直接甲醇燃料電池

直接甲醇燃料電池(DMFC)
國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

一、目的：學習直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell，DMFC)之製作原理及性能測定(1)。
二、實驗技能：學習電解、電鍍、電化電池、組裝甲醇燃料電池及使用電源供應器與三用電表。
三、原理：
（一）電化電池
電化電池是利用能夠自然發生的氧化還原反應，經電化電池的裝置將化學能轉變為電能。以鋅銅電化電池為例（圖1），陽極為鋅片，進行氧化反應產生鋅離子與電子（式1），電子經外電路的導線傳遞到陰極之銅片，陰極半電池中之銅離子於銅片上接受電子進行還原反應（式2），總反應方程式如式3所示。陽極與陰極兩半電池間以含有電解質的鹽橋連接，藉由鹽橋中所含帶電荷離子的移動，形成完整的電路。鋅銅電化電池在25^oC，[Zn²⁺]、[Cu²⁺]濃度均為1 M的標準狀態下，量測到電池的電位(E^o_cell)為1.10 V。

圖1 鋅銅電化電池示意圖
陽極半反應 Zn → Zn²⁺ + 2 e^– E^o_ox = +0.76 V (1)

陰極半反應 Cu²⁺ + 2 e^– → Cu E^o_red = +0.34 V (2)

總電池反應 Zn_(s) + Cu²⁺_(aq) → Zn²⁺_(aq) + Cu_(s) E^o_cell = +1.10 V (3)

（二）燃料電池
燃料電池的設計原理與鋅銅電化電池相似，也是利用可以自然發生的氧化還原反應之化學能轉換為電能。燃料電池的燃料在陽極產生氧化反應，陰極則是氧氣進行還原反應，只要燃料源源不絕，燃料電池就可以持續放電(2)。由於燃料電池具有無噪音、低污染、高效率、燃料更換容易及燃料可來自再生資源等優點，可應用於發電、汽車到個人電子產品等領域，而益顯重要。

最早提出之氫氣/氧氣燃料電池系統，陽極進行氫氣氧化（式4），產生的電子經外電路傳遞給陰極之氧氣，氧氣經還原反應獲得電子形成氧離子，陽極所產生的質子經質子交換膜傳遞到陰極與氧離子生成水（式5），總反應式如（式6），反應裝置如（圖2）所示。由於氫氣的儲存不易，因此針對攜帶式的電池目前發展以液體甲醇為燃料，透過陽極催化氧化反應將化學能轉成電能。

圖2 氫燃料電池示意圖

陽極半反應 H₂ → 2 H⁺ + 2 e^– E^o_ox = 0.00 V (4)

陰極半反應 1/2 O₂ + 2 H⁺ + 2 e^– → H₂O E^o_red = +1.23 V (5)

總電池反應 H_2(g) + 1/2 O_2(g) → H₂O_(l) E^o_cell = +1.23 V (6)

（三）直接甲醇燃料電池
直接甲醇燃料電池是將甲醇燃料注入陽極酸性溶液中，在觸媒催化下氧化產生二氧化碳與氫離子（式7），氫離子移動至陰極，與氧氣在陰極被還原成的氧離子生成水（式8），總反應方程式如（式9）。
陽極半反應： CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^– E°_ox = -0.02 V (7)

陰極半反應： O₂ + 4H⁺ + 4e^– → 2H₂O E°_red = 1.23 V (8)

總電池反應： CH₃OH_(l) + 3/2 O_2(g) → CO_2(g) + H₂O_(l) E^o_cell = 1.21 V (9)

標準狀態下，DMFC的電動勢(electromotive force, emf)為1.21 V，但由於甲醇可能氧化不完全而產生甲醛或甲酸，因此所得到的電動勢較理論值為低。本實驗以鉑（Pt）為觸媒，稀硫酸水溶液為電解質，甲醇為陽極之燃料，溶解於溶液中的氧氣於陰極進行還原反應，設計裝置一組直接甲醇燃料電池，探究並測試影響其效能的因素。

四、藥品：1 M硫酸(sulfuric acid, H₂SO₄₎、甲醇(methanol, CH₃OH)、六水合六氯鉑(IV)酸(hydrogen hexachloroplatinate(IV) hexahydrate, H₂PtCl₆∙6H₂O)。
氯鉑酸電解液：1 g之H₂PtCl₆∙6H₂O溶於250 mL之1 M鹽酸。

五、儀器與材料：電源供應器及鱷魚夾連接線（2條）、三用電表、石墨棒（乾電池）、鎳鉻線（20~25 cm，2條）、廢電線一卷、針筒（10 mL， 2支）、矽膠管（5 cm）、燒杯（30 mL，2個）、塑膠滴管（2支）、LED燈、小廣用夾（2支）、計時器、免洗筷、濾紙、標籤紙。

六、實驗步驟：
注意：操作化學實驗應穿實驗衣、戴安全眼鏡及乳膠手套，以避免觸及藥品。
（一）製備鉑電極
1. 製作2支螺旋狀Ni-Cr電極
取2條約20 cm的Ni-Cr線，一端保留6~10 cm長度做為連接電路之用，剩餘部分以免洗筷為軸，繞成內徑約4 mm的螺旋狀電極。
2. 電清潔螺旋電極
以30 mL燒杯裝取約25 mL之1 M硫酸溶液作為電解液。先檢查並確定電源供應器的所有調控鈕均為歸零狀態並關閉電源，再以鱷魚夾電線連接電源供應器的正極（紅端）與螺旋電極；電源供應器的負極（黑端）連接石墨電極棒，將兩者浸泡於1 M硫酸溶液中（注意，兩極需隔開勿碰觸）。打開電源供應器開關，調整電壓調控鈕(VOLTAGE)及電流調控鈕(CURRENT)，至電流強度約200 mA(0.2 A)，通電10秒鐘，通電結束後，關閉電源並以蒸餾水清潔電極。
3. 電沉積鉑觸媒
取約20 mL之六氯鉑(IV)酸溶液於30 mL燒杯中，將清潔好的螺旋電極懸掛於杯內並連接到電源供應器的負極（黑端）；石墨電極棒置於燒杯內的另一側（燒杯內電解液可用濾紙隔開，以避免兩電極碰觸）並連接電源供應器的正極（紅端）。開啟電源供應器，以約20 mA(0.02 A)電流強度，通電30分鐘以鍍鉑。通電結束後，取出電極，浸泡於1 M硫酸溶液約30秒以清潔電極。再以清水沖洗電極後，將電極儲存於裝有乾淨蒸餾水的燒杯中，要注意避免刮損電極。

（二）組裝燃料電池
4. 組裝電池
參照（圖3），將2支10 mL塑膠針筒，以小廣用夾固定於鐵架上，底端以矽膠管連接。自其中一支慢慢加入12~15 mL的1 M硫酸溶液（注意，應避免產生氣泡），再將2支鍍鉑電極置於針筒內的溶液中，兩電極頂端以鱷魚夾電線分別與三用電表的正負極相連。
5. 燃料電池測試
測量組裝完成但尚未加入甲醇燃料之電池電流（組裝完成的電池會有一微小的電位差，因此會測得極小的電流）。再於連接電表負極（黑端）的針筒中，滴加入約10滴(0.2 mL)甲醇，觀測電流的輸出（會立刻產生約0.5 mA左右的電流輸出）；而後數值逐漸下降直到穩定，此時若於連接電表正極（紅端）的針筒溶液中，以塑膠滴管注入空氣，電流會再度產生，表示溶液中的氧氣被消耗完，需要再次補充。

6. 燃料電池之應用
串聯數組燃料電池，連接LED燈或鬧鐘等，觀察其供電驅動情形。
註：LED燈之長腳連接電源正極、短腳連接電源之負極。

（四）實驗結束後回收處理
7. 實驗結束後，應將鍍鉑電極浸泡於乾淨的蒸餾水中收存。
8. 未污染之六氯鉑(IV)酸電解液倒入指定回收瓶中，供下次再使用。有污染的溶液則倒入重金屬廢液回收桶。
9. 三用電表及電源供應器之調控鈕歸零並關閉開關，整理鱷魚夾連接線。

圖3 直接甲醇燃料電池裝置及操作流程

七、參考資料：
1. Zerbinati, O. J. Chem. Educ., 2002, 79, 829-931.
2. 薛康琳，化學，2004，62，149-156。
3. 盧敏彥，化學，2004，62，139-148。
4. 方金祥、游苑平，化學，2004，62，547-554。

八、物質安全資料：
1. 硫酸：濃硫酸(18 M)具腐蝕脫水性；時常接觸稀硫酸易造成皮膚炎。
2. 甲醇：可燃、有毒液體，誤食、吸入或經皮膚吸收可導致中毒。
3. 六氯鉑酸：刺激眼睛與皮膚，應戴手套並避免誤食。

九、附記：
1. 實驗試做：馬艾傑、魏聖軒。
2. 文、圖：佘瑞琳。
3. 相片：馬艾傑。
4. 校訂審閱：鄭淑芬、蔡蘊明。

姓名 _______________組別 _______________日期 _______________
直接甲醇燃料電池

一、實驗數據與結果紀錄：
項目 正極（紅） 負極（黑） 時間 電流強度
電清潔螺旋電極
電沉積鉑觸媒
燃料電池

二、觀察紀錄：

三、問題與討論：
1. 為什麼需在鎳鉻線電極上鍍鉑？是否可使用純鉑電極？是否可使用石墨電極取代？
2. 本實驗為組裝直接甲醇燃料電池，是否可發展直接乙醇燃料電池？預期效能如何？
3. 依據陽極甲醇氧化半反應，你是否觀察到陽極有氣體產生？