高分子固态电解质应用于燃料电池

高分子固態電解質應用於燃料電池

長庚大學化學工程與材料工程研究所王博彥

一、摘要

隨著科技的日新月異，汽機車、智慧型手機、筆記型電腦等耗能產業越來越多，尋找輕薄電池與新型能源的開發，儼然已成為本世紀最重要的課題。發展同時具有低污染、高效能的新能源開發，已為全球各國一致追求的目標。燃料電池將為本世紀帶來最新型的能源，由於奈米材料的發展，燃料電池科技日益精進，尤其是質子交換膜(proton-exchange membrane, PEM) 與昂貴的白金觸媒塗佈皆在燃料電池中扮演重要的角色。本文主要介紹以高分子薄膜的固態電解質為發展的新型氫能與直接甲醇燃料電池之應用。

二、前言

二十一世紀正式邁入高油價的紀元，工業快速發展，人類追求更便利的生活、製造更多的產品，以供應需求日益增大的人類生活。尋找開發出低污染、高效能的能源，顯然的發展能源已是本世紀的必然趨勢，太陽能、風力、潮汐、地熱、生質柴油都是研究方向，但發展至今也產生了如供應的穩定性、成本過高、耗能、與民爭食等問題；然而優異的能源應該具備源源不絕的來源，且使用完畢後產生的廢棄物不具污染也可以提供人類飲用，其中以燃料電池最具潛力，由於燃料電池基本架構是利用“氫質子”與“氧氣”的化學能結合生成水產生電力，快速的由化學能直接轉換成電能，大大提升能量轉換的效率，不相一般發電機在發電過程中涉及熱能的二次轉換，在汽車工業大廠中，如 Ballard、Toyota、Ford 與 Honda 等公司，已經在汽車大展中發表了燃料電池概念車，台灣也引進了燃料電池巴士試運，台灣工研院、元智大學燃料電池中心、中原薄膜中心也相繼在燃料電池領域上做了相當多的努力，這也意味著燃料電池在市場上運用的可能性。

三、燃料電池簡介[1,2]

1839 年William Robert Grove 爵士發明了第一個燃料電池，但受制於當時的材料科學，無法提供足夠的電流密度；但隨著奈米材料的發展，觸媒材料的奈米化，大大的增加燃料電池觸媒電極的反應面積，燃料電池發展的可行性因此而大為增加。

1960 年代早期，通用電器生產了燃料電池為基礎的電動系統應用於 NASA (Gemini−Apollo) 太空艙，燃料提供發電而產生的副產物純水，可以提供太空人飲用，可說是兼具發電與環保的替代能源新星。

事實上燃料電池並非如一般的拋棄式電池，平時不需充電備用，需要電能時只須要通入燃料即可立即產生電力，因此稱之為環保發電機似乎比較妥當，燃料電池大致可依電解質的不同，區分為以下幾種：

(1)高分子膜燃料電池[2]（Polymer Electrolyte Fuel Cell, (PEFC); Solid

Polymer Electrolyte Fuel Cell, (SPEFC); 或Proton Exchange Membrane

Fuel Cell, (PEMFC)）

(2)鹼性燃料電池[3-5]（Alkaline Fuel Cell, (AFC)）

(3)磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell, (PAFC)）

(4)熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell, (MCFC)）

(5)固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, (SOFC)）

若以溫度分類，PEMFC (80～100℃)，AFC (60～220℃) 及 PAFC (180～200℃) 屬於低溫型，適合應用在日常生活的運輸工具或是 3C 產品上，且值得一提的是副產物都是不具污染性的純水；MCFC (650℃) 屬於中溫型，而 SOFC (1,200℃) 則是高溫型，此中低溫型燃料電池適合運用在發電站，其發電原理大致相同。

燃料電池的種類相當多，由於其操作溫度、發電量以及電池本身的特性，用途也就不盡相同。由於不同種類之燃料電池有不同的用途，其中以高分子薄膜為電解質的質子交換薄膜燃料電池 (PEMFC) 最被廣為研究，因此特地撰文探討高分子薄膜應用於燃料電池的原理與應用。

四、質子交換膜燃料電池 (PEMFC)

(1)陽極端：H2→ 2H++ 2e−

(2)陰極端：O2+ 4H++ 4e−→ 2H2O

圖1 質子交換膜燃料電池

1.質子交換薄膜(黃色部分)[6,7]：

此膜材在質子傳遞過程中需吸附一定量的水份子方能帶動質子有效傳遞，選用高分子膜材必須符合以下條件：

(1)高質子導電度(Proton conductivity >10-2S/cm)

(2)好的機械強度 (Mechanical strength)

(3)耐腐蝕性 (Chemical resistance)

(4)耐久性佳 (Durability)

目前市面上所使用的是杜邦公司所生產的Nafion®薄膜，其薄膜形態如圖2、圖3所示，高分子主鏈分子式相當類似鐵氟龍分子結構，所以此膜材在強烈的氧化還原環境中，結構不容易被破壞。

圖2 杜邦Nafion®117薄膜

圖3 Nafion®117薄膜分子式

2.電極觸媒 (Pt−Ru/C catalyst)：

在低溫型的質子交換膜燃料電池中其陰陽極的半反應中，均需要借助觸媒降低活化能以催化電化學反應。目前質子交換薄膜燃料電池型式普遍

使用鉑 (Pt) 做為氧化與還原反應的觸媒。

3.氣體擴散層 (carbon cloth)：

氣體擴散層的主要功能為保護觸媒，均勻分散燃料至觸媒層 (Pt-Ru/ C) 的表面進行電化學氧化反應生成H+，而在陰極端的氧氣或空氣進入陰極後會經由陰極擴散層分散至陰極觸媒層 (Pt/ C) 進行電化學還原反應生成水，另外它還必須具備優異的電子傳導的特性、陰極端排水功能、尺寸改變與其他元件介面接觸問題，以及氣體擴散孔隙度大小問題。

一般氣體擴散層的材料為碳布或碳紙，須經高溫石墨化使其具有導電性並增加其機械強度以及抗腐蝕性。因為氣體擴散層必須做疏水處理，所以一般會將聚四氟化乙烯溶液 (Teflon solution) 加在氣體擴散層內，可以避免陰極還原反應的副產物造成淹水阻塞而導致氧氣無法進入造成電池性能下降。

4.流道板 (Graphite plate)：

流道板上加工各種形狀的流場溝槽主要是提供反應氣體進出通道，其設計孔道有以下幾項基本原則：

(1)增加氣體對流與擴散能力。

(2)選擇最佳的雙極板開孔率(open area ratio)。

(3)降低近料阻力，減少 pump耗費能量。

5.膜電極組 (Membrane Electrode Assembly，MEA)：

一般為5層結構，由中間薄膜與左右兩側的觸媒和碳布所構成，是為燃料電池的核心，也有人稱之為燃料電池心臟，在陽極端所產生的氫質子經由薄膜傳導至陰極產生還原反應，主宰了整個燃料電池的電池性能，其中薄膜的含水量、觸媒與薄膜之中的介面阻抗也扮演著電池性能的重要關鍵。

五、固態電解質的開發[6,8-12]

現今普遍使用的質子交換膜，仍主要以磺酸化的碳氟系高分子