質子交換膜燃料電池
質子交換膜燃料電池構造與運作原理示意圖，上方輸入氫氣，前側導入氧氣，產生電力、水與熱。
質子交換膜燃料電池（英语：Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱：PEMFC），又稱固體高分子電解質燃料電池（Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells），是一種以含氫燃料與空氣作用產生電力與熱力的燃料電池，運作溫度在 50℃ 至 100℃，無需加壓或減壓，以高分子質子交換膜為傳導媒介，沒有任何化學液體，發電後產生純水和熱。
燃料電池中，質子交換膜燃料電池相對低溫與常壓的特性，加上對人體無化學危險、對環境無害，適合應用在日常生活，所以被發展應用在運輸動力型（Transport）、現場型（Stationary）與攜帶型（Portable）等機組。
目录
1 構造
2 原理
3 歷史
4 參考資料
5 相關條目
6 外部連結
構造
質子交換膜燃料電池每一個電池組，一般是由十一層結構所組成[1][2][3]：
- 電極組
- 中間層為高分子質子交換膜，簡稱交換膜，是固態高分子電解材料，用以傳送質子，且須隔阻電子與氣體通過；
- 其兩邊外側為觸媒反應層，陽極與陰極的電化學反應分別在此兩層進行，目前以鉑／碳或鉑／釕／碳粉體為觸媒；
- 氣體擴散組
- 觸媒層兩邊外側是兩層擴散層，為經疏水處理以避免水分阻塞的碳纖維，能將反應物擴散至觸媒反應層，並將生成物擴散排出；
- 擴散層兩邊外側為兩層流場板，與擴散層接觸面有許多氣體導流槽，反應物與生成物即經由這些導流槽進出燃料電池；
- 導電隔離組
- 於流場板外側是導電板，負責收集電流，再經由電路傳送至負載；
- 最外層有兩片壓板，用以固定與隔離保護整個電池組。
原理
質子交換膜燃料電池的原理是：[1][4]首先氫分子經由陽極端流場板的氣體導流槽進入電池組，經擴散層到陽極觸媒反應層，經陽極觸媒作用氧化為氫離子（也就是質子），與釋出電子，這化學反應過程稱為陽極半反應：
H2⟶2H++2e−{displaystyle {rm {H_{2}longrightarrow 2H^{+}+2e^{-}}}}
E1o=0V{displaystyle {rm {E_{1}^{o}=0V}}}SHE（標準氫電極）
然後氫離子受電滲透力驅策，伴隨數個水分子，經由交換膜輸送至另一端的陰極觸媒反應層。接著游離的電子經導電板收集，因電位差的原故，通過連接在導電板上的電路，流向陰極的導電板，變成電流產生電力，電子最後會由陰極導電板送到陰極觸媒反應層。
最後氫離子、電子、加上由陰極流場板輸送來空氣中的氧氣，匯集在陰極觸媒反應層，經陰極觸媒催化而產生水，這化學反應過程稱為陰極半反應：
4H++4e−+O2⟶2H2O{displaystyle {rm {4H^{+}+4e^{-}+O_{2}longrightarrow 2H_{2}O}}}
E2o=1.229V{displaystyle {rm {E_{2}^{o}=1.229V}}}SHE
總體電化反應是將化學能自由能差 (ΔG){displaystyle {rm {left(Delta Gright)}}} 轉變為電動勢 (ΔE){displaystyle {rm {left(Delta Eright)}}} ：
ΔE=E2o−E1o=1.229V{displaystyle {rm {Delta E=E_{2}^{o}-E_{1}^{o}=1.229V}}}SHE
而：
ΔG=ΔH−TΔS{displaystyle {rm {Delta G=Delta H-TDelta S;}}}
氫的反應熱 ΔH{displaystyle {rm {Delta H;}}} 為 286kJmol−1{displaystyle {rm {286;{it {k{rm {J,{mol}^{-1}}}}}}}}，熵变 ΔS{displaystyle {rm {Delta S;}}} 為 163Jmol−1K−1{displaystyle {rm {163;J,{mol}^{-1},{K}^{-1}}}}。
假設溫度 T{displaystyle {rm {T;}}} 為 57∘C{displaystyle {rm {57^{circ }C}}} 即 330K{displaystyle {rm {330;K}}} 時，能量損耗為：
TΔS=330K⋅163Jmol−1K−1≅53.79kJmol−1{displaystyle {rm {TDelta S=330;Kcdot 163;J,{mol}^{-1},{K}^{-1}cong 53.79;{it {k{rm {J,{mol}^{-1}}}}}}}}
故轉換率：
ΔGΔH=286kJmol−1−53.79kJmol−1286kJmol−1≅81.2%{displaystyle {rm {{frac {Delta G}{Delta H}}={frac {286;{it {k{rm {J,{mol}^{-1}-53.79;{it {k{rm {J,{mol}^{-1}}}}}}}}}}{286;{it {k{rm {J,{mol}^{-1}}}}}}}cong 81.2%}}}
也就是在溫度為 57∘C{displaystyle {rm {57^{circ }C}}} 時，有81.2%{displaystyle {rm {81.2%;}}}的反應熱可以轉換成電能，由此推算，T{displaystyle {rm {T;}}} 為 100∘C{displaystyle {rm {100^{circ }C}}}時，仍有78.7%{displaystyle {rm {78.7%;}}}的轉換率，是相當有效能的電化轉換。
歷史
1960年代中期，美國奇異公司的威勒湯瑪士葛洛伯和李尼崔奇，參與了美國海軍船務署與美國陸軍通訊兵團的一項專案，要求發展一種小型燃料電池，便發明了以質子交換膜為電解質的燃料電池[3]。
第一個成品，是使用氫化鋰放入水來產生氫，並製作成拋棄式的燃料匣，方便攜帶又容易置換，但由於電極板是貴重金屬鉑（白金），生產成本非常高昂[3]。
奇異的質子交換膜燃料電池“PB2”，被選定參與美國太空總署的雙子星座計劃，該計劃的主要目的為在太空中測試各種設備與狀況，以供後來以登月為目標的阿波羅計劃參考設計，但剛開始時時PB2遇到了電池組汙染與氧從交換膜滲漏等問題，雙子星1號到4號都沒有採用[3]。
奇異公司重新設計電池，採用了杜邦公司的“納飛安”離子聚合膜為交換膜，代替之前的磺化聚苯乙烯膜，新電池名為“P3”，從雙子星5號開始被採用至最後的雙子星10號。惟於後來的阿波羅計劃與太空梭改為採用鹼性燃料電池[3]。
奇異公司持續不斷研發新的質子交換膜電池，在1970年代中期，發展出一種水電解技術，可以支援水中生活，應用在美國海軍的氧氣生產工廠，英國皇家海軍於1980年代初採用此項技術於其潛水艇艦隊[3]。
1980年代後期至1990年代，美國的洛斯阿拉莫斯國家實驗室與德州A&M大學，致力於實驗如何減少質子交換膜電池對鉑的使用量。
近來因奈米科技發展，已能將只有數奈米的鉑鍍在炭黑或碳粉上，不僅大幅降低鉑的使用量，並且使能量密度得以大幅提升[2]。
參考資料
^ 1.01.1 氫能利用技科-燃料電池. 東亞產經資訊網. [2008-08-13].
^ 2.02.1 燃料電池的演進. 行政院國家科學委員會. [2008-08-14]. （原始内容存档于2008-05-18）.
^ 3.03.13.23.33.43.5 （英文）PEM Fuel Cells. National Museum of American History. [2008-08-14].
^ 氫燃料電池車乾淨上路. 科學人雜誌網站. [2008-08-14].
相關條目
- 功率重量比
- 燃料電池
- 電化學
- 電解
- 氫
外部連結
- 燃料電池的演進與原理
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