臺灣博碩士論文加值系統

摘 要
直接甲醇燃料電池中甲醇穿透會影響發電效率，雖然甲醇會與陰極端的氧氣氧化，但穿透的甲醇會造成過電位，降低燃料的利用率，影響發電效率。本研究以DMFC為研究對象，改變操作條件(電解質厚度、電池溫度、甲醇溶液濃度及自製MEA)，分析這些參數對DMFC甲醇穿透及效能之影響。固定薄膜厚度下，溫度增加會明顯提昇性能，低濃度之甲醇導致濃度極化提前發生降低電池性能；高濃度之甲醇雖能延遲濃度極化，高溫操作會造成甲醇穿透更趨嚴重而降低電池性能。甲醇穿透嚴重性可由開路電壓觀察得之，開路電壓值與甲醇穿透量成反比，研究發現開路電壓與電解質厚度及操作溫度成正比，與甲醇濃度成反比。雖電解質厚度增加雖能降低甲醇穿透，但電解質厚度的增加同時增加離子的傳遞距離和歐姆阻抗，使Nafion 117 (180μm)所組成的電池性能明顯低於Nafion 112(50μm)的電池。 關鍵字:直接甲醇燃料電池、過電位、甲醇穿透、濃度極化

ABSTRACT
Methanol crossover will largely affect the efficiency of power generation in direct methanol fuel cell. Although methanol will spontaneously oxidize at the cathode, it also causes serious overpotential and conversion loss in terms of lost fuel. In this study, by changing the operating condition (ex. membrane thickness, cell temperature, methanol solution concentration), we found how these parameters affect methanol crossover and power generation in direct methanol fuel cell. By fixing the membrane thickness, we found that the increasing temperature will obviously promoting the cell performance, and low methanol solution concentration will cause concentration polarization therefore resulting in lower cell performance. Although high methanol solution concentration will overcome the concentration polarization, serious methanol crossover will lower the cell performance at high operating temperature. From this study, we found that open circuit voltage will be in inverse proportion to methanol solution concentration and methanol crossover, and will be in proportion to membrane thickness and cell temperature. Although increasing membrane thickness will lower the degree of methanol crossover, it will also increases the distance for ion to transport. Therefore, the cell performance including Nafion 117 is lower than Nafion 112.
Keywords: direct methanol fuel cell (DMFC)，Overpotential，Crossover，concentration polarization

目 錄
中文摘要----------------------------------------------------------------------------i
英文摘要---------------------------------------------------------------------------ii致謝--------------------------------------------------------------------------------iii目錄--------------------------------------------------------------------------------iv
表目錄----------------------------------------------------------------------------vii圖目錄----------------------------------------------------------------------------viii
第一章 緒論---------------------------------------------------------------1
1- 1前言----------------------------------------------------------------------1
1-2燃料電池發展背景----------------------------------------------------2
1-3燃料電池種類----------------------------------------------------------3
1-4研究目的----------------------------------------------------------------6
1-5文獻探討----------------------------------------------------------------9
第二章 燃料電池介紹-----------------------------------------------------14
2-1 燃料電池發電原理-----------------------------------------------------14
2-2 高分子薄膜燃料電池反應機制--------------------------------------15
2-3直接甲醇燃料電池------------------------------------------------------16
2-4直接甲醇燃料電池之構造---------------------------------------------17
2-5影響直接甲醇燃料電池性能參數------------------------------------18
第三章 實驗設備與研究方法-------------------------------------------19
3-1實驗系統測試儀器------------------------------------------------------19
3-2測試電池------------------------------------------------------------------19
3-3實驗條件與方法---------------------------------------------------------20
3-3-1實驗條件-----------------------------------------------------------20
3-3-2實驗方法-----------------------------------------------------------21
第四章 結果討論------------------------------------------------------23
4-1溫度對電池效能之影響-----------------------------------------------23
4-2濃度對電池效能之影響-----------------------------------------------24
4-3電解質厚度對電池效能之影響--------------------------------------25
4-4電解質厚度、溫度極濃度對開路電壓及甲醇穿透之影響-----27
4-4-1溫度之影響--------------------------------------------------------27
4-4-2濃度之影響--------------------------------------------------------28
4-4-3電解質厚度之影響-----------------------------------------------28
第五章 薄膜電極組製備與分析---------------------------------------29
5-1 薄膜電極組( Membrane Electrode Assembly)結構--------------29
5-1-1電解質(質子交換膜)--------------------------------------------29
5-1-2 氣體擴散層(Diffusion layer)----------------------------------29
5-1-3電極(Electrode)--------------------------------------------------30
5-2薄膜電極組(MEA)備製----------------------------------------------30
5-2-1 實驗設備---------------------------------------------------------30
5-2-2 藥品及耗材------------------------------------------------------31
5-3 MEA製備流程---------------------------------------------------------31
5-3-1 電解質前處理----------------------------------------------------32
5-3-2 觸媒電極製作----------------------------------------------------32
5-3-3 MEA熱壓製程---------------------------------------------------32
5-4自製MEA測試----------------------------------------------------------33
第六章 結論與未來展望-----------------------------------------------34第七章 參考文獻------------------------------------------------------------36
表 目 錄
表1-1 各種燃料電池基本特性的比較表-----------------------------------38
表2-1傳統火力、核能發電與燃料電池發電過程之比較---------------39
表4-1直接甲醇燃料電池於不同操作參數下之發電效率---------------39
表4-2直接甲醇燃料電池於不同操作參數下之開路電壓--------------40
圖 目 錄
圖1-2 陽極觸媒Pt-Ru clusters之組成（左）及白金金屬上釕原子之覆蓋率（右）於0.4 V及60 OC之操作條件下之甲醇氧化能力關係圖。-----------------------------------------------------------------41
圖2-1 直接甲醇燃料電池反應示意圖------------------------------------41
圖3-1 蠕進幫浦--------------------------------------------------------------42
圖3-2 燃料電池測試系統--------------------------------------------------42
圖3-3 燃料電池測試系統(續)---------------------------------------------43
圖3-4 燃料電池測試系統(續)---------------------------------------------43
圖3-5 Electrochem 25 cm2之單電池(single cell)-----------------------44
圖3-6 直接甲醇燃料電池組合構造示意圖---------------------------44
圖3-7 實驗Electrochem 25 cm2單電池石墨流道圖------------------45
圖4-1 Nafion112，0.5M甲醇濃度2 cc/min、O2 150 cc/min，溫度50、60、70、80 ℃之溫度性能曲線變化圖----------------45
圖4-2 Nafion112，1M甲醇濃度2 cc/min、O2 150 cc/min，溫度50、60、70、80 ℃之溫度性能曲線變化圖----------------------46
圖4-3 Nafion112，2M甲醇濃度2 cc/min、O2 150 cc/min，溫度50、60、70、80 ℃之溫度性能曲線變化圖----------------------46
圖4-4 Nafion112，3M甲醇濃度2 cc/min、O2 150 cc/min，溫度50、60、70、80 ℃之溫度性能曲線變化圖------------------------------------47
圖4-5 Nafion112，溫度50℃，0.5、1、2、3M甲醇濃度2 cc/min、O2 150 cc/min之濃度性能曲線變化圖------------------------47
圖4-6 Nafion112，溫度60℃，0.5、1、2、3M甲醇濃度2 cc/min、O2 150 cc/min之濃度性能曲線變化圖------------------------48
圖4-7 Nafion112，溫度70℃，0.5、1、2、3M甲醇濃度2 cc/min，O2 150 cc/min之濃度性能曲線變化圖------------------------48
圖4-8 Nafion112，溫度80℃，0.5、1、2、3M甲醇濃度2 cc/min，O2 150 cc/min之濃度性能曲線變化圖------------------------49
圖4-9 Nafion112、117，溫度50℃，0.5M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖--------------------------49
圖4-10 Nafion112、117，溫度60℃，0.5M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖-----------------------------50
圖4-11 Nafion112、117，溫度70℃，0.5M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖----------------------------50
圖4-12 Nafion112、117，溫度80℃，0.5M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖-----------------------------51
圖4-13 Nafion112、117，溫度50℃，1M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖-----------------------------51
圖4-14 Nafion112、117，溫度60℃，1M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖----------------------------52
圖4-15 Nafion112、117，溫度70℃，1M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖-----------------------------52
圖4-16 Nafion112、117，溫度80℃，1M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖-----------------------------53
圖4-17 Nafion112、117，溫度50℃，2M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖-----------------------------53
圖4-18 Nafion112、117，溫度60℃，2M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖-----------------------------54
圖4-19 Nafion112、117，溫度70℃，2M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖-----------------------------54
圖4-20 Nafion112、117，溫度80℃，2M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖-----------------------------55
圖4-21 Nafion112、117，溫度50℃，3M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖-----------------------------55
圖4-22 Nafion112、117，溫度60℃，3M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖-----------------------------56
圖4-23 Nafion112、117，溫度70℃，3M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖----------------------------56
圖4-24 Nafion112、117，溫度80℃，3M甲醇濃度2cc/min，O2 150cc/min之電解質厚度性能曲線圖----------------------------57
圖4-25 Nafion112、117，0.5M甲醇濃度2cc/min，O2150cc/min溫度50、60、70、80℃之開路電壓對應曲線圖---------------------57
圖4-26 Nafion112、117，1M甲醇濃度2cc/min，O2150cc/min溫度50、60、70、80℃之開路電壓對應曲線圖---------------------58
圖4-27 Nafion112、117，2M甲醇濃度2cc/min，O2150cc/min溫度50、60、70、80℃之開路電壓對應曲線圖----------------------58
圖4-28 Nafion112、117，3M甲醇濃度2cc/min，O2150cc/min溫度50、60、70、80℃之開路電壓對應曲線圖---------------------59
圖4-29 Nafion112、117，甲醇濃度0.5、1、2、3M 2cc/min，O2 150cc/min溫度50℃之開路電壓對應曲線圖--------------------------------59
圖4-30 Nafion112、117，甲醇濃度0.5、1、2、3M 2cc/min，O2 150cc/min溫度60℃之開路電壓對應曲線圖--------------------------------60
圖4-29 Nafion112、117，甲醇濃度0.5、1、2、3M 2cc/min，O2 150cc/min溫度70℃之開路電壓對應曲線圖--------------------------------60
圖4-29 Nafion112、117，甲醇濃度0.5、1、2、3M 2cc/min，O2 150cc/min溫度80℃之開路電壓對應曲線圖--------------------------------61
圖5-1 MEA熱壓製程-------------------------------------------------------61
圖5-2 自製MEA與商購MEA性能比較圖-----------------------------62

第七章 參考文獻
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