質子交換膜燃料電池
質子交換膜燃料電池（英語：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）、定置型（Stationary）與攜帶型（Portable）等機組。
構造
[编辑]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
- 氣體擴散組
- 導電隔離組
原理
[编辑]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：
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：
SHE
SHE
而：
氫的反應熱 為 ，熵变 為 。
假設溫度 為 即 時，能量損耗為：
故轉換率：
也就是在溫度為 時，有的反應熱可以轉換成電能，由此推算， 為 時，仍有的轉換率，是相當有效能的電轉化換。
歷史
[编辑]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
[编辑]- ^ 1.0 1.1 氫能利用技科-燃料電池. 東亞產經資訊網. [2008-08-13]. （原始内容存档于2019-10-24）.
- ^ 2.0 2.1 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）.
- ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 （英文）PEM Fuel Cells. National Museum of American History. [2008-08-14]. （原始内容存档于2011-06-04）.
- ^ 氫燃料電池車乾淨上路. 科學人雜誌網站. [2008-08-14]. （原始内容存档于2006-03-28）.
相關條目
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外部連結
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