质子交换膜燃料电池

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质子交换膜燃料电池构造与运作原理示意图,上方输入氢气,前侧导入氧气,产生电力、水与热。

质子交换膜燃料电池英语:Proton Exchange Membrane Fuel Cell,简称:PEMFC),又称固体高分子电解质燃料电池Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells),是一种以含氢燃料与空气作用产生电力与热力的燃料电池,运作温度在 50℃ 至 100℃,无需加压或减压,以高分子质子交换膜为传导媒介,没有任何化学液体,发电后产生纯水

燃料电池中,质子交换膜燃料电池相对低温与常压的特性,加上对人体无化学危险、对环境无害,适合应用在日常生活,所以被发展应用在运输动力型(Transport)、现场型(Stationary)与便携式(Portable)等机组。

构造[编辑]

质子交换膜燃料电池每一个电池组,一般是由十一层结构所组成[1][2][3]

  • 电极组
  • 气体扩散组
    • 触媒层两边外侧是两层扩散层,为经疏水处理以避免水分阻塞的碳纤维,能将反应物扩散至触媒反应层,并将生成物扩散排出;
    • 扩散层两边外侧为两层流场板,与扩散层接触面有许多气体导流槽,反应物与生成物即经由这些导流槽进出燃料电池;
  • 导电隔离组
    • 于流场板外侧是导电板,负责收集电流,再经由电路传送至负载
    • 最外层有两片压板,用以固定与隔离保护整个电池组。

原理[编辑]

质子交换膜燃料电池的原理是:[1][4]首先分子经由阳极端流场板的气体导流槽进入电池组,经扩散层到阳极触媒反应层,经阳极触媒作用氧化为氢离子(也就是质子),与释出电子,这化学反应过程称为阳极半反应

SHE(标准氢电极

然后氢离子受电渗透力驱策,伴随数个水分子,经由交换膜输送至另一端的阴极触媒反应层。接着游离的电子经导电板收集,因电位差的原故,通过连接在导电板上的电路,流向阴极的导电板,变成电流产生电力,电子最后会由阴极导电板送到阴极触媒反应层。

最后氢离子、电子、加上由阴极流场板输送来空气中的氧气,汇集在阴极触媒反应层,经阴极触媒催化而产生水,这化学反应过程称为阴极半反应:

SHE


总体电化反应是将化学能自由能 转变为电动势

SHE

而:

氢的反应热 熵变

假设温度 时,能量损耗为:

故转换率:

也就是在温度为 时,有的反应热可以转换成电能,由此推算,时,仍有的转换率,是相当有效能的电化转换。

历史[编辑]

1960年代中期,美国奇异公司的Willard Thomas Grubb和Lee Niedrach,参与了美国海军船务署与美国陆军通讯兵团的一项专案,要求发展一种小型燃料电池,便发明了以质子交换膜为电解质的燃料电池[3]

第一个成品,是使用氢化锂放入水来产生氢,并制作成抛弃式的燃料匣,方便携带又容易置换,但由于电极板是贵重金属铂(白金),生产成本非常高昂[3]

奇异的质子交换膜燃料电池“PB2”,被选定参与美国太空总署双子星座计划,该计划的主要目的为在太空中测试各种设备与状况,以供后来以登月为目标的阿波罗计划参考设计,但刚开始时 PB2 遇到了电池组污染与氧从交换膜渗漏等问题,双子星1号到4号都没有采用[3]

奇异公司重新设计电池,采用了杜邦公司的“纳飞安英语Nafion离子聚合膜为交换膜,代替之前的磺化聚苯乙烯膜,新电池名为“P3”,从双子星5号开始被采用至最后的双子星10号。惟后来的阿波罗计划与航天飞机,改为采用碱性燃料电池[3]

奇异公司持续不断研发新的质子交换膜电池,在1970年代中期,发展出一种水电解技术,可以支援水中生活,应用在美国海军的氧气生产工厂,英国皇家海军于1980年代初采用此项技术于其潜水艇舰队[3]

1980年代后期至1990年代,美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室德州A&M大学,致力于实验如何减少质子交换膜电池对铂的使用量。

近来因奈米科技发展,已能将只有数奈米的铂镀在炭黑或碳粉上,不仅大幅降低铂的使用量,并且使能量密度得以大幅提升[2]

参考资料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 氢能利用技科-燃料电池. 东亚产经资讯网. [2008-08-13]. 
  2. ^ 2.0 2.1 燃料电池的演进. 行政院国家科学委员会. [2008-08-14]. (原始内容存档于2008-05-18). 
  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. ^ 氢燃料电池车干净上路. 科学人杂志网站. [2008-08-14]. 

相关条目[编辑]

外部链接[编辑]