材料世界–通識課程.ppt

漫遊現代科技—能源材料 東華材料系--張 文 固 Contents 燃料電池(Fuel Cell) 太陽能電池(Solar Cell) 能源 – 摘自能源政策白皮書 能源可說是經濟發展及社會進步的原動力 工業發展 – 電力、燃料油等 交通運輸 – 油品 人民生活 – 電力(含家用與攜帶用) * 過去10年國民生產毛額(GDP)平均年增率為6.7%，能源消費年增率約6.2%，顯示能源消費與經濟成長相關。 當前能源課題 – 摘自能源政策白皮書 能源消費快速增加 運輸、住宅與商業部份的能源消費比重增加 環境污染問題日受重視 能源使用效率仍有提高空間 電力、生活與環保 停電時刻 @ 小型發電機、電池 新時代生活 % 手機、隨身電腦等 環保議題 – 發電機的噪音與污染 電池的重複使用、回收與丟棄 天然資源的快速消耗 國際能源科技發展趨勢 * 能源效率提升 * 潔淨能源技術 * 燃料電池與氫能 * 再生性能源 能源轉換網路 電化學電池(electrochemical cells) 定義：直接進行“化學能 ? 電能”的裝置 電池(Battery) – an energy storage device, 化學能儲存在cell內部(電池的電極) * 一次電池(Primary battery) – 不可逆的電化學反應，鹼性電池。 * 二次電池(Secondary battery) – 可逆式的電化學反應，鉛酸池、鎳氫電池、鋰電池等 燃料電池(Fuel Cell) – 發電機an energy generating device, 化學能儲存在cell外部(燃料) 燃料電池?電池，二者都是電化學電池 燃料電池為何被視為21世紀之新興產業? 電力市場持續成長 輸配電成本急遽升高，分散式電廠市場將逐步成長 環保意識覺醒，潔淨電力能源成主流 無線器材市場快速成長、高能量密度電池之需求日增 擁有鉅大之市場潛力 -續頁- 清潔： -- 利用氫能?無污染 -- 利用石化燃料?降低污染 安靜： -- 200 KW (9m, 62DBA) 高效率： -- 固定式 -- 移動式 高能量密度電池 貯存電力 -續頁- 未來20年有3200億美元/年之市場 大型基載電廠：100GW/年，~750億美元/年 (300MW以上) 分散式電力(KW ~ 2MW)：目前100億美元/年，2010年 1300億美元(社區、工廠、居家) 移動型電力(400W~200KW)：250億美元/年 手提式電力匣(1W~200W)：550億美元/年 應用範圍及工業 交通工具(電動車輛、腳踏車) 家庭小型發電機 筆記型電腦、行動電話、士兵通訊電源 大型發電機、社區、醫院、發電廠 國防、太空工業、潛水艇 PEFC燃料電池關鍵技術及困難 PEFC主要關鍵材料 石墨雙極分隔板 -- 當作H2及O2/air氣體分隔板、氣體導流槽、 兩極電流傳導、電流收集器 Pt/C或Pt-Ru/C等觸媒 -- Anode H2氧化(H2 ? 2H++2e-) -- Cathode O2還原(O2+4H + +4e - ?2H2O) 碳/石墨氣體擴散層 -- 觸媒支撐層、提供H2及O2均勻擴散到觸媒、 當作水氣通路及電子傳導 質子交換高分子膜 -- H+質子傳導 質子交換膜 – 高分子聚合物(固體電解質)利用傳導氫離子來完成反應 Cathode：O2+4e-→2O2-Anode：H2+O2-→H2O+2e-Total：H2+1/2O2→H2O+heat 目前市售SOFC 電解質：~200um厚且完全緻密Yttria-Stabilized ZrO2 (YSZ) 陰極：~50um具多孔隙添加鍶的錳酸鑭(Sr-doped Lanthanum Manganite LSM) 陽極：~50um具有多孔隙的鎳/氧化鋯 (Ni/YSZ) SOFC關鍵技術及困難 高溫操作條件使材料選擇不易且影響壽命 材料熱膨脹係數考量 固態電解質膜厚必須緻密且薄 必須為完全離子導電材料 電壓提升困難 燃料電池展望 公共型電力來源 -- 大尺寸集中型電廠，連續操作，高溫型燃料電池較佳，可配合廢熱回收提升效率。 -- 中至小尺寸分散型與現場型電廠，非連續操作，低溫型燃料電池較佳。 攜帶型電力設計 -- 輕薄短小，使用方便 -- 持久性或價廉 電動汽機車：高分子膜燃料電池 Cost Down: new materials, cheaper