研究方向 研究簡介研究方向 硬質薄膜透明導電膜其他功能性薄膜CIGS太陽能電池燃料電池鋰電池銀合金生質碳研究計畫 |
隨著全球工業及人口的增加，地球能源短缺的警訊越來越高，因此可重複使用、能源轉換效率佳及對環境友善之新能源技術，倍受各國政府、企業界及學術界重視。燃料電池具有高轉換效率、高能量密度、啟動速度快、低污染、低噪音、易於操作、進料廣等諸多優點，為近十年各界最重視與廣泛研究之替代能源之一，被喻為繼水力、火力、核能發電之後的第四代發電技術。 燃料電池(Fuel Cell)與一般傳統電池(Battery)的發電原理一樣，也就是將燃料所具有的化學能，經由電化學反應直接轉換為電能的能量轉換裝置，因此都屬於電化學動力源(Electrochemical Power Sources)，且不受限於卡諾循環，因此具有極高的能量轉換效率，其實際轉換效率約為40%-60%，若考慮熱電合併其效率可達80%。與一般傳統電池不同之處，在於燃料電池的電極本身僅具觸媒的功能，僅用來催化燃料的氧化還原反應致使放出電能，本身並不參與反應，因此在反應過程中電極本身並不會因為放電而有所消耗。所以理論上只要反應物不斷輸入，生成物不斷移除，燃料電池即可持續且穩定地發電。 目前本實驗室之開發重點在於將直流磁控濺鍍技術導入低溫型質子交換膜燃料電池(PEMFC)膜電極組之製備，將儲氫合金、金屬及金屬氧化物直接鍍著於膜電極組之氣體擴散層表面，製備高性能金屬膜電極組，取代傳統奈米粒子合成技術及超音波混成技術以簡化膜電極組之製程及提升電池之穩定性。 1. 儲氫合金應用於燃料電池膜電極組之特性研究 下圖為不同濺鍍時間(a) 10 min (b) 30 min (c) 60 min鍍著TiVCr儲氫合金於碳紙表面之SEM影像。圖中可觀察到典型金字塔形之TiVCr表面形貌，於鍍著時間為10 min時，即可覆蓋於碳紙表面。並經由FIB所切割之cross-sectional SEM影像可得知TiVCr薄膜為柱狀結構且確實附著於碳紙表面，其厚度隨著鍍膜時間增加而增加。
下圖為不同鍍著時間之TiVCr儲氫陽極於工作電壓為0.6V在氫氣為零之電流-時間圖。本研究將鍍有TiVCr儲氫合金之碳紙將當作單電池之陽極，未處理過之碳紙當作陰極，塗佈自製Pt/C觸媒後，與Nafion膜熱壓成膜電極組，組裝成單電池於燃料電池工作站進行測試。電池活化完成後，我們將氫氣關閉，固定電壓為0.6V，紀錄電流對時間之變化。當數據中之氫氣顯示為零後，開始擷取作圖，觀察電池在沒有氫氣之後的工作時間，簡易測試膜電極組之儲氫能力。圖中可發現隨著TiVCr儲氫合金鍍著時間之增加，電池在沒有氫氣狀態下之耐久性也隨之提升，當陽極使用TiVCr儲氫合金鍍著時間為60 min之電池，可增加約90.6%之工作時間。
下圖為陽極使用TiVCr儲氫電極於工作溫度為(a) 25 °C和(b) 65 °C之極化曲線。由圖中可明顯觀察出當TiVCr鍍著時間為10 min時，在未增濕溫度25 °C以及增濕溫度65 °C之狀態下，可提升約17.1% 和 49.7%之電池性能。電池在未增濕條件下，其性能之表現主要是仰賴電池之電化學反應，由單電池測試結果得知，陽極使用TiVCr儲氫合金可增加電池之電化學反應速率，提升電池性能。
本研究利用鍍膜技術將金屬氧化物直接鍍著於陽極觸媒層表面提升陽極之親水性，並藉由鍍膜技術之優點，使金屬氧化物可以均勻分散至觸媒層表面，一方面可避免過度添加造成觸媒層電阻過高，另一方面也可節省材料及降低成本。 下圖分別為鍍著ZnO於陽極觸媒層在濺鍍時間(a) 0 s, (b) 30 s, (c) 60 s和(d) 90 s之X光繞射圖。圖(e)(f)(g) 為鍍著ZnO於Si-wafer在濺鍍時間30 s, 60 s和90 s。在ZnO濺鍍時間為30 s時，由圖中可明顯觀察到ZnO奈米粒子均勻沉積於觸媒層中，粒徑大小介於5 nm到20 nm之間。當ZnO濺鍍時間過長，可發現ZnO奈米粒子有團聚現象。
下圖為鍍著ZnO於陽極觸媒層在不同濺鍍時間分別於陽極增溼溫度為25℃、45℃、65℃的電壓-電流密度曲線。由單電池測試結果可得知，鍍著適量之ZnO於陽極觸媒層不管在陽極未增濕或是全增濕狀態下，膜電極組之水管理狀況及電池性能可大幅獲得改善。但由SEM結果可得知鍍著時間過長，ZnO奈米粒子容易聚集，於全增濕狀態時易發生陽極水氾濫之現象，且過量的ZnO也會使電池之內電阻增加。另外，ZnO奈米粒子所析出之Zn+也會影響質子交換，因此ZnO之含量過高，將不利於電池性能之提升。
3. 高分散性白金觸媒之開發 目前燃料電池用之觸媒仍然以Pt為主，但Pt之含量稀少且價格居高不下，一直是阻礙燃料電池商業化的重大因素，因此合成高分散性且高活性之Pt觸媒以降低燃料電池所需觸媒之使用量，也是燃料電池開發重點之一。Pt 奈米級粒子除了應用於燃料電池，也被廣泛性的應用於觸媒領域，本實驗室使用界面活性劑當分散劑及搭配熱迴流法成功的製備出高效能、高活性的Pt/C，Pt/MCNT 電極觸媒，Pt 粒子的粒徑約(1.5 nm~3.5 nm)，遠小於目前商用觸媒(Johnson Matthey)的粒徑(2.5 nm~5 nm)。下圖為商用觸媒及自製觸媒之SEM及TEM影像(a) 商用觸媒, (b)(c)(d) 為不同界面活性劑濃度之自製觸媒。
下圖為商用觸媒及不同界面活性劑濃度之自製觸媒循環伏安曲線及單電池極化曲線。經電化學(CV)及單電池測試，其活性面積及電池性能也遠大於商用觸媒，由於使用觸媒的產業很多，本產品可商業化的程度很高。
4. 全釩液流電池 全釩液流電池通常使用碳氈作為電極，但碳氈之電化學活性相當低，進而影響電池之充放電效率。過去有許多文獻使用金屬化合物直接沉積於碳氈表面，包含IrO2, Pt及Ir，還有其他包含了部分修飾石墨之表面官能基，希望可以提高釩氧化還原對之催化活性及增強電極在釩溶液之穩定性。本研究團隊利用價格較合理之過渡金屬-TiO2，與碳黑混合後塗佈於電極表面，藉由TiO2優異之化學穩定性、耐久性以增強電極之能力。下圖為不同比例TiO2複合電極之觸媒循環伏安曲線 (a) 0% (b) 10% (c) 20% 和(d) 30%。由電化學分析可觀察出使用TiO2複合電極之電雙層充電電流明顯高於0%純碳黑電極。此現象代表TiO2複合電極具有較高的比電容值及電化學活性面積，將有助於提升電池充放電性能。
下圖為不同比例TiO2複合電極之充放電曲線 (a) 0% (b) 10% (c) 20% 和(d) 30%。由圖中可發現當電池充滿進行定電流放電時，使用TiO2複合電極之IR-drop比0%之純碳黑電極低許多，代表使用TiO2複合電極可有效降低電池內阻。
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