質子交換膜燃料電池陽極親水性處理

Hydrophilic treatment on the anode of proton exchange membrane fuel cell

陳益鋒(Yi-Feng Chen)

指導教授 ： 尹庚鳴

元智大學/工程學院/化學工程與材料科學學系/碩士(2009年)

摘要

本實驗在燃料電池的陽極研究有兩個方向。第一個研究方向是利用商用二氧化矽粉末(7nm~10nm)去對質子交換膜燃料電池的微孔層與觸媒層作親水處理。又分了兩個部分去探討，第一部份是在觸媒層與微孔層中以0 wt.%、5 wt.%、22 wt.%、40 wt.%四個不同二氧化矽含量，在不同陽極進料增濕溫度下進行研究。實驗結果顯示，在低進料增濕溫度下，陽極觸媒層與微孔層會隨著添加二氧化矽的含量增加，使得陽極觸媒的潤濕性增加而提升性能。第二部份是將質子交換膜燃料電池的觸媒層和微孔層加入22 wt.%二氧化矽且在氣體擴加入5 wt.% Nafion作親水處理，去探討當燃料電池陽極做不同程度的親水處理時，在不同的陽極進料增濕溫度下對於質子交換膜燃料電池的性能影響。實驗結果顯示，在電池兩端濕度不足的情況下，觸媒層，微孔層，擴散層三層皆有作親水性處理對於電池性能的提升會比較好；但相反的，在濕度足夠的情況下，卻更容易造成電池水氾濫、質傳阻抗增加的問題，而致使電池性能下降。
第二研究方向為是把TEOS(Tetraethoxysilan)經由溶膠凝膠法所形成的溶膠(SiO2 sol)當作親水性材料，將微孔層中的二氧化矽含量固定在 5 wt.%，而觸媒層有0 wt.%、5 wt.%、22 wt.%、40 wt.%四個不同二氧化矽含量去探討在不同陽極進料增濕溫度下的影響。實驗結果發現與第一研究方向有類似的趨勢，在低相對溼度下，隨著觸媒層中二氧化矽含量的增加，性能也會提升；但反之，當操作條件濕度足夠的情況下，親水性的二氧化矽只會增加電池的質傳阻抗與更多水氾濫的問題，而導致電池性能的下降。

關鍵字

質子交換膜燃料電池、二氧化矽、親水性處理

並列摘要

There are two tasks in this study. The first task is to use commercial SiO2 particles (7nm~10nm) for hydrophilic treatments on the anode micro-porous layer and catalyst layer. The first task consists of two parts：the first part is to prepare 0 wt.%、5 wt.%、22 wt.% and 40 wt.% SiO2 on the micro-porous layer and catalyst layer of PEM fuel cell. The effect of hydrophilic anode is investigated at various anode humidifier temperatures. Under low humidification situation, the results showed that better cell performance is obtained when higher content of hydrophilic SiO2 particles is made in anode micro-porous layer and catalyst layer. The second part is to add 22 wt.% SiO2 particles into the anode catalyst layer and anode micro-porous layer. In addition, 5 wt.% Nafion ionomer was added to the anode gas diffusion layer. The effect of SiO2 addition in catalyst layer and Nafion in gas diffuser is investigated at various anode humidifier temperature. The results showed that hydrophilic treatment on catalyst layer and gas diffusion layer can increase the wettability of anode electrode under low humidifier temperature so that the proton conductivity can be enhanced.
The second task is to study the influence of hydrophilic SiO2 made from TEOS in sol-gel process on the anode catalyst layer and anode micro-porous layer under various anode humidifier temperatures. The results resemble that obtained from the first task, that is, hydrophilic treatment can improve the wettability of catalyst layer and membrane under low humidifier temperature.

並列關鍵字

PEM fuel cell ； SiO2 ； hydrophilic treatment

參考文獻

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