《燃料电池实验》word版.doc

燃料電池實驗一、 前言： 燃料電池是綠色能源科技的明日之星，未來將可取代內燃機成為車輛的動力來源，亦可廣泛應用於3C產品以取代傳統的電池，因此其重要性毋庸置疑。目前全世界各先進國家莫不卯足全力發展燃料電池技術，我國具有優越的設計及生產製造技術，未來在燃料電池產業中，將可繼半導體之後再創另一高峰。燃料電池有以下幾個優點：1. 低污染：燃料電池比一般傳統火力發電方式更乾淨，沒有硫氧化物和氮氧化物的排放問題，更沒有核能發電的核廢料處理問題。2. 高效率：燃料電池的運作原理簡言之即為水電解的逆反應，直接將燃料中的化學能轉換成電能，與其他發電方式相較，燃料電池的發電方式不需經過層層的能源轉換，能量損失小，有相當高的轉換效率，理論上能量轉換效率可達60左右。3. 用途廣：燃料電池所能提供的電力範圍相當廣泛，小至手機，大至百萬瓦發電廠，都在其適用範圍內。4. 燃料來源極廣：只要含有氫原子的化石能源，如石油、天然氣或沼氣、酒精、甲醇等，通過燃料重組器，都可作為燃料電池的燃料。此外，亦可結合核能、生質能、太陽能、風能等發電技術，利用產生的電力製造氫氣並且加以儲存，以便需要時使用。現今使用的燃料電池種類可分為以下六種：直接甲醇燃料電池（direct methanol fuel cell, DMFC）質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）鹼性燃料電池（alkaline fuel cell, AFC）磷酸燃料電池（phosphoric acid fuel cell, PAFC）以上為低溫型，操作溫度在攝氏80200 度間；熔融碳酸鹽燃料電池（molten carbonate fuel cell, MCFC）固態氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell, SOFC）以上為中高溫型操作溫度在攝氏5001,000 度間。二、 實驗目的：本實驗旨在藉由對燃料電池實物之說明講解，配合燃料電池堆之示範操作及性能量測，使學生對燃料電池之構造、運轉原理，以及燃料電池堆之性能能有初步的認識。本實驗之研習要點包含以下三個部份：1. 質子交換薄膜燃料電池的基本原理與功能。2. 質子交換薄膜燃料電池性能檢測的步驟與方法。3. 質子交換薄膜燃料電池相關測試設備儀器的簡介。三、 相關知識質子交換膜燃料電池（以下簡稱PEMFC）具有構造簡單、不使用腐蝕性電解液、壽命長、啟動快速等特性。其應用範圍甚廣，自功率僅數W的3C電子產品、數kW的家用發電系統或數十kW的汽車，甚至大至數百kW的巴士皆可使用。近年來政府部門、產業界與學術研究單位皆對PEMFC寄予厚望，並視之為綠色能源的明日之星。PEMFC主要構成元件包括：質子交換膜、電極與雙極板，其中電極部分包含觸媒層與氣體擴散層。PEMFC的觸媒主要是以白為主。燃料電池之電化學反應陽極半反應：陰極半反應：總 反 應：圖一 單節燃料電池構造示意圖圖二 觸媒層結構說明圖圖三 不同尺度下碳粒SEM圖 不同階段燃料電池性能損失之原因A：活化極化區域(活化過電位)電化學反應進行時所必須釋出之活化能。B：歐母極化區域(歐母過電位)在燃料電池的內部因電流流過電解質、電極、雙極板等部分時，由於材料的電阻所造成的電壓損失。C：濃度極化區域(濃度過電位)在高電流情形下，反應氣體來不及提供電化學反應所需要的反應物，因而造成電壓急遽下降。四、 本實驗應注意之事項與實驗步驟(1) 注意事項1. 實驗室內嚴禁火苗（氫氣為易燃、易爆氣體）。2. 請確實依照操作手冊步驟來操作測試平台。3. 實驗完畢後必須以氮氣purge，直到電池組的OCV（開環電壓）降至1V以下，才可停止purge 的動作。4. 冷卻水需用RO 純水，增濕罐用水需用去離子水。(2) 實驗架設1. 將燃料電池放至魚實驗平台上。2. 各管路接頭確實鎖上。(附件一)3. 循環系統電源開啟，檢查循環系統之流量，使其流量為流量計所標示的數值。4. 開啟測試台之電源。5. 執行電腦分析程式。6. 開啟後方氮氣瓶，調整調壓閥至2 kg/cm2 。7. 以氮氣purge，且塗上肥皂水檢查有無漏氣現象。8. 開啟氫氣與氧氣瓶，調整調壓閥至2 kg/cm2。 9. 設定程式，開啟程式。(詳細設定請參考附件二十三)(3) 故障排除1. 所有的去離子水的水位需在適當位置，過多或過少都會使警報器響起。2. 當實驗機台與電腦程式有不符合現象時，請至機器後方檢查保險絲。3. 當警報器響起之後，機器與電腦皆需重新開機才可再度進行實驗。(4) 實驗內容1. 實驗一：在定電壓下，觀察燃料電池電流大小。2. 實驗二：執行燃料電池性能量測，觀察各階段之現象，並討論之。五、 問題與討論：1. 在固定電壓實驗時，燃料電池輸出的電流會隨時間漸增或漸減？並請討論其原因。2. 依據實驗二之數據畫出電池堆之極化曲線（以電流 I 為橫坐標，電壓 V 為縱坐標），並將此極化曲線分隔出活化極化區域、歐母極化 區域與濃度極化區域。3. 根據燃料電池之極化曲線，舉出可能影響燃料電池放電效能之參數並且加以討論。4.