下世代鹼性膜燃料電池

 

刊登日期:2018/5/5
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因應未來燃料電池普及化面臨的成本問題,低成本之鹼性膜燃料電池技術是最有機會承接質子交換膜燃料電池之下世代技術。

本文將從以下大綱,介紹工研院材化所與全球同步研發之高效陰離子交換膜材料,強化膜材特性並導入連續式塗佈製程。
‧鹼性膜燃料電池發展趨勢
‧鹼性膜燃料電池發展現況
‧AEMFC陰離子交換膜
‧AEMFC非鉑觸媒
‧AEMFC膜電極組

【內文精選】
根據日本市調機構富士經濟調查公司於2017年12月提出的市場預測,全球氫燃料電池市場在2030年將有機會突破567億美元,燃料電池未來發展趨勢前景看俏。日本規劃在2030年家用熱電共生(Combined Heat and Power; CHP)之定置型燃料電池產品(如ENE-FARM)總設置量預計達到530萬部,總發電量約為3座台灣核一廠的發電量。

日本豐田汽車於2014年12月宣布正式販售燃料電池車(FCV) Mirai,於2015年第三季於北美等地上市,正式宣告氫能運輸紀元之開始。然而伴隨質子交換膜燃料電池(PEMFC)之興起,後續之成本問題陸續浮現,由於PEMFC需使用高價之貴金屬鉑(Pt)作為觸媒,以及全氟質子交換膜其生產販售皆由國外企業寡占,限制了燃料電池市場拓展之速度。為了解決此困境,低成本之鹼性膜燃料電池(或稱陰離子交換膜燃料電池(AEMFC))技術成為下一階段普及化應用之取代方案,希冀AEMFC系統與PEMFC系統在維持相同的性能下,還能夠降低一半的成本,成為有機會承接PEMFC之次世代技術。

然而AEMFC發展受到非鉑觸媒(Pt-free Catalysts)活性較低以及鹼性膜之耐化性及壽命不佳而遲滯不前,工研院材化所(MCL/ITRI,以下簡稱材化所)與全球同步研發鹼性膜燃料電池(Alkaline Membrane Fuel Cell),致力於高效陰離子交換膜(AEM)之開發,從材料之自主開發設計到膜材連續化塗佈製程;另一研發重點為開發高活性鹼性非鉑觸媒,以非貴金屬Ni為基礎的觸媒,希冀在成本及效能上取代Pt之觸媒系統,排除現行燃料電池使用高價及蘊藏量有限的鉑觸媒所造成廣泛應用上的阻礙。最後,結合材化所開發的陰離子交換膜和高反應活性的電極結構,開發設計出一高功率AEMFC膜電極組結構。

鹼性膜燃料電池發展趨勢
針對陰離子交換膜燃料電池之應用研究發展,藉由文獻搜尋系統(SciFinder)作一廣泛性的蒐集與整理,如圖一所示。PEMFC之研究開發約略自2000年起有明顯的躍進;而AEMFC雖已有相當年份的研究歷史,但直至2005年後才有較多相關研究投入,且發展趨勢亦有明顯成長。另一方面,2006年起,鹼性膜燃料電池開始出現,可惜相關發展趨勢較為少且平緩,該部分可能與AEMFC重疊有關,相關鹼性膜燃料電池之文獻亦可參考AEMFC,應有更多的助益。

圖一、質子交換膜燃料電池、陰離子交換膜燃料電池、鹼性膜燃料電池文獻發表趨勢統計圖
圖一、質子交換膜燃料電池、陰離子交換膜燃料電池、鹼性膜燃料電池文獻發表趨勢統計圖

AEMFC陰離子交換膜
目前在陰離子交換膜研究常見之陰離子交換膜(AEM)中,四級銨鹽基團容易被OH-攻擊而使膜材之高分子結構產生降解,導致化學穩定度變差、離子傳導能力降低與尺寸安定性低等問題,影響長時間使用壽命,成為AEM材料商業化主要的技術瓶頸。

材化所致力於高離子導電度/高化學穩定性之陰離子交換膜開發,利用分子合成設計之原理,導入具有高化學穩定性之離子交換官能基團,以增加高分子與膜材之耐化性,同時提高含離子基團之鏈段比例,以提升離子傳導能力,最後藉由導入兼具離子傳導能力之自有專利高分子型交聯劑,克服高含量離子基團高分子無法成膜之問題,並提升整體膜材機械特性(如圖二)。材化所應用於鹼性膜燃料電池之陰離子交換膜現階段的研究成果如表二所示,且此陰離子交換膜之化學穩定性可達750小時以上(1 M KOH)(如圖三)。另一方面,在製程上也致力於連續式卷對卷塗佈製程之開發….....以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖二、工研院材化所AEMFC陰離子交換膜開發技術重點
圖二、工研院材化所AEMFC陰離子交換膜開發技術重點

作者:蔡政修、黃秋萍、黃筱君/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」377期,更多資料請見下方附檔。


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