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能源科技之明日之星
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能源科技之明日之星

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  • 1. 能源科技之明日之星 - 燃料電池 江滄柳 國立成功大學 航空太空工程研究所
  • 2. 燃料電池之起源
    • Gas Voltaic Battery
    • by William R. Grove
    • in 1839
  • 3. 燃料電池之工作原理
  • 4. 燃料電池在航太領域之應用
    • Power Source in
    • NSAS Gemini Space Mission (Polymer electrolyte, 1962)
    • NASA Apollo Space Mission (Alkaline electrolyte, 1965)
    • NASA Space Shuttle (Alkaline electrolyte, 1982-present)
  • 5. 第一輛以燃料電池為動力之電動車 (NECAR1) Ballard Power System Co. 於 1993 年推出 續航力: 130 km ,極速可達 100 km/h
  • 6. 燃料電池發電具有高效率之特點 黃鎮江 (2005) 傳統熱機發電:化學能 ( 燃燒 )  熱能  機械能  電能 燃料電池發電:化學能 ( 電化學反應 )  電能
  • 7. 符合能源多元化及低污染之原則
    • 只要含有氫原子的物質都可以作為燃料
    • 例如:氫氣、天然氣、煤炭氣化氣、酒 精及甲醇等。
    • 若使用氫氣與氧氣,其產物為水,幾乎是零污染。
  • 8. 燃料電池應用於 3C 產品比傳統電池更具優勢
    • 能量密度高
    • ( 鋰電池的 10 倍 )
    • 使用時間長
    • ( 鋰電池的 5 倍 )
  • 9. 燃料電池是 電池 或 發電機 ?
  • 10. 燃料電池依電解質種類區分
    • 低溫型 (60-220 o C)
    • 鹼性燃料電池( AFC )
    • 磷酸燃料電池( PAFC )
    • 質子交換膜燃料電池( PEMFC )
    • 直接甲醇燃料電池( DMFC )
    • 高溫型 (600-1000 o C)
    • 熔融碳酸鹽燃料電池( MCFC )
    • 固態氧化物燃料電池( SOFC )
  • 11. 鹼性燃料電池 (AFC)
    • 採用氫氧化鉀或氫氧化鈉溶液為電解質,導電離子為 OH¯ 。
    • 主要應用於太空飛行中,如太空梭動力源。
    • 反應對氫與氧中之二氧化碳雜質很敏感,因此,大部分研發工作已停止。
    黃鎮江 (2005)
  • 12. 磷酸燃料電池 (PAFC)
    • 採用高濃度磷酸液為電解質,導電離子為 H  。
    • 燃料氣體必須純化,以避免鉑觸媒被一氧化碳毒化。
    • 暖機時間長,啟動慢,不適合當交通工具之動力源。
    黃鎮江 (2005)
  • 13. 磷酸燃料電池屬於高度成熟技術並 已商業化
    • Five PAFC fuel cells
    • Generating 1 MW electric power
    Anchorage, Alaska
  • 14. 台灣電力公司設在樹林綜合電力研究所之 PAFC 示範發電廠
  • 15. 質子交換膜燃料電池 (PEMFC)
    • 採用濕潤之高分子質子交換膜為電解質,導電離子為 H  。
    • 陰極和陽極皆以鉑為主要觸媒。
    • 燃料氣體必須純化,以避免鉑觸媒被一氧化碳毒化。
    黃鎮江 (2005)
  • 16. PEMFC 之應用廣泛但成本高
    • PEMFC 不僅可應用在外太空,亦可應用在陸地車輛和潛艇動力。
    • 將 PEMFC 微型化,亦可應用於可攜式電子品。
    • 高分子質子交換膜及 鉑觸媒成本高。
    Fuel-Cell Powered Transit Buses in Chicago
  • 17.   HONDA FCX-V4 是美國 EPA 通過認證的第一輛燃料電池車 (PEMFC) 續航力: 315 km 極速: 140 km/h
  • 18. 傳統汽車引擎 燃料電池汽車引擎
  • 19. The First Fuel Cell - Powered Auto to Cross the U.S. : NECAR5 利用甲醇重組製氫續航力: 480 km 極速為 150 km/h
  • 20. 德國的 212A 級潛艇是第一艘使用 燃料電池動力的潛艇
  • 21. 德國 212A 級潛艇 - 結合燃料電池與柴油發電機之混合推進系統
  • 22. PEMFC 已應用在微型飛機上
    • Hornet MAV 由
    • AeroVironment Inc. 設計。
    • 第一架完全由 PEMFC 提供動力之 UAV ( 無人飛行載具 ) 。
    • 結構資料
    • 翼展 : 38cm
    • 總重量 : 170g
    • 功率輸出 : 10W
  • 23. 直接甲醇燃料電池 ( DMFC )
    • 屬於質子交換膜燃料電池中之一類,只是直接使用液態甲醇為燃料。
    • 主要應用於電子產品如手提電腦、行動電話及數位相機等 3C 產品。
    • 尚待克服之問題包括:甲醇滲透、效率低及水的處理。
    黃鎮江 (2005)
  • 24. DMFC 已應用於多種 3C 產品 Fijitsu Laptop Hitachi PDA Toshiba Laptop NEC Laptop Samsung Laptop
  • 25. 熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC)
    • 採用熔融態之碳酸鋰及碳酸鉀或碳酸鈉為電解質,導電離子為 CO 3 2- 。
    • 操作溫度為 650 o C 。
    • 以鎳基合金和氧化鎳當作觸媒,成本較低。
    • 除了氫氣外,也可使用天然氣及煤氣等碳氫化合物為燃料。
    黃鎮江 (2005)
  • 26. 德國 MTU MCFC 已經屬於成熟技術 研製廠商集中於美、日和西歐等國 美國 FuelCell Energy 日本 IHI
  • 27. 固態氧化物燃料電池 (SOFC)
    • 電解質是固態 YSZ ( 摻入三氧化二釔之氧化鋯 ) , 導電離子為 O 2- 。
    • 工作溫度在攝氏 800-1000 度間,電池材料要求較高。
    • 除了氫氣外,也可使用天然氣及煤氣等碳氫化合物為燃料。
    黃鎮江 (2005)
  • 28. SOFC 可分管式及平板式兩種 黃鎮江 (2005)
  • 29. 管式 SOFC
    • 每個圓管都是單一電池,而燃料電池堆則是由許多圓管串聯或並聯形式組成
    • 製作技術比較複雜
    • 有較好的密封效果
  • 30. 平板式 SOFC
    • 製作相對管式 SOFC 比較簡單
    • 高溫密封技術較為困難
  • 31. SOFC-GT Hybrid System 之效率高 黃鎮江 (2005)
  • 32. SOFC-GT System
  • 33. SOFC-GT System 之優點
    • 可藉由 GT 系統將高壓氣體送入 SOFC ,提高燃料電池效率。
    • Turbine 出口高溫可作為燃料與空氣預熱或回熱之用,增加效率。
    • 以天然氣為燃料,效率高,而且結構簡單維修容易。
  • 34. NFCRC 在 UC Irvin 校區之 SOFC/GT 發電站
    • 以天然氣為燃料
    • 通過 1000 小時測試
    • 發電效率可達 53%
  • 35.  
  • 36.     低溫燃料電池 ( 60—120℃ ) 中溫燃料電池 (160—220℃) 高溫燃科電池 (600—1000℃) 類型 AFC PEMFC DEMFC PAFC MCFC SOFC 應用 太空飛行、國防 汽車、潛水艇、攜帶式電子設備、住家電源 攜帶式電子設備、軍用電子設備電原 熱電合併電廠、複合電廠 熱電合併電廠、複合電廠 熱電合併 電廠、複 合電廠、 住家電源 開發的狀態 在太空飛行中的應用 3C 產品、汽車、公共汽車測試、 250kw 分散型電站 主要運用於手機、筆記型電腦電池等小型電池 商用 PC25 TM D 型,具有 200kW 功率,成本約為 1500kw 美元, 250kW 的 MCFC 結合 Turbine 複合發電測試, 3MW 的試驗電廠 110kW 的試 驗電廠 和 SOFC/GT 300kw 至 1MW 電廠 測試 特性 啟動快,不適合於工業應用 啟動快、與常規技術相比很貴 發電效率低且甲醇會穿透薄膜 發電效率相對較低 啟動時間長、腐蝕性電解液 電池外型設計 有彈 性、廢熱可利 用, 材料限制大 電解體 氫氧化鉀溶液 質子可滲透膜 鹼金屬或碳酸鹽 磷酸 鋰和碳酸鉀 固體陶瓷體 燃料 純氫 氫,甲醇天然氣 甲醇 天然氣,氫 天然氣.煤氣沼氣、氫 天然氣.煤氣沼 氣、 氫 電效率 60-70 % 43-58 % 30 % 37-42% > 50% 50-65%
  • 37. 燃料電池發電容量與適用範圍
  • 38. 氫的來源
    • 利用重組反應自甲烷中產生
    • 水電解法
    • 煤炭氣化結合水 - 氣轉化反應 ( WGS )
    • 利用太陽能來製造氫與氧
    • 可從植物或其它排泄物中分離出氫氣
    • 細菌或綠藻可以藉由光合作用來製造氫
  • 39. 氫的儲存方法
    • 氣態高壓儲氫法
    • 液態儲氫法
    • 儲氫合金吸放氫法
    • 奈米碳管吸放氫法
    儲存狀態 儲存容器 儲存之重量效率 ( 重量分率 %) 儲存之體積效率 (kg/m3) 氣態氫氣 鋼瓶 (150atm) 1.50 12.10 液態氫氣 鋼瓶 13.00 46.90 鋁瓶 23.70 46.90 儲氫合金吸放氣 鋼瓶 1.045 35.29 奈米碳管吸放氣 鋼瓶 (113K , 54atm) 7.22 39.00
  • 40. 家庭式及移動式電源增添很多生活之想像空間
  • 41. 煤炭氣化與燃料電池之結合 (IGFC) 流程 +IGCC
  • 42. 太陽能與燃料電池之結合
    • NASA Helios Project
    • 無人駕駛飛行器做為空中無線基地台。
  • 43. Helios 是 窮人的衛星 翼長:約 75 m 重量:約 730 Kg 太陽能光電板: 62,000 個 發動機: 14 個 燃料電池: 1 部 太陽能光電板輸出功率: 40 kW 14 個發動機所需動力: 10 kW 造價:約 100 萬美元 發射一顆通訊衛星費用: 1000-3000 萬美元
  • 44. Helios 之再生式燃料電池系統 黃鎮江 (2005)
  • 45. 結論
    • 燃料電池即將成為能源科技之超級巨星,其中以 PEMFC 、 SOFC 和 DMFC 三種最具潛力。
    • PEMFC 能快速啟動且可於常溫操作,但是其成本太高和燃料的供應是目前最急需克服的難題。
    • SOFC 有最高之發電效率,但是需要克服高溫操作造成之問題。
    • DMFC 不需燃料重組器之低溫操作燃料電池,而缺點是效率過低和甲醇滲透問題。
  • 46. 未來展望