質子交換膜燃料電池結構

質子交換膜燃料電池之結構，是以交換膜與電極組合(Memberane and Electrode Assembly，簡稱 MEA)為中心，配合其兩側提供氣體燃料及氧化劑 (H₂、O₂)與電流收 集等雙重功能的雙極板(bipolar plate)，即構成了 PEMFC。MEA 主要是由陽極與陰極的 兩個不同電極將質子交換膜夾在中間所組合而成的，如圖3.1 所示為單電池構造圖。圖 3.2 所示為單電池組合圖，圖 3.3 所示電池組解剖圖，下面將就組成之重要組件：質子交 換膜、電極、催化劑、墊圈、流場板及電子收集板等，分別加以說明。

一、質子交換膜

質子交換膜的基本功能在於隔絕兩電極，具有低氣體滲透率，可防止氫氣和氧氣 穿透，但能傳導氫離子(質子)完成反應。

目前最常使用的是Nafion 質子交換膜，由美國杜邦（DuPont）生產，其分子式如 圖 3.4 所示，當量重愈低，導質子的能力愈好也就是說官能基—SO3H 的濃度愈高，有

Polytetrafluroethylene（PTFE）和 Perflurosulfonic 組成的全氟化高分子聚合體，分子結構 與鐵氟龍相似，屬於 Perflurocarbon 的高分子離子交換膜。由於分子鏈上的磺酸根在交 換膜中會聚集成Sulphonate 基團，並由許多的 Sulphonate 基團構成離子叢群（Ion Cluster）。

Sulphonate 基團會在孔壁上形成如圖 3.5 上半部所示的情況，由於孔壁上的負電荷，

使得只有帶正電的氫離子可以通過，孔徑的大小對質子穿透交換膜有很大的關係，而孔 徑的大小則與交換膜的含水量有關，因為Sulphonate 基團會因交換膜的含水量減少而變 小，如圖3.5 下半部所示。

除了 Nafion 以外，目前還有其他種類的質子交換膜，如美國的 Dow 生產的 XUS 膜及Dais 使用的 Kraton G1650 和日本 Asahi 生產的 Aciplex 及 Flemion 膜等。

二、電極

燃料電池中的電極大多以碳布或碳紙做基礎，再在其上塗佈催化劑即成為電極，

由於要增加電池的 power density ，必須增加催化劑參與反應的表面積，一個可行的方 法便是將平面的反應表面（交換膜表面）擴張成立體的，除了催化劑的support(碳粉)外，

也利用碳纖維織成內部多細孔像布一樣的材料，用碳的原因是其可導電，能將參與反應 的電子導出或導入，可從觸媒含量、孔隙度、孔徑分佈、厚度、強度等多方面考量碳布 的特性。

陽極電極（氫氣側）

陽極主要是由碳布與催化劑所組成的。通常是將碳纖維織成的碳布塗上一層白金和 碳粉混合的催化劑所製成。依照其中機制的不同，可以分為氣體擴散層（diffusion layer）

和作用層（active layer）兩區域。

1. 氫氣側氣體擴散層（diffusion layer）

氣體擴散層主要是指碳布的部分，碳纖維織成的碳布除了對催化劑提供保護，與擴 大催化劑的作用區域與面積外，並可將電子導入或出，及提供氫分子到達反應區域的通 道。氫氣穿過電極到達催化劑附近的過程中，需藉由擴散（Diffusion）的方式移動，因 此我們稱電極中的這個區域為氣體擴散層。

2. 氫氣側作用層（active layer）

作用層指的是 MEA 中發生電化學反應的地方，也就是電極中的催化劑部分，為了 增加反應面積與減低白金含量，而將白金顆粒與碳粉（support）混合製成。在氫氣側的 作用層中，氫氣會經由白金觸媒的催化釋放出電子轉變為氫離子，電子會經由碳布導離，

氫離子則穿過質子交換膜與氧氣反應。

陰極電極（氧氣側）

陰極的結構與陽極相同，都是由碳布（或碳紙）與催化劑所組成的。因此與陽 極同樣的，陰極也可視為由氣體擴散層與作用層所構成的。

1. 氧氣側氣體擴散層

陰極的氣體擴散層與陽極的一樣，都是使用碳布或碳紙所構成的，氧分子同樣也是 藉由擴散方式移動到達催化劑附近，不同點在於，陰極中的碳布是將參與反應的電子由 外電路導入，而非導離。此外，還需將所生成的水導出。

2. 氧氣側作用層

在陰極的作用層中，氧分子在吸收碳布導入的電子後，與穿過交換膜的氫離子結合 成水，這個反應過程較陽極慢，因此陰極的催化劑含量通常會較高。

三、催化劑

氫氣從分子轉變為原子，再放出電子成為離子的整個電化學反應過程，是靠作用 層 中 之 催 化 劑 才 能 完 成 的 。 催 化 劑 的 表 面 與 反 應 的 氣 體 原 子 間 ， 經 由 化 學 吸 附 (Chemisorption)作用產生化學鍵，此一吸附的速率取決於反應氣體與催化劑表面的碰撞 頻率。在燃料電池中最常用的催化劑是白金，也有研究發現加入一些Ru 可減輕被一氧 化碳毒化的機會，另外還有在電極內加入質子傳導物（Nafion），使觸媒反應區延伸至三 度空間。可從觸媒含量、顆粒大小、分散性、活性、耐熱性、壽命等多方面考量觸媒層 的特性。

四、墊圈

以橡膠或矽膠為基材，目的在防止反應氣體外漏，可從絕緣度、氣密性、彈性與 耐蝕度等多方面考量其特性。

五、雙極板

雙極板提供氣體流道及電子導離等雙重功能，有了 MEA 後，理論上只需供應燃 料氣體(氫與氧或空氣)即可反應發電，但由於為了減少質子交換膜燃料電池的體積與重 量，在形成電池組（Stack）時，每一單一電池的厚度最好小於 3 mm，因此在任一側供 氣體流動的空間為深度小於 1 mm 的寬廣區域（大小取決於電極的面積）。為了加速反 應，必須儘快將反應氣體供應至電極的每一處，因此須要設計流道以導引氣態燃料及氧 化劑。此外，電極上各處所產生的電子亦須在最短的距離內導出，因為電極本身之碳材 料的電阻較高，形成電池的內電阻過高，導致電流大時電壓降也大。故雙極板的選用可 從導電度、導熱度、氣密性、耐蝕性、厚度、製作成本及強度等多方面考量其特性。