第三章 質子交換膜燃料電池結構與工作原理
3.2 質子交換膜燃料電池工作原理
一、質子交換膜燃料電池的作用原理
氫氣在PEMFC 的陽極處，經由觸媒的吸附及催化作用，反應分離為氫離子與電子，
氫離子經質子交換膜移動到陰極，而電子經由外部負載做功後回到陰極，並在陰極觸媒 層處與氫離子、氧分子結合生成可飲用的水，其工作原理如圖3.6 所示。
PEMFC 陽極側反應方程式：
H
2+2M 2MH
2MH 2M+2H
++ 2e
－H
22H
+ + 2e－PEMFC 陰極側可能反應方程式：
2O
2+2H
++2M+2e
－MHO
22MHO
22MO+H
2O
22M+ H
2O
22MOH
2MO+2 H
++ 2e
－2MOH 4MOH+ 4H
++4 e
－4M+4H
2O O
2+4H+ +4e－ 2H2OPEMFC 總反應式：
H2(g)+1/2O2(g) →H2O (l)
在燃料電池中，其能量釋出淨值為生成物與反應物之Enthalpy 值的差，即
∆H = H∑ REACTANT − H∑ PRODUCT
同樣的，可輸出之最大電力即Gibbs 自由能的變化量，可表示為
∆G = G∑ REACTANT − G∑ PRODUCT
在標準狀況1 atm 及 25℃下，∆G = -56.7 kcal/mole,
∆H
= -68.3 kcal/mole理想效率之定義為，在固定溫度與壓力下，每單位之Enthalpy 變化量的有用 功。因為有用功(Exergy)即 Gibbs 自由能，因此燃料電池的理想效率為
η = ∆G
子數目，F 為一 mole 電子的帶電量（法拉第常數 96,500 Coulomb/mole），為定值。n 為 2，∆G0為237346 J/mole，
故其可逆電壓Er0為1.23 Volt，是理想的開路電壓(open circuit voltage)值，實際輸出 電壓值會隨溫度與壓力變化。
子）穿過交換膜，都屬於mass transfer 的現象。在電池中，mass transfer 的基本模式有 三種：
1. migration -氫離子受到兩電極間形成的電場，或交換膜之孔內壁的負電荷等影響，
所產生的移動。
2. diffusion -氫離子受到濃度梯度影響所產生的移動。
3. convection -由攪拌或流體力學的傳輸，包括由密度梯度造成的 natural convection，
及forced convection。
影響
MEA 性能的因素影響MEA 性能的因素很多，我們依照各組件分別列舉如下：
氣體擴散層：孔洞的多寡及形狀、厚度、斥水性、導電性。
作用層：催化劑種類（不同金屬）、成分、含量、晶粒大小、分佈、孔多寡及形狀。
質子交換膜：厚度、含水量、側鏈長度、孔洞結構、孔洞大小與多寡及反應溫度等。
不同材料之接觸面：接觸壓力、接合面粗糙度等會影響接觸電阻。
由於這些因素的影響，使得 MEA 在輸出功率時，不能維持理想電壓值（1.23V），
隨著電流的增大，而明顯的降低其值，如圖3.7 之實線所示。電壓與電流密度的關係曲 線可由明顯的斜率變化區分成A、B 和 C 三個區域，每一個區域內影響的因素皆不同。
在 A 區域時，MEA 在輸出低電流密度時受超電位（包括 activation overpotential, concentration overpotential）的影響，使得 MEA 在零電流時的電壓無法到達理論值，且 輸出小電流密度時電壓快速下降的現象。
B 區域的損失，主要是來自於離子與電子轉移時受到內電阻（ohmic）R 的影響。
R ＝ Rim ＋ Re ＋ Rec
Rim代表交換膜的離子電阻，Re代表交換膜與電極的離子接觸電阻與電極中的內電
阻，Rec則代表反應室與電極的接觸電阻、反應室本身材料的內電阻和外部負載電阻。
在區域C 中，輸出的電流密度最高，由於反應大量的發生，需要的反應氣體分子數 目也高，但反應氣體、離子的傳輸受到質傳限制（mass transfer limitation），來不及提供 作用層反應所需的分子數目，使得MEA 輸出的電壓降，降低輸出的功率。