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1 Dept of Greenergy, National University of Tainan
FC-01燃料電池簡介 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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講述內容 引言─能源概況 燃料電池構造 燃料電池工作原理 燃料電池類別 燃料電池相關技術領域 燃料電池之應用 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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能源概況 人類文明進步帶動能源之龐大需求 礦物能源日益減少 ─ 估計：煤存量尚餘約200年用量；石油存量尚餘約50年用量 傳統能源之使用嚴重破壞人類生活環境─ 煤與石油燃燒生成之污染物 (CO, CO2, SO2, NOx, etc) 導致空氣污染、溫室效應、臭氧層破壞、酸雨、光害等惡果 亟需開發無污染之潔淨新能源技術 ─ 太陽能、風能、地熱、 氫能、潮汐能 … 等 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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氫能受重視之主因 熱能高 ─ 同重量燃料，氫氣燃燒釋放之熱量為石油3倍、煤之6倍 污染低 ─ 氫燃燒之產物為水，無殘渣與廢氣問題，滿足環保要求；反之，煤與石油則不能。 資源豐 ─ 氫氣可由水中取得，來源不虞匱乏。 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

5 傳統之一次電池 (Primary Battery)
電池以反應物其主體， 即反應物儲存於電池內 電池為一能量儲存裝置 最大可用能量決定於電 池內化學反應物之多寡 當化學反應物用罄，電 池即不再產生電能 電池之壽命是有限的 能量轉換裝 置 燃 料 氧化劑 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

6 氫電池 (Hydrogen Fuell Clls) 基本觀念
William Grove 之氫電池實驗 (1839) 稀釋酸電解液 白金電極 氫氧重組成水 → 產生電流 電流通過電極 →水電解成氫氧 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

7 氫電池 (Hydrogen Fuell Clls) 基本觀念
氫燃料之消耗: 2H2 + O2 → 2H2O 反應中電能的產生取代能量的釋放 燃料電池的確可以產生電流，但是電流微小，其主要原因如下： ─ 電極、電解液和空氣的接觸面積太小 ─ 電極之間距過長，電解液會阻礙電流流動 扁平電極 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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何謂燃料電池？ 電流通過電極 →水電解成氫氧 氫氧重組成水 → 產生電流 燃料電池 = Fuel Cell 燃料電池工作原理源自前述氫氧組成之逆電解程序 燃料電池為一電化學裝置，可將反應物 (燃料與氧化物) 中氫氧之化學內能通過 電極反應直接轉化為電能 因此，燃料電池如同熱機 (Heat Engines) 一般，為一能量轉換裝置， 而非能量儲存裝置 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池 (Fuel Cell) 燃料電池為一 能量轉換裝置 生成物與廢熱 能量轉換裝 置 只要燃料與氧化 物源源不斷，燃 料電池便可持續 產生電能 燃料 氧化劑 理論上燃料電池之壽命可以是無限的，其壽命不像一次電池決定於其內存反應物之存量，而是取決於其中分件之功能與壽命 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池扁平極板構型 負載 此種構型之電極具有較佳之滲透性，且電解質和燃料可由兩側分別滲入。此設計可使電極、電解質和燃料具較大之接觸面積。 氫 氧 電極 陽極 陰極 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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單電池構造 膜極組 雙極板：Bipolar Plate 雙極板 PE膜：Proton Exchange Membrane PE膜 觸媒層： Catalyst Layer 觸媒層 擴散層 擴散層： Diffuser Layer 流道 流道：Flow Channel 陽極：Anode 陽極 陰極 膜極組 (MEA)： Membrane Electrode Assembly 陰極：Cathode 單電池：Unit Cell Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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單電池組件說明 陽極 陰極 以某一 25cmx25cm PEMFC 為例，各層厚度之量階： 雙極板： mm 擴散層： 100um 觸媒層： 10um PE 膜： 100um 膜極組 雙極板： Bipolar Plate 擴散層： Diffuser Layer 觸媒層： Catalyst Layer PE膜：Proton Exchange Membrane Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料重要組件說明 質子交換膜的作用有二：一作為電解質提供氫離子通道；二為隔膜隔離陰陽極反應氣體。掌握與控制膜的離子與水傳輸以及適當水管理係電池性能之提昇之關鍵。 膜乾涸則則會導致質子電導率降低，水過量則淹沒電極，兩種情況均導致電池性能降低。 一般常見之電解質膜為杜邦公司發展之全氟型聚合物 Nafion 117。Nafion 之化學與熱學穩定性極佳。一般膜厚為 25 –175 um。另外尚有 DOW 公司之DOW膜以及日本Asashi化學工業株式會社之 Aciplex-S。 PEMFC電極為典型之氣體擴散電極，襯底為塗有排水性之多孔性碳布。Pt (鉑)為氫氧化與氧還原最佳之觸媒。Pt含量由80年代之10mg/cm2已能降至約 0.1mg/cm2之量階，仍能保持電極之高性能。 Data Source: 李瑛&王林山 (2000) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池堆 (Stack) 單電池串聯 氫入陽極 氧入陰極 摘自 Fuel Cell Explained System (Larminie & Dicks, 2000) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

15 電池堆 (Stack) 構型實例 Modular configuration of PEMFC stack of (Nuvera Fuel Cells S.r.L., Stack configuration (Ballard Power Systems, Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池之特點 燃料電池反應中不涉及燃燒，其能量轉換效率不受卡諾循環之限制，可高達 40-90%，其使用效率為一般內燃機之 2-3 倍 系統構造簡單、可靠性及維修性佳、無輻射顧慮、低噪音、低污染符合環保要求 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

17 現有主要能量轉換系統效率比較 IC Spark Ignition Hydroelectric Photovoltaic IC Diesels
2nd Law Eff. (%) 2nd Law Eff. (%) Type Type IC Spark Ignition Hydroelectric 40 – 90 25 – 35 Photovoltaic 7 – 11 IC Diesels 35 – 47 Combined Cycles (CC) – Gas & Steam Turbine Solar Thermal 10 – 25 50 – 55 Integrated Gasification Combined Cycles (IGCC) Wind Turbines 30 – 45 40 – 42 Gas Turbines 15 – 35 Nuclear 32 – 34 Steam Turbines 25 – 38 Data Source: von Spakovsky et al. (SAE ) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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不同電源系統污染物之比較 因燃料電池系統為電化學裝置，無需動件工作，故振噪低。 PEMFC生成物為水；高溫FC如：SOFC 及 MCFC會生成NOx，但相較於傳統發電裝備，仍屬極低。 Data Source: 黃倬等 (2002) 傳統發電裝備 FCG-1 燃料電池 美國 EPA 標準 污染物 燃氣 燃油 燃煤 SOx - 0.89 0.45 3.35 1.25 0.42 4.95 2.89 0.41 0.031 1.24 0.464 0.155 NOx 顆粒 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池之分類 燃料電池之分類可依操作溫度分低溫、中溫、高溫與超高溫燃料電池。 目前較通用之分類為以電解質類型而分類。事實上，電解質類型不同，操作溫度亦有不同。 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池之類別 (1) 以電解質類型分類有下列六類： 鹼性燃料電池 (Alkaline Fuel Cells, AFC) ─ 用於太空任務之標準型 FC 質子交換膜燃料電池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC) ─ 用於靜止發電裝置、汽車及手提式電源 磷酸燃料電池 (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC) ─ 用於靜止發電裝置、汽車、醫院&計算機中心之 不斷電系統 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池之類別 (2) 熔融碳酸鹽燃料電池 (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) ─ 用於大型發電裝置 固氧燃料電池 (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) ─ 操作溫度高，可與氣渦輪機組成聯合循環發電。 直接甲醇燃料電池 (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC) ─ 未來可望成為3C產品之能源 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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各種燃料電池特性 (1) Elec Eff Power Density Operating Start-Up (%) (kW/m2) T (ºC) Time (min) 燃料電池種類 50 – 60 (stack) 45 – 50 (system) > 74 (combined) SOFC 1.5 – 2.6 800 – 1000 hrs 50 – 60 (stack) 55 – 70 (comb) MCFC 0.1 – 1.5 650 – 800 hrs 40 – 50 (stack) 41 (combined) PAFC 0.8 – 1.9 160 – 210 hrs AFC 45 – 60 (stack) 0.7 – 8.1 60 – 100 min PEMFC 40 – 55 (stack) 3.8 – 6.5 50 – 100 sec – min DMFC 40 (stack) – 50 – 100 – Data Source: von Spakovsky et al. (SAE ) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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各種燃料電池特性 (2) 燃料電池 陽極 – 陰極 電解質 優點 缺點 可用空氣作氧化劑、可用天然氣或甲烷作燃料 SOFC Ni/YSZ – Sr/LaMnO3 ZrO2-Y2O3 工作溫度過高 可用空氣作氧化劑、可用天然氣或甲烷作燃料 MCFC Ni/Al,Ni/Cr – Li/NiO Na2CO3 工作溫度較高 對CO敏感、工作溫度高、成本高、低於峰值功率輸出時性下降 PAFC Pt/C – Pt/C H2PO4 對CO2不敏感 需以純氧作氧化劑、成本高 AFC Pt/Ni – Pt/Ag KOH – H2O 啟動快、室溫常壓下工作 壽命長、可用空氣作氧化劑、室溫工作、比功率大、啟動迅速、輸出功率可隨意調整 對CO非常敏感、反應物需要加濕 PEMFC Pt/C – Pt/C PEM* 系統簡單、無需氫氣、安全、輕小、燃料取得容易 效率低、化學活性比氫低、催化重整反應溫度低 DMFC Pt/C – Pt/C PEM* * PEM: Polymer Electrolyte Membrane or Perfluorinated sulfonic acid in solid form Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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各種燃料電池特性 (3) 車船、家用電源及聯合熱電系統(CHP) 分散式發電、聯合熱電系統、巴士 可攜式 電子裝備 典型應用 功率 (Watts) K K K M M 較一般電池能 量密度高 補充燃料快速 具零污染高效率之潛力 高效率、低污染、噪音低 主要優點 AFC MCFC 各類型燃料電池之應用範圍 DMFC SOFC PEMFC PAFC From Fuel Cell Explained (Larminie & Dicks, 2000) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池結構與化學反應 負載 化學反應以典型之 PEMFC 為例說明 O2 H2 O2 H2 雙極板 陽極(氧化)反應： H 膜 H2O 觸媒層 陰極(還原)反應： 擴散層 總反應： 陰極流道 陽極流道 陽極 陰極 單電池 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池工作原理 (1) 以一般質子交換膜燃料電池為例： 氫氣經由陽極流道送至陽極，在陽極催化作用下進行氫分子解離 氧氣 (或空氣) 通過陰極流道到達陰極，同 時，氫離子穿越電解質到達陰極，電子則由 外電路 (負載) 到達陰極 在陰極催化作用劑下，氧與氫離子和電子發生反應生成水，其反應式為 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池工作原理 (2) 總合成化學式為 電子在電路的接通形成電流，可向外負 載輸出電能 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池化學反應說明 Hydrogen Fuel 陽極 負載 電解質 陰極 Oxygen (Air) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

29 燃料電池工作程序 ─ 動態說明 Fuel Cell Process Animation for
Elements and Process of Fuel Cells C (碳) H (氫) O (氧) Source: United Technologies Company (UTC) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池工作程序 ─ 動態說明 H2O Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池中相關之傳輸現象 陰極氣流 氣體傳輸 電化學反應 質子傳輸 電子傳導 水傳輸 二相流 熱傳(對流與傳導) 氧氣輸入 (濕潤) 負載 陽極 集電板 5 陰極 集電板 5 1 6 8 3 2 4 3 2 7 8 9 9 陽極 質 子 交換膜 陰極 氫氣輸入 (濕潤) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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各種燃料電池電化學反應型式 負載 陽極廢流 H2, H2O, CO2 陰極廢流 O2, N2, H2O, CO2 H2 OH AFC O2 T = 80°C H2O PEMFC PAFC H O2 T = 80°C(PEFC) T = 200°C(PAFC) H2 H2O H2 CO3 O2 MCFC T = 650°C CO2 CO2 H2O H2 O SOFC T = 1000°C O2 H2O 氧化劑 (air): O2(+N2, MCFC:+CO2) 燃料: H2 (+CO2) Anode Electrolyte Cathode 根據 Data Source: 重繪 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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直接甲醇燃料電池 (DMFC) 燃料 氧氣輸入 陽極反應： CH3OH CH3OH 陰極反應： CO2 H O2 H2O 總反應： H2O CO2 H2O N2 陽極 質 子 交換膜 陰極 排放 排放 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池操作系統組件 功率轉換器 燃料儲存器 控制閥 熱交換器 預熱器 電力馬達 其他 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

35 燃料電池性能曲線 電位損失 1.4 理想(無損失)電壓輸出 1.2 1.0 電池電位 (Volts) 0.8 0.6 0.4
活化過電位 Activation Overpotential 電位損失 1.0 電池電位 (Volts) 0.8 歐姆損失 Ohmic Losses 0.6 0.4 燃料穿越與內電流 Fuel Crossover and Internal Current 質量傳輸損失 Mass Transport Losses 0.2 0.0 200 400 600 800 1000 電流密度 (mA/cm ) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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不可逆性 ─ 電位損失 活化過電位 (Activation Overpotential) ：電極表面 反應發生之緩慢所造成之電位損失。用以驅動電子傳 送而損失電池產生之部份電位 燃料穿越與內電流 (Fuel Crossover and Internal Current) ：此一能量損失源自燃料穿越電解質之浪 費以及電子通過電解質之傳導。此一效應一般不大，但在低溫電池較明顯 歐姆損失 (Ohmic Loss)：有關於電子流過電極以及 離子流過電解質等各種材質之阻抗 (Resistance) 之 電位損失 質量傳輸損失 (Mass Transport Losses)：此一損失 乃因燃料耗費後，燃料補充不及，電極表面反應物濃 度變化所致，又稱濃度損失 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池系統之評估 對於燃料電池之電極與電解液的評估：單位面積之電流量 (mA.cm-2)；一般而言會給予一特定之電壓範圍，故以單位面積之電功率(mW.cm-2) 來比較之。 電源供應器之評估項目： 1. 功率密度 (kW.m-3或kW/litre) 2. 比功(W.kg-1) 3. 費用($/kW) 燃料電池不適合以壽命週期來評估之 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池之相關技術領域 化學工程 ─ 熱質傳、流體力學、化學反應 電 化 學 ─ 電化學反應動力學、化學分析 材料科學 ─ 金屬腐蝕、有機氧化、 材料發展 機械工程 ─ 結構分析、流體力學、熱質傳、 模式模擬、設計與製造 電機工程 ─ 電動機械、控制等 系統工程 ─ 系統整合 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

39 燃料電池之跨領域研究特性 以VPISU 的PEMFC研究為例
機械工程 單電池與電池堆熱質傳與電化學之三維數學模式 膜電極熱擴散係數等之實驗量測 既有分析模式之實驗驗證 詳細之熱力學分件模式與系統模式之發展 最佳化設計方法在電池堆與燃料電池系統綜合與設計之應用 From von Spakovsky et al. (2000) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

40 燃料電池之跨領域研究特性 以VPISU 的PEMFC研究為例
電機工程 負載與介面之相關主題 發展總體系統有效之控制方法 電化學工程 電動力(Electrokinetic)性質模式與決定 膜電極介面之過電位損失模式與決定 膜電極之質子電導模式與決定 From von Spakovsky et al. (2000) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

41 燃料電池之跨領域研究特性 以VPISU 的PEMFC研究為例
化學與材料科學 質子交換膜中離子與水之傳輸性質 膜電極中孔隙率與平均孔徑之實驗量測 電極上觸媒鍍層厚度之決定 膜電極組夾層中局部間隙之量測 新膜材質之發展，例如：可支撐較高溫度以及需要較少之濕度者 決定膜性能之時間退化 降低CO之毒化 材料發展與綜合研究 From von Spakovsky et al. (2000) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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PEMFC 組件之關鍵技術 Bipolar Plate 雙極板 Membrane 質子交換膜 Gas Diffusion Layer 氣體擴散層 Catalyst 觸媒 Hydrogen Storage 氫氣之儲存及供應 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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燃料電池存在的問題 價格昂貴 高溫時壽命及穩定性不理想 燃料電池技術尚不普及 尚無完善之燃料供應體系 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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運輸工具應用 Daimler-Benz設計之第四代NECAR Mazda 設計 之 FC Demio Opel 設計之 FC Sintra Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

45 運輸工具應用 International Fuel Cells 設計之 Georgetown University 燃料電池巴士
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運輸工具 Humboldt State University's Schatz Energy Research Center H Power Corporation Manhattan Scientifics H Power Corporation Fuel Cell Scooters ZES I/ZES II (Asia-Pacific FCT) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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航空太空應用 60年代，NASA Apollo 飛行任務時即已使用 AFC，質量 110kg，額定輸出功率 1.42kW， 電壓 V，壽命500h。 NASA 將功率更高之AFC用於太空飛機(Space Plane)機上電源，功率 12kW，電壓 27.5V， 壽命 2000h。 再生式氫氧燃料電池(RFC)可作為高效儲能 電池，用於太空站。 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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航空太空應用 無人駕駛太陽能飛行器 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

49 高空續航機 HALE (High Altitude Long Endurance)
高空 (高於 60,000 英呎)、低速 (低於 556 公里/小時) 飛行 生存力高 用途：通訊、偵測 動力部份：化學燃料、微波、太陽能？ 燃料電池 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

50 發電機、電源 7KW 居家用 PEMFC 發電機 250KW PEMFC發電機 (Ballard Generation System)
可攜式電源 （Warsitz Enterprise) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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小型/微型 DMFC 應用 手機：甲醇插入式燃料電池 0.1~0.5w 能量密度為鋰電池6-7倍，估計最高可達約 33 倍* CP talk time: h (Methanol) vs. 5 h (Li-Ion)；Standby: 41 d (Methanol) vs. 11 d (Li-Ion) * 系統簡單，燃料插卡式設計，不須充電 無污染與回收問題 價廉─量產價可低於鋰電池之1/3 * 攜帶式電源系統 < 100w，應用於Power Tools, Notebook, Camcorder, DVD Player, Patient Life Support, Military Portable Power * Data Source: Manhattan Sci. Inc. (1999) Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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發展 DMFC 優勢 系統簡單 能量密度為鋰電池 6-7 倍，估計最高可達約 33 倍* CP talk time: h (Methanol) vs. 5 h (Li-Ion) Standby: 41 d (Methanol) vs. 11 d (Li-Ion) * 燃料插卡式設計，不須充電時間 無污染與回收問題 價廉─量產價可低於鋰電池之1/3 * * 數據資料來源： Manhattan Sci. Inc 年簡報資料 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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2002 全世界運轉與銷售之燃料電池 (kW) 燃料電池種類 USA etc Japan Europe Total % , PEMFC 13, , , , PAFC 1, , , , MCFC , SOFC 15, , , , Total % Data Source: Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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世界燃料電池市場 % Annual Growth 2000/1995 % Annual Growth 2005/2000 (單位：百萬美元) World FC Market 1, , , United States , Canada & Mexico Western Europe , Japan , Other Asia & Pacific Rest of the World Data Source: Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan

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相關文獻 Larminie, J. and Andrew, D., Fuel Cell Systems Explained, John Wiley & Sons, Chichester, UK, 2000. von Spakovsky, M.R., Nelson, D.J., Ellis, M.W., Olsommer, B. and Ogburn, M.J., “A Multi-/Inetr-Disciplinary Approach to Fuel Cell System Development: The U.S. DoE GATE Center for Automotive Fuel Cell Systems at Virginia Tech,” SAE Paper Li, Xianguo, Fuel Cell Technology, Lecture Notes, Taiwan, 2001. 黃倬, 屠海令, 張冀強, 詹鋒, 質子交換膜燃料電池的研究開發與應用, 北京冶金工業出版社, 2000 李瑛, 王林山, 燃料電池, 北京冶金工業出版社, 2000 曲新生, 質子交換膜燃料電池之關鍵技術及其應用, 南台科技大學講稿 Dept of Greenergy, National University of Tainan W.M. Yan