质子交换膜燃料电池…课件

4.1總覽…..MembraneElectrodeAssemblyH22H++2e-2H++2e-+O2H2O12CatalystLayerSingleCellH2channelH2H2H2H+H+H+O2O2O2H2channelH2channelH2channelH2channelH2channelO2channelO2channelO2channelO2channelO2channelO2channelCathodeMembraneAnodee-e-e-e-H2OH2O左圖為質子交換膜燃料電池的單電池模型1.聚合電解質在低溫下運作，能使PEMFC快速作動。2.沒有腐蝕性的流體產生。3.能在任何方向下運作。4.近年來，電流密度提高到1A.cm-2。5.觸媒-鉑，其使用量減少了100多倍(28mg.cm-2→0.2mg.cm-2)。質子交換膜燃料電池應用範圍1W1GW100MW10MW1MW100kW10kW1kW100W10WPEMFCSOFCPAFCMCFC1.許多PEMFC的相似之處：

a.電解質的使用。

b.電極的構造與觸媒。2.許多PEMFC的相異之處：

a.水的處理。d.作動壓力的處理。

b.冷卻方式。e.反應物的使用。

c.電池的串聯方式。4.2聚合電解質的運作原理…..下圖的四氟乙烯是其基本結構，聚四氟乙烯是是質子交換膜的分子結構式。四氟乙烯聚四氟乙烯PTFE的重要特性：

a.防水性由於材料性質的關係，故具防水性。

b.大部分也應用於外出衣服與鞋類等

PTFE就是俗稱的鐵氟龍，其應用的範圍相當的廣。4.2聚合電解質的運作原理…..磺胺氟乙烯防水區親水區上圖所說的親水區，是因為有磺酸根離子的存在，因此對正離子的吸附性很高，所以稱為親水區。(燃料電池中氫離子會附著在水中到達交換膜)而防水區則是分子結構相當穩定，並且其性質有排斥水的效應。質子交換膜的示意圖磺酸氟離子的主要特色：

1.高的化學阻抗。

2.強的機械性質，因此能作成很薄的薄膜。

3.酸性的。

4.能吸附大量的水分。

5.如果含水量很高，H+能在材料中輕易的自由移動-好的質子傳導體。4.3電極與電極的構造…..由上圖可知，一個碳分子附著著許多的觸媒分子，這樣的做法是為了要增加反應面積。<電極的製造>1.分離電極法：

a.多孔與傳導性材料所提供觸媒層的碳是被固定的-碳布與碳紙。

b.加入PTFE。

c.碳布與碳紙有擴散氣體到觸媒層的能力。

d.電極固定於薄膜電解質的兩側。2.在電解質上直接建立電極法：

a.觸媒直接被固定於電解質上。

b.加入PTFE。

c.碳布與碳紙被使用，有擴散氣體的能力。反應燃料的傳導路徑氣體擴散層(GasDiffusionLayer)的功用：

1.擴散氣體。

2.能連接提供觸媒的碳與雙極板之間的電子。

3.能帶走在電解質表面的水。

4.在觸媒層上形成保護薄膜。討論：氣體擴散層的選擇-碳布與碳紙的選擇在氣體擴散層的材料選用碳的原因是由於1.是多孔性材質2.具導電性而碳布與碳紙的選用，則是看設計者的需求。4.4WaterManagementinthePEMFCPEMFC的兩大問題:1.電滲作用(electro-osmoticdrag)。因為在陽極部分，氫離子的移動需附著於水分子，靠著水分子移動而傳輸，此稱為電滲作用。

2.如何在電解液層內取得適當的水平衡。在交換膜的部分，由於陽極水分子不斷傳輸過來，又有陰極產生水的逆滲透，使得交換膜會有水氾濫情況，造成電池性能下降，所以交換膜的水平衡是重要的。上圖表示在電池內，水的傳輸路徑。Airflowandwaterevaporation溼度比(humidityratio):相對溼度(relativehumidity):水氣質量乾空氣質量水在系統中的分壓飽和水蒸氣壓力表示水蒸發與凝結呈平衡的示意圖表示水蒸發大於凝結的示意圖表示水蒸發小於凝結的示意圖不同溫度下的飽和蒸氣壓化學計量數(stoichiometry)

在電池的反應過程中，由於輸入的反應物並不會達到完全反應，而會有所損失，因此，我們定義化學計量數:

A2.2OxygenandAirUsage現在介紹在電池中燃料用量的計算，例如氧的計算：要消耗1莫耳的氧氣需要4個電子所以氧還原反應的電量為以上是介紹以純氧為燃料時的算法，現在介紹以空氣為燃料的算法：空氣中的氧佔空氣整體的21%，又知氧氣的莫耳質量為，所以空氣用量的算法如下：A2.3AirExitFlowrateExitairflowrate=Airinletflowrate–oxygenusage.A2.4HydrogenUsage這裡介紹氫氣使用量的算法在n個電池串聯時的用量表示：A2.5WaterProduction由Appendix2的公式推導後可得:Rateofwaterproduction:Exitairflowrate:λisthestoichiometryoftheairHumidityratio:溫度與相對溼度的分佈圖在不同溫度與化學計量數時的相對溼度4.4.3RunningPEMfuelcellswithoutextrahumidification1997年由Büchi及Srinivasan提出的加濕設計Example:一小風扇有4.7cfm的流率，假設只有2cfm的空氣確實流過陰極，電池平均電壓為0.6volts，根據方程式A2.4可以得到燃料電池的功率(λ=24):在此問題中，風扇的電功率只有0.7watts，因此空氣循環的使用率小於1%的電池功率。4.4.4Externalhumidification外部加濕有三種方法:一、由PaulScherrerInstitute(1999)證明。1998年由Wood等人公佈，並且對這方法創造了“interdigitatedflowfield”此名詞。其結合雙極板及流場的設計，利用壓力差，強迫反應氣體攜帶著水進入電池並且充滿電極。二、直接注入液態水進入燃料電池上圖即是Interdigitedflowchannel的流道設計三、Self-humidificationWatanabe於1996年所提出。說明改變電解液的成分，在電解液中加入silica()和titania()的顆粒，其為吸水性材料。會造成電解液不只保留水還會產生水的影響。4.5PEMFuelCellCoolingandAirSupply能量離開燃料電池有三種方式:1.電流2.可感覺的熱3.潛熱下式表示電池生熱的物理現象

燃料電池在低於100W時，可以不依賴風扇而使用空氣對流來冷卻電池，並且提供有效的空氣流率去蒸發水