高分子电解质燃料电池

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1、 高分子電解質燃料電池高分子電解質燃料電池高分子電解質燃料電池高分子電解質燃料電池 黃如慧 嚴詠聖 鄭敬熹 紀喨勝 台灣大學化學研究所 現今世界由於高度工業化，使的石化燃料用量激增，溫室效應及海平面水位的升，使的類不得不思考替代能源的現今世界由於高度工業化，使的石化燃料用量激增，溫室效應及海平面水位的升，使的類不得不思考替代能源的現今世界由於高度工業化，使的石化燃料用量激增，溫室效應及海平面水位的升，使的類不得不思考替代能源的現今世界由於高度工業化，使的石化燃料用量激增，溫室效應及海平面水位的升，使的類不得不思考替代能源的可行性。燃料電池（可行性。燃料電池（可行性。燃料電池（可行性。燃料電池（

2、Fuel Cell）雖其原理發現至今已有百多年的歷史，由於其低污染、不排放氧化碳的特性，極有可）雖其原理發現至今已有百多年的歷史，由於其低污染、不排放氧化碳的特性，極有可）雖其原理發現至今已有百多年的歷史，由於其低污染、不排放氧化碳的特性，極有可）雖其原理發現至今已有百多年的歷史，由於其低污染、不排放氧化碳的特性，極有可能成為個世代的能源。而其高分子電解質燃料電池（能成為個世代的能源。而其高分子電解質燃料電池（能成為個世代的能源。而其高分子電解質燃料電池（能成為個世代的能源。而其高分子電解質燃料電池（PEFC）因其可攜帶及低溫操作等特性，已成為交通工具的未來）因其可攜帶及低溫操作等特性，已成為

3、交通工具的未來）因其可攜帶及低溫操作等特性，已成為交通工具的未來）因其可攜帶及低溫操作等特性，已成為交通工具的未來能源。本文將對高分子電解質燃料電池（特別是質子交換膜）之操作原理、燃料供應系統、歷史發展以及薄膜製造做能源。本文將對高分子電解質燃料電池（特別是質子交換膜）之操作原理、燃料供應系統、歷史發展以及薄膜製造做能源。本文將對高分子電解質燃料電池（特別是質子交換膜）之操作原理、燃料供應系統、歷史發展以及薄膜製造做能源。本文將對高分子電解質燃料電池（特別是質子交換膜）之操作原理、燃料供應系統、歷史發展以及薄膜製造做簡單介紹，最後就目簡單介紹，最後就目簡單介紹，最後就目簡單介紹，最後就目前高分

4、子電解質燃料電池的市場以及未來展望作報導。前高分子電解質燃料電池的市場以及未來展望作報導。前高分子電解質燃料電池的市場以及未來展望作報導。前高分子電解質燃料電池的市場以及未來展望作報導。 1 1 1 1、 前言前言前言前言 現今科技的進步帶動了類的經濟成長，也使類邁向了歷史的高峰，但大量生產、消費及排廢的結果使得自然環境無法負荷，全球溫室效應日益嚴重 ， 石油能源日益枯竭等棘手問題 。 依據 BP Statistical Review of World Energy 的統計，依現今石油消耗的速度，球石油儲量頂多只能再用 40 至 50 年，若不能有效的利用，時間可能更短。因此新能源的開發勢在必

5、行。 燃料電池是現行的發電技術外的另新發電技術，它不像傳統次電池樣只能充當電能的儲存單位，也不是如內燃機般將燃料燃燒而產生熱來作功，而是利用電化學的原理，將燃料的化學能轉化為電能並釋放出熱能的裝置，嚴格說來應算是種發電機。由於具有以的特色，使的燃料電池成為先進國家爭相研究、推廣的對象。 、低污染：以氫氣做為燃料，其排放物為可供飲用的水及可利用的熱能。 、高效率：直接將化學能轉換為電能，不受卡諾循環（Carnot Cycle）的限制。 、低噪音：發電主體不含迴轉裝置，故無噪音產生。 、用途多：可提供的電力範圍在 1 W1000 MW，可搭配多種產品應用。 五、免充電：能源由燃料的化學能提供，只要

6、供應燃料，便可不斷發電。 六、進料廣：含有氫原子的原料，如石油、煤炭，或是醇、沼氣等都可做為原料。 目前燃料電池種類依電解質可分為鹼性(AFC)、質子交換膜(PEMFC)、磷酸(PAFC)、溶融碳酸鹽(MCFC)及固態氧化物(SOFC)等五種，其鹼性燃料電池多運用於太空計畫，而發電廠則以磷酸燃料電池發電技術最為成熟，不過以固態氧化物燃料電池為主的離散型電廠發展最快，主要是因價錢較低、效率較高，且直接以然氣為燃料，污染程度相當低，因此美國電力公司大感興趣，紛紛爭取購買、銷售及發電事宜。質子交換膜燃料電池因操作溫度低，且無腐蝕性液體逸出的危險，以及高電流密度等優點，近年來成為燃料電池研發的焦點，主

7、要應用在交通運輸及可攜式產品方面。表 1 為各種燃料電池特性比較表。 表 1：各種燃料電池特性比較表 2、質子交換膜、質子交換膜、質子交換膜、質子交換膜燃料電池燃料電池燃料電池燃料電池（PEM fuel cells） 原理原理原理原理 2- 1- 1 反應原理： 質子交換膜燃料電池（PEM fuel cells；圖）是種可將化學能直接轉換成為電能的發電系統，其操作溫度為 85- 105 是屬低溫燃料電池。 圖：質子交換膜燃料電池原理示意圖 其陽極反應是氫分子在白金 (Pt) 催化發生氧化，生成兩個氫質子（反應式 1） ，此反應的在動力學相當快，主要是氫分子經由質量傳輸 (mass transf

8、er)至陽極吸附在催化劑表面，接著發生氫分子的分解和電化學反應形成個質子（反應式 2、3） 。 陽極 (Anode) ： H2 2H+ 2e- (1) 2Pt(s) + H2 Pt- Hads + Pt- Hads (2) Pt- Hads H+ e- + Pt(s) (3) 這些質子再經由高分子薄膜電解質傳到陰極，在陰極，氧分子解離後吸附在金屬的表面經由電子轉移和氫質子結合產生水（反應式 4） 。 陰極 (Cathode)： O2 + 4H+ 4e- 2H2O (4) 整體而言，兩極是兩個氫分子與個氧分子經由電化學反應產生個電子、兩個水及些熱能（反應式 5） ，電子則從陽極經外電路轉移至陰極

9、形成電路。 2H2 + O2 2H2O (5) 2- 1- 2 高分子薄膜電解質之研究： 於 PEM 技術，氫質子於薄膜的傳導率是很重要的個因素，較佳的薄膜仍不斷的在被研究。個主要的突破性進展是在杜邦 (DuPont) 公司研發出 Nafion (圖) 薄膜，薄膜組成可分為疏水性的 PTFE 及親水性的硫酸鹽離子，這些薄膜具有較高酸度及高傳導率等性質，且遠比聚苯烯磺酸鹽 (polystyrene sulfonate; PSS) 薄膜更加穩定，因為 Nafion 是由 (polytetrafluoroethylene- based; PTFE) 結構組成，其化性較不活潑，不易隨氧化或還原反應而起

10、化學變化，PSS 薄膜則相反。另外可藉由不同薄膜的組成，改良薄膜的結構和傳導率，其，以 PTFE 成分強化 perfluorosulfonic 薄膜,，已由 Gore 和 Asahi 化學公司順利發展出。另外，將薄膜混以溶液或固態粉體，可減少此反應物氣體的浸透性，再者即是將薄膜溶入適當的溶劑和其它的物種混合後，藉由溶劑蒸發改變薄膜的組成，亦可改善其傳導率。 於 PTFE 薄膜加入 Nafion 離子導體 (18 wt% Nafion 於醇)，可到製造出較薄的薄膜，藉此降低薄膜於燃料電池所產生的電阻，此薄膜的傳導率是較Nafion 112 ( ? = 0.1 S cm- 1) 佳，但其氣體浸透性

11、過高。 圖：Nafion 結構：灰白色區由 PTFE 組成是疏水性，而白色區由硫酸鹽離子組成是親水性，用以運輸的氫質子。 於 聚 環 氧 烷 氧 化 烯 (Poly(ethylene oxide)- like；PEO) 薄膜加入鋰矽酸鹽（lithium silicates）形成有機/無機組成的電解質，這樣組成的電解質，具熱穩定性及可提供較佳傳導率和性能。 其他組成，像是 perfluorinated ionomeric 薄膜添 加 ionic liquid ， 這 樣 的 組 成 能 夠 達 到 類 似 Nafion117 (? =0.1 S cm- 1) 的傳導率，且同時能夠在 180 操作

12、，進而改善這氧分子的還原力和 CO 毒害物的問題。 另外，薄膜可添加 SiO2 或 Al2O3 混和 H2SO4、H3PO4或 CF3SO3H(TFMSA)，例如 SiO2/poly(vinyl difluoride) (PVDF 10%/15%) 混和 H2SO4/H2O (1/3)，可達最高的傳導率 (? =0.21 S cm- 1)。 大致而言，較薄的薄膜有較低的電阻，但使得氣體易穿越薄膜而降低燃料電池的性能。 2- 1- 3 水的管理： PEM 燃料電池，薄膜層需保有水份以增加傳導性（圖） ；個無水薄膜的傳導率較低，薄膜水的含量多寡於 PEM 技術是個主要的問題。 圖：Nafion 的

13、傳導性，隨水含量的變化。 不論水是液體或氣體的形式都是陰極反應的產物，但卻不容易保存於薄膜，影響水的含量的因素是水於電池的電滲透性及逆擴散，個氫質子通常伴隨著數個水分子，經由質子交換膜輸送至陰極，另方面，陰極會因水的大量累積，產生逆擴散作用，必要時加裝冷卻板與加濕板，使進入燃料電池的氣體濕潤化，可確保燃料電池組的穩定。 將扭曲的多孔性的聚酯纖維以熱壓法 150 ， 放置在薄膜和 Nafion 離子導體薄膜層間 ， 如此可確保水是藉由壓力差來自於增濕器或者是陰極反應的產物。 於 Nafion 薄膜加入某重量百分比的 SiO2或TiO2， 陰極反應產生的水和經由電滲透運輸的水會和這氧化物（SiO2

14、或 TiO2）作用，完全吸附在薄膜發生水和反應，保持薄膜的濕潤性，這種形成具有自我濕潤化的薄膜，亦可改善電池的穩定性和提高其性能。 2- 2 氣體擴散電極： PEM 燃料電池的電極必具多孔性，以供反應物氣體擴散至金屬催化物結合離子和電子導體的活化區，雖然氣體擴散電極 (GDE) 組件在商業已購買的到 ，但其內部結構的細節相當重要，這 GDEs 的結構及其製造過程是燃料電池性能重要的決定要件之。其原因在於此電極的功能於實質不只是催化反應的進行，而主要的需求則是相界面的結合 (圖)，這相的界面處於氣體擴散層、金屬催化物與離子導體（氣體、固體、液體）之間，金屬催化物必需直接接觸離子導體以確保電子的供

15、給或移去是由發生反應的位置。電子傳導性通常架構在具有碳 圖：GDE ，相的界面由氣體的供給、金屬催化物與離子導體所組成。 支撐物的金屬，此相的界面的結合可藉由電極在壓薄膜之前加入具有支稱物的催化物於離子導體，如此可確保金屬催化物和離子導體間的結合是較佳且是可定量的。氣體的擴散行徑則出現在支援層和碳所支持的催化物間 ， 當使用潮濕氣體或醇/水混合物，這催化物層必需具有效疏水性，防止這些毛孔被阻塞，而這疏水性則藉由 Nafion 結構的 PTFE 所提供，雖然氧於 PTFE 的溶解度相當高，但它的擴散性卻十分低，所以氧於 PTFE 的浸透性 （溶解度 擴散率）也相對減低，個具高含量 PTFE 的薄膜則會有礙質子接近催化物。 所以此相的界面間的相互配合度 ， 決定了 PEM燃料電池性能的好壞。 2- 3 陽極： PEM 燃料電池在陽極發生了氫分子的氧化反應 ， 雖然這是個快速的電化學反應 ， 其速率常數約 10- 5 mol sec- 1cm- 2，但若使用不純的氫氣仍會有些問題存在，如果使用純的氫氣則可使燃料電池達到最好性能，但純的氫氣昂貴且儲存困難，所以多以然煤氣、烷、或者醇類來取代純的氫氣，然而這些取代物在經由處理後仍有些元素或化合物，像是 CO、S 或 NH3 存在 ， 其 CO 在低溫燃料電池是最主要的毒化物，它會吸附在白金