Abstract
磷酸型氫氧燃料電池的發電效率主要決定於氧的還原反應速率,任何能改 善氧電極的效率, 均可增加此燃料電池的發電效率。 縮短氧擴散到白金 反應位置的路徑長度, 可以有效提升氧的還原反應速率。 為達成此目 標, 可使用多孔氣體擴散電極, 此電極的主要特性是具有高內部反應面 積, 高孔隙度及高三相反應區域的特性。 同時此電極必須考慮反應物在 電極內部的擴散, 電子在固相間的傳導和離子在液相間的傳導。 電極具 有低的反應物在液相的擴散阻力時, 此電極將遭遇高的離子傳導阻力。相 反地, 電極具有低的離子傳導阻力時,此電極將受到高的反應物在液相的 擴散阻力。 由上得知, 電極無法同時兼具低的反應物在液相的擴散阻力 及低的離子傳導阻力, 因此, 如何在兩大阻力因素取得平衡,以得到最適 化效率的電極為當今發展燃料電池的關鍵。本文係利用鐵氟龍在觸媒層的 含量及電極的鍛燒溫度兩大因素,研究此二大因素對電極放電特性的變化 。在研究過程中,我們利用X-光繞射偵測結晶強度的改變,並利用汞滲透儀 測量電極孔洞結構的變化, 此外, 我們更建立數學模示模擬各種狀態的電 極內部特性。 同時利用數值分析的技巧解析此數學模示, 從這些實驗的 測量及理論分析, 得到如下的結論: (1) 在鐵氟龍分散性的實驗中, 我們 發現適度控制鐵氟龍的分散性可以有效提高氧的還原反應速率。 鐵氟龍 的分散性的調整可藉由鐵氟龍的含量及鍛燒溫度的控制而達成。 (2) 我 們利用模式預測電極內部特性發現: 當凝聚物半徑超過40 um時, 在高電 流密度下,氧在液相的擴散受到嚴重的阻礙。當凝聚物半徑小於1.2 um 時, 無此現象發生,但是此電極的放電效率受制於離子傳導的阻力。在此 研究的另一貢獻是發現液相有效導電度大於固相有效導電度時,電極內部 最大反應速率發生於碳板和觸媒層的界面, 另外,若固相有效導電度大於 液相有效導電度時,電極內部最大反應速率發生於電極和電解液的界面。 (3) 藉由理論的分析和電極的放電效率,可作為多孔氣體擴散電極的最適 化結構的依據。由最適化結構分析裡, 我們發現,電極放電效率會隨凝聚 物半徑的改變而變化,並且存在一個最適化的凝聚物半徑。對於此現象, 我們發現, 凝聚物半徑大於10 um時, 電極將遭遇到反應物在液相擴散的 電壓損失。 若凝聚物半徑小於1 um時, 電極將受到離子傳導的電壓損失 。