能源與材料科技系 實務專題論文

燃料電池效能之檢測

指導老師： 黃鵲容

班級 四能三乙 四能三乙 四能三乙 四能三乙 四能三乙

學號 BB101052 BB101064 BB101065 BB101070 BB101082

姓名 周巧庭 林宛柔 江佳靜 劉盈酉 楊妙霞

修 平 科 技 大 學

中 華 民 國 1 0 4 年 6 月 1 7 日

1

致謝 在這本專題論文完成之時，最要感謝的就是一路陪伴我們成長的

指導老師─黃鵲容老師，感謝她在實驗中的細心指導，給予我們正確的實驗理念，並在我們遇到問題時耐心的指導我們、帶領我們，使我

們成長也從中學習到很多，真的非常的感謝她。 再來要感謝汪先生替我們準備藥品及器材。最後，感謝在專題的

過程中所有給予我們鼓勵、支持及幫助的老師、學長姐及同學們。 如果沒有這些人的幫忙，這本論文無法順利的完成，本論文全體組員在此致上十二萬分的謝意，謝謝。

2

摘要

本專題之研究目的主要為學習燃料電池原理、結構及建立燃料電池效能實驗的標準步驟與操作程序並進行測定燃料電池效能的實

驗。 本專題透過不同方法電解水產氫之氫氧燃料電池裝置坦討研究

燃料電池及其效能。一為太陽能產電電解水，另一為直接外加電流電

解水。我們針對這兩種不同之裝置訂定不同之實驗步驟。 太陽能板產電電解水產氫氧並接入氫氧燃料電池之裝置，我們將

分為針對太陽能板、電解槽、燃料電池等三個部分進行研究。直接外

接電源電解水產氫氧並接入氫氧燃料電池之裝置則針對其輸入之電

量、電解槽、燃料電池等部分進行研究。實驗大多以時間或電流為可

變因數，或透過氫氣之產生/消耗量、串聯並聯…不同之變數設計出不同之研究。

由不同之研究由實驗數據可得其電壓電流曲線、電流時間曲線、氣體對電流曲線、氣體對時間曲線…由這些曲線進行一連串有趣的探討。

實驗的最後得出之結果讓我們發現本專題實驗物質電解所生成的量 n，和時間 t 與電流 I 成正比，亦即正比於轉移電荷 Q(n∝Q)。由此結果發現本專題之所有實驗皆符合法拉第定律。

所以由此結論讓我們可以透過法拉第定律印證或計算其效能。法拉第效能表示多少流動的電流被轉換成所要的反應。而本實驗之主

旨即為測定燃料電池效能時否完全符合法拉第效能。

3

目錄

致謝 .................................................... 1

摘要 .................................................... 2

目錄 .................................................... 3

圖目錄 .................................................. 7

第一章 前言 ............................................. 9

1-1燃料電池的發展史 ................................... 9

1-2燃料電池簡介 ....................................... 11

1-3燃料電池的重要性 .................................. 12

1-4燃料電池種類 ...................................... 13

1-4-1鹼性燃料電池(AFC) .............................. 13

1-4-2質子交換膜燃料電池(PEFC) ....................... 15

1-4-3磷酸型燃料電池(PAFC) ........................... 17

1-4-4熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) ....................... 18

1-4-5固態氧化物燃料電池(SOFC) ....................... 19

1-4-6直接甲醇燃料電池(DMFC) ......................... 20

1-5燃料電池特性與應用 ................................ 21

1-5-1特性 ........................................... 21

1-5-2應用 ........................................... 22

1-6燃料電池的優缺點 .................................. 23

1-6-1優點 ........................................... 23

1-6-2缺點 ........................................... 24

1-7氫-氧燃料電池 ..................................... 25

1-7-1氫能 ........................................... 25

1-7-2反應物來源 ..................................... 25

1-8法拉第電解定律 .................................... 26

4

1-9實驗原理 .......................................... 27

1-9-1電解水原理 ..................................... 27

1-9-2燃料電池原理 ................................... 27

1-10燃料電池結構 ..................................... 28

第二章 研究目的 ........................................ 29

第三章 藥品與儀器設備 .................................. 30

3-1藥品 .............................................. 30

3-2器材儀器與設備 .................................... 30

3-2-1器材 ........................................... 30

3-2-2儀器與設備 ..................................... 30

3-3實驗項目 .......................................... 31

3-4實驗步驟 .......................................... 32

3-4-1電解水的特性曲線 ............................... 32

3-4-2電流與氫氣產生之測定 ........................... 33

3-4-3電解水的效能之測定電解水的效能之測定 ........... 34

3-4-4燃料電池並聯與串聯的特性曲線 ................... 35

3-4-5燃料電池的效能之測定 ........................... 36

3-4-6燃料電池電解水印證法拉第第一定律 ............... 37

3-4-7測量電解槽產生氣體之效率 ....................... 38

3-4-8測量電解槽能源和法拉第效率的因素 ............... 39

3-4-9確定電解槽的電流電壓曲線 ....................... 40

3-4-10測定燃料電池的能源的效率因數 .................. 41

第四章 實驗結果與討論 .................................. 42

4-1電解水的特性曲線 .................................. 42

4-1-1實驗數據 ....................................... 42

4-1-2實驗結果 ....................................... 43

4-1-3太陽能電池電解水 IV特性曲線之討論 .............. 45

5

4-2電流與氫氣產生之測定 .............................. 46

4-2-1實驗數據 ....................................... 46

4-2-2實驗結果 ....................................... 47

4-2-3太陽能電池電解水產生氫氣之討論 ................. 51

4-3電解水的效能之測定 ................................ 52

4-3-1數據 ........................................... 52

4-3-2討論 ........................................... 52

4-4燃料電池並聯與串聯的特性曲線 ...................... 53

4-4-1數據 ........................................... 53

4-4-2實驗結果與討論 ................................. 54

4-5燃料電池的效能之測定 .............................. 56

4-5-1數據 ........................................... 56

4-5-2結果 ........................................... 56

4-5-3 計算 .......................................... 56

4-6燃料電池電解水印證法拉第第一定律 ................... 57

4-6-1數據 ........................................... 57

4-6-2結果與討論 ..................................... 58

4-6-3 計算 .......................................... 59

4-7測量電解槽產生氣體之效率 .......................... 60

4-7-1實驗數據 ....................................... 60

4-7-2結果 ........................................... 61

4-7-3討論 ........................................... 61

4-8測量電解槽能源和法拉第效率的因素 ................... 62

4-8-1數據 ........................................... 62

4-8-2結果 ........................................... 62

4-9確定電解槽的電流電壓曲線 .......................... 63

4-9-1數據 ........................................... 63

4-9-2結果 ........................................... 63

6

4-9-3電解槽的電流電壓曲線之探討 ..................... 64

4-10測定燃料電池的能源的效率因數 ..................... 65

4-10-1數據 .......................................... 65

4-10-2結果 .......................................... 65

第五章 結論 ............................................ 66

第六章 參考文獻 ........................................ 67

7

圖目錄

圖 1-4-1鹼性燃料電池﹝7﹞ ............................... 13

圖 1-4-2質子交換膜燃料電池﹝8﹞ ......................... 15

圖 1-4-3磷酸型燃料電池(PAFC)﹝9﹞ ....................... 17

圖 1-4-4熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)﹝16﹞ .................. 18

圖 1-4-5固態氧化物燃料電池(SOFC)﹝16﹞ .................. 19

圖 1-10燃料電池結構圖 .................................. 28

圖 3-1電解水的特性曲線實驗線路圖 ........................ 32

圖 3-2電流與氫氣產生之測定實驗線路圖 .................... 33

圖 3-3電解水的效能之測定實驗線路圖 ...................... 34

圖 3-4-1並聯線路圖 ..................................... 35

圖 3-4-2 串聯線路圖 ..................................... 35

圖 3-5燃料電池的能量效能之測定實驗線路圖 ................ 36

圖 3-6 燃料電池電解水實驗線路圖 ......................... 37

圖 3-7測量電解槽產生氣體之效率實驗線路圖 ................ 38

圖 3-8測量電解槽能源和法拉第效率的因素實驗線路圖 ........ 39

圖 3-9確定電解槽的電流電壓曲線實驗之線路圖 .............. 40

圖 3-10測定燃料電池的能源的效率因數實驗線路圖 ........... 41

圖 4-1（A）太陽能電池電解水之 IV曲線 .................... 43

圖 4-1（B）太陽能電池電解水之 IV曲線 .................... 43

圖 4-1（C）太陽能電池電解水之 IV曲線 .................... 44

圖 4-1（D）太陽能電池電解水之 IV曲線疊圖 ................. 44

圖 4-2(A)電解時間與氫氣產生體積之曲線圖 .................. 47

8

圖 4-2(B)電解時間與氫氣產生體積之曲線圖 .................. 47

圖 4-2(C)電解時間與氫氣產生體積之曲線圖 .................. 48

圖 4-2(D) 電解時間與氫氣產生體積之曲線疊圖 ............... 48

圖 4-2(E)電流與氫氣產生體積之曲線圖 ..................... 49

圖 4-2(F)電流與氫氣產生體積之曲線圖 ..................... 49

圖 4-2(G)電流與氫氣產生體積之曲線圖 ..................... 50

圖 4-2(H)電流與氫氣產生體積之曲線疊圖 ................... 50

圖 4-4-1 燃料電池並聯的電流電壓曲線圖 ................... 54

圖 4-4-2 燃料電池串連及並聯的電流電壓曲線圖 .............. 54

圖 4-6-1氫氣消耗量對時間曲線圖 .......................... 58

圖 4-6-2 氫氣消耗量與電流之曲線圖 ....................... 58

圖 4-7不同電流與氫氣、氧氣產生的體積之曲線圖 ............ 61

圖 4-9在不同電流與產生的電壓之曲線圖 .................... 63

9

第一章 前言

1-1 燃料電池的發展史

燃料電池的原理由德國化學家克里斯提安·弗里德里希·尚班

於 1838 年提出，並刊登在當時著名的科學雜誌。基於尚班的理

論，英國物理學家威廉‧葛洛夫於 1839 年 2 月把理論證明刊登

於《科學的哲學雜誌與期刊》（Philosophical Magazine and Journal

of Science），其後又把燃料電池設計草圖於 1842 年刊登 。當時

的設計類似現今的磷酸燃料電池。

1955 年，一位為通用電氣工作的化學研究員 W·湯馬斯·葛盧

布（W. Thomas Grubb），進一步設計以磺化聚苯乙烯離子交換膜

作電解質，改革原始燃料電池。三年後，通用電氣的另一位化學

研究員李奧納德·尼德拉克（Leonard Niedrach），想出了將鉑沉積

在膜上面，鉑是氫氣進行氧化反應和氧氣進行還原反應必需的催

化劑，成為「Grubb-Niedrach 燃料電池」。﹝1﹞

隨即通用電氣就和美國國家航空暨太空總署及麥克唐納飛

行器公司空發展這個技術，應用於雙子星計畫，這是燃料電池的

第一個商業上的應用。直到 1959 年，英國的工程師法蘭西斯·湯

瑪士·培根和它的同事們才成功地展示出第一具輸出功率達 5 千

瓦的實用級燃料電池系統。同年，一個由哈利·伊律格（Harry Ihrig）

領導的團隊也製造出以 15 千瓦功率的燃料電池驅動的牽引車。

1960 年，普惠公司獲得培根專利的許可，將燃料電池當作太空計

畫中電力和水的來源。在 1991 年，羅傑‧比林期（Roger Billings）

發展出世界首個用於汽車的氫燃料電池。

美國聯合技術公司的 UTC 動力部門是第一個製造商用、大

型固定燃料電池的公司，其產品可當做醫院、大學、大型辦公大

樓的動力來源，UTC 動力持續也在市場上推出功率達 200 千瓦燃

料電池-PureCell 200，現被 400 千瓦取代-PureCell Model 400。UTC

動力也是美國國家航空暨太空總署在進行太空探索方面唯一的

10

燃料電池供應者，曾將其燃料電池應用於太陽神計畫和最近的太

空梭計畫，而且也往汽車、公共巴士、手機等方面發展，該公司

也展示了第一個質子交換膜的燃料電池汽車，在酷寒的狀態下仍

能適用。

在 1960 年代幾次的太空任務中，燃料電池被用於驅動登月探

險車及供應太空人飲用水，均證明了它的實用性。近年來，因為

化石燃料造成的能源危機與環保意識的抬頭，令燃料電池的發展

日趨興旺。﹝2﹞

11

1-2 燃料電池簡介 燃料電池 (fuel cell) 是一個電池本體與燃料箱組合而成的動力

機制。燃料的選擇性非常高，包括純氫氣、甲醇、乙醇、天然氣，甚

至於現在運用最廣泛的汽油，都可以做為燃料電池燃料。這是目前其

他所有動力來源無法做到的。而以燃料電池做為汽車的動力，已被公

認是廿一世紀必然的趨勢。

燃料電池是以具有可燃性的燃料與氧反應產生電力；通常可燃性

燃料如瓦斯、汽油、甲烷（CH4）、乙醇 （酒精）、氫…這些可燃性

物質都要經過燃燒加熱水使水沸騰，而使水蒸氣推動渦輪發電，以這

種轉換方式大部分的能量通常都轉為無用的熱能，轉換效率通常只有

約 30%相當的低，而燃料電池是以特殊催化劑使燃料與氧發生反應

產生二氧化碳（CO2）和水（H2O），因不需推動渦輪等發電器具，也

不需將水加熱至水蒸氣再經散熱變回水，所以能量轉換效率高達

70%左右，足足比一般發電方法高出了約 40%；優點還不只如此，

二氧化碳排放量比一般方法低許多，水又是無害的產生物，是一種低

污染性的能源。﹝3﹞

12

1-3 燃料電池的重要性

為什麼要談燃料電池呢？近年來這個名詞蠻熱門的，也在很

多新聞媒體上會不時看到相關的報導。我們可以看到上衣世紀人

類社群發展的過程在能源使用的問題以及經驗來加以研究討

論，例如是曾經經歷過的石油危機、天然資源的消耗、環境污染

或是能源轉換效率技術等等。 目前我們人類所享受的生活便利性，可以說是來自各種不同

形式的能源消耗，像是家用設備依賴電力供應、交通運輸依賴燃

料油等等，這些大部分都是來自於石油，而我們也常聽說有人預

測石油可能再過四、五十年就用完了，石油蘊藏量可能所剩不

多，地球所藏的的石油纇能源終究會有消耗完的一天。除此之

外，過去所使用的石油纇能源雖然提供了人們生活上的便利性，

但卻也造成生活環境的污染及變化，最明顯的的例子就是二氧化

碳的過度排放，造成大氣的溫室氣體效應，影響到氣候的變化；

交通運輸所排放的有毒氣體、黑煙等等，這些都是造成環境污染

的最大元兇。因此，開發新一代潔淨的能源技術，可以避免人類

社群的發展受限於有進的天然資源，也可以讓人類在享受能源所

提供的生活便利性時，還能維持一個良好的生活環境，那就是我

們現在所需要注重的重要課題，當然這也是一個龐大的商機。理

想上是指能源在使用上不會影響環境品質，且不會耗盡有限的天

然資源，這是不易達到的目標，實際上標準在於所使用的天然資

源要蘊藏豐富、天然資源轉換成生活用能源時的效率要高，且方

便使用、無污染，燃料電池即是一種具有發展潛力的潔淨能源技

術。﹝4﹞ 而討論燃料電池另一個重要原因，能源產業在 21 世紀面臨

能源安全、環境保護及經濟成長等三大挑戰。在能源安全上，面

臨如石油資源逐漸減少的限制，以及需要有不同能源的最佳組合

使用；在環境保護方面，全球暖化的問題等待解決與改善；要維

持經濟成長，必須持續不斷地進行與能源相關的經濟及區域活

動，同時又要能創造新的產業。其實燃料電池的重要性可以歸納

成 4 點來看：使用氫能源為燃料；為高效率熱電共生系統；可創造新產業；適合於天然氣、石油、生質能、電力及熱能等不同能

源的最佳組合使用，從中衍生許多的結果，如零污染、能源節約、

二氧化碳減量等，皆符合對於未來社會的期待。

13

1-4 燃料電池種類

1-4-1 鹼性燃料電池(AFC)

鹼性燃料電池(AFC)，一般被運用於人工衛星上，操作時所需溫

度並不高，轉換效率好， 為所有燃料電池中最高的,最高可達 70%。

可使用之觸媒種類多價格又便宜，例如銀、鎳等，但是在最近各國燃

料電池開發競賽中，卻無法成為主要開發對象，其原因在於電解質必

須是液態，燃料也是高純度的氫才可以。此外，鹼性燃料電池的電解

質，易與空氣中的二氧化碳結合形成氫氧化鉀，影響電解質的品質，

導致發電性能衰退。

原理:這種 燃料電池 通過 氫 和 氧 之間的 氧化還原反應 生產電

力. 氫氧燃料電池有兩個燃料入口,氫及氧各由一個入口進入電池,中

間則有一組多孔性石墨電極,電解質則位於碳陰極及碳陽極中央.氫氣

經由多孔性碳陽極進入電極中央的氫氧化鉀電解質,在接觸後進行氧

化,產生水及電子.

H2 + 2 𝑂𝑂𝑂𝑂− → 2 𝑂𝑂2𝑂𝑂 + 2𝑒𝑒−

電子經由外電路提供電力並流回陰極,並在陰極與氧及水接觸後反應

形成氫氧根離子

𝑂𝑂2 + 2𝑂𝑂2𝑂𝑂 + 4𝑒𝑒− → 4𝑂𝑂𝑂𝑂−

最後水蒸汽及熱能由出口離開,氫氧根離子經由氫氧化鉀電解質流回

陽極,完成整個電路

1-4-1鹼性燃料電池﹝7﹞

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%A2http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%A7http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%A7%E5%8C%96%E8%BF%98%E5%8E%9F%E5%8F%8D%E5%BA%94http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%AB%E6%B0%A7%E5%8C%96%E9%89%80http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Alkalinecell.svg

14

1: 氫氣流入 2:產生電子及水 3:電子經由外電路流回陰極 4:氧氣流

入與水及電子反應形成氫氧根離子 8:水蒸氣由出口排出 9:氫氧根離

子流回陽極(5:陰極 6:電解質 7:陽極) ﹝5﹞

優缺點:由於鹼性燃料電池是以氫氧化鉀作為電解質,因此若由進

氣口中進入電池的氣體中含有二氧化碳,氫氧化鉀會與二氧化碳反應

形成碳酸鉀,碳酸鉀則會堵住碳電極上的孔,氫氣或氧氣無法與電解質

接觸,會嚴重影響發電效率. 這種電池的優點則是電能轉換效率十分

的高,且其銀或鎳觸媒較其他電池便宜,因此具有一定的商業前景。

15

1-4-2 質子交換膜燃料電池(PEFC)

質子交換膜燃料電池(PEFC)，其電解質為離子交換膜，薄膜的表

面塗有可以加速反應之觸媒（大部分為白金），薄膜兩側分別供應氫

氣及氧氣，氫原子被分解為兩個質子及兩個電子，質子被氧吸引，再

和經由外電路到達此處之電子形成水分子，因此此燃料電池的唯一液

體是水，腐蝕問題相當小，同時其操作溫度介於 80 至 100℃之間，

安全上之顧慮較低。然而，觸媒白金價格昂貴，若減少其使用量，操

作溫度勢必會提升。再者，白金容易與一氧化碳反應而發生中毒現

象，因此比較不適合用在大型發電廠，而適合做為汽車動力來源。

圖 1-4-2 質子交換膜燃料電池﹝8﹞

質子交換膜燃料電池構造與運作原理示意圖，上方輸入氫氣，前

側導入氧氣，產生電力、水與熱。

質子交換膜燃料電池每一個電池組，一般是由十一層結構所組成：

電極組

http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Pem.fuelcell2.gif

16

中間層為高分子質子交換膜，簡稱交換膜，是固態高分子電

解材料，用以傳送質子，且須隔阻電子與氣體通過；

其兩邊外側為觸媒反應層，陽極與陰極的電化學反應分別在

此兩層進行，目前以鉑／碳或鉑／釕／碳粉體為觸媒；

氣體擴散組

觸媒層兩邊外側是兩層擴散層，為經疏水處理以避免水分阻

塞的碳纖維，能將反應物擴散至觸媒反應層，並將生成物擴

散排出；

擴散層兩邊外側為兩層流場板，與擴散層接觸面有許多氣體

導流槽，反應物與生成物即經由這些導流槽進出燃料電池；

導電隔離組

於流場板外側是導電板，負責收集電流，再經由電路傳送至

負載；

最外層有兩片壓板，用以固定與隔離保護整個電池組。﹝6﹞

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B3%AA%E5%AD%90http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E5%AD%90http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%A3%E9%AB%94http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A7%A6%E5%AA%92http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%99%BD%E6%A5%B5http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%99%B0%E6%A5%B5http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%B5%E5%8C%96%E5%AD%A6http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%B5%E5%8C%96%E5%AD%A6http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%89%91http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A2%B3http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%87%95http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A2%B3%E7%BA%96%E7%B6%ADhttp://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%8D%E5%BA%94%E7%89%A9http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%8D%E5%BA%94%E7%89%A9http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%9F%E6%88%90%E7%89%A9http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E6%B5%81http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B2%A0%E8%BC%89

17

1-4-3 磷酸型燃料電池(PAFC)

磷酸型燃料電池(PAFC)，因其使用之電解質為 100﹪濃度之磷酸

而得名。操作溫度大約為 150 到 220℃之間，因溫度高所以廢熱可回

收再利用。其觸媒與前述之質子交換膜燃料電池一樣，同為白金，因

此也同樣面臨白金價格昂貴之問題。到目前為止該燃料電池大都運用

在大型發電機組上，而且已商業化生產，技術較不成問題，惟未能迅

速普及，成本居高不下就是主要關鍵。﹝6﹞

圖 1-4-3 磷酸型燃料電池(PAFC)﹝9﹞

18

1-4-4熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

熔融碳酸鹽燃料電池 （MCFC）所使用之電解質為分布在多孔

陶瓷材料的鹼性碳酸鹽。鹼性碳酸鹽電解質在 600~800℃下呈熔融狀

態，此時具有極佳的離子傳導度。由於是高溫操作，反應電極不需要

CO 均可直接作為燃料，不但提高發電效率也簡化系統。熔融碳酸鹽

燃料電池的餘熱可回收或與燃氣輪機結合組合複合發電系統，使發電

容量和發電效率進一步提高。與 固體氧化物燃料電池 相比，熔融碳

酸鹽燃料電池的優點是操作溫度較低，可使用價格較低的金屬材料，

電極、電解質隔膜、雙極板的製作技術簡單，密封和組裝的技術難度

相對較小，易於大容量發電機組組裝，且造價較低。缺點是必須配制

二氧化碳循環系統；熔融碳酸鹽具腐蝕性且易揮發；與 固體氧化物

燃料電池 相比壽命較短；組成複合發電系統的發電效率比 固體氧化

物燃料電池低。與低溫燃料電池相比，熔融碳酸鹽燃料電池的缺點

是啟動時間較長，不適合作為備用電源。已接近商業化，是分散性電

站與集中型電廠的理想選擇之一。鉑等貴金屬催化劑，一般可採用鎳

與氧化鎳分別作為陽極與陰極的觸媒。﹝7﹞

圖 1-4-4 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)﹝16﹞

19

1-4-5固態氧化物燃料電池(SOFC)

固態氧化物燃料電池(SOFC)，由氧化釔穩定氧化鋯（YSZ，

20

1-4-6直接甲醇燃料電池(DMFC)

直接甲醇燃料電池 ( DMFC) 是 質子交換膜燃料電池 的一種，

使用 甲醇 作為發電的燃料。直接甲醇燃料電池主要的優點，在於甲

醇便於攜帶、高能源密度、在各種環境下都保持液態，並且不需要如

間接式燃料電池需要複雜的汽化產生氫氣的過程。由於發電效率普遍

不高，因此主要針對的目標為攜帶式的應用，這種情況下能量與功率

密度要求高於發電效率。目前的直接甲醇燃料電池被在它們能產生電

力所限制，但它們仍可以在一個小空間中存儲高能量含量。它們可以

在一段長的時期產生少量的電力。非常適合小型車輛以及 手機，數

位相機 或 筆記型電腦。直接甲醇燃料電池的軍事應用是一個新興的

應用，因為它們具有低噪聲和熱特徵，無任何毒流出物。這些應用包

括單兵攜帶戰術裝備電源，電池充電器電源，以及用於測試和訓練儀

器的自主電源。已有的電池單元可提供從 25 瓦到 5 千瓦之間的輸出

功率，與在補充燃料之間長達 100 小時的持續時間。﹝7﹞

陽極2 3� O2 + 6H+ + 6e− → 3H2O

陰極CH3OH + H2O → 6H+ + 6e− + CO2

總反應C𝑂𝑂3𝑂𝑂𝑂𝑂 + 3 ⁄ 2 𝑂𝑂2 → 2𝑂𝑂2𝑂𝑂 + 𝐶𝐶𝑂𝑂2

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B3%AA%E5%AD%90%E4%BA%A4%E6%8F%9B%E8%86%9C%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%B2%E9%86%87http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A7%BB%E5%8A%A8%E7%94%B5%E8%AF%9Dhttp://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%95%B8%E7%A2%BC%E7%9B%B8%E6%A9%9Fhttp://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%95%B8%E7%A2%BC%E7%9B%B8%E6%A9%9Fhttp://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%AD%86%E8%A8%98%E5%9E%8B%E9%9B%BB%E8%85%A6

21

1-5 燃料電池特性與應用

1-5-1 特性

燃料電池為一將化學能轉變為電能的自發性電化學系統

(Galvanic Cell)，只要不斷供應燃料(H2、CH4、CH3OH )就能夠持

續輸出電力。因此燃料電池不需經傳統燃燒過程即能將化學能轉

換成電能，不但能源效率提高且可藉由外部不斷地供應反應所需

之燃料，持續地產生電能，不同於一般只能儲存固定電量之蓄電

池。燃料電池比一般傳統火力發電方式更清潔，沒有二氧化碳及

含硫的問題，更沒有核能發電核廢料的問題。若用氫氣與空氣作

為燃料與氧化劑，其生成物只有水和熱。燃料電池直接將燃料中

的化學能轉換成電能，和一般傳統的發電方式不同，故不受卡諾

循環的限制，理論上能量轉換效率可達 80％，且無噪音。燃料

電池的用途也很廣泛，燃料電池所能提供的電力範圍相當廣泛，

小至手機大至百萬瓦發電廠。燃料電池不同於一般電池是因為一

般電池是將能量貯於電池本體中，用完後即捨棄，或充電後再重

複使用，燃料電池則是由燃料中的化學能提供能源，它並不含在

電池本體結構中，因此只要持續不斷地供給燃料，燃料電池便可

以不停地發電，燃料電池的燃料來源也很廣泛。﹝8﹞

22

1-5-2應用

1.固定式發電: 目前全世界已有超過 2,500 個燃料電池發電系統正

在運作，供應醫院、療養院、旅館、辦公大樓、學校、機場及發電

廠等之主要或備援的電力。

2.住宅用電:燃料電池技術用於重要地區之高壓輸配電線路網的輔助

電力或備用電力，或是用在獨立於電力網之外的偏遠地區或電力電

纜難以到達的現場之電力供應等，均是理想 的發電裝置。

3.交通運輸: 所有的汽車主要大廠均在發展燃料電池車輛(Fuel Cell

Vehicle)，有的已進入試產階段。

4.可攜式電源: 燃料電池可能改變通訊技術的發展，為筆記型電腦、

個人數位助理器、可攜式影音媒體播放器等，提供比二次充電電池

更長的供電時間。

5.垃圾掩埋場及廢水處理廠: 垃圾掩埋及廢水處理中常會產生沼氣，

其主要成份為甲烷氣體。將此種氣體經過轉化器之作用即可萃取出

氫氣。目前美國各地的許多掩埋場及廢水廠皆已採用燃料電廠方

案，一方陎減少廢氣的排放量，另一方陎又將其回收利用來產生電

力，供應廠區自身所需的電力。﹝9﹞

23

1-6 燃料電池的優缺點

1-6-1 優點

燃料電池優點可以分析為以下六點：

第一，能量轉換效率高：燃料電池不需要使用內燃機，所以不受卡諾

定理的限制，理論上能量轉換效率可以達到 90%以上，目前工業上實

際生產的燃料電池能量轉換效率大約 40~60%左右，未來仍然有提升

的空間，只要能將能量轉換效率提高到 60%以上， 比起能量轉換效

率只有 20%的內燃機顯然具有競爭優勢。

第二，充電時間短：傳統的電池充電必須花費很長的時間，等待逆向

化學反應結束後才能完成充電，燃料電池直接補充燃料即可，所以充

電的方式和使用內燃機的方式完全相同，非常方便。

第三，反應噪音低：目前的發電技術都必須使用汽輪機推動發電機，

運轉時噪音很大，燃料電池是單純的化學反應，所以幾乎沒有噪音的

問題。

第四，環境污染低：燃料電池使用氫氣與氧氣反應產生水，反應後排

放的氮化物或硫化物極少，幾乎沒有任何污染，雖然目前氫氣最大的

來源仍然是由輕油裂解工廠進行原油裂解反應產生，但是這種方法產

生的二氧化碳比傳統內燃機所產生的二氧化碳減少 40%以上。

第五，燃料種類多：傳統的火力發電或內燃機必須使用煤、石油、天

然氣等石化燃料，而核能只能使用具有放射性的鈾-235，太陽能的能

量轉換效率又很低，只有燃料電池可以使用所有含氫的物質做為燃

料，包括：氫氣、酒精(可以由植物提煉)、甲醇、沼氣(可以由動物廢

棄物提煉)、天然氣等，選擇很多。

第六，應用範圍廣：燃料電池可以將許多單電池串聯起來得到很高的

電壓與功率，可以廣泛地應用在各種手持式元件、車輛電力、分散型

發電機、發電廠等。﹝10﹞

24

1-6-2缺點

燃料電池的缺點大約可以分為以下三項。

第一，陽極與陰極金屬觸媒價格高：目前燃料電池所使用的陽極與陰

極金屬觸媒大部分都含有貴重或稀有金屬，所以價格很高。

第二，質子交換膜專利費用高：目前質子交換膜的專利權掌握在少數

公司手中，所以專利費用很高，造成燃料電池難以普及。

第三，儲氫合金價格不低：如果陽極通入氫氣做為燃料，則必須使用

儲氫合金，但是儲氫合金大部分都含有貴重或稀有金屬，所以價格不

低。

第四使用含有氫原子的燃料效率不高：如果陽極通入含有氫原子的燃

料，則必須先將燃料經由觸媒的改質反應形成氫氣，才能流入陽極，

但是觸媒的改質反應通常只能將少量的甲醇轉換成氫氣(通常低於

12%)，所以效率不高，而且觸媒通常含有貴重或稀有金屬，所以價

格不低。﹝11﹞

25

1-7 氫-氧燃料電池

1-7-1 氫能

氫具有高揮發性、高能量，是能源載體和燃料。

氫能是通過氫氣和氧氣反應所產生的能量。氫能是氫的化學能，

氫在地球上主要以化合態的形式出現，是宇宙中分佈最廣泛的物質，

它構成了宇宙質量的 75%，二次能源。工業上生產氫的方式很多，常

見的有水電解制氫、煤炭氣化製氫、重油及天然氣水蒸氣催化轉化製

氫等，但這些反應消耗的能量都大於其產生的能量。

氫能的主要優點有：燃燒熱值高，每千克氫燃燒後的熱量，約為汽油

的 3 倍，酒精的 3.9 倍，焦炭的 4.5 倍。燃燒的產物是水，是世界上

最乾淨的能源。資源豐富，氫氣可以由水製取，而水是地球上最為豐

富的資源，演繹了自然物質循環利用、持續發展的經典過程。﹝12﹞

1-7-2 反應物來源

氫氧燃料電池以氫氣作燃料，氧氣作氧化劑，通過燃料的燃燒反

應，將化學能轉變為電能的電池。 製氫：從生產氫的能源來區分，可以將生產方法分成太陽能製氫與非

太陽能製氫兩大類。前者原料是水或生物質，後者則是消耗化石燃料

或核燃料來達到製氫的目的。 只有水和太陽才是維持氫經濟於不墜之永續製氫技術。 1. 化石燃料製氫 2. 水電解製氫 3. 生物質製氫 4. 生物（學）製氫 5. 高溫熱化學循環水裂解製氫 6. 光電化學製氫技術 7. 氫的純化 8. 製氫技術之發展方向 ﹝13﹞

26

1-8法拉第電解定律

1. 物質在電解過程中，餐與電極反應的質量與通過電極的電量成正

比。

2. 不同物質電解的質量與該物質之化學當量成正比

公式： W= QF

× E

F 為 法拉第常數，即電解 1電化學當量物質所需電量 為 96500。

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B3%95%E6%8B%89%E7%AC%AC%E5%B8%B8%E6%95%B0https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E8%8D%B7

27

1-9 實驗原理

1-9-1 電解水原理

電解離子水是以電解方式使水之 pH 值與氧化還原電位改變，並

分解產生氧氣及氫氣。一般來說，能讓自由能增加的化學反應是不存

在的。因此水在自然狀態下不可能分解產生氧氣及氫氣，但是若在水

中加入陰極、陽極，通上電流，即能比照法拉第定律發生電解反應。

陰極和陽極表面生成氫與氧後，電極四週的水，便會傾向酸性和

鹼性，氧化還原電位亦隨之改變。

1-9-2 燃料電池原理

燃料電池（Fuel Cell），是一種發電裝置，但不像一般非充電電

池一樣用完就丟棄，也不像充電電池一樣，用完須繼續充電，燃料電

池正如其名，是繼續添加燃料以維持其電力，所需的燃料是「氫」，

其之所以被歸類為新能源，原因就在此。 燃料電池的運作原理，也

就是電池含有陰陽兩個電極，分別充滿電解液，而兩個電極間則為具

有滲透性的薄膜所構成。

氫氣由燃料電池的陽極進入，氧氣（或空氣）則由陰極進入燃料

電池。經由催化劑的作用，使得陽極的氫原子分解成兩個氫質子

（proton）與兩個電子（electron），其中質子被氧『吸引』到薄膜的

另一邊，電子則經由外電路形成電流後，到達陰極。在陰極催化劑之

作用下，氫質子、氧及電子，發生反應形成水分子，因此水可說是燃

料電池唯一的排放物。 燃料電池所使用的「氫」燃料可以來自於任

何的碳氫化合物，例如天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、水的電解、沼氣…

等等。由於燃料電池是經由利用氫及氧的化學反應，產生電流及水，

不但完全無污染，也避免了傳統電池充電耗時的問題，是目前最具發

展前景的新能源方式，如能普及的應用在車輛及其他高污染之發電工

具上，將能顯著改善空氣污染及溫室效應。﹝9、15﹞

28

1-10 燃料電池結構

圖 1-10 燃料電池結構圖﹝5﹞

29

第二章 研究目的 1. 學習燃料電池原理

2. 學習燃料電池結構

3. 建立燃料電池效能實驗的標準步驟與操作程序

4. 進行測定燃料電池效能的實驗

(1) 電解水的特性曲線

(2) 電流與氫氣消耗之測定

(3) 電解水的效能之測定

(4) 燃料電池並聯與串聯的特性曲線

(5) 燃料電池的能量效能之測定

(6) 燃料電池電解水應證法拉第第一定律

(7) 時間與氣體產生之測定

(8) 燃料電池電解槽之能源效率之測定

(9) 燃料電池電解槽之電流電壓曲線之測定

(10) 燃料電池的效率之測定

30

第三章 藥品與儀器設備

3-1 藥品

去離子水

3-2 器材儀器與設備

3-2-1 器材

燒杯、滴管

3-2-2 儀器與設備

氫氧燃料電池實驗裝置 太陽能及燃料電池訓練裝置

鹵素燈 燃料電池

31

3-3 實驗項目

1. 電解水的特性曲線

2. 電流與氫氣消耗之測定

3. 電解水的效能之測定

4. 燃料電池並聯與串聯的特性曲線

5. 燃料電池的能量效能之測定

6. 燃料電池電解水應證法拉第第一定律

7. 時間與氣體產生之測定

8. 燃料電池電解槽之能源效率之測定

9. 燃料電池電解槽之電流電壓曲線之測定

10. 燃料電池的效率之測定

前六個(1~6)實驗為利用太陽能板產電電解水產氫通入燃料電池之裝

置進行實驗

後四個(7~10)實驗為直接外接電源電解水產氫通入燃料電池之裝置

進行實驗

32

3-4 實驗步驟

3-4-1電解水的特性曲線

1. 請戴上護目鏡並與實驗設備保持距離。 2. 將裝置連接如圖 3-1 3. 改變光源強度來調整太陽能模組的光電流，即轉動太陽能板以

獲取不同的入射角。接著設定不同的電流值，約 30mA 開始，一直增加到 800mA（視所使用的光源而定；直流電源輸出約至3amps）。

4. 記錄電解水的電壓。量測至少八組電解水的電流與電壓值。 5. 畫出電解槽的 IV 特性曲線並解釋此特性曲線。 注意事項： 1. 除了太陽能板之外，也可以使用直流電源來量測較大的電流

值。只能短暫使用電壓 1.8 伏特，不可使用電壓超過 2 伏特。 2. 注意極性，太陽能板（直流電源）的正端需要和電解水的正端

相連；太陽能板（直流電源）的負端需要和電解水的負端相連。 3. 當電壓小於 1.2 伏特時，並不會產生電解電流來生成陰極的氫氣與陽極的氧氣。當外加電壓高於分解電壓，將會連續產生氣

體且電解電流會急速增加。

圖 3-1 電解水的特性曲線實驗線路圖

33

3-4-2 電流與氫氣產生之測定

1. 確認極性，太陽能模組的正端要和電解模組的正端相連:負端需和負端相連

2. 將裝置連接如圖 3-2 3. 確認電解模組的儲氣槽充滿去離子水，至 0ml。為了測量起見，

使用管夾封住儲氣槽。所產生的氫氣會被儲存於氫氣槽中。 4. 固定電流(約 850mA)測量不同時間點所產生的氣體體積，並記

錄。 5. 固定時間(180S)。調整角度設定不同電流強度，(200mA 到

800mA 之間，間距 200mA)。測量在不同電流下所生成的氫氣體積，並記錄。

6. 依據測量結果繪製電壓V對時間T及電壓V對電流 I之曲線圖。 注意事項:要得到電流強度 800mA，需要較高功率的光源。太陽能模組只有在測量的過程中接受此種強度的光源照射。

圖 3-2 電流與氫氣產生之測定實驗線路圖

34

3-4-3 電解水的效能之測定電解水的效能之測定

1. 確認極性，太陽能模組的正端要和電解模組的正端相連:負端需和

負端相連

2. 將裝置連接如圖 3-3

3. 確認電解模組的儲氣槽充滿去離子水，至 0ml。為了測量起見，

使用管夾封住儲氣槽。所產生的氫氣會被儲存於氫氣槽中。

4. 固定電流(800mA)測量在一定的時間週期內(240s)所產生的氫氣

體積。

5. 重複步驟 3 三次，並求取產生氫氣體積的平均值。

圖 3-3 電解水的效能之測定實驗線路圖

35

3-4-4燃料電池並聯與串聯的特性曲線

1. 將裝置並聯(如下圖 3-4-1)

2. 確認 (1).管線是否正確接通。

(2).電解模組的儲氣槽充滿去離子水，且至 0ml。

3. 使用被照明的太陽能板，至固定電流(700~900mA)。

4. 透過電解水所產生氣流清洗個系統約五分鐘。

5. 設置負載模組上的轉動紐為 2Ω 三分鐘，再轉回”OPEN”使用管夾

封住氣體輸出口，當氫氣端達 60ml 時，中斷太陽能模組與電解模

組之連結。

6. 改變電阻來測定燃料電池的特性曲線。將裝置改為串聯(如下圖

3-4-2)，重複步驟 2~5。

7. 繪製串聯及並聯的燃料電池的 VI 特性曲線。

圖 3-4-1 並聯線路圖

圖 3-4-2 串聯線路圖

36

3-4-5 燃料電池的效能之測定

1. 將裝置連接如圖 3-5 2. 電解水的兩個儲氣管都充滿去離子水，達到 0ml 標記處。 2.光源必須對準太陽能板，以便清楚觀察氣體的產生。 3.透過電解水產生的氣體清洗整個系統 5 分鐘 4. 設置負載模組上的轉動紐為 2Ω 三分鐘，再轉回”OPEN”使用管夾封住氣體輸出口，當氫氣端達 60ml 時，中斷太陽能模組與電解模組之連結。 5.調整電阻為 0.3Ω。記錄燃料電池在 180s 內所消耗的氫氣體積，並記錄燃料電池電壓及電流。(測量完畢將電阻開關轉回”OPEN”)。 6. 重複步驟 4、5 兩次，並求取產燃料電池消耗的氫氣量的平均值。 注意事項:由於系統的管子及密封墊的關係，會有洩漏的狀況，必須先做空的量測，從氫氣管的儲存管紀錄氫氣的漏失量，且測定每分鐘

幾毫升的洩漏率。

圖 3-5 燃料電池的能量效能之測定實驗線路圖

37

3-4-6燃料電池電解水印證法拉第第一定律

1. 將裝置連接如圖 3-6

2. 電解模組的兩個儲氣管都充滿去離子水，達到 0ml 標記處。

3. 太陽能板必須對準光向來源，才可清楚觀察氣體的產生。

3.透過產生的氣體清洗整個系統 5 分鐘，設置負載模組上的轉動紐為

2Ω 三分鐘，再轉回”OPEN”使用管夾封住氣體輸出口，當氫氣端達

60ml 時，中斷太陽能模組與電解模組之連結。

4.使用管夾封住燃料電池氣體輸出端，當氫氣達到 60ml，就能解開太

陽能模組及電解模組間的連結。

5.設定 0.5Ω 的電阻，紀錄燃料電池於不同階段(60～240 秒，間距 60

秒)消耗的氫氣體積，同時測量燃料電池的電壓及記錄所有的數

值。(測量後調整轉動開關到”OPEN”的位置)

6.計算洩漏率 a 隨時間的變化 b 隨電流的變化 (去掉洩漏的比

率來校準測量值)

7.繪製 a 及 b 所測量的數據(體積相對時間及體積相對電流)

注意事項: 由於系統的管子及密封墊的關係，會有洩漏的狀況，必須

先做空的量測，從氫氣管的儲存管紀錄氫氣的漏失量，且測定每分鐘

幾毫升的洩漏率。

圖 3-6 燃料電池電解水實驗線路圖

38

3-4-7測量電解槽產生氣體之效率

1. 將裝置連接如圖 3-7

2. 使氣體貯存槽充滿蒸餾水的 0 毫升標記

3. 拆除連接儲氣槽的管子並套上配件帽，防止氣體流出來

4. 首先設置穩壓器 0 毫安培和電流表到 2000 毫安培測量範圍

5. 設定不同電流測量每時間單位的氣體體積

6. 設置經由所述調節器的預定電流值和寄存器的第一填充級別。

7. 在計時器輸入相應的時間間隔，並開始測量時間。

8. 當時間到達設定時間時記錄其產生之氫氣體積，使氣體貯存槽

充滿蒸餾水的 0 毫升標記，並繼續下一個電流值。

注意事項:在電解，取決於單位時間內所產生的氣體體積，這種關

係由法拉第第一定律描述，法拉第第二定律涉及不同物質的解

放，這兩個定律都在研究這個實驗。

圖 3-7 測量電解槽產生氣體之效率實驗線路圖

39

3-4-8測量電解槽能源和法拉第效率的因素

1. 將裝置連接如圖 3-8

2. 使氣體貯存槽充滿蒸餾水的 0 毫升標記

3. 拆除連接儲氣槽的管子並套上配件帽，防止氣體流出來

4. 首先設置穩壓器 0 毫安培和電流表到 2000 毫安培測量範圍

5. 設定不同電流測量每時間單位的氣體體積

6. 設置經由所述調節器的預定電流值和寄存器的第一填充級別。

7. 在計時器輸入相應的時間間隔，並開始測量時間。

8. 當時間到達設定時間時記錄其產生之氫氣體積，使氣體貯存槽

充滿蒸餾水的 0 毫升標記，並繼續下一個電流值。

注意事項:在電解，取決於單位時間內所產生的氣體體積，這種關

係由法拉第第一定律描述，法拉第第二定律涉及不同物質的解

放，這兩個定律都在研究這個實驗 圖 3-8 測量電解槽能源和法拉第效率的因素實驗線路圖

40

3-4-9確定電解槽的電流電壓曲線

1. 將裝置依圖 3-9 安裝

2. 設置不同的電流值(0,20,40,60,100,200,300,400,500)

3. 在電解槽中觀察極性

4. 經由調節器設置預先確定的電流值，並檢測出相對應的電壓值並

記錄之。

5. 繪製電流電壓曲線。

注意事項:電流表的範圍 2000 毫安培 DC 和電壓表設置範圍為

20VDC。

圖 3-9 確定電解槽的電流電壓曲線實驗之線路圖

41

3-4-10測定燃料電池的能源的效率因數

1. 設置裝置如圖 3-10。

2. 設置電流表的範圍 2000 毫安 DC 和電壓表的範圍 20V DC。

3. 確認氣體貯存充滿氣體。

4. 設置調節至最大。無電解在測量過程中可能發生，調節器必須

被設定為零。

5. 進行兩個負載電阻的測量。設置通過負載電阻為 2Ω。

6. 在計時器中輸入相應的時間間隔，並開始測量的時間。

7. 測量電壓和記錄新的填充量後，等待時間過去。然後繼續下一

電流值。

8. 計算每種狀況下的氣體體積從開始和結束的差異。

圖 3-10 測定燃料電池的能源的效率因數實驗線路圖

42

第四章 實驗結果與討論

4-1 電解水的特性曲線

4-1-1 實驗數據

電流 I(mA) 電壓 V(V)A 電壓 V(V)B 電壓 V(V)C V 平均

30 1.436 1.437 1.437 1.437

100 1.464 1.465 1.465 1.465

150 1.477 1.477 1.478 1.477

200 1.487 1.487 1.488 1.487

250 1.496 1.496 1.497 1.496

300 1.504 1.504 1.504 1.504

350 1.512 1.512 1.512 1.512

400 1.519 1.519 1.519 1.519

450 1.525 1.525 1.525 1.529

500 1.532 1.532 1.532 1.532

600 1.544 1.544 1.543 1.544

700 1.555 1.555 1.555 1.555

800 1.566 1.566 1.566 1.566

43

4-1-2實驗結果

1. IV 特性曲線

圖 4-1（a）太陽能電池電解水之 IV 曲線

圖 4-1（b）太陽能電池電解水之 IV 曲線

44

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1.42 1.44 1.46 1.48 1.5 1.52 1.54 1.56 1.58

電流

(mA)

電壓(V)

C

B

A

圖 4-1（c）太陽能電池電解水之 IV 曲線

圖 4-1（d）太陽能電池電解水之 IV 曲線疊圖

45

4-1-3太陽能電池電解水 IV特性曲線之討論

當電壓小於 1.43 伏特時，並不會產生電解電流來生成陰極的氫氣

與陽極的氧氣。

46

4-2 電流與氫氣產生之測定

4-2-1實驗數據

1. 固定電流 850mA，測量不同電解時間氫氣產生之體積

2. 固定時間 180S，測量不同電流氫氣產生之體積

時間(s) A(mL) B(mL) C(mL) 平均

60 6.0 7.0 7.0 6.3

90 10.0 10.0 10.0 10.0

120 14.0 14.0 14.0 14.0

150 18.0 17.0 18.0 17.7

180 21.0 21.0 20.0 20.7

210 24.0 24.0 24.0 24.0

電流(mA) A(mL) B(mL) C(mL) 平均

200 4.0 4.0 4.0 4.0

400 9.5 8.0 8.0 8.5

600 14.0 14.0 14.0 14.0

800 19.0 19.5 19.5 19.3

47

4-2-2實驗結果

1. 在電流 850mA 之下，電解時間與氫氣產生體積之曲線圖

圖 4-2(a)電解時間與氫氣產生體積之曲線圖

圖 4-2(b)電解時間與氫氣產生體積之曲線圖

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250

氫氣

體積

(mL)

時間(s)

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250

氫氣體積(m

L)

時間(s)

48

圖 4-2(c)電解時間與氫氣產生體積之曲線圖

圖 4-2(d) 電解時間與氫氣產生體積之曲線疊圖

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250

氫氣體積(m

L)

時間(s)

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250

氫氣體積(m

L)

時間(S)

A

B

C

49

2.在固定電解時間 180 秒下，不同電流與氫氣產生體積之曲線圖

圖 4-2(e)電流與氫氣產生體積之曲線圖

圖 4-2(f)電流與氫氣產生體積之曲線圖

y = 0.0263x - 1.75 R² = 0.9937

0

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

氫氣體積(m

L)

電流(mA)

y = 0.0248x - 0.75 R² = 0.9986

0

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

氫氣體積(m

L)

電流(mA)

50

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000

氫氣體積(m

L)

電流(mA)

A

B

C

圖 4-2(g)電流與氫氣產生體積之曲線圖

圖 4-2(h)電流與氫氣產生體積之曲線疊圖

y = 0.0263x - 1.75 R² = 0.9937

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000

氫氣體積(m

L)

電流(mA)

51

4-2-3太陽能電池電解水產生氫氣之討論

1. 由圖 4-2(d)之曲線說明，利用太陽能電池電解水產生氫氣之體積與

時間成正比。

2. 由圖 4-2(h)之曲線說明，利用太陽能電池電解水產生氫氣之體積與

電流成正比。

3. 由上述 1 與 2 之結果印證本實驗電解水產氫之實驗符合法拉第定

律。

4. 計算

W = 𝑄𝑄 𝐹𝐹⁄ × 𝐸𝐸 → 法拉第第一定律

Q = I × t 𝑂𝑂2 E = 2 2 = 1⁄

I = 850m A = 0.85A t = 60s

W = 0.85 × 60 96500⁄ × 1 = 5.28 × 10−4 (理論值)

PV = n RT 𝑂𝑂2=2𝑔𝑔 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚⁄ 30°C=303K

1 × 6.3 1000 = 𝑊𝑊 2⁄⁄ × 0.082 × 303

W=5.07× 10−4 (實驗值)

誤差%= 實驗值−理論值 理論值� × 100%

= 5.07 × 10−4 − 5.28 × 10−4 5.28 × 10−4⁄ × 100%

= −3.98%

時間(s) 60 90 120 150 180 210

氫氣體積(mL) 6.3 10 14 17.7 20.7 24

理論值 5.28×10-4 7.92×10-4 1.06×10-3 1.32×10-3 1.58×10-3 1.85×10-3

實驗值 5.07×10-4 8.05×10-4 1.13×10-3 1.42×10-3 1.67×10-3 1.93×10-3

誤差 -3.98％ 1.64％ 6.6％ 7.58％ 5.70％ 4.32％

52

4-3 電解水的效能之測定

4-3-1 數據

V1 V2 V3

時間 = 240 s 26.0 25.5 24.0

電壓 = 1.568 V 25.0 26.0 26.0

電流 = 800mA 25.5 25.0 25.0

Vaverage 25.5 25.5 25.0

4-3-2 討論

法拉第效能表示多少流動的電流被轉換成所要的反應。

如果更小於 1(100 %)的話，將表示系統中正在發生第二個反應(例如

生鏽)。這將縮短電解模組的壽命且需要更高的能量輸入。

W = 𝑄𝑄 𝐹𝐹⁄ × 𝐸𝐸 Q = I × t

= 0.8 × 240 96500⁄ × 1

= 1.99×10−3 (理論值)

PV =nRT 30°C

1 × 25.5 1000⁄ = 𝑊𝑊 2⁄ × 0.082 × 303

W =2.05×10-3 (實驗值)

誤差% = 2.05×10−3−1.99×10−3

1.99×10−3×100% = 3.17%

53

4-4 燃料電池並聯與串聯的特性曲線

4-4-1數據

並聯 電阻/Ω 電壓 / V 電流/mA 功率/mA

0 0.922 0 0 100 0.901 9 8.109 50 0.887 19 16.853 20 0.864 43 37.152 10 0.842 82 69.044 5 0.814 166 135.124 3 0.8 227 181.6 2 0.783 322 252.126 1 0.747 623 465.381

0.5 0.706 1081 763.186 0.3 0.681 1338 911.178

串聯

電阻/Ω 電壓 / V 電流/mA 功率/mA

0 1.855 0 0 100 1.831 9 16.479 50 1.816 19 34.504 20 1.794 44 78.936 10 1.77 85 150.45 5 1.738 171 297.198 3 1.717 233 400.061 2 1.688 327 551.976 1 1.622 622 1008.884

0.5 1.548 1032 1597.536 0.3 1.524 1318 2008.632

54

4-4-2 實驗結果與討論

1. 兩個燃料電池並聯的電流電壓曲線圖

圖 4-4-1 燃料電池並聯的電流電壓曲線圖

2. 兩個燃料電池串連、並聯的電流電壓曲線

圖 4-4-2 燃料電池串連及並聯的電流電壓曲線圖

55

3. 當電池串聯時電壓會上升電流不變；當電池並聯時電流會增加電

壓則不變。由圖可看出本實驗符合此理論。

4. 當燃料電池串聯時，會達到較高的電量，但是特性曲線的基本型

態不會改變。當電池串聯時，在此實驗中會達到較高的輸出，是

由於較高的電壓，所以負載模組的負載電組可以容許較高的功率

消耗。

5. 由圖 4-4-2 可知當同一電流時並聯所需電壓較小，所以並聯比串

聯效率更高。

56

4-5 燃料電池的效能之測定

4-5-1數據

無負載的燃料電池—洩漏率的計算: t=3min 從儲氣管洩漏的氫氣體積 3ml

系統的洩漏比率 1ml/min

R = 0.3Ω 時間=180s V1=45ml Vaverage=47ml 電壓=6.675V V2=48ml Vcorr=44ml 電流=1.94A V3=48ml 燃料電池消耗 47ml 的氫氣產生 1.94 安培的電流約 3 分鐘

4-5-2 結果

法拉第效能ηF為理論上燃料電池消耗於某一電流的氫氣體積與實驗上測定的氫氣消耗量的比率。 可能的話，法拉第效能應該為 1(100%)。法拉第第二定律使我們能夠計算出理論上所預料的氫氣體積。

4-5-3 計算

PV=nRT 依產生的電流職所需的氫氣體積

1 ×V

1000 =1.94 × (3 × 60)

96500 × 0.082 × 303 ×12

V=44.95 (理論值) ηF %=

44.9547

× 100 = 95.64%

57

4-6 燃料電池電解水印證法拉第第一定律

4-6-1 數據

儲氣管的 H2洩漏體積 2ml

t =3min 系統的洩漏量 0.67ml/min

隨時間的變化 隨電流的變化

電流 0.44A =常數 t=180s s =常數

時間(s) VH2(mL) 電流(A) VH2(mL)

A B C A B C

60 0 0 0 0.0160 1 1 1

120 1 1 1 0.0165 3 3 3

180 2 2 2 0.0170 7 7 7

240 3 3 3 0.0180 12 12 12

0.0190 18 18 18

58

4-6-2結果與討論

1. 燃料電池隨著時間變化所消耗氫氣之體積曲線圖

圖 4-6-1 氫氣消耗量對時間曲線圖

2. 燃料電池隨著電流之變化所消耗氫氣之體積曲線圖

圖 4-6-2 氫氣消耗量與電流之曲線圖

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 50 100 150 200 250 300

氫氣體積

(mL)

時間(S)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

15.5 16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5

氫氣體積

(mA)

電流(A)

59

3. 由圖 4-6-1 可知氫氣體積與時間成比例關係。

4. 由圖 4-6-2 可知氫氣體積與電流成比例關係。

5. 由上述兩點 3、4 可知物質電解所生成的量，n，和時間 t 與電流

I 成正比，亦即正比於轉移電荷 Q(n∝Q)。

4-6-3 計算

W = 𝑄𝑄𝐹𝐹

× 𝐸𝐸 (法拉第第一定律)

Q = I × t 𝑂𝑂2 E =22

= 1

I = 0.44A t = 60s W = 0.44×60

96500× 1 = 2.74 × 10−4 (理論值)

PV = n RT 𝑂𝑂2=2𝑔𝑔𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

30°C=303K

1 ×3

1000 =𝑤𝑤2 × 0.082 × 303

W=2.41× 10−4 (實驗值)

誤差% = (實驗值−理論值)理論值

× 100%

= (2.41×10−4−2.74×10−4)

2.74×10−4× 100%

= −12.04%

時間(s) 60 120 180 240

氫氣體積(mL) 3 7 10 14

理論值 2.74×10-4 5.47×10-4 8.21×10-4 1.09×10-3

實驗值 2.41×10-4 5.63×10-4 8.05×10-4 1.13×10-3

誤差 -12.04% 2.93% -1.95% 3.67%

60

4-7 測量電解槽產生氣體之效率

4-7-1 實驗數據

調整電流與時間，記錄其氫氣產生之體積與電壓值

氫氣 氧氣

電流

A

時間

min

氫氣體積

Δv

Δv/t

氫氣體積

Δv

Δv/t start end start end

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0.1 6 0 1 1 0.17 0 0.5 0.5 0.08

0.2 5 0 1 1 0.2 0 0.5 0.5 0.1

0.3 3 0 1.5 1.5 0.5 0 1 1 0.33

0.4 2 0 1.5 1.5 0.75 0 1 1 0.5

0.5 2 0 1.5 1.5 0.75 0 1 1 0.5

61

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

氣體

產率

(mL/

min

)

電流(mA)

Oxygen

Hydrogen

4-7-2結果

1. 不同電流與氫氣、氧氣產生的體積之曲線圖

圖 4-7 不同電流與氫氣、氧氣產生的體積之曲線圖

4-7-3 討論

由圖 4-7-1 得知當電流達 0.2mA 時氣體產率開始明顯增加，當電

流達 0.4mA 時氣體產率為最大值。

62

4-8 測量電解槽能源和法拉第效率的因素

4-8-1 數據

電流 l in A

電壓 U in V

時間 t in min

氫氣體積 ΔV start end

0.1 1.43 12 0 9 9 0.5 1.48 4 0 14 14

4-8-2 結果

Q = I × t I = 0.1A t = 12min = 720s

W =𝑄𝑄𝐹𝐹 × 𝐸𝐸

= 0.1×72096500

× 1

= 7.46 × 10−4 (理論值)

PV = nRT

1 ×9

1000 =𝑊𝑊2 × 0.082 × 303

𝑊𝑊 = 7.24 × 10−4 (實驗值)

誤差% =(實驗值−理論值)

理論值× 100%

=(7.24 × 10−4 − 7.46 × 10−4)

7.46 × 10−4 × 100%

= −2.95% I=0.5A t=4min=240s

W = 𝑄𝑄𝐹𝐹

× 𝐸𝐸 =1.24×10-3 (理論值)

W=𝑃𝑃𝑃𝑃𝑀𝑀𝑊𝑊𝑅𝑅𝑅𝑅

=1.13×10-3(實驗值)

誤差%=8.87%

由以上結果可知此實驗符合法拉第第一第二定律

63

4-9 確定電解槽的電流電壓曲線

4-9-1數據

設定不同電流值與其相對應之電壓之變化 電流 l in A

電壓 U in V

0 1.40 20 1.44 40 1.47 60 1.48 100 1.50 200 1.54 300 1.58 400 1.61 500 1.64

4-9-2 結果

1. 在不同電流與產生的電壓之曲線圖

圖 4-9 在不同電流與產生的電壓之曲線圖

64

4-9-3電解槽的電流電壓曲線之探討

1. 當電壓小於 1.4 伏特時，並不會產生電解電流來生成陰極的氫

氣與陽極的氧氣。

2. 當外加電壓高於分解電壓，將會連續產生氣體，且電解電流會

急速增加，由圖 4-9-3 可知此燃料電池之分解電壓約為 1.48，

當外加電壓高於 1.48 後電壓電流曲線急速上升。

65

4-10 測定燃料電池的能源的效率因數

4-10-1數據

電流

l in A

體積

U in V

時間

t in min

氫氣體積

ΔV start end

0,2 0.05 3 48 43 5

0,5 0.07 2 43 35 8

4-10-2 結果

Q=0.2Ω I=0.2A t=3min

PV=nRT

1 ×𝑉𝑉

1000 =0.2 × (3 × 60)

96500 × 0.082 × 303 ×12

V=4.63mL (理論值)

η%=4.635

×100%=92.6%

Q=0.5Ω I=0.5A t=2min

PV=nRT

1 ×𝑉𝑉

1000 =0.5 × (2 × 60)

96500 × 0.082 × 303 ×12

V=7.72mL (理論值)

η%=7.728

× 100% = 96.5%

此燃料電池之效率約為 94.55%

66

第五章 結論

由實驗結果可知本專題之所有實驗結果皆符合法拉第定律。

法拉第效能表示多少流動的電流被轉換成所要的反應。如果更

小於 1(100 %)的話，將表示系統中正在發生第二個反應(例如生鏽)。

這將縮短電解模組的壽命且需要更高的能量輸入。

由法拉第定律可以得知物質電解所生成的量，n，和時間 t 與電流

I 成正比，亦即正比於轉移電荷 Q(n∝ Q)。

可能的話，法拉第效能應該為 1(100%)。法拉第第二定律使我們

能夠計算出理論上所預料的氫氣體積。

利用太陽能電解水產氫之電解槽當電壓小於 1.2 伏特時，並不會

產生電解電流來生成陰極的氫氣與陽極的氧氣。

直接外接電源電解水之電解槽當電壓小於 1.4 伏特時，並不會產

生電解電流來生成陰極的氫氣與陽極的氧氣。

由此可推得當外加電壓高於分解電壓，將會連續產生氣體，且電

解電流會急速增加。

當燃料電池串聯時，會達到較高的電量，但是特性曲線的基本

型態不會改變。當電池串聯時，在此實驗中會達到較高的輸出，是由

於較高的電壓，所以負載模組的負載電組可以容許較高的功率消耗。

所以並聯比串聯效率更高。

由專題結果可知本專題所測定之燃料電池效率約為 95%。

67

第六章 參考文獻

1. 林昇佃,“燃料電池新世紀能源”, 滄海書局

2. 石井弘,“圖解燃料電池 ”,世茂出版

3. 前田賢二博士、林建良 ,“日本燃料電池、氫能源開發現

狀與展望 ”2006 年 8 月

4. 維基百科-燃料電

池 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%87%83%E6%96%99%E7%94

%B5%E6%B1%A0

5. 台灣燃料電池資訊網 Taiwan Fuel Cell Information

http://www.tfci.org.tw/Fc/index.asp

6. 能量與環境-燃料電池簡

介 http://mail.tku.edu.tw/cyliu/files/%E8%83%BD%E9%87%8F%E8

%88%87%E7%92%B0%E5%A2%83C9-%E7%87%83%E6%96%99

%E9%9B%BB%E6%B1%A0%E7%B0%A1%E4%BB%8B

7. 維基百科-鹼性燃料電

池 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%B9%BC%E6%80%A7%E7%8

7%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0

8. 維基百科-質子交換膜燃料電

池 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B3%AA%E5%AD%90%E4%

BA%A4%E6%8F%9B%E8%86%9C%E7%87%83%E6%96%99%E9

%9B%BB%E6%B1%A0

9. 維基百科-磷酸型燃料電池

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B3%AA%E5%AD%90%E4%BA

%A4%E6%8F%9B%E8%86%9C%E7%87%83%E6%96%99%E9%9

B%BB%E6%B1%A0

10. 維基百科-法拉第電解定律

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B3%95%E6%8B%89%E7%AC%

AC%E7%94%B5%E8%A7%A3%E5%AE%9A%E5%BE%8B

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0http://mail.tku.edu.tw/cyliu/files/%E8%83%BD%E9%87%8F%E8%88%87%E7%92%B0%E5%A2%83C9-%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0%E7%B0%A1%E4%BB%8Bhttp://mail.tku.edu.tw/cyliu/files/%E8%83%BD%E9%87%8F%E8%88%87%E7%92%B0%E5%A2%83C9-%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0%E7%B0%A1%E4%BB%8Bhttp://mail.tku.edu.tw/cyliu/files/%E8%83%BD%E9%87%8F%E8%88%87%E7%92%B0%E5%A2%83C9-%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0%E7%B0%A1%E4%BB%8Bhttps://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%B9%BC%E6%80%A7%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%B9%BC%E6%80%A7%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B3%AA%E5%AD%90%E4%BA%A4%E6%8F%9B%E8%86%9C%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B3%AA%E5%AD%90%E4%BA%A4%E6%8F%9B%E8%86%9C%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B3%AA%E5%AD%90%E4%BA%A4%E6%8F%9B%E8%86%9C%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B3%AA%E5%AD%90%E4%BA%A4%E6%8F%9B%E8%86%9C%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B3%AA%E5%AD%90%E4%BA%A4%E6%8F%9B%E8%86%9C%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B3%AA%E5%AD%90%E4%BA%A4%E6%8F%9B%E8%86%9C%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0

68

11. 百度百科-氫能

http://baike.baidu.com/view/178847.htm

12. 翁芳柏,“燃料電池實驗教材”,亞太燃料電池股份有限公司出版

13. 王曉紅,“燃料電池基礎”,全華圖書出版

14. 溫武義,“燃料電池技術”,全華圖書出版

15. 黃鎮江,“燃料電池”,全華圖書出版

16. Editor:Nigel M. Sammes,“Journal of Fuel Cell Science and

Technology”2010,4

17. B. Aremo, M. O. Adeoye and I. B. Obioh,”A Simplified Test Station

for Alkaline Fuel Cell”, Apr 01, 2015

http://baike.baidu.com/view/178847.htm

1-1燃料電池的發展史1-3燃料電池的重要性1-4燃料電池種類1-5燃料電池特性與應用1-6燃料電池的優缺點1-7氫-氧燃料電池1-8法拉第電解定律1-9實驗原理1-10燃料電池結構3-1藥品3-2器材儀器與設備3-3實驗項目3-4實驗步驟4-1電解水的特性曲線4-2電流與氫氣產生之測定4-3電解水的效能之測定4-4燃料電池並聯與串聯的特性曲線4-5燃料電池的效能之測定4-6燃料電池電解水印證法拉第第一定律4-7測量電解槽產生氣體之效率4-8測量電解槽能源和法拉第效率的因素4-9確定電解槽的電流電壓曲線4-10測定燃料電池的能源的效率因數