第三章 研製結果

第三節 燃料電池(Fuel Cell)

第一款 緒論

1.1 由於汽車工業高度發展,相對的也造成環境的污染,對於汽油車所
排放出之CO2,在美國,加拿大,澳洲分別是其總污染排放之24%,
20%,26%.其他尚有HC佔其總排放接近1/2,CO約佔其總排放之2/3,NO X
佔其總排放超過1/3.
因此,低污染,零污染,增加能源效益的電動車輛蘊育而生,電動車
排放之廢熱,佔汽油車1/10,而電動車排放之噪音,卻比汽油車降低
10-15分貝.而其中最重要的關鍵則在於提供動力的電池.
1.2 適合電動車使用的電池,必需:
價格低廉,高能量密度,充電速度快,自我放電率低,免保養,壽命長.
1.3 電動車至今未能取代內燃機車輛,廣受市場接受的主要原因
電池材料特性:需增加能量密度;電路設計做到較佳的能量管理.
電池充電技術:需縮短充電時間.
電池殘量檢測技術:需改進.
續航力不足:需大幅度增長.

第二款 目前研究重點
2.1 提升容量,提升能量密度,快速充電,充電效率,充電電池容量檢測,
放電電池殘存容量檢測,電池老化.
放電殘存電池容量檢測,可讓使用者,預估電池尚可使用多久,並
可警告使用者,在電池接近放完電時,準備充電或更換電池,以免過
度放電,導致電池產生永久性傷害.
由於鉛酸電池能量密度低,充電時間久,充電效率低,笨重,且易造
成二次污染,現大都以研發低(無）污染,能快速起動之燃料電池為
主.
2.2 電動車主要的缺點在於電池的相關技術之良窳,將會影響電動車之性
能,因此,電動車的電池必須高輸出密度,高重量/體積能量密度,高能
量轉換率,高循環壽命,可深度放電,可快速充電,低自放電率,低價位
,免保養.

第三款 燃料電池之原理
3.1 1839年,英國Sir William Grove在進行電解水的實驗時,便認知從
其逆反應中,可獲得電力,開始燃料電池的發展與研究.
3.2 燃料電池
是一種不需經過燃燒卻能將化學能轉變為電能的發電裝置,由於不
似內燃機,需經複雜的能量轉化程序,因此,發電效率極高,且無污染.
是一種直接將化學能轉化為電能的裝置,步驟簡單,效率高,體積
小;其利用氫氣,甲醇,天然氣,煤氣...等非石油類燃料與純氣或空氣
分別在電池的兩極發生電化學反應,對負載提供連續不斷的直流電,
因此,不需如內燃機藉由燃燒的形式,將熱能轉為功,受到卡諾循環
(Carnot Cycle)的限制,將可減少能源損耗,提高能量轉化效率,且其
化學反應唯一生成物是純水,對環境不會造成污染.無一般電池的更
新與充電問題,當連續進料(氫氣與空氣)時,電能可連續產生.

第四款 燃料電池之種類
第一目 燃料電池依電解質不同可分為:
1.1 磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell - PAFC)-第一代燃料
電池
主要用於地區性的發電廠與大型運輸工具.
以100%濃度磷酸為電解質,用碳化矽粉末製成的maxtrix來吸附高
濃度磷酸,且磷酸穩定度高,所以能在高溫操作,工作溫度約160
~220°C,而100%濃度磷酸可降低水的蒸汽壓,有助於水處理.
由於其氧氣在磷酸溶液中的還原速率比其他的酸性溶液小,所以
啟動慢;餘熱利用率低,不適合低溫操作,因此,發展不如質子交換膜
與高溫型燃料電池.
1.2 熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC)
-第二代燃料電池
以熔融態的鹼性金屬(鉀,納,鋰)碳酸鹽為電解質,用LiAlO2製成
ceramic maxtrix來儲存電解質,因其電解質需在熔融狀態才具有離
子傳導之能力,所以操作溫度約600 ~ 700°C,餘熱利用價值高,適合
區域性分散電站,由於高溫下,反應不受CO之影響,電極反應容易,不
需使用貴金屬做觸媒,在陽極使用較便宜的Ni/Cr/Al即可,陰極為
NiO,反應時,需循環使用CO2.發展上,有高溫反應所產生腐蝕與電解
液滲漏之問題.
1.3 固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell - SOFC)-第三代燃
料電池
以固體,無孔隙金屬化合物,(如Y2O3-stabilized ZrO2),為電解
質,利用氧離子在金體中穿梭,以進行離子傳導,通常陽極為Ni
/ZrO2,陰極為Sr/LaMnO4材料,屬高溫型燃料電池,操作溫度約800
~1000°C.
因此,不需使用貴金屬為觸媒,不受CO毒化之影響.
有管狀,平板狀,塊體狀三種不同型式的設計,其為全固體的結構,
無電解質流失之問題,適合大型建築物中型電站,但有固態電解質
與觸媒層的界面問題,導致性能下降,而電解質堅硬易碎,無法大型
化之問題.
1.4 鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell - AFC),可分為:
1.4.1 高濃度KOH溶液(85% wt),在高溫250°C中操作.
1.4.2 低濃度KOH溶液(35~50% wt),在低溫120°C中操作.
以KOH為電解質,觸媒選擇性很廣,可用Ni,Ag,Spinels及其他貴
金屬,若CO與KOH反應,會形成K2CO3,造成電解質阻抗增大而影響
傳導性,導致性能降低,因此必須做好CO,CO2之檢測,最好使用純
氫,純氧.具有高的能量轉換效率,最早發展適用於太空與軍事用
途(如太空梭,潛水艇等特殊用途).
是燃料電池中,效能最高者,但電解質是鹼性溶液,會與CO2生成
碳酸鹽類,沉積在多孔型電極上,所以無法以空氣作為氧化劑,有
實用上之困難.
1.5 直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell - DMFC)
以氟樹脂系與磺酸根所構成的高分子固態薄膜,,可在低溫下
(60~90°C)操作.
反應機制與質子交換膜燃料電池相似,相異的是直接以甲醇為陽極
燃料供應,而陽極使用的觸媒以Pt,Ru/C代替Pt/C,其優點在於商業化
成本低,運輸與儲存力方便,但其觸媒易遭反應中間物毒化,效能降
低太快,電流密度不足,希提高甲醇使用率與避免未反應甲醇滲透過薄
膜,以提高整體之效率.
1.6 質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell
- PEMFC)
以氟樹脂系與磺酸根所構成的高分子固態薄膜,具有良好質子傳
導能力,而反應只生成液態水,無腐蝕污染問題,但水處理對其效
率有顯著影響,若水分不足,薄膜會脫水,過多,會妨反應氣體在電
極的擴散.操作溫度常低於120°C,可在室溫中快速啟動.
無電解質流失,水易排除,壽命長之優點,適合家庭發電裝置與運
輸工具,為研究主流.
此電池只能以白金(Pt)為觸媒,因此,CO造成白金觸媒毒化的問
題,需加克服.
第二目 燃料電池依操作溫度可分為:
2.1 高溫型:如熔融碳酸鹽燃料電池,其操作溫度為650°C;固態氧化物燃
料電池,其操作溫度為800~1000°C,不需觸媒催化作用且不
受CO毒化之影響
2.2 中溫型:如磷酸燃料電池,其操作溫度為200°C.
2.3 低溫型:如鹼性燃料電池,質子交換膜燃料電池,其操作溫度為60
~90°C.

第五款 燃料電池之優/缺點
5.1 能量轉換效率高,理論上,可達90%以上,實際應用上,可達80%以
上(Comas Haynes).
5.2 無污染,無腐蝕,壽命長,因燃料電池只消耗氫氣,氧氣(由空氣
穫得),生成物為水,除碳氫化合物之燃料電池只有極少量的二
氧化碳排放外,幾無污染.
5.3 可靠度高,反應速度快,噪音低,因其內無運動部件.
5.4 能量比高,因燃料電池需不斷補充燃料,其輸出能量隨時間加長
而增多
5.5 廢熱利用容易.
5.6 可模組化,可變性高.

第六款 質子交換膜燃料電池之優/缺點
5.1 質子交換膜燃料電池之優點
工作溫度低(50~100°C之間),啟動快.
設計簡單.
電解質是固體有機物,不怕震動.
無噪音.
零污染.
能量比高(巡行駛里程長).
因此,特別適合做為交通工具之動力.
5.2 質子交換膜燃料電池之缺點
質子交換膜燃料電池在進行反應後,陰極端會產生水分,造成電池
內部積水,而過多的水分,會將觸媒層覆蓋,使反應氣體無法接近觸
媒進行反應,造成電池效能降低.

第七款 質子交換膜燃料電池之結構與作動:

第一目 結構:
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.
1.2 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:
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.
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
,穿過質子交換膜與氧離子反應;電子經由碳布導離.
1.3 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:
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.
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.
1.4 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.

第二目 作動:
2.1 反應機制:
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.

2.2 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:
H2 -> 2H++2e-

2.3 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)O2得到2個電子還原成H2O2,再還原成H2O
(2)O2連續得到4個電子,直接還原成H2O

第八款 燃料電池之應用:
表3.8.1 燃料電池之應用表

種類 | 磷酸 燃料電池 | 熔融 碳酸鹽 燃料電池 | 固態 氧化物 燃料電池 | 鹼性 燃料電池 | 直接 甲醇 燃料電池 | 質子 交換膜 燃料電池
PAFC | MCFC | SOFC | AFC | DMFC | PEMFC
電解質 | H 3 PO 4 | 65%LiCO 3 /35%K 2 CO 3 | ZrO 2/Y 2 O 3 | 35~45% KOH | 高分子膜 | 高分子膜
移動離子 | H | CO | O | OH | H | H
陽極 | Pt/C | Cr,Al/Ni | Ni/ZrO 2 | Pt/C | Pt/C,Ru/C | Pt/C
陰極 | Pt/C | NiO | Sr/LaMnO 4 | Pt/C | Pt/C | Pt/C
陽極反應 | H 2→ 2H+2e | H 2+CO→ H 2 O+CO 2+2e | H 2+O→ H 2 O+2e | H 2+2OH→ 2H 2 O+2e | CH 3 OH+H 2 O→ CO 2+6H+6e | H 2→ 2H+2e
陰極反應 | ½O 2+2H +2e→H 2 O | ½ O 2+CO 2 +2e→CO | ½ O 2 +2e→O | ½ O 2+H 2 O +2e→2OH | 3/2 O 2+6H +6e→3H 2 O | ½ O 2+2H +2e→H 2 O
全反應 | H 2+½O 2 →H 2 O | H 2+½O 2 →H 2 O | H 2+½O 2 →H 2 O | H 2+½O 2 →H 2 O | CH 3 OH+3/2O 2 →CO 2+2H 2 O | H 2+½O 2 →H 2 O
反應物 | 混合氫氣 CO<1% | 混合氫氣 | 混合氫氣 | 高純度氫氣 | 甲醇 | 混合氫氣 CO<100ppm
燃料 | H 2 | H 2 | H 2 | H 2 | CH 3 OH | H 2
氧化劑 | O 2(Air) | O 2(Air) | O 2(Air) | O 2(Air) | O 2(Air) | O 2(Air)
可用燃料 | 甲醇,天然氣,沼氣,液氫 | 甲醇,石油,煤炭,天然氣 | 甲醇,石油,煤炭,天然氣 | 氫氣 | 甲醇 | 甲醇,天然氣,輕油
電池材料 | 石墨 | 鎳,不銹鋼 | 陶磁 | 金屬 | 金屬,石墨 | 金屬,石墨
操作溫度 | 160~220°C | 500~700°C | 800~1000°C | 60~90°C | 60°C | 50~90°C
操作壓力 | < 120 psi | < 120 psi | 常壓 | < 60 psi | < 75 psi | < 30 psi
啟動時間 | 1~4 h | 5~10 h | 5~10 h | < 0.1 h |  | < 0.1 h
發電效率 | 55% | 60~65% | 55~65% | 50~60% | 50~60% | 50~60%
發展功率 | 11MW | 2MW | 100KW | 80KW |  | 250KW
用途 | 現場型發電機 | 大型發電機組 | 大型發電機組 | 太空梭電力系統運輸動力 | 家用型發電機組, 運輸動力 | 家用型發電機組運輸動力
特性 | 磷酸具腐蝕性, CO 毒化觸媒 廢熱可用 | 需循環使用 CO 2 不受 CO 毒化觸媒 廢熱可用 | 高溫不需觸媒 不受 CO 毒化觸媒 廢熱可用 | 高純氫氧,不含 CO 低溫,低觸媒性 易選擇材料 | 直接用甲醇系統簡 甲醇穿過高分子膜 發電功率低 | 能量與功率功率密度高 低溫,低腐蝕 易選擇材料