PEM燃料电池性能测试中兴大学机械系.docx
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PEM燃料电池性能测试中兴大学机械系
PEM燃料電池性能測試
（本實驗請攜帶紙、筆及隨身碟）
一、實驗目的
人類發展過程的能源使用出現了許多問題，油價不斷創下新高，石油產地動盪不安、衝突不斷，一再顯示一個嚴重的警訊，石油的儲量已日漸枯竭，人類若不在本世紀找到替代石油的能源方案，未來的發展勢必會受到限制，因搶奪石油而產生的戰爭將不可避免。
而這種替代能源有許多種型態諸如:
水力、風力、潮汐、地熱、生質能、太陽能、氫能（燃料電池）等等。
這裡提及到的再生能源，都有一個特性，就是能夠在自然環境中生生不息、循環不已。
氫能源科技以零污染的特色成為最重要的新興能源，氫能源科技的應用包括直接燃燒與使用電化學原理的燃料電池兩種，而無論就污染，效率，或應用範圍來看，燃料電池都將成為未來能源科技的重要選項。
概括而論，燃料電池是一種可靠的能源轉換裝置，只要不斷的供給燃料即可連續不斷電，而且容易維護及再生使用，也不會製造惱人的噪音與環境污染，能量效率與運轉穩定性皆較傳統內燃機高，並且可進行模組化設計等優點。
本實驗透過燃料電池測試平台，藉由量測時間、電壓、電流及功率等來了解質子交換膜燃料電池（PEMFC）之性能，也使同學們對燃料電池有更進一步認識。
二、實驗原理
質子交換膜燃料電池（PEMFC）如圖2.1所示，其是以氫氣與氧氣為反應物，其透過觸媒使陽極氫分子（H2）催化分解成氫離子和電子，電子由陽極內部導至外面，經由外電路形成電流，供發電使用後導至陰極，氫離子由陽極透過可導離子（電子絕緣體）之高分子質子交換膜抵達陰極，空氣或氧氣輸送至陰極，其中氧分子（O2）經催化劑與電子（e-）及氫離子（H+）反應產生水，整個過程的產物有水、電能（理論1.23V）和熱能。
在25℃、1atm下，其反應過程以下列化學方程式來表示，
陽極：
H2→2H++2e-Erev,a=0V氧化反應,可逆平衡電位
陰極：
1/2O2+2H++2e-→H2OErev,c=1.229V還原反應,可逆平衡電位
總反應：
H2+1/2O2→H2OErev,cell=1.229V平衡電位差
圖2.1：
質子交換膜燃料電池（PEMFC）
質子交換膜燃料電池的核心組件可分為薄膜（membrane）、電極（electrode）觸媒層（catalystlayer）、氣體擴散層（gasdiffusionlayer）及雙極板（bipolarplates）。
其中薄膜它是導質子的高分子膜，其兩面分別為正、負電極的觸媒層，也就是陰極與陽極中間夾了一層質子交換膜，可經熱壓程序製作成型，電極（觸媒層）與雙極板間則還有一層氣體擴散層（gasdiffusionlayer）。
質子交換膜為高分子聚合物，有傳導氫離子的功能，其一側供應氫氣（陽極），另一側供應氧氣（陰極），且能隔絕兩側的反應氣體，而適當水分有助於膜內氫離子的傳導，水是在陰極產生，水太多會留在陰極，使氧氣輸送受到影響，水不足會使質子交換膜過於乾燥，增加氫離子的阻抗，使質子傳導功能變差。
陰極及陽極皆使用以白金為主的電催化觸媒，也就是觸媒層（catalystlayer），其是以碳粒作為載體的微細白金顆粒（Pt/C），混合粘結劑溶液塗敷在碳布一側而成，觸媒層是電化學反應發生的地方，為了加快反應速度，觸媒層要有較大的反應面積，通常以縮小白金粒徑來增加反應面積，但陰極觸媒層的生成物水若不能迅速移除，反應面積將被水淹沒，會降低反應速度。
氣體擴散層（gasdiffusionlayer）為多孔性、低孔隙率的導電材料、經疏水處理所形成，通常使用Teflon的碳布或碳紙製成，主要是作為電子傳導、反應物之通入及產物的排出之通路，也可支撐起質子交換膜與觸媒層，並加強其機械穩定性。
流道板一般是使用石墨板、金屬板、或複合石墨、碳纖維板為材料，具高導電性亦是熱的良導體，確保電子傳導性及散熱溫度均勻分布，經加工成各類氣體的導流槽，作為氣體流道，使反應氣體在整個電極各處均勻分布，有收集電流之功用。
PEMFC可在室溫下開機，操作溫度約為60℃~80℃，較沒有腐蝕的問題，體積小及能量密度高等優點，在10kW以下的燃料電池以PEMFC的技術最為成熟，可應用在巴士、汽車、一般家庭的電力供給、可攜式電力供給（筆記型電腦及手機）和熱水回收的發電系統等。
理論上當反應為等溫，等壓，且可逆狀態時，反應所釋出化學能能完全轉換成電能Wele，能量釋出淨值為氫氧反應生成水的自由能（Gibbsfreeenergy）
之差，如下所示：
在25℃，100kPa時，
-237180J/mole（l），
0，
0，故反應所釋出化學能為-237180J/mole，即若反應生成的水為液態，則每1mole的氫氣可產出237180J的能量。
如自由能完全轉換成電能，則燃料電池的電位可計算如下：
，
，
其中
為理想電位，n為交換電子數目，F為法拉第常數96500（c/mole）。
因氫氣反應可釋放兩個電子，n=2，故在25℃，100kPa時，燃料電池的輸出電位為1.229Volt。
但依據熱力學第一定律，化學反應所釋放的能量淨值為氫氧反應生成水的焓值（enthalpy）之差，若反應在25℃，100kPa的條件之下進行，
-285830J/mole，
0，
0，則反應所釋放的能量為：
-285830J/mole（l）
即若反應生成的水為液態，則每1mole的氫氣可釋放285830J的能量。
其中237180J的能量可轉換成電能，剩下的能量則轉換成熱能，故理想轉換效率可以表示為
，在25℃，100kPa的條件下，燃料電池的理想效率為83%。
計算實際燃料電池的效率方面，假設H2流量為0.1（slpm），則其mole流率為：
又水的生成焓為
，則流量為0.1（slpm）H2之化學反應所釋放的能量淨值為
，故實際燃料電池的效率為
。
三、實驗設備
1、燃料電池測試平台：
本研究之燃料電池測試平台是於2005年由亞太燃料電池科技股份有限公司（APFCT）所建構，型號為FCED-P200，如圖3.1.1所示，其所需電源為220V/60Hz，氣體供應來源分別為100psig的氮氣（>99.99%）、100psig的氫氣（>99.99%）與100psig的空氣（無油），如圖3.1.2所示，測試平台需放置在2500（W）×2500（D）×2500（H）mm
空氣流通的空間，儀器的操作溫度範圍在5℃~40℃（32℉~104℉），相對溼度在5%~90%的範圍。
圖3.1.1：
燃料電池測試平台
圖3.1.2：
氮氣、氫氣與空氣之鋼瓶
本研究之測試平台可分2種紀錄方式，分別為Lifetest與Tafeltest，其中Lifetest為長時間操作模式，又可分為固定電壓模式與固定電流模式，其中固定電壓模式可以設定我們希望的燃料電池輸出電壓，當然設定範圍因燃料電池的性能之不同而不同。
而固定電流模式也就是可以設定我們希望的燃料電池輸出的電流，當然設定範圍也因燃料電池的性能之不同而不同。
而Tafeltest則為執行電壓-電流曲線的模式，除此之外還有三種數據擷取方法的選擇，三種數據擷取方法分別為TimeCt、SlopeCt與ManualCt，其中TimeCt是依照關係表紀錄，以時間為依據；SlopeCt則是以電流為依據，假如電流變化超過設定值，此點的數據就會被紀錄；ManualCt則是利用【space】鍵，自己來決定紀錄點。
2、PEM燃料電池：
本研究之燃料電池是於2005年由必穎池科技股份有限公司（）所提供，如圖3.1.3所示，其活性面積為25cm2，操作溫度則不可操過100℃，不論陽極或陰極，氣體皆由上方管道進入燃料電池，由下方管道離開燃料電池。
圖3.1.3：
本研究所使用之燃料電池
四、實驗步驟
4.1儀器的開啟：
1、儀器的操作在空氣流通的空間下，溫度範圍5℃~40℃（32℉~104℉），相對溼度的範圍5%~90%。
2、確認除水器內的水已洩漏完。
3、確認bubbler液位高度是否在高液位。
4、確認補水模組的儲水桶水量。
5、燃料電池anode及cathode進氣管在氣體流量小於3.5slpm時，需裝入1/8”的PFA管，以測
得準確的進氣溫度。
（1）將1/8”的PFA管裝入進氣管內，有缺口的一端為尾端，如圖4.1.1所示。
圖4.1.1：
將1/8”的PFA管裝入進氣管內
（2）將1/8”的PFA缺口朝上，如圖4.1.2所示。
圖4.1.2：
將1/8”的PFA缺口朝上
（3）裝上溫度感測探棒，探棒須對準1/8”的PFA管的缺口，圖4.1.3所示。
圖4.1.3：
裝上溫度感測探棒，探棒對準1/8”的PFA管的缺口
6、將反應氣體的管路連接至儀器，連接氣體管路時，需注意各氣體的相對位置，氫氣的出口管路要接到通風良好的戶外。
7、在規定的溫度與壓力下操作儀器，陽極Anode及陰極Cathode分別為氫氣（>99.99%）及空氣（無油），其入口端壓力為30~60psig，氣體溫度為室溫，氣體溼度則為持在乾燥。
8、接好燃料電池的負載線與電壓訊號線，並且確認是否有固定好（紅色是陰極，黑色[綠色]是陽極），應避免正負極短路。
9、確認儀器至燃料電池間的氣體管路是否有安裝正確。
10、請勿放置任何導電物在燃料電池座上。
11、將面板上的氣體壓力調整至工作範圍。
12、確認加濕瓶水位是否高於低水位，如果是長時間使用設備，可先將水位加至高水位。
13、插上電源插頭，所需電源為220V/60Hz。
14、開啟儀器的電源，並將警急開關（EmergencyStop）向右旋出，如圖4.1.4所示。
圖4.1.4：
開啟儀器電源，且將警急開關向右旋出
15、按下綠色「ON」按鈕，開啟儀器電源，如圖4.1.5所示。
圖4.1.4：
按下綠色「ON」按鈕，開啟儀器電源
16、開啟電腦及電子負載電源，開始執行軟體的操作。
4.2進入實驗主畫面：
1、先依（4.1）所敘述，完成儀器的開啟。
2、開啟電腦後，執行程式。
3、首先進入實驗條件設定畫面，條件設定選項分為5個，如圖4.2.1所示。
按下「SettingFinish」後，可從軟體介面上看到燃料電池輸出電壓上升至OCV。
圖4.2.1：
實驗條件設定畫面
a、CellSetting，電池組基本設定（藍）：
設定燃料電池MEA反應面積及數量，此值隨著燃料電池規格而改變。
第三行為設定燃料電池的溫度。
b、ProtectionSetting，安全操作設定（紅）：
設定每個單電池最低電壓及燃料電池警示溫度，以防止燃料電池因操作錯誤或條件值異常而造成損壞。
c、AnodeFuelSetting，陽極氣體控制條件（粉紅）：
選擇陽極氣體流量的控制方式，分為化學計量比與固定流量及燃料電池陽極氣體入口溫度。
另外，此方格下方可設定最小流量。
d、CathodeFuelSetting，陰極氣體控制條件（綠）：
選擇陰極氣體流量的控制方式，分為化學計量比與固定流量及燃料電池陰極氣體入口溫度。
另外，此方格下方可設定最小流量。
e、Zero-LoadFlowSetting，零負載流量設定（黃）：
設定燃料電池零負載時的反應氣體流量，主要是避免電能倒灌至燃料電池，及設定開關機後氮氣purge的時間，陽極和陰極的最小流量值會個別顯示在各自的設定框中。
本實驗設定之數據由表4.2.1所示。
表4.2.1：
本實驗實驗條件設定之數據
設定數據
時間
年/月/日/時/分
初始室溫（時/分）
?
℃
鋼瓶H2壓力
32psig
鋼瓶air壓力
32psig
流量計H2入口壓力
30psig
流量計air入口壓力
30psig
燃料電池H2入口壓力
0psig
燃料電池air入口壓力
0psig
H2fuelcell背壓
0psig
airfuelcell背壓
0psig
增濕-燃料電池H2入口溫度
60℃
增濕-燃料電池air入口溫度
60℃
鋼瓶N2壓力
10psig
N2purge時間
3sec
活性面積
25cm2
電池數目
1
電池操作溫度
NA
stack過溫保護
85℃
最低保護電壓
0.01V
零負載流量設定
0.3A/cm2.cell
固定流量H2
0.1slpm
化學計量比H2
NA
最小流量H2
NA
固定流量air
0.5slpm
化學計量比air
NA
最小流量air
NA
test
tafeltest30秒
4、設定完實驗操作條件，按下「SettingFinish」（設定完成）後，軟體會花幾秒鐘的時間自動氮氣purge及偵測硬體連線狀態，接下來即進入實驗主畫面。
主畫面可分為3個部分，如圖4.2.2所示。
實驗紀錄方式設定
燃料電池狀態設定
發電狀態監測
圖4.2.2：
實驗主畫面
5、在「燃料電池狀態設定」區中按下氣體加熱及燃料電池加熱的確定鈕，開始氣體及燃料電池加熱動作。
氣體溫度至設定點後即可開始實驗，如圖4.2.3所示。
圖4.2.3：
氣體加熱及燃料電池加熱的確定鈕
6、測試平台基本上可分2種紀錄方式，分別為Lifetest與Tafeltest，其中Lifetest為長時間操作模式，而Tafeltest則為執行電壓-電流曲線的模式。
4.3Lifetest（上課前由助教先啟動Life模式，活化燃料電池）：
1、先依（4.1）及（4.2）所敘述，完成儀器的開啟及進入實驗主畫面。
2、在實驗主畫面之實驗記錄方式設定的區域可決定Lifetest或Tafeltest來記錄，按下紀錄方式選擇鍵，選擇「lifetest」紀錄方式，如圖4.3.1所示。
紀錄方式選擇鍵
圖4.3.1：
可選擇Lifetest或Tafeltest來記錄
3、Lifetest又可分為2種發電方式，分別為固定電壓模式（ConstantVoltageMode）與固定電流模式（ConstantCurrentMode），可在實驗主畫面之實驗記錄方式設定的模式選擇鍵來決定，如圖4.3.2所示，本實驗選擇固定電壓模式。
模式選擇鍵
圖4.3.2：
Lifetest模式選擇鍵，可選擇固定電壓模式或固定電流模式來記錄
4、按下模式選擇鍵，選擇「ModeCV」進入固定電壓模式，設定燃料電池輸出電壓為0.45V，按下「負載開關」（LoadBtn）則接上燃料電池負載，切斷負載則再按一次「負載開關」（LoadBtn）。
5、輸入紀錄時間間隔60秒，按下紀錄鍵即可執行Lifetest。
6、紀錄前需先如圖4.3.3所示按「Open」指定檔案紀錄路徑，畫面會出現儲存紀錄檔案之路徑的小視窗，更改一下路徑，即可將實驗的數據紀錄在我們想存放檔案之位置，檔案會以xxxxx.LIF的形式儲存，假如此實驗使用的檔案中有舊的數據，使用者可以接續實驗或覆蓋過去數據重新開始，而在畫面的左下角會出現檔案紀錄的路徑。
圖4.3.3：
指定檔案紀錄路徑
7、輸入紀錄時間間隔（>0.5秒），按下「Record」（紀錄）鍵即可執行Lifetest。
8、假如想取消紀錄數據的動作，按「Record」（紀錄）鍵把紀錄取消即可。
9、如Lifetest實驗結束，需切斷負載。
4.4Tafeltest：
1、首先需建立跑Tafeltest模式的程序檔。
a、Tafeltest的電壓與時間關係程序檔建立時，須把副檔名定為.SCV或.SCC，並且儲存起來。
b、打開Notepad（記事本），輸入的格式如圖4.4.1所示，在檔案上輸入電流電壓值、時間、前處理或測試之資料。
另外電壓（電流）與時間的設定需符合燃料電池的規格及性能。
同一行的數值間需用「Tab」鍵間隔，最後一行輸入數值後不要再以「Enter」鍵跳到下一行。
前處理或測試
時間
電壓電流值
圖4.4.1：
Tafeltest模式的程序檔
c、Tafel關係表中「前處理或測試」的判斷如下：
0為紀錄；1為測試。
其功能在於可以讓燃料電池的電壓或電流可以緩慢的上升或下降至需要紀錄的點，而這期間所經過的數值軟體都不會紀錄。
d、完成設定後，即可儲存檔案（副檔名為.SCV或.SCC）。
本實驗之Tafeltest模式的程序檔由表4.4.1所示。
表4.4.1：
本實驗之Tafeltest模式的程序檔
程序檔機工實驗
電壓
時間（秒）
前處理
（1）或測試（0）
0.3
30
0
0.35
30
0
0.4
30
0
0.45
30
0
0.5
30
0
0.55
30
0
0.6
30
0
0.65
30
0
0.7
30
0
0.75
30
0
0.8
30
0
0.85
30
0
0.9
30
0
0.85
30
0
0.8
30
0
0.75
30
0
0.7
30
0
0.65
30
0
0.6
30
0
0.55
30
0
0.5
30
0
0.45
30
0
0.4
30
0
0.35
30
0
0.3
30
0
2、依（4.1）及（4.2）所敘述，完成儀器的開啟及進入實驗主畫面。
3、在實驗主畫面之實驗記錄方式設定的區域可決定Lifetest或Tafeltest來記錄，按下紀錄方式選擇鍵，選擇「Tafeltest」紀錄方式，如圖4.3.1所示。
4、紀錄前需先如圖4.3.3所示按「Open」指定檔案紀錄路徑，畫面會出現儲存紀錄檔案之路徑的小視窗，更改一下路徑，即可將實驗的數據紀錄在我們想存放檔案之位置，檔案會以xxxxx.LTF及xxxxx.TAF的形式儲存，假如此實驗使用的檔案中有舊的數據，使用者可以接續實驗或覆蓋過去數據重新開始，而在畫面的左下角會出現檔案紀錄的路徑。
5、由左上角Tafel測試中載入儲存之程序檔。
6、Tafeltest又可分為2種掃描方式，分別為電壓模式與電流模式，可由實驗主畫面之實驗記錄方式設定的掃描方式選擇鍵來決定，如圖4.4.2所示，本實驗選擇電壓模式。
掃描方式選擇鍵
圖4.4.2：
Tafeltest掃描方式選擇鍵，可選擇電壓模式或電流模式來掃描
7、Tafeltest有三種數據擷取方法的選擇，三種數據擷取方法分別為TimeCt、SlopeCt與ManualCt，其中TimeCt是依照關係表紀錄，以時間為依據；SlopeCt則是以電流為依據，假如電流變化超過設定值，此點的數據就會被紀錄；ManualCt則是利用【space】鍵，自己來決定紀錄點，選擇方式如圖4.4.3所示，本實驗選擇數據擷取方法為TimeCt。
數據擷取方法選擇
圖4.4.3：
Tafeltest實驗數據擷取方法之選擇
8、輸入紀錄時間間隔（>1秒），開始掃描鍵即可執行Tafeltest。
9、執行Tafeltest實驗時，電腦會同時紀錄Tafeldata（I-V-W）的xxxx.TAF的檔案與（T-I-V-W）的xxxx.LTF的檔案。
以上2個檔案紀錄存放在依第四個步驟我們想存放檔案之位置中。
10、結束後程式會自動跳出或者使用者按下開始掃描鍵即可結束紀錄。
4.5關閉軟體及儀器：
1、先結束Lifetest或Tafeltest模式。
2、停止氣體供應，關閉氫氣和空氣之壓力閥。
一起釋放anode及cathode兩端壓力時，應避免損壞燃料電池。
3、確認進口溫度停止氣體加熱。
4、由左上角檔案中有程式「MainExit」（離開）鍵來離開操作軟體。
5、按下程式離開鍵「MainExit」後，會出現圖4.5.1的畫面，選擇「是」（Yes）即可離開操作軟體。
圖4.5.1：
離開操作軟體之視窗
6、機台會自動purge讓反應氣體可以完全的從管路中移除。
7、手動按下purge按鈕，把氮氣流量調整成0.5~1.0SLPM，時間為15~60秒，讓反應氣體可以完全的從管路中移除，之後關掉氮氣的氣體開關。
8、關閉電腦。
9、按下紅色「OFF」按鈕及關閉儀器電源。
五、實驗結果
Tafel模式之數據：
1、隨電壓不同而紀錄之數據。
2、隨時間不同而紀錄之數據。
六、分析與討論
1、畫出時間與電壓、電流、功率和溫度之間的關係圖，並討論之。
a.幾分鐘後，開始有穩定的週期性變化？
b.最高與最低電流為多少，出現在多少的電壓，電壓電流有何種關係?
2、畫出電壓與功率之間的關係圖，並討論之。
a.在電壓為何，有最大功率，其效率是多少？
3、畫出電壓與溫度之間的關係圖，並討論之。
4、畫出功率與溫度之間的關係圖，並討論之。
a.最高溫與最低溫為何？
b.最高溫出現在那個位置？
5、畫出性能曲線圖，並討論之。
（電流密度與電壓、功率及效率之間的關係圖）
6、請解釋下圖，為何電壓隨電流密度的增加而下降。
7、電壓漸增時與電壓漸減時有何差別?
8、請說明有何因素使燃料電池無法達到理想轉換效率。
9、請將此數據與其他燃料電池做比較。
10、燃料電池有何優缺點？
未來可運用在那些方面？
11、氫能源除了運用在燃料電池外，還可以運用在哪些地方？
12、試探討未來能源之趨勢。
13、實驗後之心得。
七、參考文獻
1、曲新生、陳發林編著，「氫能技術TheHydrogenTechnology」，五南圖書出版公司，2006.04。
2、李書鋒、鄭錕燦，「質子交換膜燃料電池性能之理論探討TheoreticalStudyonthePerformanceofPEMFCs」，大葉大學車輛工程學系，2004。
3、「型號：
FCED-P200，燃料電池測試平台操作手冊」，亞太燃料電池科技股份有限公司（APFCT），2006.10.20，第1.0版。
4、林仁信、盧昭暉，「自發熱甲醇重組器製氫性能量測MeasurementofthePerformanceoftheAutothermalTypeMethanolReformerforHydrogenGeneration」，中興大學機械工程學系，2005。
5、新能源時代的DMFC：
直接甲醇燃料電池原理、應用與實作DIY。
旗威科技股份有限公司與勝光科技股份有限公司合著。
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