台灣位處於太平洋西側，為一海島地形四面環海，海岸線長達 1,137 公里，在海上大氣與海水面產生局部相互交感結果，當海水波 浪破碎成浪花之際，極小的水滴向空中射出而形成，此等噴射出來知 小水滴再藉擴散作用擴散至空中，由海潮風將帶有海水鹽霧及飛砂向 內陸吹移，其中鹽分(NaCl 和 CaCl2等)含有量可達 0.046 ~ 0.455 % [55]。當夏季颱風或東北季風來臨時，鹽霧向內陸散佈可達 25~55 公 里之遙。假使未來燃料電池使用在沿海地區，其陰極燃料氣體必須使 用含有氯化鹽類的空氣。此外，水下載具逐漸利用燃料電池，在使用 陰極燃料氣體時也可能會含有氯化鹽類的存在，若在以上情形使用含 有氯化鹽類之陰極燃料氣體，是否會對燃料電池造成某種程度的影 響？另外環境污染的影響，造成空氣中會存在游離金屬離子，且燃料 電池的集電板與端板多為金屬材料，在長時間的操作下，這些材料可 能因為腐蝕也會產生金屬離子，這些金屬離子隨著氣體進入電池內部 薄膜[51-54]，薄膜內有其他非 H+ 陽離子存在，或者電池在操作時，
因為輸入氣體含有不潔陽離子、不純的加溼蒸氣及氣體腐蝕流道等因 素，會造成薄膜內受到污染，對薄膜內的水含量、薄膜的導電度、水 傳輸係數等有相當的影響。所以本文特別針對陰極氣體中氯化鹽類含 量濃度變化加以研究，探討陰極氣體中含有不同氯化鹽類種類及含量 濃度對於質子交換膜燃料電池整體效能之影響及影響的機制。
圖1-1 燃料電池的應用範圍之概括圖[工研院能資所提供]
Fuel Cells
1 W 10 W 100 W 1 kW 10 kW 100kW 1 MW 10 MW 100MW 1GW
二、理論分析 2.1 燃料電池的基本原理
燃料電池為一藉由電化學反應將儲存於燃料內的化學能轉換成 電 能 的 一 種 發 電 裝 置 。 其 主 要 構 造 包 含 有 陽 極(Anode)、電解質 (Electrolyte)和陰極(Cathode)三大部分，如圖 2-1 所示典型的單個燃料 電池的構造。其中陽極與陰極為了能讓反應物通過參與反應並傳送反
之3 KW 之燃料電池組。圖 2-4 為 3 KW 燃料電池組的測試機台與電
為吉柏自由能(Gibbs free energy)；n 為每分子燃料傳導電子數；F 為 法拉第常數(Faraday constant)。
理想的電壓是指外電流無限小、電極反應速度無限大、電池上的 反應物質毫無阻力地進行電極反應，產生或得到的電子立即輸送或反 應消耗，因而保持電池表面的帶電狀態不變。而實際電極反應時不可 能沒有阻力，電流也不是無限小，因而產生過電位。根據電池反應過 程阻力的性質劃分為四種極化類型，如圖2-5 所示：
2.2.1 燃料穿越與內電流(Fuel crossover and internal current)
此能量損失源自燃料穿越電解質之浪費以及電子通過電解質之 傳導，此效應一般不大，但在低溫電池較明顯。
2.2.2 活化極化(Activation polarization)
為了使反應能順利進行，所加的電壓必須大於平衡狀態之值，意 即氫離子與電子分離時需吸收能量，破壞兩者之間的化學鍵結能量，
藉以克服能量障礙，使反應得以進行，此多外加的電壓極為活化過電
位(Activation overpotential)。活化過電位通常與電極物質的活性有
2.2.3 歐姆極化(Ohmic polarization)
歐姆極化是由電解質中的離子或電極中的電子導電阻力引起
2.2.4 濃度極化(Concentration polarization)
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 Ta為80 oC，
陰極增溼溫度 Tc 為常溫；陽極反應氣體為氫氣，體積流率Va= 500 sccm；陰極反應氣體為氧氣時，體積流率Vc= 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