PEM燃料电池性能测试-中兴大学机械系

PEM燃料電池性能測試(本實驗請攜帶紙、筆及隨身碟)一、實驗目的人類發展過程的能源使用出現了許多問題，油價不斷創下新高，石油產地動盪不安、衝突不斷，一再顯示一個嚴重的警訊，石油的儲量已日漸枯竭，人類若不在本世紀找到替代石油的能源方案，未來的發展勢必會受到限制，因搶奪石油而產生的戰爭將不可避免。而這種替代能源有許多種型態諸如:水力、風力、潮汐、地熱、生質能、太陽能、氫能(燃料電池)等等。這裡提及到的再生能源，都有一個特性，就是能夠在自然環境中生生不息、循環不已。氫能源科技以零污染的特色成為最重要的新興能源，氫能源科技的應用包括直接燃燒與使用電化學原理的燃料電池兩種，而無論就污染，效率，或應用範圍來看，燃料電池都將成為未來能源科技的重要選項。概括而論，燃料電池是一種可靠的能源轉換裝置，只要不斷的供給燃料即可連續不斷電，而且容易維護及再生使用，也不會製造惱人的噪音與環境污染，能量效率與運轉穩定性皆較傳統內燃機高，並且可進行模組化設計等優點。本實驗透過燃料電池測試平台，藉由量測時間、電壓、電流及功率等來了解質子交換膜燃料電池(PEMFC)之性能，也使同學們對燃料電池有更進一步認識。二、實驗原理質子交換膜燃料電池(PEMFC)如圖2.1所示，其是以氫氣與氧氣為反應物，其透過觸媒使陽極氫分子(H2)催化分解成氫離子和電子，電子由陽極內部導至外面，經由外電路形成電流，供發電使用後導至陰極，氫離子由陽極透過可導離子(電子絕緣體)之高分子質子交換膜抵達陰極，空氣或氧氣輸送至陰極，其中氧分子(O2)經催化劑與電子(e-)及氫離子(H+)反應產生水，整個過程的產物有水、電能(理論1.23V)和熱能。在25℃、1atm下，其反應過程以下列化學方程式來表示，陽極：H2→2H++2e-Erev,a=0V氧化反應,可逆平衡電位陰極：1/2O2+2H++2e-→H2OErev,c=1.229V還原反應,可逆平衡電位總反應：H2+1/2O2→H2OErev,cell=1.229V平衡電位差圖2.1：質子交換膜燃料電池(PEMFC)質子交換膜燃料電池的核心組件可分為薄膜(membrane)、電極(electrode)觸媒層(catalystlayer)、氣體擴散層(gasdiffusionlayer)及雙極板(bipolarplates)。其中薄膜它是導質子的高分子膜，其兩面分別為正、負電極的觸媒層，也就是陰極與陽極中間夾了一層質子交換膜，可經熱壓程序製作成型，電極(觸媒層)與雙極板間則還有一層氣體擴散層(gasdiffusionlayer)。質子交換膜為高分子聚合物，有傳導氫離子的功能，其一側供應氫氣(陽極)，另一側供應氧氣(陰極)，且能隔絕兩側的反應氣體，而適當水分有助於膜內氫離子的傳導，水是在陰極產生，水太多會留在陰極，使氧氣輸送受到影響，水不足會使質子交換膜過於乾燥，增加氫離子的阻抗，使質子傳導功能變差。陰極及陽極皆使用以白金為主的電催化觸媒，也就是觸媒層(catalystlayer)，其是以碳粒作為載體的微細白金顆粒(Pt/C)，混合粘結劑溶液塗敷在碳布一側而成，觸媒層是電化學反應發生的地方，為了加快反應速度，觸媒層要有較大的反應面積，通常以縮小白金粒徑來增加反應面積，但陰極觸媒層的生成物水若不能迅速移除，反應面積將被水淹沒，會降低反應速度。氣體擴散層(gasdiffusionlayer)為多孔性、低孔隙率的導電材料、經疏水處理所形成，通常使用Teflon的碳布或碳紙製成，主要是作為電子傳導、反應物之通入及產物的排出之通路，也可支撐起質子交換膜與觸媒層，並加強其機械穩定性。流道板一般是使用石墨板、金屬板、或複合石墨、碳纖維板為材料，具高導電性亦是熱的良導體，確保電子傳導性及散熱溫度均勻分布，經加工成各類氣體的導流槽，作為氣體流道，使反應氣體在整個電極各處均勻分布，有收集電流之功用。PEMFC可在室溫下開機，操作溫度約為60℃~80℃，較沒有腐蝕的問題，體積小及能量密度高等優點，在10kW以下的燃料電池以PEMFC的技術最為成熟，可應用在巴士、汽車、一般家庭的電力供給、可攜式電力供給(筆記型電腦及手機)和熱水回收的發電系統等。理論上當反應為等溫，等壓，且可逆狀態時，反應所釋出化學能能完全轉換成電能Wele，能量釋出淨值為氫氧反應生成水的自由能(Gibbsfreeenergy)fg之差，如下所示：22212eleffffHOHOggggW在25℃，100kPa時，2fHOg-237180J/mole(l)，2fHg0，2fOg0，故反應所釋出化學能為-237180J/mole，即若反應生成的水為液態，則每1mole的氫氣可產出237180J的能量。如自由能完全轉換成電能，則燃料電池的電位可計算如下：cellrevelefnFEWg,，nFgEfcellrev,，其中,revcellE為理想電位，n為交換電子數目，F為法拉第常數96500(c/mole)。因氫氣反應可釋放兩個電子，n=2，故在25℃，100kPa時，燃料電池的輸出電位為1.229Volt。但依據熱力學第一定律，化學反應所釋放的能量淨值為氫氧反應生成水的焓值(enthalpy)之差，若反應在25℃，100kPa的條件之下進行，2()fHOh-285830J/mole，2()fHh0，2()fOh0，則反應所釋放的能量為：2221()()()2ffffHOHOhhhh-285830J/mole(l)即若反應生成的水為液態，則每1mole的氫氣可釋放285830J的能量。其中237180J的能量可轉換成電能，剩下的能量則轉換成熱能，故理想轉換效率可以表示為fidealefffgh，在25℃，100kPa的條件下，燃料電池的理想效率為83%。計算實際燃料電池的效率方面，假設H2流量為0.1(slpm)，則其mole流率為：53511010.1107.3410()8.31427360molems又水的生成焓為20()285830()fHOlKJhKmole，則流量為0.1(slpm)H2之化學反應所釋放的能量淨值為20()20.98()fHOlmhW，故實際燃料電池的效率為20.98實際功率。三、實驗設備1、燃料電池測試平台：本研究之燃料電池測試平台是於2005年由亞太燃料電池科技股份有限公司（APFCT）所建構，型號為FCED-P200，如圖3.1.1所示，其所需電源為220V/60Hz，氣體供應來源分別為100psig的氮氣(99.99%)、100psig的氫氣(99.99%)與100psig的空氣(無油)，如圖3.1.2所示，測試平台需放置在2500(W)×2500(D)×2500(H)mm3空氣流通的空間，儀器的操作溫度範圍在5℃~40℃(32℉~104℉)，相對溼度在5%~90%的範圍。圖3.1.1：燃料電池測試平台圖3.1.2：氮氣、氫氣與空氣之鋼瓶本研究之測試平台可分2種紀錄方式，分別為Lifetest與Tafeltest，其中Lifetest為長時間操作模式，又可分為固定電壓模式與固定電流模式，其中固定電壓模式可以設定我們希望的燃料電池輸出電壓，當然設定範圍因燃料電池的性能之不同而不同。而固定電流模式也就是可以設定我們希望的燃料電池輸出的電流，當然設定範圍也因燃料電池的性能之不同而不同。而Tafeltest則為執行電壓-電流曲線的模式，除此之外還有三種數據擷取方法的選擇，三種數據擷取方法分別為TimeCt、SlopeCt與ManualCt，其中TimeCt是依照關係表紀錄，以時間為依據；SlopeCt則是以電流為依據，假如電流變化超過設定值，此點的數據就會被紀錄；ManualCt則是利用【space】鍵，自己來決定紀錄點。2、PEM燃料電池：本研究之燃料電池是於2005年由必穎池科技股份有限公司（）所提供，如圖3.1.3所示，其活性面積為25cm2，操作溫度則不可操過100℃，不論陽極或陰極，氣體皆由上方管道進入燃料電池，由下方管道離開燃料電池。圖3.1.3：本研究所使用之燃料電池四、實驗步驟4.1儀器的開啟：1、儀器的操作在空氣流通的空間下，溫度範圍5℃~40℃(32℉~104℉)，相對溼度的範圍5%~90%。2、確認除水器內的水已洩漏完。3、確認bubbler液位高度是否在高液位。4、確認補水模組的儲水桶水量。5、燃料電池anode及cathode進氣管在氣體流量小於3.5slpm時，需裝入1/8”的PFA管，以測得準確的進氣溫度。(1)將1/8”的PFA管裝入進氣管內，有缺口的一端為尾端，如圖4.1.1所示。圖4.1.1：將1/8”的PFA管裝入進氣管內(2)將1/8”的PFA缺口朝上，如圖4.1.2所示。圖4.1.2：將1/8”的PFA缺口朝上(3)裝上溫度感測探棒，探棒須對準1/8”的PFA管的缺口，圖4.1.3所示。圖4.1.3：裝上溫度感測探棒，探棒對準1/8”的PFA管的缺口6、將反應氣體的管路連接至儀器，連接氣體管路時，需注意各氣體的相對位置，氫氣的出口管路要接到通風良好的戶外。7、在規定的溫度與壓力下操作儀器，陽極Anode及陰極Cathode分別為氫氣(99.99%)及空氣(無油)，其入口端壓力為30~60psig，氣體溫度為室溫，氣體溼度則為持在乾燥。8、接好燃料電池的負載線與電壓訊號線，並且確認是否有固定好(紅色是陰極，黑色[綠色]是陽極)，應避免正負極短路。9、確認儀器至燃料電池間的氣體管路是否有安裝正確。10、請勿放置任何導電物在燃料電池座上。11、將面板上的氣體壓力調整至工作範圍。12、確認加濕瓶水位是否高於低水位，如果是長時間使用設備，可先將水位加至高水位。13、插上電源插頭，所需電源為220V/60Hz。14、開啟儀器的電源，並將警急開關（EmergencyStop）向右旋出，如圖4.1.4所示。圖4.1.4：開啟儀器電源，且將警急開關向右旋出15、按下綠色「ON」按鈕，開啟儀器電源，如圖4.1.5所示。圖4.1.4：按下綠色「ON」按鈕，開啟儀器電源16、開啟電腦及電子負載電源，開始執行軟體的操作。4.2進入實驗主畫面：1、先依（4.1）所敘述，完成儀器的開啟。2、開啟電腦後，執行程式。3、首先進入實驗條件設定畫面，條件設定選項分為5個，如圖4.2.1所示。按下「SettingFinish」後，可從軟體介面上看到燃料電池輸出電壓上升至OCV。圖4.2.1：實驗條件設定畫面a、CellSetting，電池組基本設定(藍)：設定燃料電池MEA反應面積及數量，此值隨著燃料電池規格而改變。第三行為設定燃料電池的溫度。b、ProtectionSetting，安全操作設定(紅)：設定每個單電池最低電壓及燃料電池警示溫度，以防止燃料電池因操作錯誤或條件值異常而造成損壞。c、AnodeFuelSetting，陽極氣體控制條件(粉紅)：選擇陽極氣體流量的控制方式，分為化學計量比與固定流量及燃料電池陽極氣體入口溫度。另外，此方格下方可設定最小流量。d、CathodeFuelSetting，陰極氣體控制條件(綠)：選擇陰極氣體流量的控制方式，分為化學計量比與固定流量及燃料電池陰極氣體入口溫度。另外，此方格下方可設定最小流量。e、Zero-LoadFlowSetting，零負載流量設定(黃)：設定燃料電池零負載時的反應氣體流量，主要是避免電能倒灌至燃料電池，及設定開關機後氮氣purge的時間，陽極和陰極的最小流量值會個別顯示在各自的設定框中。本實驗設定之數據由表4.2.1所示。表4.2.1：本實驗實驗條件設定之數據設定數據時間年/月/日/時/分初始室溫(時/分)?℃鋼瓶H2壓力32psig鋼瓶air壓力32psig流量計H2入口壓力30psig流量計air入口壓力30psig燃料電池H2入口壓力0psig燃料電池air入口壓力0psigH2fuelcell背壓