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在一大氣壓25℃下,燃料電在一莫耳甲醇反應下,Gibbs 自由能可以從反應 過程中焓與熵的改變計算而得:

△g=△h-T△s 燃料電池的效率為:

ε = οο

h g

∆ =

mol kj

mol kj

/ 1460

/ 1387

− =0.95

3. 微反應器各層結構設計(圖一)

膜電極組(Membrane Electrode Assembly):採用 Nafion 117 薄膜,陽極上有碳載 體來增加鉑釕觸媒反應面積,陽極的負載為每平方公分2 毫克,陰極上的負載為 碳載體與鉑觸媒每平方公分0.4 毫克,在陽、陰極各覆蓋一層碳布均勻擴大反應 面積,共五層結構,反應面積為6.25 平方公分。

電流收集層:使用射頻磁控濺鍍機在流道SU-8 光阻上鍍上金屬薄膜做為導電 層,另一方面金也是一種觸媒材料增加反應面積。

燃料儲存槽:材料為壓克力,由機械加工做為儲存甲醇溶液之用,同時也作為二 氧化碳排放出口。

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圖一、 燃料電池反應器各層結構示意圖 4. 微反應器晶片製作(圖二)

先用丙酮清洗晶片再用異丙醇清洗丙酮 → 去水烘烤晶圓兩分鐘,溫度為 95℃

→ 濺鍍銅金屬薄膜當犧牲層 → SU-8 光阻塗佈 200μm,先以 500rpm 旋轉 4 次再以 1200rpm 旋轉一次,各為 30 秒 → 靜置 10 分鐘 →預先軟烤 40 分溫度 為65℃,再主軟烤 80 分溫度為 95℃ → 靜置 60 分鐘消除熱應力 → 曝光 → 曝 光後烘烤10 分溫度為 65℃,在第 2 次烘烤 5 分溫度為 95℃ → SU-8 顯影液顯 影 → 塗佈 AZ 光阻 → 軟烤 5 分,溫度為 95℃ →曝光 →AZ 顯影液顯影 → 鍍純金金屬薄膜→ 丙酮蝕刻 AZ 光阻 → 氯化鐵蝕刻銅薄膜 →拿下結構

圖二、燃料電池製作流程 SU-8

導電層

觸媒 碳布 壓板

燃料儲

質子交換膜

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前視剖面圖

圖二、燃料電池剖面圖 1.4 預期設計目標

1. 陽極反應與陰極反應分開進行 2. 反應在室溫常壓下發生

3. 反應物與生成物流動性高 4. 最大反應面積

5. 具較高安全性,微反應器反應量微小,反應在可控制條件下進行,因此危險 性可控制在最低。此外,如果反應物或生成物外洩也不致於有危險性。

6. 反應物之接觸面積能完全利用,因此反應進行的較完全且有效率。

7. 可攜性。主要由於微型反應器體積小,因此攜帶方便可四處移動,適合臨場 應用。傳統的反應器設備大,機動性低。

8. 耗能少,不產生高熱,對外在能源需求低

9. 建立微甲醇燃料電池反應器設計、分析及製做能力。

10. 完成微甲醇燃料電池反應器的性能測試。

11. 參與研究人員可獲得微型燃料電池及微機電系統的理論與實際訓練。

1.5 結果與討論

電池之性能曲線與比較

本次實驗量測設備為三用電錶,將導線接在麵包板固定,量測電壓電流。文獻[12]

是以晶圓為基材,利用深反應離子蝕刻矽和氫氟酸蝕刻二氧化矽,來做為燃料通 道,同時在蝕刻出來的通道陽極上沉積鉑釕觸媒,負載為每平方公分2.85 毫克,

陰極鉑觸媒負載為每平方公分2.4 毫克,而它的特點是陽陰極同在一平面質子從 陽極到陰極距離很短可減少質子的阻抗,最大電流密度接近每平方公分6 毫安 培,而我的最大電流密度接近每平方公分9 毫安培。

78 0.3

0.4 0.5 0.6

40 45 50 55 60

電流密度(mA)

電壓(V) 2M

3M 4M

40 45 50 55 60

0 5 10 15 20 25 30

時間(min)

(mA)

2M 3M 4M

文獻[12]

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裝配完成圖

陽極 陰極 1.6 結論

1. 一開始電流與電壓在 2~3 分鐘達到最大值後,性能又馬上下降,造成此種現 象可能為活化極化與濃度極化,過了這段時間後性能就會趨向穩定狀態。。 2. 由於質子交換膜有甲醇滲透性,因此陽極進料甲醇會隨著水分子從陽極穿越

過質子交換膜到達陰極,不但造成甲醇燃料的流失,亦會與氧氣形成混成電 位使電池效能變差,而濃度太低又造成甲醇分子反應不足,此實驗測試濃度 為3M 時有最好的性能。

3. 當電池重複使用一段時間後性能會下降,推測原因應是觸媒活性下降,使催 化效果降低,觸媒的研發工作還有待改善,以增加壽命。。

1.7 參考文獻

1. Woo, Y. S., G. Y. Kim and S. S. Yang, “Fabrication of micro power source(MPS) using a micro direct methanol fuel cell (µDMFC) for the medical application,”

IEEE, 2001.

2. Tuber, K., A. Oedegaard, M. Hermann and C. Hebling, “Investigation of fractal flow-fields in portable proton exchange membrane and direct methanol fuel cells,” Journal of Power Sources pp 175-181, 2004.

3. Troughton, G. L., A. Hamnett, Bull. Electrochem 7, 1991.

4. Masayuki, K., T. Shudo and Y. Nakajima, “Study of performance improvement in a direct methanol fuel cell,” Journal of Society of Automotive Engineers of

Japan, 23, pp 21-26, 2002.

5. Jung, D. H., C. H. Lee, C.S. Kim and D.R. Shin, J. Power Sources 71, 1998.

6. 林佳駿,國立中山大學機械與機電工程學系研究所,碩士論文,九十二年八 月。

7. Chaa, H. Y., H. G. Choi, J. D. Nama, Y. Leea, S. M. Choa, E. S. Leec, J. K. Lee and C.H. Chung, “Fabrication of all-polymer micro-DMFCs using UV-sensitive photoresist,” Electrochimica Acta 50, 2004.

80

8. Paganin,V. A., E. A. Ticianelli and E. R. Gonzalez, “Development ofsmall polyer electrolyte fuel cell stacks,” Power Sources, Vol. 70, pp 55-58, 1998.

9. Bruijn, F. A., D. C. Papageorgopoulos, E. F. Sitters and G. J. M. Janssen, "The influence of carbon dioxide on PEM fuel cell anodes,"Journal of Power Sources, 110, pp 117-124, 2002.

10. Won, C. C., M. K. Jeon, Y. J. Kim, S. I. Woo and H. H. Won, “Development of enhanced materials for direct-methanol fuel cell by combinatorial method and nanoscience,” Catalysis Today 93–95, pp 517–522, 2004.

11. 黃鎮江,燃料電池,全華科技圖書出版。

12. Shinji, M., M. Mohamedi, T. Momma, S. Shoji and T. Osaka, “MEMS-based design and fabrication of a new concept micro direct methanol fuel cell,”