氢能源2077457391

[e-mail];2008/05/EnerMaster(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯)(04)PEMFCEditor:Rational_You(游李興)Founder&CEO/EnerMaster(2008/05/)Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)[e-mail];2008/05/EnerMaster引言Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)PEMFC☉質子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)的電解質是一種固態高分子聚合物，所以又稱作高分子電解質燃料電池(PolymerElectrolyteFuelCell，PEFC)，或者固態高分子燃料電池(SolidPolymerFuelCell，SPFC)。‧PEMFC除了具有潔淨無污染、能量轉化效率高…等燃料電池的一般特點外，還具備接近常溫操作以及起動迅速的特性，而且沒有電解液腐蝕與溢散問題，所以PEMFC非常適合用於運輸動力、可攜式電力、家用型發電機。[e-mail];2008/05/EnerMaster引言採Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)PEMFC☉1960年美國首度將質子交換膜燃料電池應用於雙子星太空計畫中。由於當時採用的聚苯乙烯磺酸膜在電池工作過程中發生劣化，不但導致電池壽命的縮短，而且還污染了電池的生成水，使太空人無法飲用，所以計畫並不算成功。‧其後，通用電氣公司採用了杜邦(Dupont)公司所開發的聚全氟磺酸(PolylmerizedPerfluorosulfnicacid，PFSA)膜，不僅延長了電池壽命而且有效地也解決了電池出成水被污染的問題，並成功地搭載在生物衛星上進行太空實驗。[e-mail];2008/05/EnerMaster引言加拿大Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)PEMFC☉但是後來的Orbiler太空梭(OrbilerSpaceShuttle)，電力競標中不敵鹼性燃料電池而未獲英國政府的胃睞，使得質子交換膜燃料電他的研究一度陷入低潮。‧直到了1983年，巴拉德動力系統公司在加拿大國防部資助下進行質子交換膜燃料電池的研究，全世界再度掀起了一股質子交換膜燃料電池的研發熱潮。[e-mail];2008/05/EnerMaster引言運輸動力Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)PEMFC☉近年來，在質子交換膜膜材性能改進、電池堆功率密度提升、觸媒價格與使用量降低等因素的帶動下，使得PEMFC已逐漸具有商業競爭能力。‧以運輸動力為例：目前全世界各大汽車廠(例如；福特、本田、通用汽車、本田、戴姆勒克萊斯勒…等)，相繼投入大量資金進行質子交換膜燃料電池電動汽車的開發工作，各車廠的原型車也陸續在進行路測中，預計在不久的將來將可量產市而成為主要的運輸動力之一。[e-mail];2008/05/EnerMaster引言可攜式、備用電力Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)PEMFC☉此外，發電容量從在數百瓦到數百千瓦的可攜式電力、備用電力、住宅辦公大樓用的發電機也是全世界許多廠商正在積極研發的產品，‧PEMFC發電機的外型小到如家用除濕機般大小，大到如小型貨櫃一般，可以置放於家中的陽台上或者是大樓的鍋爐間或配電機房，配合重整改質器後直接接上現有天然氣管便可發電使用。‧迷你或微型質子交換膜燃料電池則以發展作為攜帶型電子產品電力為主。[e-mail];2008/05/EnerMaster(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)(04)PEMFC原理與特點Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)[e-mail];2008/05/EnerMaster的工作原理示意圖Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)[e-mail];2008/05/EnerMaster的工作原理示意圖Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)PEMFC☉質子交換膜燃料電池以氫氣或淨化重整氣為燃料氣體、空氣或純氧為氧化劑。圖◆4-1為質子交換膜燃料電池的工作原理示意圖，電解質將電池分隔成陰極與陽極兩部分。(1)在陽極中，氫氣在觸媒的催化下而降低活化能，使其解離成為氫離子與電子：‧(4-1)(2)氫離子通過質子交換膜往陰極移動，而電子則經由外電路由外負載作功後移往陰極。陰極半反應式是氧分子、電子以及氫離子在觸媒的催化下發生還原反應產生水：‧(4-2)☉質子交換膜燃料電池全反應之最終產物除了為水與電之外，也會產生熱，為了保持燃料電池在低溫(80℃)下操作，必須進行冷卻。‧在PEMFC的典型操作溫度下，陰極生成水以液態水與水蒸氣型態同時存在，這些產物將經由空氣帶離燃料電池。[e-mail];2008/05/EnerMaster(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)(04)PEMFC(4-2)關鍵元件@p.4-4(4-2-1)質子交換膜@p.4-4(4-2-2)觸媒與電催化反應@p.4-9(4-2-3)電極@p.4-13(4-2-4)膜電極組@p.4-18(4-2-5)雙極板與流場@p.4-19Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)[e-mail];2008/05/EnerMaster的關鍵元件Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)PEMFC☉質子交換膜燃料電池發生電化學反應發電過程的輸送現象包括：(1)反應氣體在電極擴散層內擴散，(2)氣體在電極觸媒層內被觸媒吸附並發生電催化反應，(3)質子在固體電解質(質子交換膜)內從陽極側傳遞到陰極側，(4)電子同時在電極與雙極板間傳遞。∴據此，構成質子交換膜燃料電池的關鍵材料與元件有質子交換膜、觸媒、電極、雙極板…等四項。[e-mail];2008/05/EnerMaster的質子交換膜Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)PEMFC☉一般電池電解質是以水溶液型態存在，以溶解於水溶液之正離子或負離子作為導體(例如：鉛酸電池)。PEMFC的電解質則是固態，屬於一種高分子聚合物。‧早期通用電氣在研製太空用電力中所使用的聚苯乙烯磺酸膜，穩定性與導電性均差，壽命也短。‧1966年杜邦首度將聚全氟磺酸膜用於氫氧燃料電池，結果發現燃料電池性能大幅提升。‧從1972年起杜邦便以Nafion為名，推出一系列不同厚度的聚全氟磺酸膜(如表◆4-1所示)，以提供質子交換膜燃料電池使用。[e-mail];2008/05/EnerMaster杜邦膜厚度重量℃Source:Rational_You.LS/EnerMaster(2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)(04)PEMFC☉一般電池電解質是以水溶液型態存在，以溶解於水溶液之正離子或負離子作為導體(例如：鉛酸電池)。PEMFC的電解質則是固態，屬於一種高分子聚合物。‧早期通用電氣在研製太空用電力中所使用的聚苯乙烯磺酸膜，穩定性與導電性均差，壽命也短。‧1966年杜邦首度將聚全氟磺酸膜用於氫氧燃料電池，結果發現燃料電池性能大幅提升。‧從1972年起杜邦便以Nafion為名，推出一系列不同厚度的聚全氟磺酸膜(如表◆4-1所示)，以提供質子交換膜燃料電池使用。◆表4-1：杜邦Naflon膜厚度重量(23℃，RH50%)[e-mail];2008/05/EnerMaster膜的化學式Source:Rational_You.LS/EnerMaster(2008/05/)(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)(04)PEMFC☉Nafion膜的外貌類似包裝封存食物用之半透明塑膠膜，當燃料電池運轉時，質子交換膜處在飽和含水狀態，Nafion膜的化學式如下：‧(4-3)…Nafion膜的化學式[e-mail];2008/05/EnerMaster化學式立體結構與輸送機制↓Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)[e-mail];2008/05/EnerMaster化學式立體結構與輸送機制Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)PEMFC☉Nafion膜的確實結構目前仍然不十分清楚。‧從1970年代以來便有許多研究針對Nafion膜的微相(Micro-Phase)結構進行分析，並提出了許多模式描述Nafion膜內離子團聚集方式以及離子在膜內的輸送現象，‧例如Yeager的「三相模式(ThreePhaseModel)」(●22)以及Gierke的「離子簇網路模(IonicClusterNetworkModel)」等(●23)。[e-mail];2008/05/EnerMaster化學式立體結構與輸送機制Source:[e-mail](2008/05/);(全華科技)燃料電池(黃鎮江-編譯DOE2001)2003/11(04)PEMFC☉從小角度X光散射(SAXS)以及中子繞射實驗結果均清楚顯示Nafion膜內的確存在有離子簇(●23)。雖然詳細的分佈方式與狀態並不十分清楚，我們仍然能夠據此簡單地描繪出圖◆4-2的Nafion膜立體結構。從圖的立體圖中，我們可以將Nafion膜分成二個區域：‧主幹：由類似鐵氟龍結構()所組成，結構強韌而穩定，即使