篇名能原之星甲醇燃料電池

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篇名

能原之星　甲醇燃料電池-DMFC

作者

李振華。國立林口高級中學。2 年 11 班陳學翰。國立林口高級中學。2 年 11 班

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前言

石化能源的有限性一直是人們口中較常說出的話題，加上環保意識抬頭，許多國家決定重金開發新的替代能源以迎接資源短缺的未來。而燃料電池(Fuel Cell)的相關技術日新月異，已經引起了國際間的重視，無論政府抑或私人營利企業，都對這一方面的開發充滿興趣，於是愈來愈多種類的燃料電池問世。

甲醇燃燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell）簡稱 DMFC，目前在國際上佔有很大的地位，而且是一種很環保的燃料電池。為何甲醇燃料電池佔有國際間重要地位？就讓我們來一探究竟。

DMFC發電方式顛覆了傳統的觀念

傳統的發電方法都可能會對環境製造污染或者是效率太低等等的問題，而甲醇燃料電池的使用改善了這些問題。我們可以從表一的比較來說明。

表一︰DMFC之和其它傳統電池發電方式相異方面及說明方面說明

A.高效率

DMFC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需要多重能量轉換步驟不同。

B.低污染

DMFC比一般傳統火力發電方式更清潔，沒有含硫、含氮化物的問題，更沒有核能發電核廢料的問題，而其生成物只有水和熱

C.無噪音

DMFC在發電時，不需其它移動機件的配合，因此沒有噪音問題。在發電的過程中，也不會太過於吵雜

D.用途多

產生的電流大小方面︰增加電池的面積以及電池數量可以提供足夠的電壓使各應用被驅動。

E.免充電

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。DMFC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

DMFC 的工作原理

圖一：甲醇燃料電池工作原理圖(註十四)

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DMFC 主要包含：質子交換膜、兩個流道、兩個電極、兩個觸媒層共七個主要區域。[參考圖一](註一)質子交換膜(PEM)作為電解質轉移的傳導體，同時隔絕陽極與陰極的反應物。電池左側提供甲醇水溶液為陽極，右側提供空氣或氧氣為陰極，其陽、陰極是由多孔且導電的碳粉(含有催化性極高的觸媒)或鉑所組成，

提供極大的反應表面積且提供燃料和產物很暢通的流道。(註三)

簡而言之，其反應大致為︰甲醇燃料經注入陽極酸性溶液中，在觸媒催化下氧化產生二氧化碳與氫離子，氫離子移動至陰極，參與氧氣在陰極被還原成水的反應並發電。反應方程式如下：

陽極(Anode)反應：CH3OH+H2O→CO+6H⁺+6e^- E=-0.02V 陰極(Cathode)反應：O2+4H⁺+4e^-→2H2O E=1.23V

總反應：CH3OH+3/2O2→CO2+H2O △E=1.21V 整個反應流程可由圖二表示之。

圖二︰甲醇燃料電池反應示意圖(註四)

DMFC 有何過人之處？

DMFC 與其他常見的燃料池的差異性，我們從表二、表三可以一探端倪。

表二︰DMFC的裝置中和以往的燃料電池的差異性(註五)

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1.除去了燃料的蒸餾器或"轉化器"

2.除去了高壓和高溫

3.除去了轉化型燃料電池複雜的水和熱力處理系統維持溫度和壓強的平衡 4.除去了內部加熱冷卻金屬板的需要

5.除去了轉化技術中適度控制過程，如果沒有這個過程將導致膜變乾破裂。直接甲醇燃料電池的液態環境提供了穩定的溶液環境

6.很大程度上由於除去了昂貴複雜佔空間的轉化器，顯著地降低了系統的大小和重量

7.DMFC 是用雙槽結構可以用非金屬，輕而易取的材料製成，和金屬材料相比大大降低了成本

說明︰

1.基本上，DMFC 是不需要蒸餾器或"轉化器"就能運作的，直接靠觸媒轉換就行。

2.DMFC 在室溫且壓力低的狀態下即可運作。

3.其系統非常簡易，不太需要其它繁雜的系統促使其正常運作。

4.直接甲醇燃料電池的液態環境提供了穩定的溶液環境。

表三︰燃料電池，優、缺點比較表。

常見燃料電池總類「優點」「缺點」

磷酸燃料電池(PAFC) 1.對 CO２的活性小 2.廢熱可再利用

1.對 CO 的活性大 2.工作溫度高

3.成本高、過了輸電功率高峰值後，性能下降

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 1.對 CO 的活性小

2.廢熱可再利用

3.可用空氣作為氧化劑，很方便 4.可用天然氣或甲烷作為燃料

1.工作溫度較高

固態氧化物燃料電池(SOFC) 1.對 CO 的活性小

2.廢熱可再利用

3.可用空氣作為氧化劑

4.可用天然氣或甲烷作為燃料

5.在高溫下反應，不需要依賴觸媒的特殊作用

1.工作溫度過高，內建於便攜式電器的可能性較低

鹼性燃料電池(AFC) 1.啟動快

2.可在室溫常壓下運作

1.需使用高純度的氫氣作為燃料 2.需以純氧作為氧化劑成本高

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3.低腐蝕性

4.在低溫的狀態下較易選擇材料質子交換膜燃料電池(PEMFC) 1.啟動迅速

2.體積小、重量輕、壽命長、低腐蝕性 3.輸電功率高且可以隨意調整

4.可以在室溫正常運作 5.可用空氣作為氧化劑

6.在低溫的狀態下較易選擇材料

1.對 CO 的活性非常大 2.反應物需加濕方可運作

甲醇燃料電池(DMFC) 1. 啟動迅速

2.體積小、重量輕、壽命長、低腐蝕性 3.輸電功率高且可以隨意調整

4.可以在室溫正常運作 5.可用空氣作為氧化劑

6.在低溫的狀態下較易選擇材料

1.對 CO 的活性非常大

說明：

由表三可知，DMFC 與 PEMFC 是兩個較具有發展潛力的燃料電池。例如在輸電功率高且可以隨意調整、可以在室溫正常運作等。

DMFC 的未來發展方向

由於DMFC 為目前積極開發的燃料電池，其中有幾點是從參考資料中整理後發現可以再做更好的方向。

表四︰DMFC 未來發展方向

待發展、改進方面是否發展、已改進？

1.DMFC 陽極氧化產生毒物是 2.DMFC 陽極極化損失是 3.DMFC 陰極產生的水的排除是

4.甲醇濃度的穩定控制是

5.甲醇燃料滲透是

6.甲醇可能氧化不完全是

左欄說明︰

1.氧化過程中所生成的 CO 中間產物在鉑觸媒表面之吸附力極強，不易脫附，而鉑將水活化成OH 速度甚為緩慢，CO 便成為觸媒之毒化物，成為觸媒活性中心

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未能迅速再生之主要瓶頸。(註六) 2.陽極極化是陽極電壓損失。

3.其陰極產生的水可能會積於電池內，導致反應受到影響。

4.甲醇溶液濃度不能一直維持定值，會干擾到反應速率。

5.甲醇可能會由陽極滲透過質子交換膜至陰極造成陰極毒化，都將導致其發電效率下降。

6.產生甲醛或甲酸，因此得到的電壓相對變低了。(註七)

右欄說明︰

1.目前實驗大都使用具有一定抗 CO 毒化性能的催化劑。例如︰使用適當金屬觸媒氧化水分子生成氫氧自由基︰H2O+OH•+ H⁺ + e^-，氫氧自由基可以氧化CO 形成CO2，CO + OH•CO2 + H⁺+ e^-，便可以降低CO 毒化鉑觸媒。(註八) 2.尋求高效率的甲醇陽極電催化氧化的電催化劑以提高甲醇陽極氧化的速度，

並減少陽極的極化損失。

3.陰極產生的水必須能直接回流陽極端，無須額的外冷凝器。(註九) 4.利用蠕動幫浦的作用用來定量定速的提供甲醇燃料的進入。(註十)

5.工研院材料所目前正積極開發高質子導電度及低甲醇滲透之質子傳導膜材料。

(註十一)

6.使用空氣幫浦讓空氣中的氧增加與甲醇反應越來越完全。(註十二)

DMFC 的應用(註十三)

下表是經過一些參考資料後整理出，DMFC 的應用方向。

表六、DMFC 的應用 1.DMFC 的未來展望

現在已有少部分的公司排除種種困難成功開發出DMFC 相關產品，因此有些人希望可以把此燃料電池發揚光大，讓地球可以多吸一口氣！

2.DMFC 的固定應用

根據統計目前全世界有超過2500 個燃料電池系統被安裝在醫院、療養院、學校、公用事業能源設備和電器消耗需求。

3.DMFC 的住宅應用

DMFC 小型單機每小時產生七到十千瓦且沒有污染副產品，可以用於提供家用熱水器或房間取暖。由於生成大多為熱和水，所以低污染。

4.DMFC 的運輸應用

汽車製造商和專家推測在2010 年 DMFC 燃料電池車輛將被廣泛地商業化。其技術正應用於公共汽車、火車、單腳滑行車和高爾夫車……

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5. DMFC 的海運應用

大致應用於豪華大客輪、油輪、遊艇和釣魚船。Ex：下方圖三 6. DMFC 便攜式電器

DMFC 可能最廣泛的應用為便攜式電能。DMFC 也稱之為微型燃料電池，將改變電訊世界。其應用如手提電腦和掌上裝置擁有更長的電池壽命以及可以達到連續一個月通話的手機。Ex：下方圖四

7.DMFC 垃圾掩埋/廢水處理

圖三︰明道大學發明的燃料電池動力船(註二)

圖四︰直接甲醇燃料電池應用於MP3(註十五)

結語

面對地球資源的缺乏和環境的破壞，促使我們想要好好研究其中的應變對策而我們對燃料電池—直接甲醇燃料電池充滿期待，以上資料證實直接甲醇燃料電池在未來的使用趨勢是有利的，是有展望的，而且對環境產生較小的傷害。未來的發展方向，研發適的電催化劑及質子傳導膜材應該是比較重要的方向，當然成本也是是否能普及的重要關鍵。

引註資料：

註一、蔡英文、賴秋助。可攜式DMFC 能源技術發展及應用。工業材料雜誌。(檢索日期2009/9/24)

註二、能源科技投資電子報 ERnews專題 3C燃料電池市場動向 - 樂多日誌。 http://blog.roodo.com/energytech/archives/4991733.html(檢索日期2009/10/12) 註三、黃國華耕讀筆記- Ken 的工程師隨筆專欄-直接式甲醇燃料電池

(DMFC)。http://www.wretch.cc/blog/bonddealer/8159269(檢索日期 2009/9/21) 註四、e-sources.com fuel cell-

(8)

DMFC。http://tw.wrs.yahoo.com/_ylt=A3eg8_hkc.BKZYMBqnd21gt./SIG=11urrp6js /EXP=1256309988/**http%3A//www.e-sources.com/fuelcell-DMFC.htm(檢索日期 2009/9/23)

註五、群翌能源股份有限公司。

http://product.fansio.com/category/5/160/1607.shtml(檢索日期 2009/9/25) 註六、燃料電池電極觸媒 (一)-分子電解質膜燃料電池陽極觸媒

。http://www.ch.ntu.edu.tw/~camp/camp97a/doc/2_Fuelcell (檢索日期 2009/9/23) 註七、高瞻計畫資源平台。http://highscope.ch.ntu.edu.tw/?p=568。(檢索日期 2009/9/23)

註八、燃料電池電極觸媒 (一)-分子電解質膜燃料電池陽極觸媒

。http://www.ch.ntu.edu.tw/~camp/camp97a/doc/2_Fuelcell (檢索日期 2009/9/23) 註九、國立高雄應用科技大學直接甲醇燃料電池。http://www.youtube.com/watch?

v=pW8Ya-oDZYI(檢索日期2009/10/21)

註十、國立高雄應用科技大學直接甲醇燃料電池。http://www.youtube.com/watch?

v=pW8Ya-oDZYI(檢索日期2009/10/21)

註十一、工業技術研究院 - 可移轉技術 - 直接甲醇進料型燃料電池用質子傳導膜 http://www.itri.org.tw/chi/tech-transfer/04.asp(檢索日期2009/10/21)

註十二、國立高雄應用科技大學直接甲醇燃料電池。

http://www.youtube.com/watch?v=pW8Ya-oDZYI(檢索日期2009/10/21) 註十三、DMFC的應用。http://www.dtienergy.com/chinese-

traditional/DMFCuses.html

註十四、原子層化學氣相沉積。http://fmpanlab.twbbs.org/DMFC.htm(檢索日期 2009/10/12)

註十五、原子層化學氣相沉積。http://fmpanlab.twbbs.org/DMFC.htm(檢索日期 2009/10/6)

參考資料

1.葉名倉(95/8)。基礎化學P.144、P.145。台北市北門路一段76號：南一書局企業股份有限公司

2.黃長司、黃芳裕、鍾崇燊()。選修化學下P.31。台北縣五股鄉五工六路30號：康熙文化事業股份有限公司

3.衣寶廉(92/04)。燃料電池－高效、環保的發電方式P.132~P.135。台北市大安區 106和平東路二段339號4樓：五南圖書出版股份有限公司

4.DTI Energy Inc.。http://www.dtienergy.com/index.html。(檢索日期 2009/9/23)

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