質子交換膜燃料電池

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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語Proton Exchange Membrane Fuel Cell,簡稱:PEMFC),又稱固體高分子電解質燃料電池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

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[編輯]

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[1][2][3]

  • 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,且須隔阻電子氣體通過;
    • 其兩邊外側為觸媒反應層,陽極陰極電化學反應分別在此兩層進行,目前以或鉑//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[編輯]

質子交換膜燃料電池的原理是:[1][4]首先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 = 0VSHE(標準氫電極

然後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。接著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。

最後氫離子、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 = 1.229VSHE


總體電化反應是將化學能自由能\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 = 1.229VSHE

而:

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

氫的反應熱 \rm \Delta H\;\rm 286\;\it k \rm J\,{mol}^{-1}熵變 \rm \Delta S\;\rm 163\;J\,{mol}^{-1}\,{K}^{-1}

假設溫度 \rm T\;\rm 57^\circ C\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\;\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[編輯]

1960年代中期,美國奇異公司Willard Thomas GrubbLee 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[3]

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[3]

奇異的質子交換膜燃料電池「PB2」,被選定參與美國太空總署雙子星座計劃,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[3]

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[3]

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[3]

1980年代後期至1990年代,美國的洛斯阿拉莫斯國家實驗室德州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[2]

參考資料[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 氫能利用技科-燃料電池. 東亞產經資訊網. [2008-08-13]. 
  2. ^ 2.0 2.1 燃料電池的演進. 行政院國家科學委員會. [2008-08-14]. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 (英文)PEM Fuel Cells. National Museum of American History. [2008-08-14]. 
  4. ^ 氫燃料電池車乾淨上路. 科學人雜誌網站. [2008-08-14]. 

相關條目[編輯]

外部連結[編輯]