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, 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, 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, 燃料電池中, 相對低溫與常壓. 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 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 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 目录 1 構造 2 原理 3 歷史 4 參考資料 5 相關條目 6 外部連結構造 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 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 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 H 2 2 H 2 e displaystyle rm H 2 longrightarrow 2H 2e nbsp E 1 o 0 V displaystyle rm E 1 o 0V nbsp 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 4 H 4 e O 2 2 H 2 O displaystyle rm 4H 4e O 2 longrightarrow 2H 2 O nbsp E 2 o 1 229 V displaystyle rm E 2 o 1 229V nbsp SHE總體電化反應是將化學能自由能差 D G displaystyle rm left Delta G right nbsp 轉變為電動勢 D E displaystyle rm left Delta E right nbsp D E E 2 o E 1 o 1 229 V displaystyle rm Delta E E 2 o E 1 o 1 229V nbsp SHE而 D G D H T D S displaystyle rm Delta G Delta H T Delta S nbsp 氫的反應熱 D H displaystyle rm Delta H nbsp 為 286 k J m o l 1 displaystyle rm 286 it k rm J mol 1 nbsp 熵变 D S displaystyle rm Delta S nbsp 為 163 J m o l 1 K 1 displaystyle rm 163 J mol 1 K 1 nbsp 假設溫度 T displaystyle rm T nbsp 為 57 C displaystyle rm 57 circ C nbsp 即 330 K displaystyle rm 330 K nbsp 時 能量損耗為 T D S 330 K 163 J m o l 1 K 1 53 79 k J m o l 1 displaystyle rm T Delta S 330 K cdot 163 J mol 1 K 1 cong 53 79 it k rm J mol 1 nbsp 故轉換率 D G D H 286 k J m o l 1 53 79 k J m o l 1 286 k J m o l 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 nbsp 也就是在溫度為 57 C displaystyle rm 57 circ C nbsp 時 有81 2 displaystyle rm 81 2 nbsp 的反應熱可以轉換成電能 由此推算 T displaystyle rm T nbsp 為 100 C displaystyle rm 100 circ C nbsp 時 仍有78 7 displaystyle rm 78 7 nbsp 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 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 英语 Proton exchange membrane 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 amp 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 编辑 nbsp 能源主题 nbsp 可再生能源主题 功率重量比 燃料電池 電化學 電解 氫外部連結 编辑燃料電池的演進與原理 永久失效連結 取自 https zh wikipedia org w index php title 質子交換膜燃料電池 amp oldid 79967454, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，
