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指導教授:王聖璋 博士
學
生 :林恩賢
日
期:2011/07/13
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No. 5
 前言
 實驗流程
 Preparation of anode electrocatalysts
 Preparation of electrodes for PEMWEs
 結果與討論
 結論
 工作報告
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前言
鹼性
磷酸型
熔融碳酸鹽
固態氧化物
 電池種類
燃料電池發展至今日，已有多種不同類型:
(AFC)
(PAFC)
(MOFC)
(SOFC)
質子交換膜
(PEMFC)
直接甲醇
(DMFC)
KOH
H3PO4
LiCO3,K2CO3
ZrO2
固態高分子
固態高分子
 如鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell,AFC)、磷酸型燃料電池
電解質
(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池
陽極觸媒 Pt/C
Cr、Al/Ni
Pt、Ru/C
Pt、Ru/C
ZrO2/Ni
(Molten CarbonatePt/CFuel Cell;MCFC)、固態氧化物燃料電池(olid
陰極觸媒
Metal/CCell, SOFC)、質子交換膜燃料電池(Proton
Pt/C
NiO
Sr/LaMnO
Pt/C
Pt/C
Oixde Fuel
Exchange
Membrane
操作溫度
~90˚C Fuel Cell,PEMFC)等…。
180~220˚C
~650˚C
800~1000˚C
~90˚C
~130˚C
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操作壓力
<60psi
<120psi
<120psi
常壓
<30psi
<75psi
反應物
高純度氫氣
混合氫氣
混合氫氣
混合氫氣
混合氫氣
甲醇
可用燃料
精煉氫氣
天然氣、甲
醇、輕油、
沼氣
天然氣、甲醇、 天然氣、甲醇、 天然氣、甲
石油、煤炭
石油、煤炭
醇、輕油
甲醇
特性
需高純度氫氣
低處沒性低溫
選擇材料容易
CO會導致中
毒
廢熱可被利
用
不受CO影響
反應時須循環
使用CO2
廢熱可利用
不需使用燃
料重組器
系統簡單
發電效率低
不受CO影響
反應不需特殊
觸媒作用
廢熱可利用
Table.1、各式燃料電池比較表。
功率密度高
體積小
重量輕
低腐蝕性、
低溫
固態電解質
 功能:傳導氫離子至陽極參與
反應，隔絕電極兩側之氣體流通。
 結構:固態且具多孔狀，孔內
含水，離子已擴散方式移動。
 特性:具高度化學穩定性、親
水性、不導電、不透氣、可傳遞
氫離子與水分子。
Fig.1、Nafion®全氟磺酸質子交換
膜分子式。
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高分子聚合物
http://www2.dupont.com
Fig.2、DuPont公司生產之Nafion交換
膜。
 質子交換膜燃料電池其主要組成元件為固態電解質、反應觸
媒、氣體擴散層(Gas Diffusion Layer,GDL)，電解質為全氟磺
酸型固態電解質，反應觸媒為Pt/C，傳統之氣體擴散層為疏水
性碳布目前常用之氣體擴散層為鈦網。
 質子交換膜燃料電池其主要燃料為氫氣，空氣或氧氣為氧化
劑。
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Fig.3、PEMFC單電池組裝示意圖。由內而外分別為膜電極組、墊
片、流場板、電極、底板。
 單一化可再生式燃料電池(URFC)是將PEMFC與SPE-
electrolyzer兩種系統相結合而生的一種具備產氫及發電雙
功能的可逆燃料電池。
 在執行水電解時亦可搭配再生能源，如太陽能，藉著太陽
能板提供直流電做為水電解的能量來源。
 在執行燃料電池模式時，可將所產生的水收集再次利用。
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Fig.4、單一化可再生式燃料電池(Unitized Regenerative
Fuel Cell, URFC)工作原理及反應化學式。
 鉑(Pt)目前常被應用於各式燃料電池，如AFC、PAFC、
PEMFC等…，因為Pt對於氫氣有良好的吸附能力，因此是
作為燃料電池之催化劑的選擇之一。其觸媒種類亦分為陽
極觸媒及陰極觸媒。下表為適合用於URFC之觸媒。
Oxygen electrocatalysts
Hydrogen electrocatalysts
Pt–Ir
Pt/C
Pt–Ru–Ir
Pt-Ru/C
Pt–IrO2
Pt-Ru-HxWO3/C
Pt–IrO2–RuO2
Table.2、URFC常用觸媒。
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實驗流程-Preparation of anode electrocatalysts
RuO2 , IrO2 (A), Ru0.5Ir0.5O2
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IrO2(C)
Preparation of electrodes for PEMWEs
 Cathod loading: 3 mg/cm2
 Anode loading: 0.5 mg/cm2
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Physico-chemical and electrochemistry characterization
 The physical phase and structure of the oxides were probed using
X-ray diffraction (XRD) analysis.
 The BET method was used to evaluate the specific surface areas of
catalysts by the N2 absorption method.
 The information of activity was generally evaluated by the
voltammetric charge from CV voltammograms.
掃瞄速度:50mV/s
電位範圍:0~1.2V
參考電極:飽和甘汞電極
輔助電極:Pt plate
工作區域:2 mm in diameter
觸媒擔載量: 10mg/mm2
電解液:0.5M 硫酸
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結果與討論
 Ru0.5Ir0.5O2形成固溶體。
 IrO2(A)與(C)相比較(C)
的結晶性比較好。
 IrO2(A)與(C)平均晶粒
尺寸為5.5nm。
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JCPDF
Number
晶系
空間群
晶體結構
IrO2
15-0870
Tetragonal
P42/mnm
Rutile
RuO2
40-1290
Tetragonal
P42/mnm
Rutile
 1
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 各觸媒水電解曲線圖:
 IrO2(C)>…..>Ru
 由水電解曲線圖可以得
知IrO2(C)在各組觸媒中
水電解效能為最佳。
 這也符合CV曲線圖以及
BET測試中，IrO2相比
其他組觸媒其穩定性以
及活性為最佳。
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 穩定性測試選用水電解
測試中最佳觸媒IrO2。
 在定電流下，此組觸媒
的穩定性在持續20小時
操作下無衰弱現象。
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 依照實驗數據所得，IrO2做為PEMFC水電解器的觸媒具有良好
的電解效率以及穩定性，但其阻抗較高會造成多餘的消耗。解
決辦法有以下兩種:
 1.搭配RuO2製備觸媒，添加惰性成分的材料如:Ta2O5…。
 2.採用物理方式製備IrO2觸媒。
 More recently,Marshall et al.developed IrxRuyTazO2 as the anode
electrocatalysts for the PEMWE.
 The lowest cell voltage, of only 1.567V at 1Acm2,was achieved
with an anode electrocatalyst loading of 2 mg cm2.
 Slavcheva et al. deposited a thin film of IrO 2 by magnetron
sputtering to form the anode electrocatalyst layer for PEMWE .
 The best performance a cell potential of 1.55 V at 0.3 Acm2 was
achieved using a 500 nm electrocatalyst layer containing an anode
electrocatalyst loading of only 0.2 mg cm2
 .
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結論
 Ru, Ir, RuO2 , IrO2 , and Ru0.5Ir0.5O2等觸媒的
電化學效能以及穩定性，可由循環伏安法得知。
 IrO2經由CV測試後為各組觸媒中最佳。
 修改膠體製備過程中銥氫氧化物水合物的前驅物，可
以使用較低的熱處理溫度，且性能可進一步提高。
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工作報告
PtIrO2(IPA:DI Water=1:1)
Pt black
Ir
PtIrO2(IPA:DI Water=2:1)
IrO2
Pt
Ti
Ir
Ir
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 測量儀器: PARSTAT 2263 電化學測試系統
 掃瞄速度:20mV/s
 電位範圍:-0.2~0.8V
 參考電極:Ag/AgCl
 輔助電極:Pt wire
 工作區域:1cm2
 觸媒擔載量: 5mg/cm2
 電解液:0.5 M 硫酸
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PtIrO2
PtIrO2/Ti
IPA:DI Water=1:1
PtIrO2
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IPA:DI Water=2:1
PtIrO2/Ti
活性面積
 (a) 91.84736 (mW/cm2)
 (b) 71.02679 (mW/cm2)
 (c) 61.62246 (mW/cm2)
 (d) 59.97979 (mW/cm2)
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交流阻抗分析
RΩ
RΩ+Rct
PtIrO2
IPA:DI Water=1:1 ; Rct=0.77 ohms
IPA:DI Water=2:1 ; Rct=0.66 ohms
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PtIrO2/Ti
IPA:DI Water=1:1 ; Rct=7.1 ohms
IPA:DI Water=2:1 ; Rct=3.8 ohms
 電源供應器固定電流為 1 A，
藉由改變電壓值觀測其電流
變化狀況，藉此判斷單電池
水電解效率。
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