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1、關 鍵 元 件v 質子交換膜v 觸媒v 電極v 雙極板1質子交換膜型(PEMFC)結構結構vv主要構造約分為：主要構造約分為： 1. 1.高分子質子交換膜高分子質子交換膜（塗佈觸媒及其他物（塗佈觸媒及其他物質）。質）。 2. 2.氣體導流板。氣體導流板。 3. 3.集電片。集電片。 4. 4.夾板。夾板。 2單一單一CELLCELL 電池組電池組 (金屬板金屬板)(集電極集電極)(電極流場電極流場)(電極電極)(氣體散播層氣體散播層)(離子導體離子導體)(薄膜薄膜)(金屬板金屬板)(集電極集電極)(電電極極)(氣體散播層氣體散播層)(離子導體離子導體)(薄膜薄膜)(電極流場電極流場)3離子交換
2、膜(Perfluorocarbon )結構圖4離子交換膜(Perfluorocarbon )結構圖5v氫氫氧氧作作燃燃料料的的燃燃料料電電池池結結結結構構構構示示意意圖圖 6觸媒( (陽極觸媒陽極觸媒) )( (陰極觸媒陰極觸媒) )7電催化反應v催化觸媒：低溫燃料電池催化觸媒：低溫燃料電池電催化是電化學和觸媒的組合，我們可利用觸媒電催化是電化學和觸媒的組合，我們可利用觸媒電極，使得電化學反應能在接近理論電壓和高電電極，使得電化學反應能在接近理論電壓和高電流密度下進行。而燃料電池是利用電催化觸媒把流密度下進行。而燃料電池是利用電催化觸媒把化學能直接轉換成電能的發電裝置。化學能直接轉換成電能的發
3、電裝置。8( (流道板流道板) )( (電流收集極電流收集極) )( (襯墊襯墊) )( (襯墊襯墊) )( (觸媒層和陽離子觸媒層和陽離子交換膜組合交換膜組合) )膜電極組膜電極組基本結構結構9電池性能圖10電池性能圖說明電池性能圖說明(1)n n對對於於一一般般質質子子交交換換膜膜燃燃料料電電池池（PEMRFCPEMRFC）用用電電極極，由由於於膜膜與與電電極極不不是是緊緊密密地地聯聯結結在在一一起起，用用於於PEMRFCPEMRFC電電解解時時會會使使膜膜與與電電極極分分離離，使使電電解解性性能能差差；並並且且由由於於作作爲爲擴擴散散層層的的碳碳紙紙中中，PTFEPTFE的的含含量量太太
4、高高，防防水水性性強強，使使電電解解性性能能很很差差。可可逆逆式式再再生生氫氫氧氧燃燃料料電電池池，要要求求電電極極具具有有雙雙效效性性，即即既既能能催催化化發發生生燃燃料料電電池池反反應應，又又能能催催化化發發生生電電解解反反應應。針針對對這這種種特特徵徵，我我們們設設計計一一種種雙雙層層催催化化層層電電極極，即即首首先先在在質質子子膜膜的的兩兩側側化化學學鍍鍍ptpt、Ir Ir，作作爲爲水水電電解解反反應應的的催催化化層層，然然後後製製作作類類似似於於PEMFCPEMFC用用電電極極，其其催催化化層層主主要要催催化化燃燃料料電電池池反反應應。PEMRFCPEMRFC採採用用雙雙層層催催化
5、化層層後後燃燃料料電電池池性性能能如如圖圖3 3所所示示，其其中中氫氫氧氧氣氣操操作作壓壓力力爲爲0.30.3MpaMpa，採採用用Nafion Nafion 115 115 膜膜，氫氫氧氣的尾氣排放量爲化學計量值。氧氣的尾氣排放量爲化學計量值。11電池性能圖說明電池性能圖說明(2)n n從從圖圖中中可可以以看看出出，隨隨著著操操作作溫溫度度的的升升高高，電電池池性性能能提提高高。這這是是因因爲爲升升高高溫溫度度有有利利於於提提高高電電化化學學反反應應的的速速度度和和質質子子在在電電解解質質膜膜中中的的傳傳遞遞速速度度。當當電電流流密密度度爲爲500500mA/cm2mA/cm2時時，8080
6、RPEMRFCRPEMRFC電電池池電電壓壓爲爲0.650.65V,V,同同PEMFCPEMFC相相比比（沒沒有有畫畫圖圖，當當電電流流密密度度爲爲500500mA/cm2mA/cm2時時，8080PEMFCPEMFC電電池池電電壓壓爲爲0.710.71V V）有有一一定定差差距距。這這主主要要是是由由於於PEMRFCPEMRFC氧氧電電極極催催化化層層中中含含有有一一層層化化學學鍍鍍銥銥，而而銥銥對對氧氧氣氣還還原原催催化化活活性性很很小小，電電極極反反應應過過程程中中，質質子子只只有有通通過過這這層層銥銥催催化化層層，才才能能達達到到鉑鉑催催化化劑劑的的活活性性位位上上反反應應，從從而而增
7、增加加了了質質子子傳傳遞遞阻阻力力，使使電池性能下降。電池性能下降。 12電解曲線圖n n隨隨著著溫溫度度升升高高，在在同同一一電電流流密密度度下下，電電解解電電壓壓下下降降。這這主主要要是是由由於於隨隨著著電電解解溫溫度度的的升升高高，水水的的理理論論分分解解電電壓壓、陰陰陽陽極極的的過過電電位位降降低低，使使電電解解電電壓壓下下降降。當當電電解解溫溫度度爲爲2020，電電流流密密度度大大於於700700mA/cmmA/cm2 2時時，電電解解電電壓壓急急劇劇升升高高，出出現現極極限限電電流流。這這是是由由於於在在低低溫溫情情況況下下，質質子子交交換換膜膜的的傳傳導導質質子子能能力力下下降降
8、，出出現現極極限電流值。限電流值。 13多次循環伏安曲線圖多次循環伏安曲線圖14多次循環伏安曲線圖說明n n從圖中可以看出，隨著迴圈次數的增加，燃料電池、電解從圖中可以看出，隨著迴圈次數的增加，燃料電池、電解性能都有衰減，其中電解性能衰減較快。我們把電池拆開性能都有衰減，其中電解性能衰減較快。我們把電池拆開後，進行氧電極擴散層防水試驗。氧電極在實驗前，蒸餾後，進行氧電極擴散層防水試驗。氧電極在實驗前，蒸餾水在其上成珠狀分佈，氧電極在經過多次迴圈之後，蒸餾水在其上成珠狀分佈，氧電極在經過多次迴圈之後，蒸餾水在其上成膜狀分佈。說明電解過程中産生的氧氣對電極水在其上成膜狀分佈。說明電解過程中産生的氧
9、氣對電極擴散層産生破壞，降低了電極的擴散層的防水性能，使氧擴散層産生破壞，降低了電極的擴散層的防水性能，使氧氣到催化劑活性位的擴散阻力加大，使燃料電池性能下降。氣到催化劑活性位的擴散阻力加大，使燃料電池性能下降。造成電解性能下降的原因可能是：一方面由於銥催化劑在造成電解性能下降的原因可能是：一方面由於銥催化劑在電解時生産氧化銥，而氧化銥是一種半導體，增加了電極電解時生産氧化銥，而氧化銥是一種半導體，增加了電極中電子傳導阻力，使電解性能下降；另一方面由於電解過中電子傳導阻力，使電解性能下降；另一方面由於電解過程中有氫氧氣産生，多次迴圈後，氣體進入膜與催化劑的程中有氫氧氣産生，多次迴圈後，氣體進入
10、膜與催化劑的介面，可能使化學鍍鉑、銥催化層與膜分離，使電解性能介面，可能使化學鍍鉑、銥催化層與膜分離，使電解性能衰減。需要進一步改進電極製備工藝，提從而提高電極迴衰減。需要進一步改進電極製備工藝，提從而提高電極迴圈使用壽命。圈使用壽命。 15電極v電極反應：陽極：陽極：H H2 22H2H+ +2e+2e- -陰極陰極: :OO2 2+4H+4H+ +4e+4e- -2H2H2 2O+EO+EE=-1.229vE=-1.229v16雙極板v雙極板功能：分隔氧化劑與還原劑收集電流確保電池堆的溫度均勻分佈達到散熱效果17Target ValueTarget Value$10/$10/kgkg包含材
11、料和加工包含材料和加工16100 100 S/cmS/cm或者或者200200S/S/2 2 210-6 11kW/kg (kW/kg (對於交通工具用對於交通工具用) )足夠強度和彈性，允許雙足夠強度和彈性，允許雙極板製作較薄極板製作較薄v雙極板規格特性要求製造成本抗腐蝕性材料導電性材料氣密性重量輕良好的機械性質18EX:石墨雙極板製作 流道設計流道設計石墨素材平面整修石墨素材平面整修建立建立CADCAM模型建檔模型建檔路徑模擬路徑模擬NC加工程式加工程式素材切面素材切面石墨薄面平面整修石墨薄面平面整修雙極板槽孔加工雙極板槽孔加工燃料電池燃料電池雙極板雙極板19多層複合型雙極板20流場流場(氣體通道)(集電器)(氣體擴散器)(觸媒層)(薄膜層)21v流道板實體照片22目前燃料電池商業化之設計23燃料電池的應用24
