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[技术] 环保能源技术之开发与应用

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发表于 2008-12-2 09:46:05 | 显示全部楼层

环保能源技术之开发与应用

环保能源技术之开发与应用

  燃料电池关键技术-质子交换膜燃料电池


  理学院所执行的校卓越计画「环保能源技术之开发与应用」着重于「质子交换膜燃料电池PEMFC」的研究开发。如下图所示,PEMFC基本上是由两个电极夹着一层高分子薄膜之电解质所组成,其电解质必须维持溼度(含水)才具离子导电性,阴阳两极,除碳粉外也包含降低电化学反应所需温度的最佳催化剂?白金粉末。本计画相关研究成果不但兼具基础实验机制的学术探讨,也透过专利之申请,彰显其未来市场技术研发转移的可能商机,例如:碳纸电极之实测结果已优于日本Toray及美国Electrochem等公司之产品;电泳披覆Pt粉体之触媒催化效果亦与传统Pt网印製程相当,且更节省Pt触媒之剂量;而本计画所研製之金属基双极板亦已完成实验室之基础防蚀测试,正进行燃料电池之环境测试。

  PEMFC工作原理

  本计画燃料电池所需之储氢系统的合金开发与微型储氢系统设计,相关成果重点可简述如下:

  燃料电池分析系统

  由于能源危机与环保问题,近几年来,不论国内、外对于新能源的研发都莫不投入大量人力与财力,其中尤以使用氢氧为燃料的燃料电池之研发最为热门。故此, 燃料电池之测试分析系统在国内、外都拥有广大的市场,早期的发展与研究,着重于一个已组装完成的燃料电池全电池(单电池)之测试,所以,燃料电池全电池分析系统已是相当成熟的技术,但其测试时程却相当漫长。

  如今,燃料电池研发的瓶颈大多为基本组成元件(质导膜、触媒、碳电极材、双极板)之材料问题,例如,电极的触媒活性、电子阻抗、离子阻抗、腐蚀性质。相较于全电池分析系统,本(半电池)测试分析系统可提供较快速且精密、多样化的测试数据。

  此系统包含燃料供应装置、电化学分析装置、资料撷取装置、温度控制装置以及残馀燃料收集装置,因而可控制气态或液态燃料流量,并模拟实际工作时电池所须面临的临场温度。此外,资料撷取装置可纪录交/直流可调变之电化学反应分析数据,并透过残馀燃料收集装置收集反应残留之燃料及分析燃料消耗总量。本测试系统还可应用于腐蚀分析、电化学镀膜、电化学蚀刻等多功能用途。

  电化学半电池製具

  本电化学半电池製具能精确分析燃料电池各种材料于电化学环境中的反应,例如:正/负极材料的研发,质导膜的扩散行为、触媒催化效率、气体扩散层的改良等,并可针对改良的元件材料进行精确的分析,釐清其在全电池当中複杂的反应机制,因此,在电化学实验或製程上,本製具皆属一项相当有竞争性的利器。本製具拥有多功能的用途,不但可适用于半电池分析,更可应用于腐蚀分析、电化学镀膜、电化学蚀刻等,提高单一製具的利用效能。在腐蚀分析方面,本製具改良了传统腐蚀製具电解液渗漏的困扰,也因选用石墨为工作电极材料而避免了因製具本身腐蚀而产生的讯号。製具的模组化设计让不同的製程可更换单一组件即可,也因而大幅降低使用成本。


  

  燃料电池分析系统图 

  

  电化学半电池製具 

  多孔性碳纤维纸之製造方法及其组成结构

  以时间较短、製程更简化的碳纸製造技术,将厚度0.1~20 mm、码重5~500 g/m2的氧化纤维布含浸高分子树酯后,再加以热压硬化及高温碳化处理,而製得具高柔软性、导电性、高空孔率、高挠曲强度之多孔质碳纤维纸,并做为燃料电池中适合气体扩散的多孔质碳电极基材。



  Toray商用碳纸及自製之多孔性碳纤维纸的微观结构 

  电极表面亲(疏)水层之电浆处理製程

  利用电容耦合式电浆及电感耦合式电浆技术,并透过Ar/N2/O2及氟化有机物溷合气氛搭配不同处理能量、处理顺序,调製出製程配方,使我们能在碳、硅、金属、高分子(PE、PC、PVC等)表面成功地製作出亲水层或疏水层。製程仅需价廉之机械帮浦、不鏽钢电浆腔即可,利于自动化、大面积化。此製程的主要优点包含:快速(~1分钟)、均匀性佳、无污染,并对传统产业升级极有帮助。製程配方的应用范围包含燃料电池、光碟製造、IC封装、机械工具、汽车/航太版金、表面涂装等产业。

  

  Current Density (mA/cm2)

  製备燃料电池膜极组触媒粉体之电泳披覆技术

  不同于传统的丝网印刷法(Screen Printing)、转印法(Transfer Printing)、喷涂或溅镀沉积法,本技术用可即时电场调控的电泳披覆(EPD)方法,于燃料电池的碳布(或碳纸)电极之气体扩散层(GDL)表面形成奈米级Pt/C触媒粉体层,使用奈米粉体可降低Pt使用量,并提高触媒效率。EPD可施行于高比表面积之碳纤维布之气体扩散层,亦可直接施加于 Nafion等质子传导膜,藉由控制EPD悬浮液的有机溶剂种类和pH值,可获得分佈均匀和悬浮稳定性良好的奈米级Pt/C触媒层。 EPD製程的特点包含:(1)高涂佈效率且简化的製程,可节省工时与贵金属触媒的材料成本;(2)减低触媒粉体的团聚行为,并增大其利用率;(3)较易结合胶体析镀技术,达到触媒粉体表面吸附修饰的功能;(4)连续式生产设计潜力,可提供大量商业化的技术方桉。本技术可应用(1)电极触媒及(2)聚全氟磺酸膜(Nafion)之质子交换膜在改善电极触媒活性、增长寿命及抵抗毒化等燃料电池关键材料技术的开发需求。

  

  以方盒环式相对电极在电场强度500V/cm下,进行电泳披覆60sec所得之碳电极SEM显微图像

  燃料电池金属基双极板之表面改质

  高分子电解质膜燃料电池由于其发展成本过高,目前仍无法大量的商业化,其中一个瓶颈即为双极板的发展,其须兼具导电性、导热性、气密性、抗蚀性及易加工与便宜的特质,而诸如304不鏽钢等金属板,则是可能取代传统石墨板的发展方向,而先决条件则是须解决其抗蚀性的问题。镍铝介金属因具有良好的抗氧化性、耐蚀性及导热、导电性等特质,相当符合双极板的应用需求,因此选取作为镀层材料。实验採用磁控溅镀式的真空製程技术及直流电源供应系统来被覆保护性镀层,以不同製程与参数变化进行其抗蚀性最佳化之研究,达到双极板抗蚀性的要求。实验结果显示,经由控制真空製程参数或热处理製程,可以提高其腐蚀电位,并有效降低腐蚀电流密度,显示被覆镍铝镀层确实具有抗蚀的效果。

  

  AISI 304表面NiAl镀膜改质之腐蚀极化曲线

  理学院校卓越计画团队/李英德、陈士 教授提供

发表于 2015-12-3 13:33:47 | 显示全部楼层
有竞争才有进步嘛
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