燃料電池性能測試

Philip 等人[10]認為改善 PEM 燃料電池的性能，可以從降低反應室與電極間接觸 電阻或提高電子的傳導性著手。由於傳統的石墨板易碎，價格昂貴，難以加工，故尋求 能優於傳統石墨板之其他電流收集板的材料，以降低內電阻來提高輸出功率，並比較鋁 板、傳統石墨板(Graphite)、鈦（Ti）板、316L 不鏽鋼板及高溫燒結的石墨（Grafoil）等 製成的多種反應室，所得到的結果卻是一般金屬材料反應室並不比非金屬 Grafoil 來得 好 ，因為 Grafoil 容易加工製造流道、耐腐蝕，且和電極的接觸良好，可降低內電阻，

屬於易壓製材料，可防止氣體外漏，是作為組裝電池組（Stack）的極好材料。另外影響 電池性能因素為流道（Channel）設計，其中流道的寬度及導電的肋條（rib）寬度比例 及分佈會影響電池性能，流道區越大，氣體反應面積越大，但導電的肋條區相對地減少，

和電極接觸面積也就減少，內電阻也就提高，所以必須在兩者之間取得一平衡值。文獻

[10]在作用面積為 50 cm²下實驗求得流道寬度為1 mm，骨架寬度為 2 mm，可得到最佳 效能。

Miachon 等人[32]在反應室內與 MEA 間插入多孔狀的結構，並沒有流道的設計，

同時解決因傳統流道會因組合時過大的壓力而擠壓電極表面。

EP 公司所發表的文獻中介紹電池組，在電池組中，兩個單電池間電流收集板需特 別的設計，使收集板兩面都有流道，因此又稱此種設計為雙極流場板（bipolar collector separator plate）。整個燃料電池中雙極流場板成本約佔 MEA 之 60%，故針對流場板的接 合劑、接合材料及鑄模技術加以改善，以降低成本。

Murphy 等[33]則以 stack 的體積、重量及成本為考量，探索以鈦合金的反應室取代 目前以石墨製成雙極板（bipolar plate）的方式。

Chu 等[25]針對四種厚度不同的薄膜（Nafion 117、115、112、105）進行單一電池 性能測試，實驗結果顯示Nafion 112 有較佳性能，而且環境溫度越高 Nafion 112 的功率 輸出越佳。因為在高溫時內電阻降低，離子的傳導能力增加，而且兩側電極的反應也變 快。另外測試100 W 的燃料電池組指出，在高溼度（RH=90）及較高溫度下均能得到較 佳輸出功率，電池組進行反應時會放熱，往往內部溫度會比外界環境高 26 ℃以上。電 池組在低溫下反應，由於質傳（mass transfer）能力不佳以及水分容易凝結，會造成電 壓降，對輸出功率有極大影響。

Boyer 等人[34]針對燃料電池內膜極組（Membrane Electrode Assembly，簡稱 MEA）

做了相當程度的實驗，並探討膜極組的最佳化。最佳化過程包括質子交換膜厚度的改善，

和觸媒層白金含量多寡對燃料電池效率的影響等。實驗結果顯示質子交換膜的厚度會影 響輸出電壓，厚度越厚所造成的電壓降就越大，也就是離子傳導性會受到Nafion 薄膜厚

度的影響。觸媒層上的白金含量增多有助於其輸出功率，但增加超出某一極限值後，對 整體效率的提昇並沒有多大幫助，實驗結果顯示白金臨界厚度介於20~25µ m 之間，超 出此值所輸出電壓不再有明顯助益。

Choi 等人[35]針對水處理的問題進行研究改善，並對燃料電池之內加濕器（internal humidifier）的薄膜進行測試。水分處理適當的話往往能對效能提昇有明顯的改善。另外，

燃料電池內多孔性電解質（polymer electrolyte）也需要有足夠水分來保持離子傳導性，

因為離子傳導性和多孔性電解質的水合作用（hydration）有直接關係。另外若以 Nafion 為質子交換膜，也必須保持適當水分，否則也會降低對質子的傳導能力。使用 Nafion 質子交換膜，其厚度越厚的話，則水管理技術更是額外重要。測試時可在燃料電池內部 設置加濕器（humidifier）以保持燃料電池內的水份，並針對加濕器內三種滲透薄膜（UF、

RO、Nafion115）進行測試，結果顯示使用 UF 薄膜的內加濕器對燃料電池輸出電壓最 穩定，不會隨操作時間增加而有電壓劇降的狀況。

除了反應室的設計外，將來若將燃料電池運用到交通工具上，電池體積的限制也 會是考量的因素。Heinzel 等[36]的文獻中可以清楚瞭解到，我們可由所需的總電流來計 算出作用電極的面積，另一方面只要改變單一電池的寬長比（width/length ratio），亦可 得到相同電壓及功率輸出。電池非作用區也要有一定的空間來使氣體流動以及架設一些 機械元件，故所需電池體積的大小是作用面（active area）的幾何函數。較小電池體積 的最佳作用面幾何和單一電池的數目及結構比（frame ratio）有關，也就是在固定結構 比的條件下，電池的數目和作用面成反比；若固定電池數目的條件下，作用面的面積越 大，則結構比也越大。

Paganin[37]研究發現數個單一電池（cell）所組成的電池（stack），其性能卻比單 一電池的性能差，主要是因為水分產生後之排除不易，當然電池組所含電池數目越多，

效能自然也就不佳。另外較大反應面積的單一電池的性能也未必比反應面積較小的電池 好，因為內部飽和或過飽和氣體在較長的流道內流動，導致反應氣體溫度下降造成水分 凝結，使得MEA 內的交換膜有效反應面積減少。

Barbir 等[38]對於燃料電池本體的研發進行經濟和效率的考量。內容提到電池效率 是能量密度的函數，而且燃料電池產生電力的最佳化不僅是由電池效能來決定，也需由 經濟效益方面來考量（例如反應氣體H₂的費用、電池耗材費用等）。分析不同負載曲線、

發展形式、成本預估等來做電池效率及經濟的評估