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PEM 燃 料 電 池<br />
製 作 : 鄭 富 禎<br />
中 部 汽 訓
前 言<br />
目 前 石 油 產 量 與 存 量 日 益 減 少 , 石 油 原 油 每 桶 售 價 居 高 不 下 ,<br />
目 前 已 高 達 七 十 美 元 左 右 , 使 得 高 油 價 的 現 象 普 遍 在 世 界 各<br />
國 產 生 .<br />
因 應 對 石 油 的 依 賴 必 須 尋 找 替 代 能 源 , 尤 其 世 界 各 大 汽 車 製<br />
造 廠 更 是 積 極 開 發 設 計 , 以 替 代 能 源 為 動 力 減 少 車 輛 對 石 油<br />
能 源 的 依 賴 .<br />
汽 車 為 我 們 最 常 使 用 的 交 通 工 具 , 燃 料 電 池 將 是 各 大 汽 車 製<br />
造 廠 , 裝 在 汽 車 上 取 代 傳 統 的 汽 油 或 柴 油 車 輛 .<br />
本 篇 簡 介 為 介 紹 目 前 各 大 汽 車 製 造 廠 , 廣 為 使 用 且 積 極 研 發<br />
的 替 代 能 源 ,PEM FUEL CELL 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 .<br />
本 篇 文 章 所 使 用 圖 片 皆 為 原 理 介 紹 目 的 而 使 用 , 著 作 權 仍 屬<br />
原 著 作 者 .
燃 料 電 池 的 歷 史 回 顧<br />
♦ 燃 料 電 池 的 起 源 可 以 追 溯 到 19 世 紀 初 歐 洲 的 兩 位 科 學 家 C.F<br />
Schonbein 教 授 與 William R. Grove 爵 士 .<br />
♦ 1839 年 Grove 提 出 氣 體 電 池 實 驗 ,Grove 的 氣 體 電 池 基 本 構 想 是 源 自<br />
水 的 電 解 實 驗 , 水 電 解 過 程 是 用 電 將 水 分 解 成 氫 氣 與 氧 氣 , 反 過<br />
來 ,Grove, 認 為 將 氧 氣 與 氫 氣 反 應 就 有 可 能 逆 轉 電 解 過 程 而 產 生 電 .<br />
水 電 解 : H 2 O + electric power H 2 +1/2 O 2<br />
逆 反 應 : H 2 + 1/2 O 2 H 2 O + electric power<br />
♦ 1889 年 由 L. Mond 與 C.Langer 兩 位 化 學 家 首 度 提 出 [ 燃 料 電 池 ] 名 詞<br />
, 組 裝 的 氣 體 電 池 操 作 電 壓 為 0.73V, 電 流 密 度 為 3.5mA/cm 2 .<br />
♦ 1932 年 培 根 根 據 A.. Schmid 所 提 出 的 多 孔 結 構 之 氣 體 擴 散 電 極 概<br />
念 而 開 發 出 雙 孔 電 極 , 並 將 L. Mond 與 C.Langer 所 發 明 的 裝 置 加 以<br />
改 良 製 作 出 培 根 電 池 , 培 根 電 池 實 際 上 就 是 第 一 個 鹼 性 燃 料 電 池 .<br />
中 部 汽 訓
燃 料 電 池 現 代 史<br />
♦ 燃 料 電 池 的 現 代 史 可 以 從 1960 年 代 初 期 太 空 科 技 談 起 , 當 時 美 國 航<br />
空 太 空 總 署 [NASA], 為 了 尋 找 適 合 作 為 載 人 太 空 船 的 動 力 源 經 過<br />
眾 多 動 力 源 的 分 析 比 較 之 下 認 為 氫 氧 燃 料 電 池 特 別 適 合 作 為 太 空<br />
船 的 主 要 電 源 此 外 燃 料 電 池 反 應 所 產 生 的 水 可 供 太 空 人 飲 用 因 此<br />
NASA 便 開 始 資 助 一 系 列 的 燃 料 電 池 研 究 計 劃 .<br />
♦ 這 一 系 列 研 究 的 第 一 項 成 果 就 是 高 分 子 電 解 質 [Polymer electrolyte]<br />
的 開 發 成 功 .<br />
♦ 20 世 紀 初 期 , 飛 機 製 造 商 普 會 公 司 取 得 培 根 鹼 性 燃 料 電 池 專 利 後 , 便<br />
著 手 進 行 減 重 計 劃 , 而 開 發 出 比 奇 異 [GE] 公 司 的 質 子 交 換 膜 壽 命 更<br />
長 的 鹼 性 燃 料 電 池 .<br />
♦ 1973 年 發 生 石 油 危 機 世 界 各 國 認 知 到 能 源 的 重 要 性 , 在 1993 年 加 拿<br />
大 巴 拉 德 動 力 系 統 公 司 [Ballard Power System], 製 造 出 全 世 界 第 一<br />
輛 以 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 [PEM Fuel Cell] 為 動 力 的 汽 車 .<br />
♦<br />
中 部 汽 訓
氫 燃 料 電 池 基 本 原 理<br />
♦ 氫 氣 + 氧 氣<br />
電 力 + 水<br />
♦ 燃 料 電 池 是 一 種 能 源 直 接 轉 換 裝 置 , 能 將 含 能<br />
的 燃 料 ( 如 氫 氣 、 天 燃 氣 、 甲 醇 、 汽 油 等 ) 及<br />
氧 化 劑 ( 空 氣 、 氧 氣 ) 直 接 經 電 化 學 反 應 方 式<br />
藉 由 氫 氣 結 合 成 水 , 讓 化 學 能 能 夠 直 接 轉 變 為<br />
電 能 。<br />
中 部 汽 訓
燃 料 電 池 的 種 類<br />
♦<br />
♦<br />
♦<br />
鹼 性 燃 料 電 池 [Alkaline Fuel Cell]<br />
1. 運 轉 溫 度 為 攝 氏 50 ~ 200 度<br />
2. 氫 氧 化 鉀 溶 液 當 電 解 質<br />
3. 必 須 使 用 純 氧 氣 與 純 氫 氣<br />
質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 [Proton Exchange Membrane Fuel Cell]<br />
1. 運 轉 溫 度 為 攝 氏 30 ~ 100 度<br />
2. 固 態 且 固 定 式 的 薄 膜 [PEM] 當 電 解 質<br />
3. 構 造 簡 單<br />
4. 必 須 使 用 純 氫 氣<br />
直 接 甲 醇 燃 料 電 池<br />
1. 運 轉 溫 度 為 攝 氏 20 ~ 90 度<br />
2. 構 造 結 構 類 似 於 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池<br />
3. 直 接 使 用 甲 醇 當 燃 料<br />
4. 低 功 率 , 低 效 率<br />
5. 適 合 移 動 電 源 使 用<br />
中 部 汽 訓
燃 料 電 池 的 種 類<br />
♦ 磷 酸 燃 料 電 池 [Phosphoric Acid Fuel Cell]<br />
1. 運 轉 溫 度 為 攝 氏 160 ~ 220 度<br />
2. 磷 酸 溶 液 當 電 解 質<br />
3. 第 一 個 商 業 量 產 製 造 且 普 遍 使 用 的 燃 料 電 池<br />
4. 製 造 價 格 昂 貴<br />
5. 可 連 續 運 轉 一 年 或 更 長 的 時 間 僅 需 少 量 的 保 養<br />
♦ 熔 融 碳 酸 鹽 燃 料 電 池 [Molten Carbonate Fuel Cell]<br />
1. 運 轉 溫 度 為 攝 氏 ~ 650 度<br />
2. 能 夠 直 接 使 用 天 然 氣 , 甲 烷 , 煤 氣 , 當 燃 料<br />
3. 電 解 質 具 有 高 溫 且 具 有 腐 蝕 性<br />
♦ 固 態 氧 化 物 燃 料 電 池 [Solid Oxide Fuel Cell]<br />
1. 運 轉 溫 度 為 攝 氏 500 ~ 1000 度<br />
2. 可 直 接 使 用 天 燃 氣 當 燃 料<br />
3. 製 造 費 用 昂 貴<br />
中 部 汽 訓
PEM 燃 料 電 池 的 構 造<br />
氣 體 擴 散 層<br />
氣 體 擴 散 層<br />
極 板<br />
觸 煤 層<br />
觸 煤 層<br />
膜 電 極 總 成<br />
中 部 汽 訓<br />
極 板
燃 料 電 池 的 運 轉<br />
電 流<br />
氫 氣 燃 料 進 入<br />
氧 氣 進 入<br />
熱<br />
使 用 過 的 氫 氣<br />
流 場 板<br />
氣 體 擴 散 層<br />
觸 煤 層<br />
質 子 交 換 膜<br />
水<br />
流 場 板<br />
氣 體 擴 散 層<br />
觸 煤 層<br />
中 部 汽 訓
PEM 燃 料 電 池 的 膜 電 極 製 作<br />
♦ 分 離 電 極 法<br />
1. 將 Pt /C 固 定 在 碳 布 或 碳 紙 上 .<br />
2. 將 PEM 浸 泡 在 3% 過 氧 化 氫 溶 液 一 小 時 , 硫 酸 溶 液 一 小 時 最 後 以<br />
去 離 子 水 沖 洗 一 小 時 , 去 除 殘 留 的 化 學 物 質 .<br />
3. 在 PEM 的 兩 面 鋪 上 電 極 然 後 以 攝 氏 140 度 及 3~5 bar 的 壓 力 熱 壓 3<br />
分 鐘 .<br />
♦ 直 接 在 PEM 上 建 立 電 極 法<br />
. 將 一 層 很 薄 的 墨 水 噴 塗 在 PEM 的 兩 側 , 然 後 用 熱 烘 乾 的 方 式 固 定 .<br />
墨 水 成 分 = Pt /C + Nafion Solution +PTFE[ 鐵 弗 龍 ]<br />
中 部 汽 訓
PEM 燃 料 電 池 的 串 聯<br />
負 荷<br />
氧<br />
氣<br />
供<br />
給<br />
到<br />
每<br />
個<br />
陰<br />
極<br />
氫<br />
氣<br />
供<br />
給<br />
到<br />
每<br />
一<br />
陽<br />
極<br />
陰<br />
極<br />
電 解 質<br />
陽 極<br />
中 部 汽 訓
燃 料 電 池 典 型 的 操 作 性 能 曲 線<br />
沒 有 損 失 的 電 池 電 壓 1.2V<br />
燃<br />
料<br />
電<br />
池<br />
電<br />
壓<br />
V<br />
即 使 是 開 迴 路 電 壓 也 小 於 理 論 電 壓 值<br />
高 電 流 時 電 壓 開 始 快 速<br />
下 降<br />
初 始 電 壓 迅 速 下 降<br />
電 壓 降 較 緩 慢 曲 線 很 接<br />
近 直 線<br />
電 流 密 度 mA/cm 2<br />
中 部 汽 訓
♦ 活 化 損 失<br />
燃 料 電 池 的 不 可 逆 性<br />
減 少 活 化 損 失 的 方 法<br />
1. 使 用 高 效 率 的 觸 煤 : 如 使 用 白 金 .<br />
2. 增 加 電 極 作 用 面 積 : 如 使 用 多 孔 性 電 極<br />
3. 增 加 反 應 氣 體 濃 度<br />
4. 增 加 壓 力<br />
♦ 燃 料 穿 越 與 內 電 流<br />
♦ 歐 姆 損 失<br />
♦ 濃 度 損 失<br />
中 部 汽 訓
反 應 氣 體 的 組 成<br />
♦ 純 反 應 氣 體<br />
陰 極 : 氧 氣<br />
陽 極 : 氫 氣<br />
♦ 反 應 氣 體 是 混 合 氣<br />
陽 極 : 重 組 燃 料 ,CH 4 CH 3 OH<br />
陰 極 : 空 氣<br />
重 組 過 程 :CH 4 + H 2 O 3H 2 +CO<br />
CO 會 毒 害 白 金 所 以 濃 度 必 須 在 5PPM 以 下 . 故 CO 必 須 執 行 水 - 氣 變 換<br />
反 應 來 減 少 CO<br />
CO +H 2 O H 2 +CO 2<br />
中 部 汽 訓
燃 料 電 池 引 擎 汽 車<br />
♦<br />
♦<br />
♦<br />
朋 馳 汽 車 發 表 以 甲 醇 為 動 力 的 燃<br />
料 電 池 車 NECAR, 如 圖 所 示 .<br />
此 車 時 速 可 達 到 145 公 里 , 每 加 一<br />
次 燃 料 可 以 跑 450 公 里 .<br />
目 前 朋 馳 已 經 量 產 此 種 車 型 , 改 良<br />
後 的 燃 料 車 型 稱 為 NECAR 4.<br />
中 部 汽 訓
未 來 願 景<br />
♦ 燃 料 電 池 的 發 展 對 地 球 環 境 的 保 護 意 義 重 大 , 可 以 大 大 減 緩 全 球 溫<br />
室 效 應 , 科 學 家 甚 至 將 燃 料 電 池 視 為 拯 救 地 球 的 最 後 希 望 之 一 .<br />
♦ 專 家 預 測 , 誰 能 生 產 出 最 便 宜 , 最 實 用 的 燃 料 電 池 車 , 將 會 主 宰 下 一<br />
世 紀 的 汽 車 市 場 .<br />
♦ 以 PEM 燃 料 電 池 為 例 , 製 造 成 本 相 當 高 , 且 關 鍵 技 術 美 國 與 加 拿 大 ,<br />
掌 握 了 最 尖 端 的 核 心 技 術 , 且 嚴 格 管 制 技 術 輸 出 , 所 以 期 待 未 來 製 造<br />
成 本 能 有 突 破 , 大 家 都 有 潔 淨 動 力 的 車 輛 開 上 路 .<br />
♦ 美 國 福 特 汽 車 公 司 表 示 , 燃 料 電 池 車 將 是 下 一 世 紀 , 最 先 進 的 潛 力 產<br />
品 , 目 前 尚 需 克 服 的 是 重 量 , 體 積 , 及 成 本 的 問 題 .<br />
中 部 汽 訓
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