能源概論 第七組 氫能與燃料電池應用技術

組員 4A340048 黃大川 4A040909 吳雙伶 4A340050 陳怡雯 0A40F169 方群超 4A340074 王于禎

何謂氫能與燃料電池? 氫能為氫的化學能，是氫氣與氧氣經過化學反應所產生的能量，是燃料電池應用的一種。 氫為元素週期表中最小的原子，是宇宙中分布最廣泛的元素，大約占宇宙非暗物質質量的75%，以地球而言，水的比例佔了70%以上，而水由氫所組成，由此可見氫的含量非常多，幾乎取之不盡，能視之為可再生能源。另外，氫氣本身不具有毒性，而且非常容易與氧氣形成水，因此對不會對環境造成傷害，是環境友善的。 燃料電池是一種主要透過以氧氣或其他氧化劑進行氧化對燃料進行還原反應，把燃料中的化學能轉換成電能的電池。常見的燃料除了氫氣外，還有一些碳氫化合物例如天然氣、醇、和甲烷等。 燃料電池不同一般原電池，由於發電過程需要不斷提供穩定的氧氣以及燃料來源，因此在燃料耗盡前可以不間斷的提供電力。 此處址的氫氣與氧氣的化學反應為氧化還原反應，非燃燒反應。

氫能的特點 1.氫是元素周期表中的第一號元素，它由一個帶正電的原子核和一個核外電子組成。 2.在所有氣體中，氫氣的導熱性最好，因此在能源工業中，氫是最好的傳熱載體。 3.氫本身無色無味無毒，燃燒生成水，對大氣無污染，並可迴圈使用。 4.氫能儲存方式多樣，可以氣態、液態或固態的形式出現，能滿足儲運及各種應用環境的不同要求。

製氫方法 從化石燃料中制氫 (目前用最多的) 電解水制氫 (較不經濟) 甲醇製造氫氣 太陽能電解水制氫 　　　　　 光合微生物制氫 　　　　　　

使用氫能/燃料電池的優點 使用氫氣作為燃料的燃料電池只會產生水與熱，基於不同的燃料使用，有可能產生極少量二氧化氮和其他物質，對環境的污染相對地比原電池少，是一種綠色能源。 與使用燃燒反應的內燃機相比，燃料電池的能量效率明顯高許多。內燃機的效率頂多只有20-30%，燃料電池的能量效率則為40-60％之間，最差的燃料電池也有35–45%效率；如果將發電過程產生的廢熱收集並使用，其熱電聯產的能量效率可高達85％。

目前使用氫能/燃料電池的挑戰 很多氫設備要大量使用才有成本效益，但安裝這些設備所需的費用均為天價。 氣體中氫氣是具有最寬的爆炸性/點火的氣體與空氣的混合範圍，只需要一點火便能引發災難性的大爆炸，而且氫氣無色無味，一旦洩漏也無法得知。1973年德國的興登堡號飛船事件便是歷史上數一數二因為氫氣而引發的災難，共有36人喪生。氫的危險性也是目前開發燃料電池必須克服的困難之一。

目前製氫、可能應用

太陽能電解水制氫 以單晶二氧化鈦為陽極電極、 白金為陰極電極的裝置中，二 氧化鈦在特定波長範圍之光激 發後，產生電子電洞對。 (旁 邊的圖是Honda-Fujishima Effect裝置圖)

太陽能電解水制氫 在電場導引下，電子被導引至 白金電極，而存在二氧化鈦表 面之電洞，移至二氧化鈦表面 與水產生氧化反應，將水分解 產生氧氣與氫離子，氫離子在 白金電極與光激發之電子結合， 產生氫氣。 (旁邊的圖是Honda-Fujishima Effect反映圖)

太陽能電解水制氫缺點改進 通常電解水需要耗費大量電能，而且電解水製氫過程最好是在酸 性環境下進行，在酸性環境下很容易導致太陽能電池生鏽，所以 德國在今年發明了利用黃銅製成用二氧化鈦包覆的透明、輕質的 薄膜材料。二氧化鈦薄膜是多晶體，並含有鉑奈米顆粒。這種材 料不僅能作為製氫的催化劑，同時也可防止電極生鏽。

光合微生物制氫 微生物製氫過程，簡單的來說，可以分成兩類：第一類是包括綠 藻、藍細菌和厭氧光合細菌在內的光合生物，利用這些微生物的 光合機能，將水分解製取氫。另外一類不需要使用光。有兼性厭 氧、嚴格厭氧等醱酵産氫細菌；這些非光合微生物可以將葡萄糖 或蛋白質(也可以是纖維素或有機廢水廢棄物等)作為原料，來製 造氫氣。 使用微生物的原因是因為牠們擁有常溫、常壓、能耗低、環保等 優勢。

光合微生物制氫(光反應) 光合菌製氫:貝內曼觀察到柱孢魚腥藻（Anabaenacylndrica異形胞 種類），可以吸收光能後裂解水，産生氫氣和氧氣；另外，伽夫 羅也發現了珊藻（Scenedesmus）也有能力進行光裂解水産生氫 氣。 厭氧光合放氫:有藍細菌、綠藻以及厭氧光合細菌，其中厭氧光 合細菌和藍細菌、綠藻相比，其光合放氫過程不産氧，而且即使 在黑暗條件下，厭氧光合細菌也可以利用葡萄糖和甲酸等有機酸， 醱酵產生氫氣和二氧化碳。

柱孢魚腥藻與珊藻

光合微生物制氫(暗反應) 蔗糖醱酵產氫 :主要是利用非光合微生物與糖水暗醱酵 (dark fermentation) 產生氫氣。 以蔗糖和澱粉爲基質，通過厭氧醱酵產氫:有以厭氧活性污泥爲 菌種來源，以廢糖蜜爲基質原料，產製氫氣，以及利用牛糞堆肥 作爲天然混合産氫菌來源，以蔗糖和澱粉爲基質，通過厭氧醱酵 的程序產氣。

氫能的用途 1970年美國“阿波羅”登月飛船使用的起飛火箭用的是液氫作燃料。 日本則用液氫作燃料組裝燃料電池示範汽車(氫汽車)，已進行了上百萬千米的道路運行試驗，其經濟性、適應性和安全性均較好。 以氫能為原料的燃料電池系統除了在汽車、民用發電等方面的應用外，在軍事方面的應用也顯得重要，例如德國、美國均已開發出了以該類型應用的潛艇，具有續航能力強、隱蔽性好、無雜訊等優點，受到各國的青睞。

儲氫方法

物理方法 氣態高壓儲氫法 液態儲氫法 儲氫合金吸放氫法 微碳管吸放氫法等 儲氫的方式有很多種，若依照儲存狀態來區分，可以分為氣態高壓儲氫法，液態儲氫法，儲氫合金吸放氫法及微碳管吸放氫法等。其中高壓儲氫法與液態儲氫法是傳統的儲氫方式，這兩種方法適用於需要使用或生產氫氣的工廠中，若要作為交通運輸工具的燃料用，則以儲氫合金吸放氫的方式較為合適，由於氫在儲氫合金當中，相當於固態氫，因此所需壓力不大，使用時，氫由儲氫合金中釋出，汽化成氫氣並吸收大量熱能，因而儲氫合金於放氫的同時溫度會下降，反之，於充氫時溫度會上升。 至於微碳管吸放氫的方式是目前正處於研發啟蒙階段的方式，其原理是運用人工合成的微碳管，即10-9m大小的碳纖維管來吸氫，因為氫分子於微碳管中很小的空間內即相當於在外界受到很大的壓力之情形，因此很容易儲存於微碳管之中；目前微碳管已被人工合成出來，將來要如何量產微碳管、並製程穩定度高與可多次充放氫的產品，是研發的課題。

化學方法 化學儲氫方式將化合物溶解於水中，並通過適當的觸媒，產生下列反應 使用NaBH4(硼氫化鈉) 作為氫氣來源的主要好處有：不需重組器，方便攜帶，同時產物 NaBO2  (是一種硼酸鹽)可經由回收再使用，避免對環境造成污染。不過，NaBH4  (硼氫化鈉) 在水中會逐漸分解，有穩定性上的問題，

電池的種類

電壓最穩定、保存期限較長、耐高溫、常用於較精密的科學儀器上。 電池種類　 陽極 陰極 優點 缺點 汙染物 乾電池 鋅皮筒 碳棒 攜帶方便、價廉，對環境污染最小。 壽命不長且電壓不穩。 鋅、錳 鹼性乾電池 凝膠狀鋅 二氧化錳、碳粉 電壓與使用時間都比乾電池好。 壽命短、易造成汙染。 水銀電池 氧化汞 電壓最穩定、保存期限較長、耐高溫、常用於較精密的科學儀器上。 會造成水銀汙染，產量有逐年減少的趨勢。 鋅、汞 鉛蓄電池 活性鉛板 二氧化鉛的鉛板 可經由充電來反覆使用，為一般汽機車使用最普遍的電池。 易造成鉛、硫酸汙染。 鉛、硫酸

鉛蓄電池與燃料電池

鉛蓄電池 全反應:Pb(s)+PbO2(s) + 2H2SO4(aq) PbSO4(s) + 2H2O(l) 放電中的化學變化:放電時，稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產生反應,生成新化合物『硫酸鉛』。經由放電硫酸成分從電解液中釋出，放電愈久，硫酸濃度愈稀薄，電解液硫酸降低，即比重變低，電池的電壓會持續變弱，甚至失去效用。 充電的化學變化: 充電時反應相反，由於放電時在陽極板，陰極板上所產生的硫酸鉛會在充電時被分解還原成硫酸,鉛及過氧化鉛。充電後，電極上的硫酸鉛不見了，同時硫酸的濃度又增大了，即比重變大。 為一般汽機車使用最普遍的蓄電池 鉛蓄電池是我們一般汽車使用最普遍的蓄電池 但他的缺點會造成環境汙染

燃料電池 燃料電池基本原理兩個電極夾著一層電解質 氫進入陽極 受觸媒催化反應 就分離成質子和電子 電子從電路流過 就會會產生電力 質子經過電解質 最後就會和電子同時抵達陰極 和氧氣反應 成為水蒸氣 然後排放到空氣當中 那我們來看這個影片 會更清楚一點

關於燃料電池

燃料電池的種類 質子交換膜燃料電池(PEFC) 鹼性燃料電池(AFC) 磷酸型燃料電池(PAFC) 溶融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 固態氧化物燃料電池(SOFC)

質子交換膜燃料電池 (PEMFC) ( 適合用於中低瓦度的發電 )

質子交換膜燃料電池的優點 高電力密度、低重量、低體積 電解質為離子交換膜，薄膜的表面塗有可以加速反應之觸媒（大部分為白金） 唯一液體是水，腐蝕問題小 操作溫度低介於80至100℃之間，安全上之顧慮較低 適用於交通工具、建築物與小型社區

質子交換膜燃料電池的缺點 觸媒白金價格昂貴，減少使用量，操作溫度會提升 白金容易與一氧化碳反應而發生中毒現象，因此比較不適合用在大型發電廠　　

　　鹼性燃料電池(AFC)

鹼性燃料電池的優點 首先用於太空計畫 使用非貴重金屬為電極觸媒種類多價格又便宜，例如銀、鎳等 操作時所需溫度100oC~250oC 化學反應快且轉換效率好

鹼性燃料電池的缺點 燃料必須是高純度的氫 電解質必須是液態 鹼性燃料電池的電解質，易與空氣中的二氧化碳結合形成氫氧化鉀，影響電解質的品質，導致發電性能衰退

　　磷酸型燃料電池(PAFC)

磷酸型燃料電池的優點 該燃料電池大都運用在大型發電機組上而且已商業化生產 電解質為100﹪濃度磷酸 操作溫度大約為150到220℃之間 溫度高所以廢熱可回收再利用 觸媒為白金

磷酸型燃料電池的缺點 白金價格昂貴 電極容易受CO毒化 成本居高不下

溶融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

融碳酸鹽燃料電池的優點 電解質為碳酸鋰或碳酸鉀等鹼性碳酸鹽 電極方面使用具透氣性之多孔質的鎳。 操作溫度約為600至700℃不需重組器 廢熱可回收再使用，發電效率高適合於中央集中型發電廠。 價格較低　

融碳酸鹽燃料電池的缺點 操作溫度高導致電極容易腐蝕而減低使用　　　壽命

固態氧化物燃料電池(SOFC)

固態氧化物燃料電池的優點 電解質為氧化鋯，含有少量的氧化鈣與氧化釔 電池之操作溫度約為1000℃，穩定度較高，不需要觸媒重組器。 燃料廢熱可回收再利用 使用於中規模發電機組。 可忍受較多的硫化物 不受CO影響 價格較低

固態氧化物燃料電池的缺點 操作溫度高導致電池啟動慢，需要更多的保溫設備以維持電池高溫 不適用於交通工具與隨身攜帶

日後發展 可供攝影機、筆記型電腦、大樓、工廠或固定區域使用的燃料電池 氫能燃料電池車

關於氫能車

參考文獻 http://www.tfci.org.tw/Fc/fc1-4.asp http://www.enedu.org.tw/Technology/?id=4 燃料電池的發展與應用趨勢 資料來源 樂活節能屋系列 講師：楊明坤 固態氧化物燃料電池(SOFC) 原理與檢測授課老師：楊哲化教授 http://www.gongkung.com/utf8-classid164-id110479.html https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8E%9F%E9%9B%BB%E6%B1%A0 https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%92%B0%E5%A2%83%E5%8F%8B%E5%96%84 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%A2 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%87%83%E6%96%99%E7%94%B5%E6%B1%A0 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%A2%E7%BB%8F%E6%B5%8E https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%86%85%E7%87%83%E6%9C%BA https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%88%88%E7%99%BB%E5%A0%A1%E8%99%9F%E9%A3%9B%E8%88%B9 影片: https://www.youtube.com/watch?v=PlSxR5Gz3_U https://www.youtube.com/watch?v=BtKwl4ygbrs https://www.youtube.com/watch?v=i2JDR8Puj3g

THE END