能源科技概論 第八章 氫能 臺北城市科技大學 機械工程系

可攜式燃料電池 Voller Energy V100 能碩(EnerMaster) EM-H1000D1

運輸用燃料電池 Masterflex Fuel Cell Bike 美國Honda氫燃料電池汽車 (圖片摘自http://www.hydrogencarsnow.com/ hydrogencars2005.htm)

定置型燃料電池 UTC Fuel Cells 5kW Energy Center MTU Hot Module (MCFC) (圖片摘自http://www.fuelcelltoday.com) (圖片摘自http://www.fuelcelltoday.com)

微小型燃料電池 Toshiba Sony (圖片摘自http://www.adpulp.com/archives/2005/09/batteries_stink.php#) (圖片摘自http://www.electronista.com/articles/09/02/25/sony.fuel.cell.chargers/)

什麼是燃料電池？ 燃料電池是一種可以把反應物的化學能直接轉換為電能的電化學裝置 燃料電池是一種電能產生裝置，而非電能貯存裝置 燃料電池是一個系統，而非單一元件 燃料電池 鋰電池、鹼性電池、鉛酸電池

什麼是燃料電池？ 傳統電能轉換過程 fuel (化學能) steam (高溫高壓) 熱能 running generator (電能) running turbine (機械能) O2 Fuel Cell (電化學反應) H2O H2 電能

燃料電池基本原理 燃料電池之父 William Grove爵士於1839年發明燃料電池：藉由觸媒將水電解反應逆向操作，產生電流。 水電解反應 H2 O2 e- 白金電極 (Pt electrodes) 酸性電解質 (dilute acid electrolyte) A 水電解反應 氫氧燃料電池反應 + -

燃料電池的發展 燃料電池發明 太空計畫 新產業誕生 圖片來源: PEM Fuel Cells – Theory and Practice, by F. Barbir, Elsevier Inc. (2005)

為什麼使用燃料電池？ 替代能源 主要使用氫氣直接產生電能，可替代既有燃油動力來源和電力取得方式；雖然也使用甲醇、乙醇及其他碳氫化合物等燃料，但其選擇具有替代性。 環保能源 潔淨、安靜，電化學反應無噪音，主要生成物為H2O。 高效能源 高效率、高能量密度，相對減少系統的體積和重量，並延長供電運作時間。 便利能源 獨立性、可攜性高；不需充電器，完全無線(wireless)需求，補充燃料不需長時間等待。

燃料電池的限制 成本高 功率密度受限 氫燃料取得與儲存技術 操作溫度的影響 對於環境污染物的敏感性 耐久性議題

燃料電池的種類 溫度 低溫 高溫 燃料電池種類 質子交換膜型 PEMFC / DMFC 鹼液型 AFC 磷酸型 PAFC 熔融碳酸鹽型 MCFC 固體氧化物型 SOFC 操作溫度 70~80℃ 80~100℃ 200~220℃ 600~650℃ 800~1000℃ 可用燃料 天然氣、甲醇、汽油 精煉氫氣、電解副產氫氣 天然氣、甲醇、輕油 天然氣、甲醇、石油、煤碳 電流密度 高 普通 可能應用領域 小型發電機組、 分散型發電、 移動式電源、 運輸工具電源 太空船、 潛水艇 汽電共生、分散型發電、離島地區發電、移動式電源、運輸工具電源 汽電共生、分散型發電、取代大規模火力發電 汽電共生、分散型發電、取代中規模火力發電 *資料來源：工研院IEK、東亞產經資訊網

燃料電池的基本結構 e- e- H2 O2 H+ 石墨流道板 電負載 陽極流道Anode flow channel Graphite end/bipolar plate e- 陽極流道Anode flow channel H2 O2 H+ 陰極流道Cathode flow channel 集電區 Current Collector 質子交換膜Electrolyte membrane 觸媒層 Catalyst Layer 氣體擴散層 GDL

膜電極組(MEA) Anode GDL Membrane Cathode GDL Catalyst C/Pt Catalyst C/Pt-Ru SOURCE: Antig

觸媒電極 圖片來源： Journal of Power Sources 74 (1998) 211-218

Electrochimica Acta 49 (2004) 4149–4156 氣體擴散層 碳布 碳紙 Electrochimica Acta 49 (2004) 4149–4156

雙極板 Oak Ridge National Laboratory Schunk Graphite Technology - compression molding Oak Ridge National Laboratory Metallic Bipolar Plates http://www.ornl.gov/sci/fuelcellprogram/projects.html Freudenberg-NOK sealing technology

電池堆 (圖片來源：http://www.greencarcongress.com/2008/03/bac2-introduces.htm)l

電池堆 ESORO hyCar Ballard Power Systems (Canada) 目前有許多公司採用盒裝方式（assembly in box）設計組裝燃料電池堆，也就是直接將一個個單電池置入設計好的盒子內，然後再以卡榫鎖住盒子。 圖4-23為戴姆勒克萊斯勒HY600 Genius所使用的燃料電池堆。 ESORO hyCar Ballard Power Systems (Canada) (圖片摘自Ballard公司網頁)

(圖片摘自Quantum technologies, Inc.公司網頁) 氫氣儲存系統 目前有許多公司採用盒裝方式（assembly in box）設計組裝燃料電池堆，也就是直接將一個個單電池置入設計好的盒子內，然後再以卡榫鎖住盒子。 圖4-23為戴姆勒克萊斯勒HY600 Genius所使用的燃料電池堆。 (圖片摘自Quantum technologies, Inc.公司網頁)

燃料電池系統 Fuel Cell Hydrogen Vehicle (FCHV, Toyota) 目前有許多公司採用盒裝方式（assembly in box）設計組裝燃料電池堆，也就是直接將一個個單電池置入設計好的盒子內，然後再以卡榫鎖住盒子。 圖4-23為戴姆勒克萊斯勒HY600 Genius所使用的燃料電池堆。 Fuel Cell Hydrogen Vehicle (FCHV, Toyota) World's First Hydrogen Fuel-Cell, Plug-In Electric Hybrid Bus (Burbank) (圖片摘自http://www.toyota.com/esq/articles/2010/FCHV_ADV.html) (圖片摘自http://www.fuelcelltoday.com)

MOTOROLA’s IMPRESTM Charger Package (1W) 燃料電池系統 MOTOROLA’s IMPRESTM Charger Package (1W)

製氫技術 氣態燃料蒸氣重組或部分氧化 液態燃油蒸氣重組或部分氧化 煤的氣化 水電解 生質酒精改質 生物質熱解 藻類光合製氫 目前有許多公司採用盒裝方式（assembly in box）設計組裝燃料電池堆，也就是直接將一個個單電池置入設計好的盒子內，然後再以卡榫鎖住盒子。 圖4-23為戴姆勒克萊斯勒HY600 Genius所使用的燃料電池堆。

氫基礎設施 Honda’s Solar Hydrogen Refueling Station, Japan Hydrogen station (Denmark) 目前有許多公司採用盒裝方式（assembly in box）設計組裝燃料電池堆，也就是直接將一個個單電池置入設計好的盒子內，然後再以卡榫鎖住盒子。 圖4-23為戴姆勒克萊斯勒HY600 Genius所使用的燃料電池堆。 http://www.ecofriend.org/entry/honda-debuts-solar-powered-hydrogen-fueling-station/ http://www.vatgas.se/shhp/news.html

再生式燃料電池系統 demonstration of a fuel cell fueled by an electrolyser driven by solar cells fuel cell electrolyser solar cell

附 錄

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) Oxidation ANODE Reduction CATHODE Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) 陽極 陰極 甲醇 水溶液 氧氣 水 (Figure source: Antig’s website) 二氧化碳

DMFC 能量轉換 電能 甲醇 水 DMFC 氧 二氧化碳 熱 Em + Eo = Ee + Ew + Ec + Heat Chemical Energy (Em) 水 Energy (Ew) 氧 Energy (Eo) 熱 電能 Energy (Ee) 二氧化碳 Energy (Ec) Em + Eo = Ee + Ew + Ec + Heat chemical energy: Gibbs free energy of formation gf depends on the state and temperature

燃料電池極化曲線 Terminologies Causes of overvoltages activation losses overvoltage / overpotential, polarization, irreversibility, losses, voltage drop Causes of overvoltages activation losses fuel crossover and internal currents ohmic losses mass transport or concentration losses (1) (2) (3) (4) Fig. source: Larminie, J., and Dicks, A. 2003. Fuel Cell Systems Explained. Ed. 2nd. New York: John Wiley & Sons, Ltd.

燃料電池的效能 operation voltage: about 0.3V-0.4V

熱電共生 (CHP) Title: Diagram of a working Ceramic Fuel Cell CHP unit Description: This diagram shows a SOFC CHP unit designed by Ceramic Fuel Cell. Source: Ceramic Fuel Cells Limited (圖片摘自http://www.fuelcelltoday.com)