實驗十七  質子交換膜燃料電池

一、目的

學習質子交換膜燃料電池的構造與操作。

二、原理

燃料電池是經由電化學反應而非燃燒與機械轉換的過程，從燃料獲取電能的裝置。氫氧燃料電池根據選用的反應、操作條件與結構設計可分為許多不同的形式，本實驗選擇使用結構簡單、能在常溫下操作的質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC），其結構如下圖所示：

陰極與陽極分別消耗氧氣與氫氣產生電能和水，充電時則是發生逆反應，將水電解為氫氣與氧氣。

在氫氧燃料電池中，電子無法經由水和質子交換膜傳導，而是經由導線由陽極傳導致陰極，而陽極產生的質子（氫離子）則可通過質子交換膜傳至陰極，形成完整的電力迴路。在本實驗中我們使用的質子交換膜材質是具有磺酸官能基（圖中 –AH = –SO₃H）的有機聚合物，有很高的解離常數，能有效提供並傳導質子。

我們可以由熱力學中 Gibbs 自由能與化學反應中反應商的關係式，推導出Nernst公式：

其中 E 和 E° 分別為實驗時與標準狀態下之電化學電池電位，R 為氣體常數、T 為絕對溫度、F 為法拉第常數、n 為電化學反應式中交換的電子數，Q 為反應商。但在實驗中常會發現，所測得的電池電位和理論值不同，如電解所需電位差大於理論值的 overpotential 現象，或電池所能提供的電位差小於理論值。此現象可歸因於電極材料本身特性；電極和反應物、產物之間的親和力；電極表面的反應物或產物濃度改變等因素。

三、器材及藥品

器材：

質子交換膜燃料電池組件（如圖，含兩具水/氣體儲存槽、由塑膠外殼、兩片電極和質子交換膜組成的電池）、燒杯、直流電源供應器、三用電表、可變電阻

藥品：

RO水（或去離子水、蒸餾水）

四、實驗步驟

1. 檢查燃料電池零件、結構是否完整。

2. 將燃料電池本體一端排放口的橡皮塞取下，將蒸餾水注入水/氣體儲存槽至水由排放口流出。蓋回橡皮塞。

3. 同步驟2.，將蒸餾水裝填至另一儲存槽。

4. 將直流電源供應器的輸出電壓歸零，燃料電池的氫氣端電極與直流電源供應器的 “–” 端連接，氧氣端電極與電源供應器的  “+”  端連接。

5. 開啟直流電源供應器，調整輸出電壓至 1.8 V，將燃料電池充電至收集氫氣和氧氣各約 12 mL 和 6 mL。關閉直流電源供應器並撤除充電用電路。注意：電壓不可超過 2.0 V，以免損壞電池。

6. 使用三用電表直接量測燃料電池兩電極間的電位差，此時電池的負載可視為無限大。^[1]

7. 依電路圖接上可變電阻與三用電錶，測量在不同的負載下，電池所提供的電位差與電流大小，並繪製電位差/電流關係圖（取 8 組數據）。

8. 重複步驟 2.-5.。電解完成後，拔開氧氣儲存槽與電池的連接軟管，打開電池氧氣側的排放口，將電池氧氣側的氣體由純氧氣換為空氣。

9. 接上量測電路約二分鐘後，重複步驟 6.-7.

五、實驗結果

1. 負載無限大時，燃料電池兩電極間的電位差

O₂/H₂                    V

Air/H₂                   V

2. 燃料電池輸出的電位差與電流關係

六、問題與討論

1. 使用試算表軟體繪製「電位差-電流」關係圖。

2. 試由實驗結果計算電池最大輸出功率，以及在最大輸出功率時的電位差與電流大小。該電位差和量測到的最大電位差是否相等？

3. (a) 使用 Nernst 公式分別計算 O₂/H₂ 和 Air/H₂ 燃料電池所能提供的電位差理論值。(b) 實驗所得 O₂/H₂ 和 Air/H₂ 燃料電池的電位差是否相同？

4. 在本實驗的氫氧燃料電池中，為何可使用導電度非常低的蒸餾水或去離子水，而不用加入其他電解質（如酸、鹼或鹽類）？若取消質子交換膜裝置將有何影響？