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數位科技淺談

數位科技淺談. 燃料電池淺談 謝耀慶 東華大學電機系. Outline. 燃料電池發展歷史 燃料電池的運作原理 燃料電池的種類 燃料電池的應用 燃料電池的發展限制 燃料電池的未來發展方向 國內燃料電池產業的發展舉例. 燃料電池發展的背景. 依據 British Petrol 的統計，以現今石油消耗的速度，地球石油儲量頂多只能再用 40 至 50 年。 1997 年 12 月，工業先進國家於日本京都召開聯合國氣候變化綱要公約會議，協議 2008 年至 2012 年間，二氧化碳、甲烷等六種溫室氣體排放量要比 1990 年減少 5.2 ％。

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Presentation Transcript

  1. 數位科技淺談 燃料電池淺談 謝耀慶 東華大學電機系

  2. Outline • 燃料電池發展歷史 • 燃料電池的運作原理 • 燃料電池的種類 • 燃料電池的應用 • 燃料電池的發展限制 • 燃料電池的未來發展方向 • 國內燃料電池產業的發展舉例

  3. 燃料電池發展的背景 • 依據British Petrol的統計，以現今石油消耗的速度，地球石油儲量頂多只能再用40至50年。 • 1997年12月，工業先進國家於日本京都召開聯合國氣候變化綱要公約會議，協議2008年至2012年間，二氧化碳、甲烷等六種溫室氣體排放量要比1990年減少5.2％。 • 台灣目前國內約有1,000萬輛機車，每年機車產生33萬噸一氧化碳和9萬噸碳氫化合物，分別佔全國總排放量的12%及8%。 • 傳統電池機車的續航力不足(每次充滿電力約可行駛20公里)、充電時間需耗6-10小時，加上高達40公斤以上的電池組，仍難以被消費大眾接受。 • 在國內機車既有的基礎上，全力推動燃料電池機車的發展。 • 能源來源分散一直是我國相當重要的能源政策，目前小型分散式電力是世界各國致力推展的技術

  4. Power limitation

  5. 全球能源使用變遷

  6. 燃料電池的發展史 • 1839年格羅夫發表有關燃料電池的研究，他用鉑作電極，氫為燃料，氧為氧化劑來產生電 • 1960年，美國GE研發的質子交換膜燃料電池用於雙子星太空船，是燃料電池商業化之始 • 1967年，美國開始民用目標的研究，開發磷酸型燃料電池 • 1981年，日本的月光計劃，展開五類燃料電池的研究(鹼性、磷酸型、熔融碳酸鹽型、固體電解質型、固體高分子型) • 1969年，中國科學院開始進行石棉膜型氫氧氟燃料電池研製；1978年完成太空用石棉膜型氫氧燃料電池

  7. 最古老的燃料電池

  8. 燃料電池 • 工作原理：燃料(氫氣)及助燃劑(氧氣)之化學能透過高分子質子交換薄膜直接轉換為電能 • 優點： • 低污染(僅排放水和廢熱) • 高效率(可達50%) • 可彈性搭配不同輸出容量 • 不必充電(只需燃料) • 可使用各類不同燃料

  9. 燃料電池發電與傳統熱機的發電過程比較

  10. 燃料電池的優點 • 低污染──燃料電池比一般傳統火力發電方式更清潔，沒有二氧化碳及含硫的問題，更沒有核能發電核廢料的問題。若用氫氣與空氣作為燃料與氧化劑，其副產物只有水和熱。 • 高效率──因為燃料電池直接將燃料中的化學能轉換成電能，和一般傳統的發電方式不同，故不受卡諾循環的限制，理論上能量轉換效率可達80％。 • 無噪音── 燃料電池發電本體在發電時，不需其它移動機件的配合，因此沒有噪音問題。 • 用途多── 燃料電池所能提供的電力範圍相當廣泛，小至手機大至百萬瓦發電廠，都在其適用範圍內。 • 免充電── 一般電池是將能量貯於電池本體中，用完後即捨棄，或充電後再重複使用。燃料電池是由燃料中的化學能提供能源，它並不含在電池本體結構中，因此只要持續不斷地供給燃料，燃料電池便可以不停地發電。 • 燃料來源極廣──只要含有氫原子的石化能源如石油、天然氣、煤炭、沼氣、酒精與甲醇等，通過一個轉換器，都可作為燃料電池的能源進料。目前更有利用高壓鋼瓶或金屬氫化物等儲氫材料製成的儲氫卡匣，成為燃料電池電力組，可取代一般的蓄電池。

  11. 燃料電池的運作

  12. 燃料電池的化學原理 • 在整個燃料電池的組成上，對於催化電極材料，及電解質膜的選擇有決定性的影響 • 以直接甲醇型燃料電池的反應為例： • 陽極反應：由白金等貴金屬做成的電化學觸媒所構成之反應。 • 陰極反應：亦是由白金等貴金屬做成的電化學觸媒所構成之反應。 • 總反應：即此一個直接甲醇型燃料電池其內部陰陽極氧化還原反應，所產生的整體反應。

  13. 燃料電池發電

  14. 燃料電池系統的組成 • 電池堆(Fuel Cell Stack) • 燃料處理(Fuel Processing) • 電能轉換模組(Electric Power Conversion) • 週邊設備(Balance Of Plant) • http://www.nfcrc.uci.edu/fcresources/FCexplained/FC_animation.htm Source: National Fuel Cell Research Center, UC Irvine

  15. 燃料電池組和電廠概況 • 1996年美國加州Santa Clara示範燃料電池發電廠建成，可提供2MW的交流電 • 使用天然氣為燃料 • 系統效率達到44% • 廠內有16個燃料電池組，每組可提供約100kW的直流電

  16. 燃料電池的種類

  17. 燃料電池的特性

  18. 燃料電池的特性

  19. 燃料電池的應用範圍

  20. 磷酸燃料電池 (Phosphoric Acid, PAFC) • 磷酸燃料電池已商品化 • 應用於醫院、旅館、辦公室、學校、廢棄物處理 • 發電效率高於 40%，將近 85% 產生的蒸氣可用於共生發電 – 相較於在美國的公用電力系統的約35% • 使用液態磷酸做為燃料，操作溫度為 450°F • 磷酸燃料電池不需使用純氫做為燃料，可以容許 1.5 %的CO濃度 UTC 200kW PAFC Power Plant

  21. 質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane, PEMFC) • 質子交換膜燃料電池的操作溫度相對較低 (約175°F) • 功率密度高，對負載變化的反應速度快 • 由於其起動較快，適合車輛的應用 • 美國能源部(DOE)認為此型燃料電池為電動車輛電源，且有機會取代某些可充電電池 • 對燃料純度的要求較高 • 輸出功率範圍可由50W至數百 kW Ballard 250kW PEMFC Power Plant

  22. PEMFC的構造

  23. 熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate, MCFC) • 熔融碳酸鹽燃料電池使用熔融碳酸鹽作為電解液 • 需操作在高溫下，約1,200ºF • 可用的燃料包括氫、一氧化碳、天然氣、丙烷、沼氣等 • 輸出功率約10 kW至數個 MW • 適用於分散式發電廠等應用 FuelCell Energy 2MW Molten Carbonate power Plant

  24. 固態氧化物燃料電池(Solid Oxide, SOFC) • 固態氧化物燃料電池使用固態非多孔性陶瓷混合物作為電解質 • 操作溫度極高，約 1800°F • SOFC 適合定置型的發電用途 Siemens Tubular Solid Oxide Power Plant

  25. 鹼性燃料電池 (Alkaline, AFC) • 最早被美國NASA在太空任務所使用的燃料電池，發電效率可達70% • 在阿波羅太空船中做為電力及飲用水的來源 • 使用氫氧化鉀做為電解質，操作於 160°F • 對於碳污染極為敏感，因此需使用高純度的氫及氧做為燃料

  26. 直接甲醇燃料電池(Direct Methanol, DMFC) • 與 PEMFC類似，使用高分子薄膜做為電解質；但是DMFC的陽極觸媒能自液態甲醇中自行吸收所需的氫氣，而不需要燃料改質器(fuel reformer) • 效率可望達到 40%，操作於120-190°F • 適合應用在微型或中小型的應用，如行動電話、筆記型電腦等 • 若操作溫度提高，則效率可望再提升 FuelCell Energy 250kW FC Power Plant

  27. 直接甲醇燃料電池與二次電池的比較 Source : DOE fuel cell portable power workshop - Motorola lab

  28. 各種燃料電池的反應方程式 • 磷酸燃料電池（PAFC） • 陽極( anode ) ：H2 → 2H+＋2e- • 陰極( cathode ) ：O2＋4H+＋4e- → 2H2O • 熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC） • 陽極( anode ) ：H2＋CO3 2- → H2O＋CO2＋2e- • 陰極( cathode ) ：O2＋2CO2＋4e-→ 2CO3 2- • 固態氧化物燃料電池（SOFC） • 陽極( anode ) ：H2＋O 2- → H2O＋2e- • 陰極( cathode ) ：O2 ＋4e-→ 2O 2- • 鹼性燃料電池（AFC） • 陽極( anode ) ：H2＋2OH- → 2H2O＋2e- • 陰極( cathode )：O2＋2H2O＋4e- → 4 OH-

  29. 各種燃料電池的燃料處理程度

  30. 鋅空氣燃料電池(Zinc-Air, ZAFC) • ZAFC是金屬氧化物的燃料電池，使用氣態氧和鋅粒做為燃料，在鹼性電解質中產生電力，其副產物是鋅酸鉀 • ZAFC中有氣體擴散電極(gas diffusion electrode, GDE)和鋅陽極。GDE是可供氣態氧通過的可滲透膜 • 在氧被轉換成氫氧根離子之後，氫氧根離子經由電解液擴散至鋅陽極，與鋅反應形成氧化鋅，並產生電動勢

  31. 鋅空氣燃料電池 • ZAFC 模組包含一個橫臥的送料斗鋅燃料槽並以導管連接至電解槽，電解液流經電解槽將產生的廢熱及副產物帶離 • 當燃料使用完 ，該系統可連接至外部電源，發生發電的逆反應(類似充電) ，產生純鋅燃料粒，充電反應所需時間不長(約數十分鐘) • 其電化學反應非常類似PEMFC，但燃料補充方式不同，反而較接近二次電池 

  32. 鋅空氣燃料電池的應用 • ZAFC的能量密度很高，而且鋅的蘊藏量多，價格便宜 • ZAFC在電動車輛、 消費性電子產品(如UPS)、甚至軍事用途有相當大的發展潛力 Power Air's 6th generation zinc air fuel cell (Source: http://www.poweraircorp.com)

  33. 燃料電池的應用 • 定置型方面 (分散式發電系統) • 軍事基地、機場、醫院、資訊中心、甚至發電廠等重要場所的備援電力 • 民生設施 • 家庭、自動販賣機、吸塵器甚至公路號誌燈的電力來源 • 消費性電子 • 行動電話、筆記型電腦及其他可攜式電子產品 • 交通運輸方面 • 各大車廠均致力於發展燃料電池車輛，包括大型公車、機車、自行車 • 其他如火車、船舶甚至飛機等 • 環保工程 • 廢水處理廠及垃圾掩埋場可以使用燃料電池將所產生的沼氣(甲烷)來發電

  34. 定置型應用 • 全世界超過 2500 座燃料電池發電系統已經在運作中，主要分佈在美國、 德國、 日本等國，中國廣州也有一座200kW PAFC，隸屬於Toshiba公司 FuelCell Energy 2MW Molton Carbonate fuel cell plant

  35. 民生設施 • 燃料電池適合做為分散式發電系統，可以獨立發電或是併聯至電力系統做為主要電力或是備援電力來源 • 由於安靜、無污染副產物且產生的廢熱可作為家庭熱水及暖氣的來源，極適合做為家庭住宅使用

  36. 消費性電子 • 微型燃料電池可用以取代現今在可攜式電子產品上的電池，大幅延長使用時間 • 可用於諸如行動電話、筆電、 PDA、DV、防盜器甚至是助聽器…等的電源 • 多半使用甲醇或酒精做為燃料

  37. 消費性電子

  38. 可攜式電源 • 提供可移動式戶外活動所需的電源

  39. 燃料電池電動車

  40. 燃料電池電動車

  41. 交通運輸 Chrysler的燃料電池車模型

  42. 交通運輸

  43. 交通運輸

  44. 交通運輸

  45. 交通運輸

  46. 交通運輸 Source: http://www.fuelcells.org

  47. 廢水/垃圾掩埋 • 利用沼氣發電，同時減少廢氣及廢水排放量 UTC 200W Japan power plant running on waste gas

  48. 燃料電池與生質能

  49. 燃料電池在運輸工具上的應用 • 已接近商品化的階段 • 1998年時已將燃料電池用於大客車 • 馬力：205kW • 最大行程：400km • 容量：60人 • 優點是低噪音、零污染

  50. 燃料電池車輛的發展目標 • 日本經濟產業省原來預估2010年底，燃料電池電動車可以達到5萬台，2020年達到500萬台的目標，目前看來似乎有些過熱，各個車廠開始以較務實的態度對應這件事情。 • Toyota原定2003年燃料電池電動車商品化，且希望將價格訂在日幣1000萬元以下才具產品競爭力，惟短期的一至二年，燃料電池價格不易降至數百萬日元內，

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