第六節  質子交換膜燃料電池之結構與作動:

6.1  結構:

6.1.1  交換膜電極組(Membrane Electrode Assembly - MEA):
           質子交換膜燃料電池結構以交換膜電極組為核心,交換膜電極組是以觸媒層
       為主要結構,是陽極電極與陰極電極將質子交換膜夾在中間所組合而成,希找出
       最佳的觸媒層成分物,以獲得最佳的電池.

6.1.1.1  陽極電極(氫氧側):
             陽極電極通常是由碳纖維織成的碳布,塗上一層白金與碳粉混合的催化劑
         所製成,依其中的機制不同,可分為氣體擴散層與作用層兩區域:
6.1.1.1.1  氫氧側氣體擴散層(diffusion layer):
               通常用碳布支撐的部分,除對催化劑提供保護,擴大催化劑的作用面積,
           亦可將電子導出,及提供氫分子到達反應區域的通道.當氫氣在穿過電極到
           達催化劑附近的過程時,需藉由擴散的方式移動,因此稱電極中的此區域為
           氫氧側氣體擴散層.
6.1.1.1.2.  氫氧側作用層(active layer):
                氫氧側作用層是交換膜與電極組發生電化學反應的地方,亦即電極中
            的催化部分;氫氣會經由白金觸媒的催化釋放出電子轉變成氫離子,穿過

            子交換膜與氧離子反應;電子經由碳布導離.

6.1.1.2  陰極電極(氧氧側):
             陰極電極通常是由碳纖維織成的碳布,塗上一層白金與碳粉混合的催化劑
         所製成,依其中的機制不同,可分為:
6.1.1.2.1  氧氧側氣體擴散層(diffusion layer):
               通常用碳布支撐的部分,除對催化劑提供保護,擴大催化劑的作用面積,
           亦可將電子導入,及提供氧分子到達反應區域的通道.
               當氧氣在穿過電極到達催化劑附近的過程時,需藉由擴散的方式移動,
           因此稱電極中的此區域為氧氧側氣體擴散層.
6.1.1.2.2  氧氧側作用層(active layer):
               氧氧側作用層是交換膜與電極組發生電化學反應的地方,亦即電極中的
           催化部分;氧分子在吸收經由碳布導入的電子後,與穿過質子交換膜的氫離
           子反應,結合成水.

6.1.1.3.  質子交換膜:
              質子交換膜的基本功能:在隔絕兩側電極,卻能傳導氫離子完成反應.
              質子交換膜的基本結構:是多孔的固體,孔內含水,氫離子以migration與
          擴散(diffusion)的方式,移動至氧氣側.
              目前有美國DuPont的Nafin,美國Dow的XUS,美國Dais的Kraton G1650,日
          本Asahi的Aciplex...等質子交換膜之類別.

6.2  作動:

6.1.4  反應機制:
6.1.4.1  在電池反應時,膜電極內發生下列過程:
         (1)反應氣體在擴散層內擴散.
         (2)氣體在催化層內被催化劑吸收並發生電催化反應. 
         (3)質子在固體電解質(質子交換膜)內傳遞到對側,同時,電子在電極內傳遞至
            集電板.

6.1.4.2.  陽極反應:
          氫氣進入陽極室,經由多孔氣體陽極的擴散層,擴散到催化層,發生下列反應:
          H
2 -> 2H++2e-

6.1.4.3.  陰極反應:
              氧氣在陰極與經過質子交換膜傳遞過來的質子發生反應過程中,往往出
          現中間價態的離子,隨電極材料,反應條件的不同,會有不同的機制與控制步
          驟.
              各廠家做法不同;基本上分為2類:
              (1)O
2得到2個電子還原成H2O2,再還原成H2
              (2)O
2連續得到4個電子,直接還原成H2O