能源科技之明日之星

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能源科技之明日之星

  1. 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. 2. 燃料電池之起源 <ul><li>Gas Voltaic Battery </li></ul><ul><li>by William R. Grove </li></ul><ul><li>in 1839 </li></ul>
  3. 3. 燃料電池之工作原理
  4. 4. 燃料電池在航太領域之應用 <ul><li>Power Source in </li></ul><ul><li>NSAS Gemini Space Mission (Polymer electrolyte, 1962) </li></ul><ul><li>NASA Apollo Space Mission (Alkaline electrolyte, 1965) </li></ul><ul><li>NASA Space Shuttle (Alkaline electrolyte, 1982-present) </li></ul>
  5. 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. 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. 7. 符合能源多元化及低污染之原則 <ul><li>只要含有氫原子的物質都可以作為燃料 </li></ul><ul><li>例如:氫氣、天然氣、煤炭氣化氣、酒 精及甲醇等。 </li></ul><ul><li>若使用氫氣與氧氣,其產物為水,幾乎是零污染。 </li></ul>
  8. 8. 燃料電池應用於 3C 產品比傳統電池更具優勢 <ul><li>能量密度高 </li></ul><ul><li>( 鋰電池的 10 倍 ) </li></ul><ul><li>使用時間長 </li></ul><ul><li>( 鋰電池的 5 倍 ) </li></ul>
  9. 9. 燃料電池是 電池 或 發電機 ?
  10. 10. 燃料電池依電解質種類區分 <ul><li>低溫型 (60-220 o C) </li></ul><ul><li>鹼性燃料電池( AFC ) </li></ul><ul><li>磷酸燃料電池( PAFC ) </li></ul><ul><li>質子交換膜燃料電池( PEMFC ) </li></ul><ul><li>直接甲醇燃料電池( DMFC ) </li></ul><ul><li>高溫型 (600-1000 o C) </li></ul><ul><li>熔融碳酸鹽燃料電池( MCFC ) </li></ul><ul><li>固態氧化物燃料電池( SOFC ) </li></ul>
  11. 11. 鹼性燃料電池 (AFC) <ul><li>採用氫氧化鉀或氫氧化鈉溶液為電解質,導電離子為 OH¯ 。 </li></ul><ul><li>主要應用於太空飛行中,如太空梭動力源。 </li></ul><ul><li>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。 </li></ul>黃鎮江 (2005)
  12. 12. 磷酸燃料電池 (PAFC) <ul><li>採用高濃度磷酸液為電解質,導電離子為 H  。 </li></ul><ul><li>燃料氣體必須純化,以避免鉑觸媒被一氧化碳毒化。 </li></ul><ul><li>暖機時間長,啟動慢,不適合當交通工具之動力源。 </li></ul>黃鎮江 (2005)
  13. 13. 磷酸燃料電池屬於高度成熟技術並 已商業化 <ul><li>Five PAFC fuel cells </li></ul><ul><li>Generating 1 MW electric power </li></ul>Anchorage, Alaska
  14. 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. 15. 質子交換膜燃料電池 (PEMFC) <ul><li>採用濕潤之高分子質子交換膜為電解質,導電離子為 H  。 </li></ul><ul><li>陰極和陽極皆以鉑為主要觸媒。 </li></ul><ul><li>燃料氣體必須純化,以避免鉑觸媒被一氧化碳毒化。 </li></ul>黃鎮江 (2005)
  16. 16. PEMFC 之應用廣泛但成本高 <ul><li>PEMFC 不僅可應用在外太空,亦可應用在陸地車輛和潛艇動力。 </li></ul><ul><li>將 PEMFC 微型化,亦可應用於可攜式電子品。 </li></ul><ul><li>高分子質子交換膜及 鉑觸媒成本高。 </li></ul>Fuel-Cell Powered Transit Buses in Chicago
  17. 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. 18. 傳統汽車引擎 燃料電池汽車引擎
  19. 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. 20. 德國的 212A 級潛艇是第一艘使用 燃料電池動力的潛艇
  21. 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. 22. PEMFC 已應用在微型飛機上 <ul><li>Hornet MAV 由 </li></ul><ul><li>AeroVironment Inc. 設計。 </li></ul><ul><li>第一架完全由 PEMFC 提供動力之 UAV ( 無人飛行載具 ) 。 </li></ul><ul><li>結構資料 </li></ul><ul><li>翼展 : 38cm </li></ul><ul><li>總重量 : 170g </li></ul><ul><li>功率輸出 : 10W </li></ul>
  23. 23. 直接甲醇燃料電池 ( DMFC ) <ul><li>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。 </li></ul><ul><li>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。 </li></ul><ul><li>尚待克服之問題包括:甲醇滲透、效率低及水的處理。 </li></ul>黃鎮江 (2005)
  24. 24. DMFC 已應用於多種 3C 產品 Fijitsu Laptop Hitachi PDA Toshiba Laptop NEC Laptop Samsung Laptop
  25. 25. 熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC) <ul><li>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- 。 </li></ul><ul><li>操作溫度為 650 o C 。 </li></ul><ul><li>以鎳基合金和氧化鎳當作觸媒,成本較低。 </li></ul><ul><li>除了氫氣外,也可使用天然氣及煤氣等碳氫化合物為燃料。 </li></ul>黃鎮江 (2005)
  26. 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. 27. 固態氧化物燃料電池 (SOFC) <ul><li>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- 。 </li></ul><ul><li>工作溫度在攝氏 800-1000 度間,電池材料要求較高。 </li></ul><ul><li>除了氫氣外,也可使用天然氣及煤氣等碳氫化合物為燃料。 </li></ul>黃鎮江 (2005)
  28. 28. SOFC 可分管式及平板式兩種 黃鎮江 (2005)
  29. 29. 管式 SOFC <ul><li>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 </li></ul><ul><li>製作技術比較複雜 </li></ul><ul><li>有較好的密封效果 </li></ul>
  30. 30. 平板式 SOFC <ul><li>製作相對管式 SOFC 比較簡單 </li></ul><ul><li>高溫密封技術較為困難 </li></ul>
  31. 31. SOFC-GT Hybrid System 之效率高 黃鎮江 (2005)
  32. 32. SOFC-GT System
  33. 33. SOFC-GT System 之優點 <ul><li>可藉由 GT 系統將高壓氣體送入 SOFC ,提高燃料電池效率。 </li></ul><ul><li>Turbine 出口高溫可作為燃料與空氣預熱或回熱之用,增加效率。 </li></ul><ul><li>以天然氣為燃料,效率高,而且結構簡單維修容易。 </li></ul>
  34. 34. NFCRC 在 UC Irvin 校區之 SOFC/GT 發電站 <ul><li>以天然氣為燃料 </li></ul><ul><li>通過 1000 小時測試 </li></ul><ul><li>發電效率可達 53% </li></ul>
  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%
  36. 37. 燃料電池發電容量與適用範圍
  37. 38. 氫的來源 <ul><li>利用重組反應自甲烷中產生 </li></ul><ul><li>水電解法 </li></ul><ul><li>煤炭氣化結合水 - 氣轉化反應 ( WGS ) </li></ul><ul><li>利用太陽能來製造氫與氧 </li></ul><ul><li>可從植物或其它排泄物中分離出氫氣 </li></ul><ul><li>細菌或綠藻可以藉由光合作用來製造氫 </li></ul>
  38. 39. 氫的儲存方法 <ul><li>氣態高壓儲氫法 </li></ul><ul><li>液態儲氫法 </li></ul><ul><li>儲氫合金吸放氫法 </li></ul><ul><li>奈米碳管吸放氫法 </li></ul>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
  39. 40. 家庭式及移動式電源增添很多生活之想像空間
  40. 41. 煤炭氣化與燃料電池之結合 (IGFC) 流程 +IGCC
  41. 42. 太陽能與燃料電池之結合 <ul><li>NASA Helios Project </li></ul><ul><li>無人駕駛飛行器做為空中無線基地台。 </li></ul>
  42. 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
  43. 44. Helios 之再生式燃料電池系統 黃鎮江 (2005)
  44. 45. 結論 <ul><li>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。 </li></ul><ul><li>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。 </li></ul><ul><li>SOFC 有最高之發電效率,但是需要克服高溫操作造成之問題。 </li></ul><ul><li>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。 </li></ul>
  45. 46. 未來展望

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