《燃料电池实验》word版

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1、燃料電池實驗一、前言：燃料電池是綠色能源科技的明日之星，未來將可取代內燃機成為車輛的動力來源，亦可廣泛應用於3C產品以取代傳統的電池，因此其重要性毋庸置疑。目前全世界各先進國家莫不卯足全力發展燃料電池技術，我國具有優越的設計及生產製造技術，未來在燃料電池產業中，將可繼半導體之後再創另一高峰。燃料電池有以下幾個優點：1.低污染：燃料電池比一般傳統火力發電方式更乾淨，沒有硫氧化物和氮氧化物的排放問題，更沒有核能發電的核廢料處理問題。2.高效率：燃料電池的運作原理簡言之即為水電解的逆反應，直接將燃料中的化學能轉換成電能，與其他發電方式相較，燃料電池的發電方式不

2、需經過層層的能源轉換，能量損失小，有相當高的轉換效率，理論上能量轉換效率可達60％左右。3.用途廣：燃料電池所能提供的電力範圍相當廣泛，小至手機，大至百萬瓦發電廠，都在其適用範圍內。4.燃料來源極廣：只要含有氫原子的化石能源，如石油、天然氣或沼氣、酒精、甲醇等，通過燃料重組器，都可作為燃料電池的燃料。此外，亦可結合核能、生質能、太陽能、風能等發電技術，利用產生的電力製造氫氣並且加以儲存，以便需要時使用。現今使用的燃料電池種類可分為以下六種：直接甲醇燃料電池（directmethanolfuelcell,DMFC）質子交換膜燃料電池（protonexcha

3、ngemembranefuelcell,PEMFC）鹼性燃料電池（alkalinefuelcell,AFC）磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell,PAFC）以上為低溫型，操作溫度在攝氏80~200度間；熔融碳酸鹽燃料電池（moltencarbonatefuelcell,MCFC）固態氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell,SOFC）以上為中高溫型操作溫度在攝氏500~1,000度間。二、實驗目的：本實驗旨在藉由對燃料電池實物之說明講解，配合燃料電池堆之示範操作及性能量測，使學生對燃料電池之構造、運轉原理，以及燃料電池堆

4、之性能能有初步的認識。本實驗之研習要點包含以下三個部份：1.質子交換薄膜燃料電池的基本原理與功能。2.質子交換薄膜燃料電池性能檢測的步驟與方法。3.質子交換薄膜燃料電池相關測試設備儀器的簡介。一、相關知識質子交換膜燃料電池（以下簡稱PEMFC）具有構造簡單、不使用腐蝕性電解液、壽命長、啟動快速等特性。其應用範圍甚廣，自功率僅數W的3C電子產品、數kW的家用發電系統或數十kW的汽車，甚至大至數百kW的巴士皆可使用。近年來政府部門、產業界與學術研究單位皆對PEMFC寄予厚望，並視之為綠色能源的明日之星。PEMFC主要構成元件包括：質子交換膜、電極與雙極板，其

5、中電極部分包含觸媒層與氣體擴散層。PEMFC的觸媒主要是以白金為主。燃料電池之電化學反應陽極半反應：陰極半反應：總反應：圖一單節燃料電池構造示意圖圖二觸媒層結構說明圖圖三不同尺度下碳粒SEM圖不同階段燃料電池性能損失之原因A：活化極化區域(活化過電位)電化學反應進行時所必須釋出之活化能。B：歐母極化區域(歐母過電位)在燃料電池的內部因電流流過電解質、電極、雙極板等部分時，由於材料的電阻所造成的電壓損失。C：濃度極化區域(濃度過電位)在高電流情形下，反應氣體來不及提供電化學反應所需要的反應物，因而造成電壓急遽下降。一、本實驗應注意之事項與實驗步驟(1)注意

6、事項1.實驗室內嚴禁火苗（氫氣為易燃、易爆氣體）。2.請確實依照操作手冊步驟來操作測試平台。3.實驗完畢後必須以氮氣purge，直到電池組的OCV（開環電壓）降至1V以下，才可停止purge的動作。4.冷卻水需用RO純水，增濕罐用水需用去離子水。(2)實驗架設1.將燃料電池放至魚實驗平台上。2.各管路接頭確實鎖上。(附件一)3.循環系統電源開啟，檢查循環系統之流量，使其流量為流量計所標示的數值。4.開啟測試台之電源。5.執行電腦分析程式。1.開啟後方氮氣瓶，調整調壓閥至2kg/cm2。2.以氮氣purge，且塗上肥皂水檢查有無漏氣現象。3.開啟氫氣與氧氣

7、瓶，調整調壓閥至2kg/cm2。4.設定程式，開啟程式。(詳細設定請參考附件二~十三)(2)故障排除1.所有的去離子水的水位需在適當位置，過多或過少都會使警報器響起。2.當實驗機台與電腦程式有不符合現象時，請至機器後方檢查保險絲。3.當警報器響起之後，機器與電腦皆需重新開機才可再度進行實驗。(3)實驗內容1.實驗一：在定電壓下，觀察燃料電池電流大小。2.實驗二：執行燃料電池性能量測，觀察各階段之現象，並討論之。二、問題與討論：1.在固定電壓實驗時，燃料電池輸出的電流會隨時間漸增或漸減？並請討論其原因。2.依據實驗二之數據畫出電池堆之極化曲線（以電流I為橫

8、坐標，電壓V為縱坐標），並將此極化曲線分隔出『活化極化區域』、『歐母極化區域』與