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DMFC 性能分析

DMFC 性能分析. 甲醇催化觸媒之設計 操作條件與進料方式 膜電極組之結構 電解質膜之特性. DMFC 性能分析 (1). DMFC 性能影響因子. DMFC 性能分析 (2). 影響 DMFC 性能之因素. DMFC 性能分析 (3). DMFC CHART 1. DMFC 性能分析 (4). DMFC CHART 2. DMFC 性能分析 (5). DMFC CHART 1. DMFC 性能分析 (6). DMFC 特性說明.

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Presentation Transcript

  1. DMFC 性能分析 • 甲醇催化觸媒之設計 • 操作條件與進料方式 • 膜電極組之結構 • 電解質膜之特性

  2. DMFC 性能分析(1) DMFC性能影響因子

  3. DMFC 性能分析(2) 影響 DMFC 性能之因素

  4. DMFC 性能分析(3) DMFC CHART 1

  5. DMFC 性能分析(4) DMFC CHART 2

  6. DMFC 性能分析(5) DMFC CHART 1

  7. DMFC 性能分析(6) DMFC 特性說明 • DMFC 是目前市場上較常運用之 FC，其主要原因為其裝載容量由 1W ~100 KW，適一般民生所需。 • 除以上理由外，也因其工作溫度不高約100 度左右體積不大，使用上較安全與易掌握。 • DMFC 運用於3C產品如手機、筆記電腦、軍用無線電、車輛或家庭，皆為現階段與未來發展趨勢。

  8. DMFC 性能分析(7) • 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。

  9. DMFC 性能分析(8) DMFC 效能降低原因分析： 進料方式 操作條件 氣態 工作溫度 DMFC 效能降低原因 液態 鉑中毒 陰極極化 陽極極化損失 甲醇反應不全 Nafion 滲透高 陽極極化速度 高分子膜因素 觸媒因素

  10. DMFC 性能分析(9) 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。

  11. DMFC 性能分析(10)

  12. DMFC 性能分析(11) 合金觸媒使用材料分析 • 目前已知對甲醇催化氧化有增強雙合金觸媒( binary alloy catalyst)有 Pt-Sn (鉑鈦) 、 Pt-Re(鉑錸)、 Pt-Mo(鉑鉬)、 Pt-Ru(鉑釕)、 Pt-Cr(鉑鉻)、 Pt-Co(鉑鈷)、 Pt-Ni(鉑鎳)等合金種類。 • 至於合金觸媒對 DMFC 性能影響並無一定論，以Pt-Ru 鉑釕合金為例，含量從 10% ~ 50%都有，有更多資料顯示鉑釕原子數比接近 1:1時具有最高的反應表面積與最佳電催化性能。

  13. DMFC 性能分析(12) 雙元觸媒最佳百分比

  14. DMFC 性能分析(13) 陽極多元合金觸媒設計(圖)

  15. DMFC 性能分析(14) 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。

  16. DMFC 性能分析(15) 雙元與四元電流密度比較

  17. DMFC 性能分析(16) 操作溫度對DMFC 性能影響

  18. DMFC 性能分析(17) 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-

  19. DMFC 性能分析(18) DMFC 不同甲醇進料方式比較

  20. 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。

  21. DMFC 性能分析(20) 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 “0.17 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。

  22. DMFC 性能分析(21) 膜電極組影響因子 觸媒載體 熱壓條件 擴散層結構 觸媒鍍層技術 觸媒粒度小 表面何電 催活性大 陰極漿塗 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 噴塗、漿塗 膜 電 極 性 能 影 響 因 子 移印 PVD Pt.Ru0.031 mg/cm2與Nafion XRD 與CVD條件相當 聚亞乙二吩 聚苯乙 PVD,IMP 多孔性,電子 導電性離子導電性 135 ℃ 優於80℃ 聚苯乙烯磺酸 SPPUTER 聚咯/聚苯乙烯 PTEF 0.155 W/cm2 厚度小利甲 醇分輸送與 電子導出子 鉑釕炭觸媒 Nafion 0.17 W/cm2 對甲醇容忍度 對抗向陰極竄 流提高電極性能 鉑釕黑觸媒 歐姆電阻小 黏結劑 觸媒層結構

  23. DMFC 性能分析(22) 擴散層結構對 DMFC 膜影響 CHART 陽極 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。 甲醇 觸媒層 水 擴散層 碳紙/碳布

  24. DMFC 性能分析(23) 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。

  25. DMFC 性能分析(24) 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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