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指導教授:王聖璋 博士
學
生 :林恩賢
日
期:2011/07/13
1
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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3
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。
4
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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