高分子电解质燃料电池与半电池实验

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1、燃料電池實驗高分子電解質燃料電池與半電池實驗陳士堃教授編撰一、實驗目的藉由課程內容中的兩個實驗（燃料電池半電池組裝與性能分析、燃料電池全電池組裝與性能分析）讓學生能從材料科學的角度去學習燃料電池的基本原理，並進而了解材料科學對燃料電池未來發展的重要性。二、實驗原理2-1燃料電池原理PEMFC及其他型態Fuelcell之基本原理如圖1所示。以PEMFC為例，它的基本原件是兩個電極夾著一層高分子薄膜之電解質，電解質需要維持溼度（水），使其成為離子之導體。陰陽兩極，除碳粉外也包含白金粉末，白金是最佳催化劑，得以降低電化學反應所需之溫度。

2、圖1、燃料電池反應示意圖。(1)陽極：當一個氫分子氣體輸至多孔之陽極（燃料電極Anode）後，經過質傳（masstransfer12燃料電池實驗）到陽極與催化劑及電解質之介面，會分解為兩個氫離子（質子）及兩個電子：H2→2H++2e-電子由導電體的陽極內部導至外面，經由外接電路形成電流。在供發電使用後，電子導至陰極(空氣電極cathode)。而氫離子也由陽極端而透過可導離子性質（電子絕緣體）之高分子薄膜電解質而抵達陰極。(2)陰極：空氣傳輸至陰極，其中之氧氣分子也由質傳而抵達陰極與催化劑及電解質之介面，與電子及氫離子起電化反應，而

3、產生水及1.229伏特之電壓。反應如下：O2+4H++4e-→2H2O故以上兩極之電化反應式綜合之結果是兩個氫分子與一個氧分子起電化學反應產生四個電子，兩個水分子及一些熱能：2H2+O2→2H2O+熱可見Fuelcell是當燃料（氫氣）及氧化劑（氧氣或空氣）連續輸入時，電、水及熱能也連續產生。它沒有經過燃燒過程，所以不會產生污染，也不像傳統的火力或核能發電，需先產生高溫，將燃料之化學能或核能轉成熱能，用熱能製造高壓及高溫的水蒸氣來推動渦輪機及發電機，使熱能轉換為機械能，再轉為電能。如表1所示，Fuelcell是直接由化學能轉變為電

4、能，因步驟簡單，自然效率就高，體積會小。當多組的單位原件重疊一起時，即可串連增加電壓及電能，又因效率與組數無關，Fuelcell可大可小，應用範圍十分廣闊[1]。表1、燃料電池與傳統發電（火力或核能）之比較。2-2燃料電池半電池測試分析12燃料電池實驗半電池測試可針對燃料電池之單一電極（陽極或陰極）提供精密且多樣化的分析，由於半電池分析法所得到的測試數據為燃料電池之陽極或陰極的單一效應，再加上電化學分析儀器除了可以測試單一電極的放電效能以外，還可以分別針對燃料電池之單一電極（陽極或陰極）的觸媒活性、電子阻抗、離子阻抗、腐蝕性質…等

5、作測試，故可幫助研發人員有效地分析燃料電池中某單一元件（質導膜、觸媒、碳電極材、雙極板）的性質。對於研究燃料電池的材料研發人員而言，燃料電池半電池分析是一項比燃料電池全電池（單電池）分析更為有用的利器。由本實驗室所開發之燃料電池半電池測試（圖2）屬於三極式電化學分析法，是利用半電池測試製具（圖3）上的三個電極來連結恆電位儀，這三個電極分別為工作電極(workingelectrode)、參考電極(referenceelectrode)以及輔助電極(counterelectrode,AUX)。其中，燃料電池單電極的電化學反應是發生於工

6、作電極；參考電極是恆電位儀用來量測工作電極之電位的工具，其具有電化學反應電位相當穩定的特性；而輔助電極則是用來形成完整的電化學反應迴路，本身並不會與電解質溶液發生反應，僅提供電子流通的路徑。圖2、燃料電池半電池分析系統12燃料電池實驗圖3、燃料電池半電池測試製具由於一個電化學反應的速率主要是由反應速率最慢的半反應來決定，該反應稱之為「速率決定步驟」，而以PEMFC而言，使用鉑當作觸媒來進行電催化時，陽極端的氫電極之交換電流密度為0.5mA/cm2，而陰極端的氧電極之交換電流密度卻只有10-5mA/cm2，兩者之差達到五個數量級之多

7、[2]，也就是說整個PEMFC的電化學反應速率主要是由陰極的半反應來決定：H2→2H++2e-（陽極）O2+4H++4e-→2H2O（陰極）．．．．．速率決定步驟---------------------------------------------------------------------------2H2+O2→2H2O（全反應）濃度極化：因為陰極反應需要4個電子，而陽極反應所放出的電子只有2個，因此全反應的反應速率，決定於陰極的反應速率，故會造成濃度極化。所以大多數研究人員在設法提升PEMFC的性能時，都是以研究PE

8、MFC的陰極為主。因此，在本實驗中則是在高分子電解質的一面貼上已塗佈觸媒的碳布並通入氧氣來當作工作電極，高分子電解質的另一面則是面對1M的硫酸水溶液，由於硫酸是強電解質，因此反應所需的H+便是由它來提供。進行燃料電池半電池測試分析時，會將液態電解質