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混合觸媒於直接甲醇式燃料電池陽極之性能 張崴縉1 Wei Chin Chang1 陳健綱2 Chien Kang Chen2 1南台科技大學機械工程系奈米科技研究所助理教授 2南台科技大學機械工程系奈米科技研究所研究生 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 1 大綱 研究動機 實驗架構 MEA製程簡介 結果與討論 結論 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 2 研究動機 研究結果顯示[1]並非觸媒粒徑越小催化活性 效果越佳，當觸媒粒徑約為3-4nm且附著於 碳載體上時，可獲得最佳DMFC電化學活性. [1] 李振彬,直接甲醇燃料電池中陽極觸媒層效能之改良, 國立成功 大學化學工程系,2005 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 3 實驗架構 將兩種不同觸媒Pt-Ru(粒徑:4nm)和Pt-Ru/C(粒 徑:3.5nm)混合製成DMFC陽極觸媒層時，對 DMFC性能的影響，並且與單獨使用Pt-Ru/C 時 之陽極觸媒層做比較。 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 4 MEA製程簡介1/3 質子交換膜前處理均使用傳統方法處理。 (採用DuPont Nafion 117) 陰陽兩電極使用之觸媒: 陽極: Pt-Ru/C(20Wt.%) or Pt-Ru(1:1)+Pt-Ru/C(20Wt.%) 陰極: Pt/C(20Wt.%) 觸媒漿料調製: 去離子水、異丙醇(分散劑)、 Nafion Solution 5% (質 導劑)分別震盪五分鐘後塗布於疏水碳布上。 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 5 MEA製程簡介2/3 熱壓製程: 熱壓溫度135℃、預壓375~500psi、熱壓壓力 1000psi(30秒) MEA活化: 1. 2. 3. 導入所需濃度之甲醇水溶液。 定電壓0.2V下負載1~2min後，卸除負載30~60sec。 重複第2步驟，直到相鄰兩次燃料電池之內阻值相差 在1m以下為止。 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 6 MEA製程簡介3/3 DMFC內阻值測定: 使用電化學分析儀，進行交流阻抗量測，將四線式電 極分別接於DMFC之陽極和陰極，於每一活化負載停止 後，量測內阻值。 以定電流模式量測。 單電池性能檢測參數: 本實驗將燃料電池本體溫度分別固定於30、40、50、 60℃、甲醇濃度1M、2M、甲醇流量6 c.c、氧氣壓力 7psi、氧氣背壓3.5psi、Nafion 117、陰極與陽極觸媒層 單位面積上的Pt Loading均相同。 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 7 結果與討論1/6 觸媒層厚度 當單位面積負載Pt的重量固定，Pt-Ru Black與PtRu/C混合而成的觸媒層相較下會比Pt-Ru/C觸媒層薄， 因此質子傳遞路徑縮短，產生的內阻也會降低，因此 歐姆極化所造成的可逆電位偏移也較小。 工作溫度對DMFC開迴路電壓之影響 工作溫度越高相對觸媒活性也提高，所產生的活性極 化較少，因此開迴路電壓亦會較高。 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 8 結果與討論2/6 甲醇濃度對DMFC開迴路電壓之影響 資料來源: 旗標科技有限公司,勝光科技股份有限公司,新能源時代之DMFC直接 甲醇燃料電池原理、應用與實作, 台北,2006 , P4-9 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 9 結果與討論3/6 圖1. 單一Pt-Ru/C觸媒與混合觸媒的開迴路電壓隨溫度變化之關係圖 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 10 結果與討論3/6 3Wt.%(0.56M) Methonal Solution 資料來源: C. Y. Chen, P. Yang, Performance of an air-breathing direct methanol fuel cell, Journal of Power Sources 123 (2003) 37-42 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 11 結果與討論4/6 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 12 結果與討論5/6 單電池之性能比較 單一Pt-Ru/C觸媒與混合觸媒於工作溫度60℃和1M 甲醇水溶液下之性能表現數據如下: 觸媒種類 最大電流密度 最大功率密度 單一觸媒 142 mA/cm2 25.2 mW/cm2 混合觸媒 250 mA/cm2 44.2 mW/cm2 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 13 結果與討論6/6 圖2. 單一Pt-Ru/C觸媒與混合觸媒於60℃和1M甲醇水溶液下之極化曲線 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 14 結論 本實驗利用單電池測試其性能，驗證於陽極 觸媒中使用Pt-Ru/C及Pt-Ru是否對DMFC性能 有所幫助，的確由實驗數據結果顯示，單一 觸媒最大電流密度約為142 mA/cm2，而混合 觸媒約為250 mA/cm 2 ，提升大約76%，單一 Pt-Ru/C觸媒與混合觸媒最大功率密度則分別 為25.2mW/cm2及44.2mW/cm2也提升了75%。 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 15 Thanks For Your Attention. 2016/7/13 南台科大 未來動系統實驗室 16