直接甲醇燃料電池

直接甲醇燃料電池（DMFC），是以質子交換膜燃料電池為基礎，

以直接供給液態甲醇做為燃料的質子交換膜類型之燃料電池，兩者的 差異，主要在於液態甲醇在陽極進行氧化反應時，會釋出六個電子與 氫離子並產生二氧化碳，而在反應的路徑中也會常常形成一氧化碳的 衍生物，使鉑原子失去觸媒活性，所以直接甲醇燃料電池之陽極側使

用鉑釕（Pt-Ru）雙觸媒，以防止鉑觸媒因一氧化碳而毒化。另外，

由於陽極側未反應的液態甲醇易穿透質子交換膜到達陰極而造成燃 料電池的性能下降，因此在質子交換膜材料的選擇上亦有不同之處。

直接甲醇燃料電池的優點為能量密度高、燃料來源廣、安全性高、可 長時間的供電以及簡便

陽極反應：CH3OH+H2O→CO2+6H⁺+6e^- 陰極反應：3/2O2+6H⁺+6e^-→3H2O

全反應：CH3OH+3/2O2+H2O→CO2+2 H2O

(http://www.antig.com/english/tech.html)

它不同於 PEM 之處在於使用未經轉化的液態甲醇—俗稱木精或 工業酒精，因此燃料成本極低。其操作溫度略高於 PEM 型。能量轉換 效率略低，約為 40%。

目前仍在改進隔腐蝕、燃料滲漏及小型化等問題。軍用品輕型供電裝 置及運輸業均是未來有潛力的發展方向。

一. 甲醇進料方式

直接純燃料電池的甲醇進料可為液態甲醇溶液或氣態甲醇和水的 蒸氣，就質傳效果而言，甲醇蒸氣進料優於液態甲醇進料，但就直接 甲醇燃料電池系統而言，甲醇蒸氣進料必須在加裝一個預熱氣(使液 態甲醇變成蒸氣態)，系統不僅變複雜也造成能量損失。目前 DMFC 的 系統多為液態甲醇進料的設計。

二. 甲醇滲透現象(Methanol Crossover)

甲醇滲透的現象是直接甲醇燃料電池目前的瓶頸，其基本原因是 甲醇在氟黃酸型質子交換膜(Aafion)中有很高的擴散性。因質子交換 膜有很高的甲醇滲透性，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，不但告成甲醇燃料的流失，亦會與氧氣形成 混成電位(mixed potential)降低陰極電位，使電池效能變差。

因此，直接甲醇燃料電池的質子交換摸須具備的性質為：

1.良好的隔離膜 2.高機械性質

3.好的化學及熱安定性 4.高質子導電性

5.零電子導電性

由於 Nafuon 膜具有很好的化學、熱穩定性、高質子傳導性，而 且質輕、機械強度高、易加工，目前多採用 Nafion 膜作為直接甲醇 燃料電池之電解質膜，但 Nafion 膜有相當嚴重的甲醇滲透問題。

使用 Nafiona 膜作為直接甲醇燃料電池質子交換膜時，其影響甲醇滲

透的因素，約可分為電池溫度、甲醇濃度、陰極側壓力、膜厚、膜當 量重等：

A.甲醇濃度影響

甲醇進料濃度增加，開環電位(open circuit voltage)下降，這是由 於甲醇濃度越高，滲透速度越高，陰極產生之混成電位越低所造成。

與膜厚效應相似。

※Nafion 的改質

增加 Nafion 的導離子性，可依下列目標來做改質 1.增加 Nafion 膜內黃酸根離子含量

2.增加 Nafion 膜內含水量

3.促使高分子排列整齊，減少離子傳遞之阻礙

高分子 Nafion 膜內磺酸根離子含量越高，Nafion 導電度越高：

Nafion 膜內添加無機吸水物質 5wt%P2O5 顆粒，可藉由 P2O5 良好的 吸水性，可使導電度增為兩倍；添加離子共聚合物(ionic

copolymer)，可使 Nafion 膜內高分子排列更整齊，減少離子傳遞之 阻礙進而增加其導電度。

三. 陽極觸媒材料

直接甲醇燃料電池使用甲醇為燃料，其放電性能較使用氫氣差，

因此需研發陰陽兩極，尤其是陽極的高效觸媒，來提高反應性。白金 是最常用的電極觸媒，其優點為電化學活性高，缺點是容易受中間產 物一氧化碳的毒化，已有研究顯示慘雜其他金屬元素如釕或其他金屬 形成雙成分或多成份的合金，可降低白金中毒的程度。

A. Pt-Ru/C 合金觸媒

根據以發表的文獻，釕可催化一氧化碳的原因主要可歸納出兩種：

1. 釕慘入白金之中，改變白金之晶格結構，減弱 CO 在白金上的吸 附力，或降低 Pt-CO 鍵能

2. 釕相對於白金在較負之電位即可氧化，與 H2O 反應生成含氧之吸 附物(Oxygen containing species)，以(OH)ads 表示，接著與 吸附之白金之 CO 反應，將 CO 氧化成 CO2，稱之雙作用機制。

Pt-Ni、Pt-Re、Pt-Mo、Pt-Co、Pt-Cr 等。將 Pt、Mo 兩種金屬粉末 及添加 NaF 或 MgH2 製備 Pt-Mo 雙合金金屬觸媒，其結果顯示 Pt-Mo 觸媒對 CO 毒化效應有明顯改善。除了雙合金觸媒外，也可在鉑金屬 以外添加至少兩種以上氧化活性高的金屬，形成三元合金觸媒或是四 元合金觸媒。

四. 擴散層

當電池進行放電時，陽極的甲醇/水混合物必須經過擴散層到電 極表面進行反應，而生成的 CO2 從擴散層排出，放電反應才能穩定的 進行。以碳紙作為擴散層時，氣泡與碳紙間的摩擦力大，容易使小氣 泡集結成大氣而妨礙甲醇通行，甚至形成氣柱堵塞在流場板的流通 內，使甲醇無法順利到達觸媒表面進行反應，進而降低電池的效能。

以碳布做為擴散層，產生之 CO2 氣泡較小且分散性佳，較有利 CO2 的 排除。

陽極觸媒的擴散層，若能使甲醇水溶液和二氧化碳擁有個別的通道，

可提高觸媒的使用率及使電流穩定。