Jtdcftul

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。

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（英语：Willard Thomas Grubb）和李尼崔奇（英语：Lee Niedrach），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（英语：Nafion）”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

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

查 论 编 電池（伽凡尼電池，即化學電池） 列表 電池类型 伏打電堆 電池（液流电池） 濃差電池 燃料電池 原電池 （非充電型） 鹼性電池 铝空气电池 Bunsen Chromic acid Clark 鋅銅電池 乾電池 Edison-Lalande Grove Leclanché 鋰電池 水銀電池（鋅汞電池） 氫氧電池 Silicon–air 氧化銀電池 韦斯顿电池 Zamboni 锌空气电池 碳锌电池 蓄電池 （充電型） 汽車電池 鉛酸蓄電池 gel / VRLA 鋰空氣電池 鋰離子電池 鋰離子聚合物電池 磷酸锂铁电池（英语：Lithium iron phosphate battery） 鋰钛電池（英语：Lithium–titanate battery） 鋰硫電池（英语：Lithium–sulfur battery） Dual carbon battery Molten salt Nanopore 纳米线電池 鎳鎘電池 Nickel–hydrogen 鎳鐵電池 鎳鋰電池（英语：Nickel–lithium battery） 鎳氫電池（低自放電鎳氫電池） 鎳鋅電池（英语：Nickel–zinc battery） Polysulfide bromide 钾离子电池（英语：Potassium-ion battery） 可充電鹼性電池 钠离子电池 钠硫电池 全釩氧化還原液流電池 锌溴电池（英语：Zinc–bromine battery） 鋅鈰電池（英语：Zinc–cerium battery） 铝离子电池 電池部件 阳极 阴极 催化劑 电极 電解質 半電池 离子 鹽橋 半透膜