4H+4H+ +4e+4e- -2H2H2 2O+EO+E E=-1.229vE=-1.229v23雙極板v雙極板功能雙極板功能分隔氧化劑與還原劑分隔氧化劑與還原劑收集電流收集電流確保電池堆的溫度均勻分佈確保電池堆的溫度均勻分佈達到散熱效果達到散熱效果24Target ValueTarget Value$10/$10/kgkg包含材料和加工包含材料和加工16100 100 S/cmS/cm或者或者200200S S/ /2 2 210-6 11kW/kg (kW/kg (對於交通工具用對於交通工具用) )足夠強度和彈性，允許雙足夠強度和彈性，允許雙極板製作較薄極板製作較薄v雙極板規格特性要求雙極板規格特性要求雙極板規格特性要求雙極板規格特性要求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25EX:EX:石墨雙極板製作石墨雙極板製作石墨雙極板製作石墨雙極板製作 流道設計流道設計石墨素材平面整修石墨素材平面整修建立建立CADCAM模型建檔模型建檔路徑模擬路徑模擬NC加工程式加工程式素材切面素材切面石墨薄面平面整修石墨薄面平面整修雙極板槽孔加工雙極板槽孔加工燃料電池燃料電池雙極板雙極板26多層複合型雙極板多層複合型雙極板27流場流場(氣體通道)(集電器)(氣體擴散器)(觸媒層)(薄膜層)28v流道板實體照片流道板實體照片流道板實體照片流道板實體照片29目前燃料電池商業化之設計目前燃料電池商業化之設計 30燃料電池的應用燃料電池的應用3132