陰離子交換膜燃料電池技術發展現況

刊登日期:2016/7/5
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質子交換膜燃料電池(PEMFC)在定置型及燃料電池車輛應用已實際進入商業化的販售階段,而成本能否再進一步降低是其能否快速普及化的關鍵因素。因此基於成本問題考量,不使用氟化物及貴金屬觸媒之陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)具備有效降低成本之潛力,其重要性也逐漸浮現。

但陰離子交換膜材之穩定性與耐久性、離子傳導度提昇或是陰陽極反應觸媒選用及研發等關鍵因素,皆是目前面臨的重要課題。本文將針對這些關鍵課題進行剖析與介紹,並簡述目前國際陰離子交換膜燃料電池的發展現況,同時也分享工研院材化所團隊所自行研發之陰離子交換膜燃料電池最新成果。



圖一、陰離子交換膜燃料電池示意圖

陰離子交換膜燃料電池關鍵材料–陰離子傳導膜材發展現況
現今用於 AEMFC 常見的陰離子交換膜骨架可略分為兩大類:碳氧(硫)系與碳氫系(圖六)。這兩大類的高分子骨架不外乎包含了芳香類、醚類、烷類等的組成元素,主要功能即是提供高分子有高度的穩定性與耐化性。但當仔細分析研究碳氧(硫)系高分子,從分子骨架中發現,最脆弱的位置在於碳氧(硫)連接的部分,而存在於AEMFC內反應所產生的氫氧根離子,有相當的機會從碳氧(硫)的原子連接點進行攻擊,使得高分子產生斷裂,導致膜材發生破損崩解。為了改善此問題,許多學者將研究方向轉往碳氫系骨架高分子,主因是碳氫系高分子對於氫氧根離子有較高的化學容忍度,所以也比碳氧(硫)系高分子有著更高的耐化性與穩定性(圖七)。

對於陰離子交換膜材所使用的高分子,另一重點則為陽離子官能基團。目前國際上最常見的陽離子官能基團為四級銨鹽,四級銨鹽的離子導電度高,使用率也最為廣泛。但在含氫氧根環境下的四級銨鹽容易有降解反應發生,如氫氧根的 SN2加成反應、重排反應與 E2 脫去反應(含β-氫)等(圖八),使得膜材離子導電度不斷下降,影響 AEMFC 運作成效。也因此不同形式的陽離子官能基團如雨後春筍般的發展出現,如含氮雜環、雙氮結構、三氮結構、含磷基團,甚至有機無機混合結構等。

陰離子交換膜燃料電池關鍵材料–觸媒發展現況
燃料電池陰陽極之觸媒扮演將化學能轉化為電能之角色,為決定燃料電池效能關鍵因素之一環。目前國際主要係使用鉑為主之貴金屬作為陰陽極觸媒。由於鉑觸媒對氫氣具良好之催化活性,故陽極觸媒研究集中於催化醇類、硼氫化物、聯氨等非氫氣燃料之分解。相較於陽極燃料之多元性,氧氣為大多燃料電池之陰極燃料,然氧氣還原反應(ORR)速率緩慢,故 ORR 觸媒一直係燃料電池領域主要之觸媒研發議題。

工研院材化所陰離子交換膜燃料電池與其製程開發現況
目前在陰離子交換膜研究方面,一般常見陰離子交換膜(AEM)中,四級銨基團容易被 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,成為商用 AEM 材料主要的技術瓶頸,目前 Tokuyama 所生產之商用膜即屬於此類膜材。工研院材化所亦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……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。



圖十四 工研院材化所陰離子交換膜燃料電池放電表現

作者:王邱董、蔡政修、杜孟修、賴建銘、林俊男、蔡麗端 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」355期,更多資料請見下方附檔。


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