質子交換膜燃料電池

質子交換膜燃料電池構造與運作原理示意圖，上方輸入氫氣，前側導入氧氣，產生電力、水與熱。

質子交換膜燃料電池（英语：Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱：PEMFC），又稱固體高分子電解質燃料電池（英语：Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells），是一種以含氫燃料與空氣作用產生電力與熱力的燃料電池，運作溫度在 50℃ 至 100℃，無需加壓或減壓，以高分子質子交換膜為傳導媒介，沒有任何化學液體，發電後產生純水和熱。

燃料電池中，質子交換膜燃料電池相對低溫與常壓的特性，加上對人體無化學危險、對環境無害，適合應用在日常生活，所以被發展應用在運輸動力型（Transport）、現場型（Stationary）與攜帶型（Portable）等機組。

構造

質子交換膜燃料電池每一個電池組，一般是由十一層結構所組成：

• 電極組
  • 中間層為高分子質子交換膜，簡稱交換膜，是固態高分子電解材料，用以傳送質子，且須隔阻電子與氣體通過；
  • 其兩邊外側為觸媒反應層，陽極與陰極的電化學反應分別在此兩層進行，目前以鉑／碳或鉑／釕／碳粉體為觸媒；
• 氣體擴散組
  • 觸媒層兩邊外側是兩層擴散層，為經疏水處理以避免水分阻塞的碳纖維，能將反應物擴散至觸媒反應層，並將生成物擴散排出；
  • 擴散層兩邊外側為兩層流場板，與擴散層接觸面有許多氣體導流槽，反應物與生成物即經由這些導流槽進出燃料電池；
• 導電隔離組
  • 於流場板外側是導電板，負責收集電流，再經由電路傳送至負載；
  • 最外層有兩片壓板，用以固定與隔離保護整個電池組。

原理

1.氫分子經由陽極端流場板的氣體導流槽進入電池組，經擴散層到陽極觸媒反應層，經陽極觸媒作用氧化為氫離子（也就是質子），與釋出電子，這化學反應過程稱為陽極半反應：

$\rm H_2 \longrightarrow 2H^+ + 2e^-$

$\rm E_1^o = 0V$SHE（標準氫電極）

2.氫離子受電滲透力驅策，伴隨數個水分子，經由交換膜輸送至另一端的陰極觸媒反應層；
3.游離的電子經導電板收集，因電位差的原故，通過連接在導電板上的電路，流向陰極的導電板，變成電流產生電力，電子最後會由陰極導電板送到陰極觸媒反應層；
4.氫離子、電子、加上由陰極流場板輸送來空氣中的氧氣，匯集在陰極觸媒反應層，經陰極觸媒催化而產生水，這化學反應過程稱為陰極半反應：

$\rm 4H^+ + 4e^- + O_2 \longrightarrow 2H_2O$

$\rm E_2^o = 1.229V$SHE

總體電化反應是將化學能自由能差 $\rm \left ( \Delta G \right )$ 轉變為電動勢 $\rm \left ( \Delta E \right )$ ：

$\rm \Delta E = E_2^o - E_1^o = 1.229V$SHE

而：

$\rm\Delta G=\Delta H-T\Delta S\;$

氫的反應熱 $\rm \Delta H\;$ 為 $\rm 286\;\it k \rm J\,{mol}^{-1}$，亂度差 $\rm \Delta S\;$ 為 $\rm 163\;J\,{mol}^{-1}\,{K}^{-1}$。

假設溫度 $\rm T\;$ 為 $\rm 57^\circ C$ 即 $\rm 330\;K$ 時，能量損耗為：

$\rm T\Delta S=330\;K \cdot 163\;J\,{mol}^{-1}\,{K}^{-1}\cong 53.79\;\it k \rm J\,{mol}^{-1}$

故轉換率：

$\rm\frac{\Delta G}{\Delta H}=\frac{286\;\it k\rm J\,{mol}^{-1}-53.79\;\it k\rm J\,{mol}^{-1}}{286\;\it k\rm J\,{mol}^{-1}}\cong 81.2%$

也就是在溫度為 $\rm 57^\circ C$ 時，有$\rm 81.2%\;$的反應熱可以轉換成電能，由此推算，$\rm T\;$ 為 $\rm 100^\circ C$時，仍有$\rm 78.7%\;$的轉換率，是相當有效能的電化轉換。

歷史

1960年代中期，美國奇異公司的Willard Thomas Grubb和Lee Niedrach，參與了美國海軍船務署與美國陸軍通訊兵團的一項專案，要求發展一種小型燃料電池，便發明了以質子交換膜為電解質的燃料電池。

第一個成品，是使用氫化鋰放入水來產生氫，並製作成拋棄式的燃料匣，方便攜帶又容易置換，但由於電極板是貴重金屬鉑（白金），生產成本非常高昂。

奇異的質子交換膜燃料電池 PB2，被選定參與美國太空總署的雙子星座計劃，該計劃的主要目的為在太空中測試各種設備與狀況，以供後來以登月為目標的阿波羅計劃參考設計，但剛開始時 PB2 遇到了電池組汙染與氧從交換膜滲漏等問題，雙子星1號到4號都沒有採用。

奇異公司重新設計電池，採用了杜邦公司的納飛安（Nafion）離子聚合膜為交換膜，代替之前的磺化聚苯乙烯膜，新電池名為 P3，從雙子星5號開始被採用至最後的雙子星10號。惟後來的阿波羅計劃與太空梭，改為採用鹼性燃料電池。

奇異公司持續不斷研發新的質子交換膜電池，在1970年代中期，發展出一種水電解技術，可以支援水中生活，應用在美國海軍的氧氣生產工廠，英國皇家海軍於1980年代初採用此項技術於其潛水艇艦隊。

1980年代後期至1990年代，美國的洛斯阿拉莫斯國家實驗室與德州A&M大學，致力於實驗如何減少質子交換膜電池對鉑的使用量。

近來因奈米科技發展，已能將只有數奈米的鉑鍍在炭黑或碳粉上，不僅大幅降低鉑的使用量，並且使能量密度得以大幅提升。

相關條目

• 燃料電池
• 電化學
• 電解
• 氫

外部連結

• 燃料電池的演進與原理