近年来全球汽车大厂纷纷宣布燃料电池车辆的下线投产,日本丰田也在今年底推出燃料电池车Mirai的二代版本。韩国、欧盟、美国陆续发布了明确的氢能政策,对于国家整体氢能源使用及规划有了明确的方向。
燃料电池中的燃料与氧化剂的电化学反应速率甚低,须借助于催化剂加速,因此需要阳极触媒及阴极触媒。以高分子电解质燃料电池为例,主要的发电机制来自于常被称为是燃料电池心脏的膜电极组(Membrane Electrode Assembly, MEA)。基本上膜电极组有五层结构,质子传导膜膜电极材料,其中心是传导氢离子的高分子膜,两旁各为阳极触媒层及阴极触媒层,外层是燃料气体扩散层及氧气扩散层。以下简介膜电极的运作原理及发电生成方式。
氧气进入燃料电池时,首先须加以分散,以便均匀地到达触媒层,一般构成气体扩散层的材料是碳布或碳纸,两者须经高温石墨化,使其具有导电性并增加抗蚀性,因为在电场的影响下,质子传导膜膜电极材料,碳材容易腐蚀。
反应气体经气体扩散层后到达触媒层,我们推荐质子传导膜膜电极材料,电化学反应皆在触媒金属的表面上产生。气体扩散层的另一功能是传导电子,反应所需的电子利用气体扩散层进出,故气体扩散层必须能传导电子,且导电性要高。一般气体扩散层加入铁弗龙后,导电性会降低,所以要加入导电度高的碳粉,使导电度增加。
触媒层的构造颇为复杂,由于主要的电化学变化皆在此产生,如果触媒层的设计及制造不良,燃料电池就无法产生高电流,效率因此降低。触媒层夹在高分子膜与气体扩散层之间,其制造方法是先将适量的触媒与高分子膜的溶液均匀混合,此混合液称为触媒混浆。混浆可涂在气体扩散层上,或涂在高分子膜上,但是高分子膜因易吸收混浆中的溶剂而变形,往往造成制造上的困难。
涂上阳极触媒的燃料气体扩散层,高分子膜,及涂上阴极触媒的氧气扩散层,三者经热压而形成电极膜组。因此具备制作技艺及电极膜组的设计知识,决定了膜电极组的运作功能。
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