濃度極化

2.2 燃料電池極化性能曲線

2.2.4 濃度極化

濃度極化是由緩慢的擴散過程引起的，由於擴散緩慢(擴散阻力較

濃度過電位(Concentration overpontential)的計算，計算式如下：

圖2-1 氫氧燃料電池構造示意圖

陽極平板陰極平板

圖2-2 單一薄膜電極裝置之質子交換膜燃料電池的立體示意圖陽極氣體擴散層

陽極觸媒層

質子交換膜

陰極觸媒層

陰極氣體擴散層

圖 2-3 工業技術研究院能源與資源研究所中氫能源應用研究組所研發出之 3 KW 之燃料電池組

圖 2-4 工業技術研究院能源與資源研究所中氫能源應用研究組所研發出之 3 KW 燃料電池組的電池組與測試機台

圖2-5 理想與真實之極化性能曲線圖 Current density ( A/cm² )

Potential( Volt )

理想電壓活化過電位損失

歐姆過電位損失

實際工作電壓

濃度過電位損失

三、實驗設備與分析

為提高鉑的利用率和減少鉑的用量，鉑均以奈米級顆粒形式高分散地擔載到導電、抗腐蝕的載體上，至今最常用的載體為乙炔碳黑。而本實驗所使用標準測試電池的觸媒層為GORE-TEX^®所生產製造，在陽極側的鉑與釕(Ru)合金擔載含量為 0.45 mg/cm²，陰極側的鉑合金擔載含量為0.6 mg/cm²，觸媒層與質子交換膜總厚度為35 µm。

(3) 氣體擴散層(Gas diffusion layer)

氣體擴散層是燃料電池的重要組成構造，反應氣體需經過擴散層

(5) 氣封墊(Gasket)

(6) 集電板(Collector plate)與端板(End plate)

集電板的功用為收集與傳導電子，提供外部電路所需之電壓，此

(4) 然後照順序：氣封墊 ⇒ 氣體擴散層 ⇒ 觸媒層 ⇒ 質子交換膜

⇒ 觸媒層 ⇒ 氣體擴散層 ⇒ 氣封墊放入。

(5) 再順著由(3)到(1)的步驟，將所有電池構造重疊完成。

(6) 將螺帽鎖在螺栓上，標準測試電池即組裝完成。在此必須注意螺帽鎖的方法必須以對角方式鎖於螺栓上，且每一螺帽所鎖的扭力必須相等，扭力皆為120 kgf cm‧ ，此因防止電池產生某處應力集中，而影響電池性能。

3.2 實驗設備

3.2.1 測試機台

本實驗所使用之測試機台為工業技術研究院能源與資源研究所中氫能源應用研究組所設計製造，其外觀如圖3-4 所示。此測試機台構造包括電子負載器、溫控器(含溫度顯示器與熱電偶)、加熱器、流量控制器、流量顯示器、增濕水瓶(含液位顯示器)、背壓調壓閥及背壓壓力表，詳細規格列於表3-1、3-2 與 3-3。由電腦程式控制流入電池的氣體體積流率與操作溫度等參數，經量測系統量測電壓、電流等數值後，再經由電腦程式做運算得到所需要的參數，其管路配置流程示意圖如圖3-5 所示。

3.2.2 混合瓶

為了能讓氯化鹽類與氧氣混合，設計一個含有超音波震盪器與混合室的密閉瓶子。利用超音波震盪器，將氯化鹽類水溶液震盪成微小水分子，此水分子聚集成霧狀，於混合室中與氧氣或空氣均勻混合後

進入燃料電池內部，模型示意圖如3-6 所示。圖 3-7 為混合瓶實體圖，

3.2.3 掃描式電子顯微鏡(Scanning electron Microscope, SEM)

掃描式電子顯微鏡的基本原理與電視之運作在基本上是類似用，產生各種訊號，如二次電子(secondary electrons, SE)、背向散射電子(backscattered electrons, BE)、吸收電子(absorbed electrons, AE)、

透射電子(transmitted electrons, TE)、X 射線(X-ray)及陰極螢光(cathode luminescence)等。

訊號經由適當之檢測器(detector)接收後經放大器放大，然後送到顯像管上成像。由於掃描線圈上的電流與顯像管相對應偏轉線圈上的電流是同歩的，因此，試件表面上任意點所產生之訊號與顯像管之螢光屏上對應點的亮度一一對應。藉著逐點成像的原理，利用電子束在

試件上掃描，打在試件上的每一點，螢光屏上即出現一亮點與之對應，且隨著相對應檢視器所接收訊號之強弱，而有不同之亮點。因之，

試件之特徵、形貌及由此亮點組合成像，皆可一一表現出來。此SEM 設備申請使用於私立南開技術學院自動化工程系。

3.2.4 X 射線能量散佈分析儀 (Energy dispersive x-ray spectrometer, EDS)

掃描式電子顯微鏡(SEM)附加的 X 射線能量散佈分析儀，已成為 X-rays)，這些特性的 X 射線經過一個薄層的鈹窗(beryllium windows) 而達到矽偵測器時，由於離子化而產生電子─電洞對。電子─電洞對

來處理、儲存或直接顯示，也可以繪圖機畫出X 射線光譜的強度─能量圖。

3.3 實驗步驟

本實驗所固定的操作溫度T 為 65 ^oC，陽極增溼溫度 T_a為80 ^oC，

陰極增溼溫度 T_c 為常溫；陽極反應氣體為氫氣，體積流率V_a= 500 sccm；陰極反應氣體為氧氣時，體積流率V_c= 500 sccm，為空氣時，

體積流率Vc= 1000 sccm。實驗流程步驟如下：

(1) 先將機台上供應氣體管線接上電池，再將負載與量測的電線接於集電板，在此必須注意電池之極性，黑色線接陽極，紅色線接陰極。並將熱電偶及加熱棒插入適當的位置。

(2) 將連接氧氣(或空氣)、氮氣與氫氣的高壓氣鋼瓶管路開關打開，再將管壓調節閥調至 100 psig 以下，打開管路閥門使氣體導入機台中。氮氣的目的是為了在提供反應氣體(氫與氧)給電池前與結束後，用氮氣進行清洗淨化(purge)的動作，將機台管路及電池內部的雜質與水隨著氮氣而沖刷出去，淨化時間約5 分鐘。

(3) 將增濕水瓶水量加到八分滿。開啟測試機台及電腦電源，將電腦內控制程式打開，設定操作溫度Tcell = 65^oC、陽極增溼溫度 Ta = 80

oC，氫氣體積流率Va = 500 sccm 及氧氣體積流率Vc = 500 sccm 或是空氣流率V = 1000 sccm。此時氮氣開始進入電池，進行操作前c

清洗進化的動作。

(4) 打開機台上的反應氣體管路閥門，執行程式讓反應氣體開始進入電池管路，此時氮氣停止供應，之後等待溫度到達所設定之值。

同時，也開啟超音波加濕機的電源，使震盪水氣量達到穩定狀態，

估計達到穩定狀態需3 分鐘。

(5) 待系統穩定後，將此時電壓紀錄下來，此電壓為開電路電壓(open circuit voltage, OCV)。啟動電壓負載，之後可按照不同的測試條件，以進行電池性能測試。

(6) 測試完畢後，在電池內部還會有殘餘的氫氣與氧氣，為防止殘餘氣體在電池內部反應，因此在測試完成後，電池需以氮氣再度進行清靜淨化的動作約10 分鐘。完成後即可關閉測試機台與氣體。

3.4 誤差分析

任何的實驗量測都會有誤差的產生，這是在工程上量測無法避免的，造成誤差的來源包括所使用的方法與設備、環境條件及操作者等，此時我們必須合理的估算量測誤差值，本實驗測試機台誤差校正，為工研院能源與資源所所校正誤差，將結果如表3-4 所示。

3.5 氣體氯化鹽濃度分析

為了得知進入電池內部鹽分濃度多寡，必須計算氯化鹽水溶液消耗量，所以必須先得知氯化鹽類之分子量。氯化鈉(NaCl)分子量 58.5 克，氯化鈣(CaCl2)分子量 111 克。在調配各種不同濃度氯化鹽水溶液時，需紀錄其一公升體積的鹽水溶液重量。再以等比例法計算出每小時消耗鹽水溶液內氯化鹽所佔的重量，同時查表查得陰極燃料氣體在常溫下的密度，在標準狀態下氧氣密度為1.429 g/L，空氣密度為 1.293 g/L，將氣體的體積換算出氣體的重量。將消耗掉的氯化鹽重量除以

混合氯化鹽類氣體重量總合，即為氣體內氯化鹽重量比，單位為 PPM。其計算公式如下：

氯化鹽類濃度(PPM) = ₊ ^×¹⁰⁶

w g

W s w

M M

M M M

(3-6)

其中 M_W為一公升氯化鹽水溶液的重量；M_w為每小時消耗掉的氯化鹽水溶液的重量；M_g為每小時消耗掉的氣體重量，M_s為一公升氯化鹽水溶液內氯化鹽的重量。本實驗為了將濃度表示簡單化，將實驗中所量測之值及平均列於表3-5、3-6 及 3-7，故之後之濃度表示皆為平均濃度。

表3-1 測試機台之電子負載規格

表3-3 燃料電池測試系統規格

硬體名稱數量廠牌規格 / 型號

排水閥 2 SMC AW30-03BDG Switching

Power Supply 1 —— 5V，100A，500W 19” 儀器架 1 整合 RA3070-0

電磁閥 3 Burkert 061317X 501062S 控制電路板 1 能資所自製 ——

加水瓶 1 能資所自製 ——

表3-4 誤差分析表

設備名稱使用範圍誤差值電壓 0 ~ 50 V -0.7375 % 電流 0 ~ 60 A 0.7375 % 流量計(氫氣) 2000 sccm 以內 -0.14 % 流量計(氧氣) 2000 sccm 以內 -0.042 % 溫控器(氫氣) 25 ~ 100 ℃ -0.46 % 溫控器(氧氣) 25 ~ 100 ℃ -0.29 % 溫控器(電池) 25 ~ 100 ℃ 0 %

誤差值 ±1.185 %

表 3-5 調配一公升不同濃度氯化鹽水溶液重量與氯化鹽重量表氯化鹽水溶液濃度 MW (公克) Ms (公克)

0.1M NaCl 1000.1 5.85

1M NaCl 1036.9 58.5

2M NaCl 1074.1 117

0.1M CaCl2 1003.7 11.1

0.5M CaCl2 1036.5 55.5

表 3-6 陰極氣體為空氣，體積流率為 1000 sccm，每小時消耗重量參數表

氯化鹽水

溶液濃度操作電流 Mw (公克) Mg (公克) 濃度 (PPM) 1M

NaCl 25A 16.8 77.58 10043 0.5M

CaCl2

25A 16.5 77.58 9391

表 3-7 陰極氣體為氧氣，體積流率為 500 sccm，每小時消耗重量參

圖 3-1 標準測試之單一薄膜電極裝置的質子交換膜燃料電池組裝前的配件圖

圖3-2 標準測試之單一薄膜電極裝置的質子交換膜燃料電池

圖3-3 標準電池組裝流程圖

圖3-4 燃料電池測試機台組

圖3-5 測試機台管路配置流程示意圖

圖3-6 氯化鹽類混合瓶示意圖混合室

含氯化鹽類之水分子氣封墊圈

氯化鹽類水溶液混合室主體

上蓋熱電偶混合氣體出口混合氣體入口

超音波震盪器

圖 3-7 混合瓶實體圖

圖3-8 超音波震盪器

四、結果與討論 4.1 電池活化

圖4-1 為電池活化過程之極化性能曲線圖。每個新組裝完成之質子交換膜燃料電池在實驗量測數據前，必須經過活化電池的動作。活化電池的目的是經由反應產生的水以及氣體增濕所帶入電池的水，將質子交換膜增濕至飽和狀態，以達到最高的質子傳輸率。在觸媒層同樣因為不斷的化學反應進行，將鉑與氣體的反應接觸面積增大，使得反應速率加快。由極化性能曲線可看出燃料電池的質子交換膜是否達到水飽和的狀態。圖4-1 第 1~4 條曲線為第一天活化隨機所量測而得的，第5~8 為第二天活化隨機所量測而得。由圖中可以發現在第一天活化過程，電池的性能隨著時間而提昇，也就是說其性能曲線的高低為4 > 3 > 2 > 1；到了第二天電池的性能提昇到穩定的狀態，5~8 的性能曲線變化不大，所以可以判斷活化電池時間兩天以足夠讓質子交換膜達到水飽和狀態，使得電池性能達到穩定，可以進行電池的條件測試。

由第二章得知，電池極化性能曲線圖在高電流密度時，會因化學反應加快，觸媒層產生大量的水堵塞氣體擴散層的孔隙，稱為水淹渍 (Flooding)，造成反應氣體無法到達觸媒層，氣體不足以供應電池產生反應，所以發生明顯的電壓降，產生極限電流。但是本實驗測試機台的電子負載器最高額定電流為 60 A，使得無法將電流密度提高，

在文檔中氯化鹽類對質子交換膜燃料電池性能影響之研究 (頁 36-0)