PEM燃料电池性能测试-中兴大学机械系.doc

《PEM燃料电池性能测试-中兴大学机械系.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、PEM燃料電池性能測試(本實驗請攜帶紙、筆及隨身碟)一、實驗目的人類發展過程的能源使用出現了許多問題，油價不斷創下新高，石油產地動盪不安、衝突不斷，一再顯示一個嚴重的警訊，石油的儲量已日漸枯竭，人類若不在本世紀找到替代石油的能源方案，未來的發展勢必會受到限制，因搶奪石油而產生的戰爭將不可避免。而這種替代能源有許多種型態諸如:水力、風力、潮汐、地熱、生質能、太陽能、氫能(燃料電池)等等。這裡提及到的再生能源，都有一個特性，就是能夠在自然環境中生生不息、循環不已。氫能源科技以零污染的特色成為最重要的新興能源，氫能源科技的應用包括直接燃燒與使用電化學原理的燃料電池兩種，而無論就污染，效率，

2、或應用範圍來看，燃料電池都將成為未來能源科技的重要選項。概括而論，燃料電池是一種可靠的能源轉換裝置，只要不斷的供給燃料即可連續不斷電，而且容易維護及再生使用，也不會製造惱人的噪音與環境污染，能量效率與運轉穩定性皆較傳統內燃機高，並且可進行模組化設計等優點。本實驗透過燃料電池測試平台，藉由量測時間、電壓、電流及功率等來了解質子交換膜燃料電池(PEMFC)之性能，也使同學們對燃料電池有更進一步認識。二、實驗原理質子交換膜燃料電池(PEMFC)如圖2.1所示，其是以氫氣與氧氣為反應物，其透過觸媒使陽極氫分子(H2)催化分解成氫離子和電子，電子由陽極內部導至外面，經由外電路形成電流，供發電使

3、用後導至陰極，氫離子由陽極透過可導離子(電子絕緣體)之高分子質子交換膜抵達陰極，空氣或氧氣輸送至陰極，其中氧分子(O2)經催化劑與電子(e-)及氫離子(H+)反應產生水，整個過程的產物有水、電能(理論1.23V)和熱能。在25℃、1atm下，其反應過程以下列化學方程式來表示，陽極：H2→2H++2e-Erev,a=0V氧化反應,可逆平衡電位陰極：1/2O2+2H++2e-→H2OErev,c=1.229V還原反應,可逆平衡電位總反應：H2+1/2O2→H2OErev,cell=1.229V平衡電位差圖2.1：質子交換膜燃料電池(PEMFC)質子交換膜燃料電池的核心組件可分為薄膜(me

4、mbrane)、電極(electrode)觸媒層(catalystlayer)、氣體擴散層(gasdiffusionlayer)及雙極板(bipolarplates)。其中薄膜它是導質子的高分子膜，其兩面分別為正、負電極的觸媒層，也就是陰極與陽極中間夾了一層質子交換膜，可經熱壓程序製作成型，電極(觸媒層)與雙極板間則還有一層氣體擴散層(gasdiffusionlayer)。質子交換膜為高分子聚合物，有傳導氫離子的功能，其一側供應氫氣(陽極)，另一側供應氧氣(陰極)，且能隔絕兩側的反應氣體，而適當水分有助於膜內氫離子的傳導，水是在陰極產生，水太多會留在陰極，使氧氣輸送受到影響，水不足會

5、使質子交換膜過於乾燥，增加氫離子的阻抗，使質子傳導功能變差。陰極及陽極皆使用以白金為主的電催化觸媒，也就是觸媒層(catalystlayer)，其是以碳粒作為載體的微細白金顆粒(Pt/C)，混合粘結劑溶液塗敷在碳布一側而成，觸媒層是電化學反應發生的地方，為了加快反應速度，觸媒層要有較大的反應面積，通常以縮小白金粒徑來增加反應面積，但陰極觸媒層的生成物水若不能迅速移除，反應面積將被水淹沒，會降低反應速度。氣體擴散層(gasdiffusionlayer)為多孔性、低孔隙率的導電材料、經疏水處理所形成，通常使用Teflon的碳布或碳紙製成，主要是作為電子傳導、反應物之通入及產物的排出之通路

6、，也可支撐起質子交換膜與觸媒層，並加強其機械穩定性。流道板一般是使用石墨板、金屬板、或複合石墨、碳纖維板為材料，具高導電性亦是熱的良導體，確保電子傳導性及散熱溫度均勻分布，經加工成各類氣體的導流槽，作為氣體流道，使反應氣體在整個電極各處均勻分布，有收集電流之功用。PEMFC可在室溫下開機，操作溫度約為60℃~80℃，較沒有腐蝕的問題，體積小及能量密度高等優點，在10kW以下的燃料電池以PEMFC的技術最為成熟，可應用在巴士、汽車、一般家庭的電力供給、可攜式電力供給(筆記型電腦及手機)和熱水回收的發電系統等。理論上當反應為等溫，等壓，且可逆狀態時，反應所釋出化學能能完全轉換成電能Wel

7、e，能量釋出淨值為氫氧反應生成水的自由能(Gibbsfreeenergy)之差，如下所示：在25℃，100kPa時，-J/mole(l)，0，0，故反應所釋出化學能為-J/mole，即若反應生成的水為液態，則每1mole的氫氣可產出J的能量。如自由能完全轉換成電能，則燃料電池的電位可計算如下：，，其中為理想電位，n為交換電子數目，F為法拉第常數96500(c/mole)。因氫氣反應可釋放兩個電子，n=2，故在25℃，100kPa時，燃料電池的輸出電位為1.