「九十一年度能源科技學術合作研究發展計劃」成果報告 學門名稱：應 用 科 技 -能 源 科 技 (ET5 燃料電池與氫能利用技術之研發)
計劃名稱：高效能質子交換膜燃料電池最佳化及電池組應用研究(I)
(英文：Optimization of High Performance PEMFC and the Studies of the
Applications of Fuel Cell Stacks I)
計畫編號：NSC91-ET-7-110-001-ET
執行期限：91 年 1 月 1 日至 91 年 12 月 31 日
主持人：
陳龍正國立中山大學機械與機電工程學系 ljchen@mail.nsysu.edu.tw
共同主持人：
李明三 國立中山大學機械與機電工程學系 mslee@mail.nsysu.edu.tw計畫參與人員：
廖明祥、莊雲羽、林佳駿國立中山大學機械與機電工程學系 一、中文摘要 本計畫以實驗方法探討純氫質子交換 膜燃料電池(簡稱 HFC)單電池及電池組的 性能特性。在改變結合扭力、反應氣流之 進氣壓力、溫度及相對濕度、反應室溫度、 觸媒含量、流道面積比或氧化劑種類等條 件下，量測電池電壓及功率與電流密度之 關係，以尋找出電池之最佳設計及操作條 件，提供製作高功率密度之質子交換膜燃 料電池組所需資訊。 實驗發現影響 HFC 輸出功率較大的因 素有氫氣進氣含水量，電池組反應室溫 度、氫氣與氧氣進氣壓力、流道面積比、 電池結合緊密度、陰極側白金觸媒含量等。 在氫氣 80℃飽和濕度、反應區溫度約 80℃，進氣壓力 2 atm，電流密度 1 A/cm2 時，單電池電壓可高達 0.6V 以上，4-cell 電 池組各電池電壓大約在 0.3~0.5 V 之間，進 氣壓力影響電池組電壓比對單電池高。 關鍵詞：質子交換膜、燃料電池、電流密 度、膜極組 Abstract
The characteristics of the performance of single-cells and stacks of HFCs are studied in this project by experimental method. The cell voltage and power density vs. the current density data is obtained by changing the torque, the inlet temperatures and pressures of both hydrogen and oxidizer streams, the relative humidity in hydrogen stream, the operating temperature of stacks, the content of catalyst, the area ratio of flow channel, and the types of oxidizers etc. We hope that the information about the optimal design and operating conditions of fuel cells obtained from this experimental work can be used Eventually to design a high power multiple-cell fuel cell stack.
The experimental results in this study show that the cell voltage is strongly influenced by the humidity ratio in the hydrogen stream, the operating temperature of stacks, the compactness of the cell assembly, the area ratio of flow channel, and Pt content in cathode.
With the hydrogen stream at saturated temperature 80°C, the stack temperature at 80°C, the inlet gas pressures, and the current density 1 A/cm2, the single fuel cell can generate voltages at a value higher than 0.6 V. The voltage of each cell in a 4-cell stack is about 0.3~0.5 V. The inlet pressure affects the stack voltage more than it is in a single cell.
Keywords: PEMFC, current density, MEA
二、計畫的緣由與目的 近幾年質子交換膜燃料電池的研究目 標在於降低生產成本與提高運轉效率，使 質子交換膜燃料電池早日達成商品化。研 究方向除製程及新催化劑外，則朝向雙極 板材料[1]、水與熱的管理[2-5]與高效率電 池組[6-9]的開發等。本計畫之研究亦將朝 向開發高效率電池組及降低生產成本為 主。 本計畫為多年期計畫（90 年 8 月 1 日 至 92 年 12 月 31 日），共分三階段，最終 的目標是發展高性能質子交換膜燃料電池 及其相關應用。第一階段（90 年 8 月 1 日 至 90 年 12 月 31 日），目的在掌握影響單 一燃料電池性能的各個變數及進行 MEA 製作及最佳化。第二階段（91 年 1 月 1 日 至 91 年 12 月 31 日）利用第一階段找出之 最佳化 MEA 設計及製作條件，製作小功率 10~30W 之電池組並進行測試及改良。第一 階段及第二階段工作已順利完成。第三階 段（92 年 1 月 1 日至 92 年 12 月 31 日）燃
料電池之應用研究，發展及製作功率數百 瓦(或數仟瓦)之燃料電池組，可應用在實際 設備，如腳踏車或摩拖車等裝置上，最終 以培養及建立 PEM 燃料電池系統的設計與 製作能力。第三階段工作目前正積極進行 中。 三、研究方法(實驗方法) 氫氣在 PEMFC 的陽極處，經由觸媒的 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，並在陰極處 與氫離子、氧離子結合生成水，圖 1 為質 子交換膜燃料電池單電池結構與運作原理 示意圖。 圖 2 為含加濕裝置之性能測試系統示 意圖。由之前的單電池性能實驗得知交換 膜含水量對電池性能的影響極大。實驗進 行中陽極側的水分子會隨著反應中的氫離 子一起傳遞到陰極側，當高電流密度時， 傳遞速率遠高於陰極因水分子濃度高而擴 散到陽極的濃度擴散速率，因此在高電流 密度時，容易使得陽極側水份逐漸喪失， 此時若無適當的水份補充，則將無足夠的 水分子提供氫離子電泳到陰極的通道，電 池效率將大幅下降。本實驗利用水蒸汽加 濕氫氣及改變氫氣進氣溫度及壓力與電池 本體的反應溫度等條件，探討不同的進氣 壓力、進氣溫度及相對濕度、氧化劑種類 與 Stack 結合扭力等因素對單電池及電池 組輸出電壓及功率的影響。最後找出燃料 電池最佳的設計及操作條件，並將技術及 條件應用到未來各式電池組的設計與製 作。 實驗材料與規格 膜極組： 本實驗使用之膜極組，質子交換膜採 用美國杜邦公司的 Nafion 112，厚度為 2 mils。兩側電極作用面積各為 2.3 cm×2.3 cm。在觸媒(Pt)含量方面，陽極側電極為 0.4 mg/cm2，陰極側電極 1.0 mg/cm2。 本實驗雙極板使用 60mm×60mm×6mm 的石墨板，並於其中一面製作氣體流道， 流道樣式為一連續性傳統型流道，單電池 實驗流道面積比 (流道區面積與總面積之 比) 分別為 58.41﹪與 86.11﹪兩種。電池組 之流道考慮高電流時，反應氣體能較容易 到達反應區，故採用平行流道，如圖 3 所 示，電池組用雙極板除兩端外其餘採兩面 加工，流道面積比 64%。 四、結果與討論 質子交換膜必須要薄膜內充滿水份的 情況下才能發揮最佳效能，如何補充質子 交換膜陽極水份與移除陰極產生的水份， 是重要的研究課題。本研究實驗結果發現 對 PEMFC 單電池輸出功率影響較大的參 數有氫氣進氣含水量，其他影響較大的參 數則有 Stack 反應溫度、氫氣與氧氣進氣壓 力、陰極側白金觸媒含量、低的空氣進氣 溫度與高的空氣進氣壓力等。對輸出功率 影響不大的參數為氫氣進氣溫度、氧氣進 氣溫度、進氣壓力差等。 綜合以上實驗所求得的單電池不同操 作條件下，得到的幾個結果摘述如下： 圖 4 所示為螺栓扭矩（接觸電阻）的影 響，實驗結果顯示，三組實驗之最佳扭矩 為 4N-M，2N-M 時接觸壓力太低，接觸電 阻相對較高，但螺栓扭矩增加超過 4N-M， 電壓降開始下降，原因為電極與電子收集 板間接觸太過緊密，電極碳布內部碳纖維 間的孔隙被過度擠壓變形導致反應氣體無 法在接觸面下方之碳布纖維內自由擴散， 減少反應面積所致。 圖 5 顯示低電流密度區電壓－電流密 度曲線受氫氣進氣溫度影響較大，氫氣進 氣溫度高時，觸媒活性提高，反應速率加 快；但高電流密度區電壓－電流密度曲線 受氫氣進氣濕度影響較大，原因在高電流 密度反應時需要的水份多，相對濕度高可 提供交換膜較多的水份，防止脫水。實驗 顯示當氫氣進氣溫度 80℃、相對濕度 100 ﹪時，比 50%時，可得到相對較佳電壓－ 電流密度特性。 圖 6 顯示，陽極反應區溫度升高，電 壓－電流密度曲線會隨之上升。圖 7 顯示， 同時提高氫氣進氣溫度與電池(Stack)反應 溫度到 80℃，可有效的供應陽極反應區能 量，使反應速度加快，可得到較佳電壓－ 電流密度曲線。 圖 8 顯示，同時增加氫氣與氧氣進氣 壓力可有效提高電壓－電流密度曲線。當 進氣壓力從 1atm 開始上升到 2atm、3atm、 4atm 時，電壓－電流密度曲線明顯上升， 尤其是對中電流密度區間效果最好，進氣 壓力超過 4atm 後，上升幅度減緩。考慮交 換膜使用壽命與進氣加壓成本，氫氣與氧 氣進氣壓力不宜設定太高。 由過去的研究及已發表文獻發現，陽 極側觸媒影響很小，故陽極觸媒將故定為 0.4mg/cm2。圖 9 顯示，當陰極觸媒白金含 量由 0.5 mg/cm2上升到 1.0 mg/cm2時，電 壓－電流密度曲線明顯大幅度提高，而陰 極觸媒白金含量由 1.0 mg/cm2 上升到 2.0 mg/cm2時，電壓－電流密度曲線上升幅度 相對小的多，在分析增加陰極觸媒白金含 量的成本與效果，得知陰極觸媒白金含量 有一極限值，超過此極限值再增加白金的 含量對於電壓－電流密度並沒有顯著的影 響，只是增加的電池成本而已，因此在這 三種 MEA 中，我們認為具有較佳成本與效 能比的是陰極觸媒白金含量為 1.0 mg/cm2
的 MEA。 圖 10 顯示，流道面積比有一個較佳 值，當流道面積比由 58.41﹪提高到 86.11 ﹪時，電壓－電流密度曲線反而降低。推 測為當流道面積比提高時，負責收集電極 電子的肋條面積比下降，造成內電阻增 加，電子收集效率下降，電子無法順利被 導出，而使電壓－電流密度曲線下降。 圖 11 顯示，氧化劑為壓縮空氣時，在 低電流密度區，壓縮空氣的進氣溫度高， 觸媒活性提高，加上氧氣供應充足與生成 反應熱少，電壓－電流密度曲線較高。在 高電流密度區，壓縮空氣進氣的溫度高， 體積膨脹，單位體積壓縮空氣中氧氣的含 量減少，故電壓－電流密度曲線明顯下 降。另外調高壓縮空氣的壓力可增加壓縮 空氣流量，而使電壓－電流密度曲線隨著 上升。當氧化劑為純氧時的電壓-電流密度 曲線高於氧化劑為壓縮空氣時的電壓-電流 密度曲線，尤其在需氧量大的高電流密度 區，兩者差異更是明顯。為了提高效率氧 化劑可考慮使用純氧，以使 PEMFC 輸出功 率提高。 圖 12 顯示 4-cell stack 內四個電池在 2atm 下，電壓與功率密度對電流密度之關 係，由圖發現第 1 及第 4 電池之電壓較高， 第二及第三電池在高電流密度時可能由於 主流道之反應氣體不及補充進入支流道區 而使輸出電壓低於兩端之電池，提高供應 氣體壓力可明顯改善此現象，如表一所 示。圖 13 為總電壓與總功率與電流之關係 圖。
圖 14 及 15 分別為 2-cell, 3-cell, 4-cell stack 之電壓及功率密度與電流密度比較 圖，目前顯示低電流密度區 2-cell stack 電 壓高於其他兩者，高電流密度區 4-cell stack 電壓則高於其他兩者，3-cell stack 可能由於 第一個 cell 的 MEA 有問題反而在高電流時 不如 4-cell stack。 4-cell stack 在高電流密度時平均功率密 度可高達 600 mW 以上，但此時電壓較低， 故此時效率亦可能較低。 五、誌謝 本研究承蒙經濟部能源會與國科會以 NSC–90–ET–7–110–002 與 NSC-91-ET-7-110-001-ET 計劃經費補助， 特此表示感謝。 六、參考文獻
1. “Carbon/Carbon Composite Bipolar Plate for PEMFC,” Theodore M. Besmann, James W. Klett, John J. Henry, Jr., and Edgar Lara-Curzio, Journal of The Electrochemical Society, 147(11), 4083-4086, 2000.
2. “Analyses of Self-humidification and
Suppression of Gas Crossover in Pt-dispersed Polymer Electrolyte Membranes for Fuel Cells,” Watanabe M, Uchida H, and Emori M, Journal of The Electrochemical Society, 145(4), 1137, 1998.
3. “Electro osmotic Drag of Water in Poly(perfluorosulfonic acid) Membranes,” Xiaoming Ren, and Shimshon Gottesfeld, Journal of The Electrochemical Society, 148(1), A87-A93, 2001.
4. “Diffusion of Water in Nafion 115 Membranes,”Sathya Motupally, Aaron J. Becker, and John W. Weidner, Journal of The Electrochemical Society, 147(9),3171-3177, 2000.
5. “A study of the Internal Humidification of an Integrated PEMFC Stack,” K.H.Choi, D.J. Park, Y.W. Rho, Y.T. Kho, T.H. Lee, Journal of Power Sources, 74, 1, 146-150, 1998.
6. “Stack Design and Performance of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell,” Rongzhong Jiang, and Deryn Chu, Journal of Power Sources, 93, 25-31, 2001.
7. “Development of a 1kW Polymer Electrolytefuel Cell Power Source,” T. Susai, A. Kawakami, A. Hamada, Y. Miyake, and Y. Azegami, Journal of Power Sources, 92, 131-138, 2001. 8. “40W PEMFC System For Laptop
Computer Operation in Non-Humidifief Hydrogen and Air,” C. Lim, A. Koschany, and H. Chang, Fuel cell 2000, 803-806, 2000.
9. “Development of a 250KW Class Polymer Electrolyte Fuel Cell Stack,” Kirk Washington, and Ballard Power System, Fuel cell 2000, 468-472, 2000.
七、圖表 圖 1 質子交換膜燃料電池單電池結構與原理示 意 60mm 23mm 1mm 肋條 1mm 4mm 17mm 反應氣體入口 直徑4mm 反應氣體出口 直徑4mm 23mm 7mm 流道配置示意圖 流道 圖 3 Stack 用流道示意圖 圖 2 質子交換膜燃料電池性能測試系統示意圖
圖 4 單電池在不同螺栓扭矩下，電壓-電流密 度特性圖 圖 5 不同相對濕度下，電壓-電流密度特性圖 圖 6 反應溫度 50℃下，不同飽和蒸汽溫度下， 電壓－電流密度特性圖 圖 7 不同反應室溫度下，電壓－電流密度特性 圖。 圖 8 不同進氣壓力下，電壓－電流密度特性 圖 圖 9 不同白金觸媒含量下，電壓--電流密度特 性圖 圖 10 不同流道面積比下，電壓－電流密度特 性圖 圖 11 不同氧化劑種類下，電壓－電流密度特 性圖
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 Nafion 112 Af/At=0.64 H2/O2 : Pt 0.4/ Pt1.0 (mg/cm2) H2 : T=80℃ , Φ=100﹪ O2 : T=24℃ Stack : T=24℃
H2/O2 Pressure (2atm / 2atm)
Toque:80 Kg‧cm 1st cell 2nd cell 3rd cell 4th cell Average Voltage(V) Cu r re n t D e ns i ty ( A/ c m 2) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Power Density(W/cm 2 ) 圖 12 4-cell stack 個別單電池及電池組電壓 及功率密度與電流密度之關係圖 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 Nafion 112 Af/At=0.64 H2/O2 : Pt 0.4/ Pt1.0 (mg/cm2) H2 : T=80℃ , Φ=100﹪ O2 : T=24℃ Stack : T=24℃
H2/O2 Pressure (2atm / 2atm)
Toque:80 Kg‧cm 1st cell 2nd cell 3rd cell 4th cell 4-cell stack Voltage(V) Current(A) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Power(W) 圖 13 4-cell stack 個別單電池及電池組電壓 及總功率與電流之關係圖 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 Nafion 112 Af/At=0.64 H2/O2 : Pt 0.4/ Pt1.0 (mg/cm 2) H2 : T=80℃ , Φ=100﹪ O2 : T=24℃ Stack : T=24℃
H2/O2 Pressure (2atm / 2atm)
Toque:80 Kg‧cm 2-cell stack 3-cell stack 4-cell stack Voltage(V) Cu rr en t De n si ty ( A/ cm 2) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Power Density(W/cm 2 )
圖 14 2-cell, 3-cell 及 4cell 電池組之平均電 壓及功率密度與電流密度關係圖 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Nafion 112 Af/At=0.64 H2/O2 : Pt 0.4/ Pt1.0 (mg/cm 2) H2 : T=80℃ , Φ=100﹪ O2 : T=24℃ Stack : T=24℃
H2/O2 Pressure (2atm / 2atm)
Toque:80 Kg‧cm 2-cell stack 3-cell stack 4-cell stack Voltage (V) Cu r re nt (A ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Power(W)
圖 15 2-cell, 3-cell 及 4cell 電池組之平均電 壓及功率與電流關係圖
表 1 不同進氣壓力及負載下，4-cell 電池組電壓及功率(密度)與電流(密度)之關係 實驗條件：Nafion 112, MEA = 5.29 cm2
; H2/O2 : Pt 0.4/Pt 1.0(mg/cm2)
H2 Temp:80℃, =100%; O2 Temp:24℃; Stack Temp:24℃
Torque:80 kg-cm; 流道面積比：64%
負載 () OCV 100 10 1 0.1
Inlet Gas Pressure (atm) 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
Current Density (mA/cm2) - - 5.9 6.4 47 53 314 380 1980 2320 Voltage (V) 0.98 0.98 0.8 0.88 0.69 0.79 0.54 0.63 0.37 0.35 1st cell Power Density (mW/cm2) - - 4.72 5.63 32.4 41.9 170 239 732.6 812 Voltage (V) 0.92 0.93 0.78 0.83 0.53 0.59 0.24 0.37 0.14 0.21 2nd cell Power Density (mW/cm2) - - 4.6 5.31 24.9 31.3 75.4 141 277.2 487.2 Voltage (V) 0.92 0.93 0.8 0.84 0.64 0.71 0.34 0.41 0.24 0.26 3rd cell Power Density (mW/cm2) - - 4.72 5.38 30.1 37.6 107 156 475.2 603.2 Voltage (V) 0.93 0.94 0.9 0.85 0.62 0.74 0.52 0.61 0.32 0.41 4th cell Power Density (mW/cm2) - - 4.66 5.44 29.1 39.2 163 232 633.6 951.2 Voltage (V) 0.94 0.95 0.79 0.85 0.62 0.71 0.42 0.51 0.263 0.303 Average Power Density (mW/cm2) - - 4.68 5.44 2.91 3.75 130 192 520 702 Voltage (V) 3.75 3.78 3.17 3.4 2.48 2.83 1.66 2.02 1.05 1.21 Current (A) - - 0.03 0.034 0.25 0.28 1.66 2.01 10.47 12.27 4-cell Stack Power (W) - - 0.1 0.12 0.62 0.80 2.76 4.06 11 14.85
