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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,穿過質
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H 2 O 2,再還原成H 2 O
(2)O 2 連續得到4個電子,直接還原成H 2 O

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