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研究生:黃興秦
研究生(外文):Shing-chin Huang
論文名稱:一體式可再生燃料電池之雙效膜電極組研究
論文名稱(外文):study on bifunctional membrane electrode assembly of unitized regenerative
指導教授:林建良林建良引用關係
指導教授(外文):Chien-liang Lin
學位類別:碩士
校院名稱:明道大學
系所名稱:材料科學與工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:110
中文關鍵詞:雙效膜電極組一體式可再生燃料電池水蒸氣電解
外文關鍵詞:steam electrolysisbifunctional MEAURFC
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一體式可再生燃料電池 (Unitized Regenerative Fuel Cell, URFC) 在同一組件中完成燃料電池 (Fuel Cell, FC)與水電解 (Water Electrolysis, WE)功能,燃料電池的燃料 H2 與氧化劑 O2 可通過水電解過程得以再生,重而起到蓄能供電的雙重作用。由於 URFC存在著氧電極電催化與穩定性不佳等情形,限制 URFC 的應用,因而發展具有高穩定性之雙效氧電極 ,及其後之雙效膜電極 (Membrane Electrode Assembly, MEA)為 URFC 之關鍵。
本研究首先比較 URFC 雙效膜電極組之不同製程技術,包括參照組、傳統法、轉印法與直印法等。分別測試在 FC 與 WE 模式下各種製程之 MEA 於不同溫度與加濕條件下其性能、產氫率差異。
實驗中轉印法在所有測試中都有較佳的性能,推論轉印法為最佳製程方法。溫度的提昇可促進觸媒的電化學反應,提高反應速率,故可提昇燃料電池與水電解效率,所以溫度對電池性能有極大影響。之後於轉印法試片加以改良,主要為改變膜電極組親水性,或者在觸媒漿料中添加導電高分子 PEDOT 。最後並進行水電解模式下以水蒸氣取代去離子水為陽極進料測試。
水電解測試時,在 MEA 的表面親疏水性會影響水電解時的效能,於實驗中利用表面處理後改變表面親疏水性,結果顯示表面親水性越好的 MEA 其水電解效能也越佳。另外添加導電高分子實驗結果顯示能提昇水電解效能最高達25%,而燃料電池效能稍稍下降5%,推測其原因為添加導電高分子後能降低 MEA 之片電阻,同時增加試片表面親水性,而燃料電池效能下降原因推測為親水性表面所導致。陽極為水蒸氣進料,電池溫度90℃時,與去離子水進料比較兩者之產氫量則相差無幾,當電池溫度提昇至100℃時其電解效能與產氫量則高出電池溫度為90℃時效能28%,可推斷出以水蒸氣為陽極進料時電池溫度100℃時為最佳操作條件。添加導電高分子試片於水蒸氣進料,電池溫度為100℃時,電池的電解性能與產氫率較電池溫度為90℃時可提昇18%。
Unitized Regenerative Fuel Cell is capable of operating both as a fuel cell and as water electrolysis. In Unitized Regenerative fuel cell oxidant agent O2 and fuel agent H2 can be regenerated through water electrolysis process, so it can provides two functions as a storage and a power provider. Unitized Regenerative Fuel cell has the deftness in electrocatalytic behavior and stability of oxygen duel effective electrode. Both of these deftness will restrict the Unitized Regenerative Fuel cell application. In this research, improvement of the above behavior has been studied.
Comparation of the different technology of Unitized Regenerative Fuel cell bifunctional MEA process has been studied. This study includes the reference group, application of the catalyst layer to the Gas diffusion layer, transfer method and application of the catalyst layer to the membrane to test fuel cell and water electrolysis mode in a variety of process under different temperature, humidity’s efficiency, and hydrogen production rate.
Results show that transfer method has the best efficiency in all tests. Rising the temperature of the catalyst can promote the electrochemical reaction and the reaction rate according to the activation energy barrier effect. Therefore rising temperature can enhance the efficiency of fuel cell and water electrolysis. After adding the hydrophilic Conductive polymer into the catalyst in transfer printing method process. the efficiency of cell and water electrolysis can also be enhanced.
The water vapor has also been used in replace of water in electrolysis test. In water electrolysis test, hydrophilic effect in surface will affect the water electrolysis efficiency. The results shows that hydrophilic surface MEA has better water electrolysis efficiency. The experimental results confirm that adding conducting polymers can raise the efficiency by 25% on water electrolysis mode, That fuel cell performance decreased slightly by 5%, The hydrophilic behavior at the conductive polymer can account for both the increase efficiency of water electrolysis and decreasing effect of fuel cell function.
When the steam is used, at the temperature 90℃, the deionized water fuel and steam fuel are almost the same in the amount of hydrogen production. If the battery temperature is raised up to 100℃, the performance of hydrogen production is 25% betten than that in temperature of 90℃. When steam is used as anode fuel, the temperature at 100℃ becomes the best for operating. At cell temperature 100℃, by the efficiency of the electrolysis and H2 production rate will increase about 18%.
總目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 III
總目錄 V
圖目錄 IX
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 3
第二章 文獻回顧 6
2-1 燃料電池簡介 6
2-1-1 燃料電池的原理 8
2-1-2 燃料電池的種類 9
2-1-3 燃料電池的優點 11
2-2 質子交換膜燃料電池簡介 12
2-2-1 質子交換膜燃料電池的原理 13
2-2-2 質子交換膜燃料電池的結構 14
2-2-2-1 氣體擴散層 15
2-2-2-2 觸媒層 15
2-2-2-3 質子交換膜 16
2-2-2-4 雙極流場板 16
2-2-2-5 端板 17
2-2-3 質子交換膜燃料電池的優點 17
2-3 水電解產氫簡介 18
2-3-1 水電解原理 19
2-3-2 水電解製氫法 19
2-3-3 固態高分子薄膜水電解製氫法 20
2-4 一體式可再生燃料電池 21
2-4-1 可再生燃料電池原理 22
2-4-2 一體式可再生燃料電池原理 23
2-5 一體式可再生燃料電池之膜電極組 24
第三章 實驗方法 29
3-1 實驗流程圖 29
3-2 實驗藥品及材料 30
3-3 實驗設備及分析儀器 32
3-4 實驗步驟 34
3-4-1 質子交換膜前處理 34
3-4-2 氫電極製備 34
3-4-3 氧電極觸媒漿料配製 35
3-4-4 雙效 MEA 製備 35
3-4-4-1 對照組 36
3-4-4-2 傳統法 37
3-4-4-3 轉印法 38
3-4-4-4 直印法 39
3-5 材料分析儀器 40
3-5-1 掃描式電子顯微鏡 (SEM) 40
3-5-2 X-ray繞射法 (XRD) 40
3-5-3 水接觸角量測 41
3-5-4氣相層析儀 (GC) 42
3-6 URFC 效能分析 43
3-6-1 燃料電池效能測試 43
3-6-2 水電解效能測試 47
第四章 結果與討論 50
4-1膜電極組表面分析 50
4-1-1 XRD 電極表面分析 50
4-1-2 SEM 電極表面分析 50
4-2製程方法對 URFC 性能之影響 52
4-2-1 製程方法對燃料電池效能之影響 52
4-2-2 製程方法對水電解效能之影響 53
4-3 溫度對 URFC 性能之影響 54
4-3-1 電池溫度對燃料電池性能之影響 54
4-3-2 電池溫度對水電解性能之影響 54
4-4觸媒種類對URFC性能之影響 56
4-4-1觸媒物種對燃料電池性能之影響 56
4-4-2觸媒物種對水電解性能之影響 56
4-5 膜電極組表面親疏水性對水電解性能之影響 58
4-6添加導電高分子對 URFC 性能之影響 60
4-6-1 添加導電高分子對燃料電池性能之影響 60
4-6-2 添加導電高分子對水電解性能之影響 60
4-7水蒸氣取代液態水為陽極進料對水電解性能之影響 62
4-7-1 水蒸氣為陽極進料對水電解性能之影響 62
4-7-2 添加導電高分子水蒸氣進料對水電解性能之影響
63
第五章 結論 91
參考文獻 93

















圖目錄
圖2-1氫能/燃料電池與電池儲能容量的比較 7
圖2-2燃料電池操作溫度與其電化學反應圖 11
圖2-3質子交換膜燃料電池工作示意圖 14
圖2-4 URFC雙效膜電極組工作示意圖 21
圖2-5可再生燃料電池裝置示意圖 23
圖2-6一體式可再生燃料電池裝置示意圖 24
圖3-1實驗流程圖 29
圖3-2 對照組製作方法示意圖 36
圖3-3傳統法製作方法示意圖 37
圖3-4轉印法製作方法示意圖 38
圖3-5直印法製作方法示意圖 39
圖3-6燃料電池零件爆炸圖 44
圖3-7燃料電池組合圖 45
圖3-8水電解電解槽零件爆炸圖 48
圖3-9水電解測試電解槽組合圖 48
圖3-10水電解效能測試實驗示意圖 49
圖4-1不同製程XRD繞射圖 65
圖4-2不同觸媒XRD繞射圖 65
圖4-3 GDE (對照組、各種試片氫電極) SEM圖 66
圖4-4碳紙(傳統法基材) SEM圖 66
圖4-5傳統法SEM圖 66
圖4-6對照組燃料電池測試I-V曲線圖 67
圖4-7傳統法燃料電池測試I-V曲線圖 67
圖4-8轉印法燃料電池測試I-V曲線圖 68
圖4-9直印法燃料電池測試I-V曲線圖 68
圖4-10對照組水電解測試I-V曲線圖 69
圖4-11傳統法水電解測試I-V曲線圖 69
圖4-12轉印法水電解測試I-V曲線圖 70
圖4-13直印法水電解測試I-V曲線圖 70
圖4-14四種製程於電解溫度90℃時I-V曲線圖 71
圖4-15對照組氣體層析儀分析 72
圖4-16傳統法氣體層析儀分析 73
圖4-17 Pt black燃料電池測試I-V曲線圖 74
圖4-18 Pt black之水電解I-V曲線圖 74
圖4-19 RuO2觸媒之水電解I-V曲線圖 75
圖4-20不同觸媒物種於90℃水電解I-V曲線圖比較 75
圖4-21不同觸媒物種電解性能曲線隨時間變化(電池溫度90℃
電壓2.5V) 76
圖4-22不同觸媒物種電解氫產隨時間變化(電池溫度90℃電壓
2.5V) 76
圖4-23表面未處理水接觸角 77
圖4-24 140℃30秒表面處理前後水接觸角 77
圖4-25 140℃60秒表面處理前後水接觸角 77
圖4-26無表面處理試片之水電解測試I-V曲線圖 78
圖4-27表面以140℃ 30秒表面處理之水電解測試I-V曲線圖
78
圖4-28表面以140℃ 60秒表面處理之水電解測試I-V曲線圖
79
圖4-29不同表面處理之水電解測試I-V曲線圖(電解溫度90℃)
79
圖4-30不同表面處理其電解性能曲線與時間變化(電池溫度90℃
電壓2.5V) 80
圖4-31不同表面處理其電解氫產率隨時間變化(電池溫度90℃
電壓2.5V) 80
圖4-32添加導電高分子之燃料電池測試I-V曲線圖 81
圖4-33塗佈導電高分子之燃料電池測試I-V曲線圖 81
圖4-34未添加與添加導電高分子水接觸角圖 82
圖4-35添加導電高分子之水電解測試I-V曲線圖 82
圖4-36塗佈導電高分子之水電解測試I-V曲線圖 83
圖4-37導電高分子對水電解性能之影響(電解溫度90℃) 83
圖4-38添加導電高分子其電解性能與時間變化(電池溫度90℃
電壓2.5V) 84
圖4-39添加導電高分子其電解氫產與時間變化(電池溫度90℃
電壓2.5V) 84
圖4-40水蒸氣為電解燃料之水電解測試I-V曲線圖 85
圖4-41水蒸氣為電解燃料其電解性能曲線隨時間變化(電池溫
度90℃、100℃電壓2.5V) 86
圖4-42水蒸氣為電解燃料其電解氫產率隨時間變化(電池溫度
90℃、100℃電壓2.5V) 86
圖4-43添加導電高分子以水蒸氣為電解燃料之水電解測試I-V
曲線圖 87
圖4-44添加導電高分子與原試片之水蒸氣電解測試I-V曲線圖
比較 87
圖4-45導電高分子與原試片之水蒸氣電解電流隨時間變化(電池
溫度90℃、100℃電壓2.5V) 88
圖4-46導電高分子與原試片之水蒸氣電解氫氣產率隨時間變化
(電池溫度90℃、100℃電壓2.5V) 88
圖4-47導電高分子於水蒸氣進料與液態水進料I-V曲線圖比較
89
圖4-48導電高分子於水蒸氣與液態水進料電流隨時間變化(電池
溫度90℃、100℃電壓2.5V) 89
圖4-49導電高分子於水蒸氣與液態水進料產氫率隨時間變化(電
池溫度90℃、100℃電壓2.5V) 90








表目錄
表 2-1 氫能/燃料電池與傳統二次電池的比較 7
表 2-2 燃料電池的種類及特徵 10
表 3-1 實驗藥品及材料 31
表 3-2 實驗設備 32
表 3-3 分析儀器 33
表 4-1 對照組產出氧氣氣體層析儀分析 71
表 4-2 傳統法產出氧氣氣體層析儀分析 72
表 4-3 導電高分子試片之片電阻量測 84
參考文獻
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