[高瞻自然科學教育資源平台] 直接甲醇燃料電池 (DMFC-Direct methanol fuel cell)

國立臺灣師範大學化學系董騰元教授責任編輯

直接甲醇燃料電池 (DMFC, Direct methanol fuel cell) ，使用甲醇(CH3OH)作為燃料，是質子交換膜燃料電池 (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 的變革。儲存甲醇燃料比儲存氫燃料簡單多了，它不像儲存氫需要高壓、低溫。

DMFC的反應是甲醇藉由催化層的作用，在陽極生成二氧化碳和氫離子並釋放出電子，電子沿著外電路流動，供給電能給外部的負載，對其做功，氫離子(H+)則通過質子交換膜(通常是Nafin)遷移至陰極，與氧氣和通過外電路傳導過來的電子反應生成水；水在陽極被消耗掉，卻在陰極產生。

反應方程式如下：陽極半反應式 (Anode) : CH₃OH + H₂O →  CO₂ + 6 H⁺ + 6 e^–
陰極半反應式 (Cathode) : (3/2)O₂ + 6H⁺ + 6 e^– →  3 H₂O
全反應(Overall reaction): CH₃OH + (3/2)O₂ → CO₂ + 2H₂O

甲醇被觸媒吸附(通常是鉑)進行電催化反應，直至脫氫和生成二氧化碳，通常觸媒的設計上還會添加另一種金屬成分，以幫助甲醇的氧化。在甲醇的氧化步驟中，會產生一氧化碳(CO)，一氧化碳會緊緊的吸附在鉑觸媒上，導致鉑觸媒上可以進行電催化反應的表面積減少，故需加入另一種金屬成分，如：釕(Ru)，當作第二種觸媒，可以減少這個問題，因為根據在這個領域已建立的理論，第二種金屬觸媒，會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⁺ + e²，

便可以降低CO毒化鉑觸媒。

目前，陰、陽兩極所採用的電催化反應皆是鉑觸媒，而 DMFC 採用的質子交換膜均有一定的甲醇會滲透過膜，從陽極到陰極，在陰極產生電化學氧化並與氧反應形成短路，大幅降低電池的電壓。現在有一種新奇的聚合物電解質薄膜：layer-by-layer (LBL)，是由 Massachusetts Institute of Technology (MIT) 的科學家研發出來的，實驗結果顯示可以減少甲醇滲透的問題。

2005年11月，International Civil Aviation Organization’s (ICAO) 的Dangerous Goods Panel (DGP) 公告：乘客乘坐飛機時，如果需以燃料電池作為電腦或其他電子零件的電力來源時，乘客可以攜帶小型的燃料電池和甲醇燃料匣。2007年9月24日，美國的 Department of Transportation 也同樣提案，並於 2008年4月30日正式通過，允許飛機乘客和空服員攜帶一個核准的已裝入甲醇的燃料匣和兩個額外的備用匣。

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