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淺談直接液體燃料電池

2021-04-15

徐金城 教授

國立高雄科技大學機械工程系


燃料電池是一種發電裝置,相較於傳統的火力發電過程,燃料電池既未因燃燒過程排放污染物,且將燃料及氧化劑所儲存的化學能直接轉換成電能,故使用燃料電池可在相對潔淨的過程中高效率的獲得電力。舉目前有機會成功作為電動車動力來源的質子交換膜燃料電池(PEMFCs)為例,其燃料為氫氣、氧化劑為空氣中的氧氣,陽極及陰極觸媒通常都是貴金屬鉑,藉由觸媒使氫氣、氧氣的氧化、還原反應在常溫下發生,再將氫氣氧化所產生的電子經由外部電路導至陰極,而氫離子(質子)經由質子交換膜輸送至陰極觸媒表面參與陰極的還原反應,因此質子交換膜燃料電池的兩個電極必須藉由質子交換膜分隔,如圖1所示,已廣泛應用的質子交換膜為杜邦所生產的Nafion®膜。

圖1 質子交換膜燃料電池結構示意圖。

雖然以氫氣作為燃料的PEMFCs已成功作為Toyota的Mirai、Hyundai的Nexo、Honda的Clarity的動力來源,然而氫氣作為燃料也存在許多尚待克服的問題,例如:以氫燃料電池為動力來源的電動車該如何安全及大量的儲存氫氣於車輛內?是否容易找到氫氣補充站?目前98%的氫氣產生係由甲烷氫氣重組獲得,此過程產生二氧化碳,該如何大規模且潔淨的產生氫氣?如何將氫氣輸送至補充站等問題。這些問題牽涉整個國家的基礎建設的提升。

有鑑於氫燃料電池的上述問題,另有一種常溫的燃料電池直接以液態燃料作為燃料,常稱為直接液體燃料電池(Direct Liquid Fuel Cells, DLFCs),電池架構與圖1相似,不同處為以液態燃料取代氫氣,甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、甘油、甲酸或甲酸鹽類等水溶液皆可作為液態燃料,因使用液態燃料,使其具有高能量密度(氫燃料電池以氣體儲存的能量密度約為180 Wh/L、鋰離子電池為680 Wh/L、直接甲醇燃料電池為4820 Wh/L)、易儲存及運輸、補充便利等優勢,因此直接液體燃料電池有潛力作為現代可攜式電子設備的電力來源(< 25 W)。

然而,目前直接液體燃料電池尚面臨幾個挑戰需要克服,其一是觸媒通常為貴金屬且高觸媒負載量以促進電化學反應,如目前直接甲醇燃料電池(DMFCs)的最佳陽極觸媒為Pt-Ru,並以Pt為陰極觸媒,為達到較佳的功率密度,高觸媒負載量造成可觀的成本,如對於直接甲醇燃料電池(DMFCs),研究結果[1]顯示當陽極及陰極的觸媒負載量皆為8 mg/cm2,被動式DMFC的最高功率密度為23 mW/cm2。與鋰離子電池相比,鋰離子電池的成本具有競爭力。

另一個挑戰是,相較於氫燃料電池而言,液體燃料較易大量穿越電解質膜抵達陰極,此種燃料穿越(fuel crossover)一部分由陽極和陰極之間的燃料濃度差異驅動燃料分子以擴散方式通過電解質膜,另外還會因為質子由陽極通過膜的遷移夾帶燃料分子穿越電解質膜,一旦燃料穿越電解質膜,會使燃料利用率降低、燃料電池電位降低等,導致燃料電池性能下降。一般而言,過低的燃料濃度使陽極發生質傳限制,但提高燃料濃度又會增加燃料穿越率,兩種條件皆會降低燃料電池性能,需要調整適當的操作條件。

若將直接液體燃料電池操作於鹼性條件,以上兩個挑戰皆可獲得改善,因鹼性燃料電池使陰極的氧氣還原活性高,故可應用非鉑的貴重金屬為陰極觸媒,如鐵、鈷、鎳等,可降低燃料電池成本。另一方面,因為電化學反應中所傳輸的氫氧根離子由陰極移動至陽極,沒有酸性燃料電池因質子由陽極傳輸至陰極過程中夾帶燃料所導致的燃料穿越問題,而降低燃料穿越對於電池性能的負面影響。

一般而言,鹼性燃料電池可藉由添加鹼液如氫氧化鉀於液態燃料中達成,但因Nafion®膜係傳導質子,故電解質必須使用陰離子交換膜(anion exchange membreane, AEM)或鹼性液態電解質,陰離子交換膜正在積極研發中,而使用鹼性液態電解質的直接液體燃料電池架構如圖二所示,藉由流動的液態電解質通過兩電極間,可大幅降低燃料穿越,缺點為圖2的燃料電池的發電過程中必須以幫浦持續供應兩股流體分別經由設計的流路進入燃料電池,電池系統變得較為複雜,以及氫氧化鉀與空氣的二氧化碳產生碳酸鹽結晶而阻塞電極及觸媒孔洞。既然鹼性燃料電池有機會應用非鉑的觸媒,只要能針對液態燃料開發適當的陰極觸媒,使陰極觸媒對於燃料的氧化反應具有低活性,但對於氧氣還原反應具有高活性,則可將摻有鹼性電解質的燃料流體直接供應於兩電極間[2],同時作為燃料及液態電解質,使鹼性燃料電池發電過程僅需供應一股液體,如圖3所示,可大幅簡化鹼性燃料電池系統的結構。

圖2 液態電解質直接液體燃料電池示意圖。

圖3 單流體直接液體燃料電池示意圖 。

直接液體燃料電池可為酸性或鹼性燃料電池,目前各有優劣,對於酸性DLFCs,若能降低觸媒用量及成本,以及改善燃料穿越問題,而對於鹼性DLFC,若能發展性能良好的陰離子交換膜、改善碳酸鹽的影響,直接液體燃料電池非常有希望能成功應用。

[1] Ahmad MM, Kamarudin SK, Daud WRW, Yaakub Z. High power passive mDMFC with low catalyst loading for small power generation. Energy Convers Manag 2010; 51:821-825.

[2] Yu X, Pascual EJ, Wauson JC, Manthiram A. A membraneless alkaline direct liquid fuel cell (DLFC) platform developed with a catalyst-selective strategy. J Power Sources 2016; 331: 340-347.