1

DMFC 性能分析

甲醇催化觸媒之設計甲醇催化觸媒之設計 操作條件與進料方式操作條件與進料方式 膜電極組之結構膜電極組之結構 電解質膜之特性電解質膜之特性

2

DMFC 性能影響因子

甲醇電催化觸媒

操作條件

進料方式

膜電極板結構

電解質膜特性

DMFC 性能分析 (1)

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影響 DMFC 性能之因素

活化極化 濃度極化 歐姆極化甲醇電催化觸媒設計 V V —

操作條件與進料方式 V V —

膜電極組結構 — V V

電解質膜特性 V V V

V——

電極熱力學 電極反應動力學

V

DMFC 性能分析 (2)

4

DMFC CHART 1DMFC 性能分析 (3)

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DMFC CHART 2

DMFC 性能分析 (4)

6

DMFC CHART 1

DMFC 性能分析 (5)

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DMFC 特性說明

DMFC DMFC 是目前市場上較常運是目前市場上較常運用之 用之 FCFC ，，其主要原因為其其主要原因為其裝載容量由 裝載容量由 11W ~100 W ~100 KWKW ，，適一般民生所需。適一般民生所需。

除以上理由外，也因其工作除以上理由外，也因其工作溫度不高約溫度不高約 100 100 度左右體積度左右體積不大，使用上較安全與易掌不大，使用上較安全與易掌握。握。

DMFC DMFC 運用於運用於 33CC 產品如手產品如手機、筆記電腦、軍用無線電、機、筆記電腦、軍用無線電、車輛或家庭，皆為現階段與車輛或家庭，皆為現階段與未來發展趨勢。未來發展趨勢。

種類 PEMFC

應用 車,住家燃料 H2,甲醇氧化劑 O2,AIR

效率 43~58

電解質 固態高分子膜

DMFC 性能分析 (6)

8

除上述影響 DMFC ( 直接甲醇電池 ) 性能因素外；尋找高效能之甲醇陽極觸媒，為 DMFC 目前亟需突破障礙之一。

故良好的觸媒甲醇陽極氧化速度，並減少陽極極化損失，也由於甲醇在陽極氧化過程中，所生成的一氧化碳及中間產物會使鉑中毒，為避免上述情形目前 DMFC 都使用鉑與其他氧化性高的，貴金屬與過渡金屬等所構成的多元合金觸媒。

此外選擇適當操作條件、製程及膜電池組之結構也是影響性能的重要因素。

現有 DMFC 普遍採用 Nafion 膜，因該產品甲醇滲透率較高，會造成甲醇尚未反應下，即通過膜往陰極滲透，造成甲醇利用率降低，且陰極極化的大幅增加，降低 了DMFC 性能。

DMFC 性能分析 (7)

9

DM

FC

效能降低原因

觸媒因素

陽極極化速度

陽極極化損失鉑中毒

高分子膜因素

Nafion 滲透高

甲醇反應不全

陰極極化

操作條件 進料方式

工作溫度液態

氣態

DMFC 效能降低原因分析：

DMFC 性能分析 (8)

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甲醇催化觸媒之設計 甲醇催化觸媒之設計，是影響 DMFC 性能之一，從 8-5

式的甲醇反應機制分析可知，鉑對甲醇的直接氧化具很高的活性，可在低電位下輕易釋放質子與電子，然缺少活性氧的狀態下，鉑很容易被中間產物 CO 緊緊吸附在表面而失去活性，目前解決 CO 毒化方法是鉑觸媒中添加氧化活性較高的第二觸媒，成為鉑基合金的形式：也可直接將第二觸媒以物理或化學方式直接沉積在鉑電極上。後者可改善電極吸附性，然對甲醇氧化活性影響較小，且只在較低工作電壓下，才能有效強化鉑的電催化活性，因此 目前 DMFC 的陽極觸媒普遍採前者，以鉑基合金方式設計。

DMFC 性能分析 (9)

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Pt-(CH3OH)ADS→ Pt(CH2OH)ADS+H++e- (8-5 a)Pt-(CH2OH)ADS→ Pt(CHOH)ADS+H++e- (8-5 b)Pt-(CHOH)ADS→ Pt(COH)ADS+H++e- (8-5 c)Pt-(CHO)ADS→ Pt(CO)ADS+H++e- (8-5 d)

DMFC 性能分析 (10)

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合金觸媒使用材料分析

目前已知對甲醇催化氧化有增強目前已知對甲醇催化氧化有增強雙合金觸媒雙合金觸媒 ( ( binary alloy binary alloy catalyst)catalyst) 有 有 Pt-Sn Pt-Sn (( 鉑鈦鉑鈦 ) ) 、 、 Pt-Re(Pt-Re( 鉑錸鉑錸 )) 、 、 Pt-MoPt-Mo(( 鉑鉬鉑鉬 )) 、 、 Pt-Ru(Pt-Ru( 鉑釕鉑釕 )) 、 、 Pt-Cr(Pt-Cr( 鉑鉻鉑鉻 )) 、 、 Pt-Co(Pt-Co( 鉑鉑鈷鈷 )) 、 、 Pt-Ni(Pt-Ni( 鉑鎳鉑鎳 )) 等合金種類。等合金種類。

至於合金觸媒對 至於合金觸媒對 DMFC DMFC 性能影響並無一定論，以性能影響並無一定論，以 Pt-Ru Pt-Ru 鉑釕合金為例，鉑釕合金為例，含量從 含量從 10% ~ 50%10% ~ 50% 都有，有更多資料顯都有，有更多資料顯示鉑釕原子數比接近 示鉑釕原子數比接近 1:11:1時具有最高的反應表面積與最時具有最高的反應表面積與最佳電催化性能。佳電催化性能。

DMFC 性能分析 (11)

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雙元觸媒最佳百分比

DMFC 性能分析 (12)

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陽極多元合金觸媒設計 (圖 )

單元金屬觸媒 雙元金屬觸媒 三元金屬觸媒 四元金屬觸媒Pt-/C Pt-Co/C Pt-Ru-Al4 Pt-Ru-Mo-W

Pt-Co/C Pt-Ru-Mo/C Pt-Ru-Os-IrPt-Cr/C Pt-Ru-Ir/CPt-Fe/C Pt-Ru-Mn/CPt-Ir/C Pt-Ru-CoPt-Mn/C Pt-Ru-Nb/CPt-Ni/C Pt-Ru-Ni/CPt-Pd/C Pt-Ru-Pb/CPt-Rh/C Pt-Ru-Rh/CPt-Ru/C Pt-Ru-Zr/CPt-V/C Pt-Re( MgH2)

Au-Pd/C Pt-Ru-Os

DMFC 性能分析 (13)

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多元合金觸媒比較 可加入 (Os) 成為三元觸媒，或再加入 (Ir) 成為四元觸

媒；其效益由圖可看出三元觸媒與二元觸媒在同樣操作條件下，在 0.4V 操作電壓，其輸出電流密度是 240 mA/cm 2 比 180 mA/cm 2 其效率增加 35% 。

同樣情況四元 / 二元觸媒時，在 0.4V 操作電壓條件，其輸出電流密度是 250/180 mA/cm2 。而且他的限制電流是雙元的兩倍。

DMFC 性能分析 (14)

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雙元與四元電流密度比較

DMFC 性能分析 (15)

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操作溫度對 DMFC 性能影響

DMFC 性能分析 (16)

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操作條件與進料方式 低溫時 (25) ，觸媒之電催化活性差，陽極氧化反應速

率控制步驟為甲醇的吸附與脫氫過程，當工作溫度升時，水分子的雙反應式成為控制步驟如下 8-6 式。

M+H2O →M-(H2)ABS

M-(H2O)ABS → M-(OH)ABS+ H+ e-

DMFC 性能分析 (17)

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DMFC 不同甲醇進料方式比較

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DMFC 現況

三星電子 (Samsung)指出，已開發出筆記型電腦甲醇燃料電池 -DMFC （ Direct Methanol Fuel Cell ；直接甲醇燃料電池），能連續使用 10 小時，未來可望應用於三星「 SENSQ」系列等筆記型電腦。

三星表示，已開發出以 100cc 甲醇，驅動 10 小時筆記型電腦用甲醇燃料電池 -DMFC 。這次開發的 DMFC得以實現小型化與低價化，是因結合奈米材料技術的奈米觸媒，以及氫離子傳導膜技術的緣故。

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膜電極組之結構 黏結劑對 DMFC 影響 : 經實驗 Nafion 比 PTFE 黏結劑其膜電極組功率 “ 0.1

7 W/cm 2 “ ”： 0.155 W/cm2 “e; 高 10%差別在於 膜電極組 歐姆電阻較小。

觸媒層對膜電極組影響 : 同觸媒量下以鉑 - 釕黑作為陽極觸媒比鉑 - 釕炭黑的電

催化性能好，主因在於厚度差異，有利甲醇分子輸出與電子導出，且觸媒含量高可提高電極對甲醇容忍度並減少甲醇向陰極竄透機率、提高電極性能。

DMFC 性能分析 (20)

22黏結劑

Nafion0.17 W/cm2

PTEF 0.155 W/cm2

歐姆電阻小 鉑釕黑觸媒 對甲醇容忍度對抗向陰極竄流提高電極性能

鉑釕炭觸媒

觸媒層結構

厚度小利甲醇分輸送與電子導出子

膜電極性能影響因子

觸媒鍍層技術噴塗、漿塗

移印

PVD,IMP

SPPUTER

陰極漿塗

PVD Pt.Ru0.031 mg/cm2 與 Nafion XRD 與 CVD 條件相當

熱壓條件 觸媒載體 擴散層結構

135 ℃優於 80℃

增大觸媒反應比表面減少電組歐姆改善電極內熱質傳特性

觸媒粒度小

表面何電催活性大

聚亞乙二吩聚苯乙

聚苯乙烯磺酸

聚咯 /聚苯乙烯

多孔性 , 電子導電性離子導電性

膜電極組影響因子

DMFC 性能分析 (21)

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擴散層結構對 DMFC 膜影響 CHART

甲醇

水

陽極

擴散層

觸媒層

碳紙 /碳布

反應產生氣泡流體增加 26倍氣柱阻礙碳紙表面張力增加破壞電池運行性能，使用碳布其氣泡較小且不易黏著表面利於 CO2排出再加入適當 PTFE 疏水劑更加強碳布疏水性。

DMFC 性能分析 (22)

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電解質膜特性 DMFC 性能除甲醇電催化氧化機制影响，與使用電解質

膜亦相關；其離子導電度、甲醇滲透率，而在甲醇未反應即向陰極滲透使陰極極化問題，美國凱斯西儲大學開發加入酸的聚苯並咪銼 (PBI film) ，其輸出功率可達 100~ 300mW/cm 2 ，也可在 130~150℃使用因此提供陽極電催化氧化速率，又因高溫 CO 不易附著 PB 表面，解決毒化問題。

DMFC 性能分析 (23)

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DMFC 現況 其中奈米觸媒技術的特徵在於，將觸媒粒子縮小到 3 奈米，同時將它與「mesoporous carbon 」 ( 中孔結構碳 ) 結合，活化電氣化學反應，藉此將觸媒使用量降低 50% 左右，這項技術是得以實現燃料電池小型化與低價化的關鍵技術。在氫離子傳導膜方面，三星自行開發出「 nano-composite （奈米複合材料）概念」的複合膜，藉此抑制 90% 以上甲醇穿透現象，這項成果也將具備取代目前氫離子傳導膜的性能。

三星進一步指出，目前這項技術開發進展超前美國及日本，未來可望應用於三星電子「 SENS Q」系列等筆記型電腦。

2003/12/25水果報報導 HITICHI 使用微型 DMFC 應用於 PDA 上。

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