燃料电池浅谈-东华大学.ppt

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％。 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 Power limitation 全球能源使用變遷 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 最古老的燃料電池 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 燃料電池發電與傳統熱機的發電過程比較 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。 燃料電池的運作 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。 燃料電池發電 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) /fcresources/FCexplained/FC_animation.htm 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 燃料電池的種類 燃料電池的特性 燃料電池的特性 燃料電池的應用範圍 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 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°