質子交換膜 (PEM) 燃料電池

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  燃料電池是一種替代能源技術，可透過氫（或富含氫的燃料來源）與氧氣之間的反應產生電能。相較於傳統的燃燒引擎，這些裝置的效率高且排放量低，只產生熱能和水作為廢棄物，因此特別受到關注。

  本專題聚焦於質子交換膜 (PEM) 燃料電池的材料，也稱為聚合電解質膜燃料電池，可在相對較低的溫度 (~ 80 °C) 下操作。如需更多關於高溫燃料電池的資訊，請造訪我們的技術焦點：固態氧化物燃料電池 (SOFC)。

  燃料電池元件

  燃料電池裝置通常由多個燃料電池串聯組成堆疊 (圖 1)，可增加總發電量。每個燃料電池都包含三個主要元件：兩個電極（陽極和陰極）以及導電電解質。在 PEM 燃料電池中，每個電極都是由浸漬了電觸媒的多孔、高表面面積材料組成，通常是鉑金或鉑金合金。¹
  

  如 (Figure 2) 所示，燃料電池中的發電由兩個主要化學反應驅動。對於使用純 H₂ 的燃料電池，氫氣會在陽極分裂成質子和電子。質子通過電解質膜傳導，電子在膜周圍流動，產生電流。帶電的離子 (H⁺ and e^-) 在陰極與氧氣結合，產生水和熱能。²

   

圖 1. 多個燃料電池組合在一起的示意圖。

圖 2. PEM 燃料電池的主要元件和電化學反應示意圖。

燃料電池催化劑

鉑金對於氫氧化具有很高的活性，並且仍然是一種常用的電催化材料。燃料電池研究的一個主要領域是在不同時降低電池性能的情況下減少鉑金含量，從而全面提高設備的成本效益。³ 這是通過使用在導電碳（Prod.Nos. 738581, 738549, and 738557).這些材料的優點在於高度分散的奈米顆粒 (圖 3)、高電催化表面面積 (ESA)，以及即使在較高的鉑金負載水平下，顆粒在高溫下的生長也極小。

含鉑合金適用於以特殊燃料來源運作的裝置，例如甲醇或重整酸（H₂、CO₂、CO 和 N₂）。 例如，Pt/Ru 合金在甲醇氧化和一氧化碳中毒方面的性能相對於純 Pt 電催化劑有所提高。₄ Pt₃Co 是另一種備受關注的催化劑（特別是用於 PEMFC 陰極），已證明氧還原反應的性能增強，並且具有高穩定性。⁵

。

圖 3. Pt/C 催化劑 (左) 和 Pt3Co/C 催化劑 (右) 的代表性 TEM 圖像，顯示在高表面積碳載體上高度分散的奈米顆粒。

燃料電池膜

在選擇燃料電池電解質時，需要考慮幾項關鍵要求。^4,6 高度受歡迎的材料通常是以磺酸分子功能化的氟化聚合物，例如 Nafion™ 膜。

1. NETL. Seventh Edition Fuel Cell Handbook. https://doi.org/10.2172/834188

2. O'Hayre R, Cha S, Colella W, Prinz FB. 2009. Fuel Cell Fundamentals. 2. John Wiley & Sons.

3. Davies D, Adcock P, Turpin M, Rowen S. 2000. Stainless steel as a bipolar plate material for solid polymer fuel cells. Journal of Power Sources. 86(1-2):237-242. https://doi.org/10.1016/s0378-7753(99)00524-8

4. Steele BCH, Heinzel A. 2001. Materials for fuel-cell technologies. Nature. 414(6861):345-352. https://doi.org/10.1038/35104620

5. Stamenkovi? V, Schmidt TJ, Ross PN, Markovi? NM. 2002. Surface Composition Effects in Electrocatalysis:  Kinetics of Oxygen Reduction on Well-Defined Pt3Ni and Pt3Co Alloy Surfaces. J. Phys. Chem. B. 106(46):11970-11979. https://doi.org/10.1021/jp021182h

6. Mehta V, Cooper JS. 2003. Review and analysis of PEM fuel cell design and manufacturing. Journal of Power Sources. 114(1):32-53. https://doi.org/10.1016/s0378-7753(02)00542-6