在上一篇燃料電池的簡介中已經介紹過燃料電池的種類,直接甲醇燃料電池(Direct methanol fuel cell, DMFC)屬於質子交換模型燃料電池的一種,它與一般氫氧燃料電池同樣以高分子材料作為質子交換之電解質,其基本架構大致相同,差異在於使用的燃料不同,他並不使用氫氣,而是以液態的甲醇水溶液作為電池燃料。由於甲醇的方便取得與普及,如果技術上能夠有所突破未來有可能會是電腦或是手機電話電池燃料的首選。

  直接甲醇燃料電池使用甲醇的優點,除了能量密度高之外,其發電所需的甲醇 成本低、可低溫運作亦是其優點,且因為它是液態,在儲存與運送上都較氫氣來得方便;另一方面,甲醇可從天然氣直接合成,取得容易成本也低,因此被當成是一個理想的燃料來源。DMFC算是一個全新的環保能源概念,與鋰電池最大的不同在於鋰電池是蓄電再發電的機制,其本身能供應的能量受限於每次的蓄電容量,當電用畢後必須重新蓄電才能再次放電,而燃料電池則是個能源轉換器,只要將燃料持續供應,燃料電池即可源源不絕的提供電力,沒有電力中斷或必須更換電池的考量。


  圖一  能量密度比較表

直接甲醇燃料電池系統的工作原理
DMFC 的陽極使用甲醇溶液作為它的燃料。陰極通入含氧的空氣。在陽極上的甲醇被氧化成二氧化碳並且釋放出質子和電子。該反應的電化學反應式如下所示。

在陽極部分,主要是由白金等貴金屬做成的電化學觸媒所構成。
陽極:CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e–

陽極反應產生的氫離子透過質子傳導膜的傳遞到達陰極,陰極是亦由白金等貴金屬做成的電化學觸媒所構成。
陰極:3/2 O2 + 6H+ + 6e– → 3H2O

總反應:CH3OH+ 3/2 O2 +H2O→CO2 + 3H2O

              圖二 DMFC總反應

燃料電池如同電池一樣﹔主要包含電池的核心--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。質子交換膜為高分子聚合物,作為電解質遷移質子之傳導體,並用於隔絕陽極與陰極的反應物;左側提供甲醇水溶液稱為陽極,右側提供空氣或氧氣稱之為陰極。它的陽極是由多孔並且導電的碳粉所組成。在這些碳粉上含有催化性極高的觸媒,例如,鉑、釕等。多孔的電極不但在單位體積中,提供極大的反應表面積,它也提供燃料和產物很暢通的流道。隔離薄膜雖然並不導電但卻是離子的良導體。它是由具離子交換功能的高分子膜所構成。陰極如同陽極,也是由多孔並且導電的碳粉所組成。在這些碳粉上也含有催化性極高的觸媒。


圖三 DMFC基本結構

使用於DMFC 之質子傳導膜是由多孔性的固態高分子所構成,是一種非腐蝕性的電解質,必須同時具有高的離子導電性、低的甲醇滲透性、良好的尺寸安定性、高的耐熱性、長期電化學穩定性、低的電滲透牽引力(ElectricosmosisDrag),與觸媒用的結合劑有良好的相容性等特性,主要功能是傳導離子與隔離兩側電極;質子交換膜另一項功能為隔絕兩側電極,提供氫離子的傳輸,而中性氣體在其間的滲透率卻極低,所以可防止兩側反應氣體產生交叉流。目前質子交換膜有日本Asahi 公司的Aciplex,美國DOW 生產的XUS 交換膜,Dais 公司的Kraton G1650,以及最常採用的美國杜邦(DuPont)公司所生產的Nafion 薄膜…… 等。此外,它必須是容易製造、價格適中,且原料來源易獲得。

項次

優點

缺點

1

低污染

陽極白金觸媒易遭一氧化碳毒化

2

噪音小

甲醇穿透(methanol crossover)現象

3

易於儲存與運送

質子膜價格昂貴

4

工作溫度低

 

5

結構簡單

 

6

攜帶便利

 

圖四 DMFC之優缺點

觀察與結論:
由於甲醇的催化效率緩慢,以及甲醇會由陽極滲透過質子交換膜至陰極造成陰極毒化,都將導致直接甲醇燃料電池效率下降。除了低功率的質子交換膜材料將導致發電主體變大之外,整個電池模組的循環系統亦需要很多複雜(太多需要訂製週邊的零件)且龐大的體積(尤其是Heat exchanger),顯然的DMFC模組的體積,是遇到了難以縮小的瓶頸,若DMFC無法像LIB一樣內建到NB使用,將很難與目前All-In-One的NB做很普及的使用。另外,高含量的貴金屬觸媒成本亦不利直接甲醇燃料電池的商品化。
目前就讓我們靜待科學家們能努力的突破這些技術瓶頸,讓DMFC商品化的目標能夠早日實現吧。


圖五 直接甲醇燃料系統架構

圖片來源:
台灣燃料電池資訊網
工業材料雜誌215 & 225期
材料世界網

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