《燃料电池实验》word版.docx

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《燃料电池实验》word版

燃料電池實驗

1、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（directmethanolfuelcell,DMFC）

質子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell,PEMFC）

鹼性燃料電池（alkalinefuelcell,AFC）

磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell,PAFC）

以上為低溫型，操作溫度在攝氏80~200度間；

熔融碳酸鹽燃料電池（moltencarbonatefuelcell,MCFC）

固態氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell,SOFC）

以上為中高溫型操作溫度在攝氏500~1,000度間。

2、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。

3、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的觸媒主要是以白金為主。

燃料電池之電化學反應

陽極半反應：

陰極半反應：

總反應：

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。

4、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2kg/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2kg/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。

5、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.由電功率等於電壓乘以電流之公式（P=I*V）畫出燃料電池之功率隨電流變化之曲線（以電流I為橫坐標，功率P為縱坐標）。

附件一

附件二

附件三

附件四

附件五

附件六

附件七

附件八