燃料電池技術(II) 台灣大學機械工程系能源環境實驗室

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1 燃料電池技術(II) 台灣大學機械工程系能源環境實驗室
H.K. Ma Department of Mechanical Engineering National Taiwan University, Taipei, Taiwan November, 2009 台灣大學機械工程系能源環境實驗室

2 Introduction of Fuel Cell
Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) Unitilized Regenerative Fuel Cell (URFC) Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Clean H- Energy, Green Si-Island

3 直接甲醇燃料電池(DMFC)之工作原理 DMFC 電池溫度(temperature):60~80°C
Clean H- Energy, Green Si-Island Polymer Electrolyte Membrane (PEM) Anode 電池溫度(temperature):60~80°C 陽極(Anode): 白金-釕(Pt-Ru) supported on 碳粉(carbon) 陰極(Cathode):白金(Pt) supported on 碳粉(carbon) 電解質(Electrolyte): Perfluorinated sulfonic acid in solid polymer form (Nafion) Cathode ) Methanol (CH3OH) + Water Oxygen (O2) from the Air H+ Electrical Circuit e- H2O MeOH Carbon Dioxide (CO2) Water (H2O) Anode reaction: CH3OH + H2O Þ CO2 (g) + 6H+ + 6e– Cathode reaction: 3/2 O2 + 6H+ + 6e– Þ 3 H2O Net cell reaction: CH3OH + 3/2 O2 Þ CO2 (g) + 2H2O + We + Waste Heat DMFC

4 91~94Y關鍵技術的研發 DMFC

5 (25 cm2) 5-cell 10W Stack Performance DMFC Membrane: Nafion 117
Clean H- Energy, Green Si-Island Performance Membrane: Nafion 117 Anode: Pt-Ru-4mg/cm2 (Pt-Ru black) Cathode: Pt-4mg/cm2 (Pt black) Cell temp:70oC Fuel/Oxidant : 2M MeOH/O2 Active area:25cm2 DMFC

6 電池堆技術 O2 methanol DMFC

7 國內DMFC技術應用 DMFC 工研院材料所 (手機,筆記型電腦) 核研所, 2003/2 (手機) 元智大學,2004/9 (手機充電器)
Clean H- Energy, Green Si-Island 工研院材料所 (手機,筆記型電腦) 核研所, 2003/2 (手機) 元智大學,2004/9 (手機充電器) DMFC

8 Notebook fuel cell Hannover, Germany March 10, 2005
Tell us your opinionCeBIT: Another fuel cell prototype has been launched but this time it comes with a firm commitment to launching a finished product this year Taiwanese company Antig Technology(勝光科技) has developed a compact prototype fuel cell integrated into a notebook PC. The prototype, which is the size of a CD-ROM disk and is pictured below, was demonstrated at CeBIT trade show in Hannover, Germany, on Thursday. The company also showed off a prototype 12W fuel cell for notebook PCs and a prototype fuel cell charger for mobile phones. Commercial versions of the prototypes for notebooks and mobile handheld devices are expected to be available by late 2005.

9 Anting’s Strategy

10 DMFC技術於軍事運用 燃料槽 DMFC Specification: 12V, 50W, 80Hr 38x26x15cm, 8kG
Fuel cartridge: M5, 4kwh, 5L, 4.2kg Sale price: USD $3490 DMFC

11 Introduction of Fuel Cell Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)
Clean H- Energy, Green Si-Island Introduction of Fuel Cell Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) Unitilized Regenerative Fuel Cell (URFC) Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

12 與水電解(Electrolyzer)之工作原理
燃料電池(Fuel Cell) 與水電解(Electrolyzer)之工作原理 Clean H- Energy, Green Si-Island URFC

13 再生型燃料電池(Regenerative FC)
均一化再生型燃料電池(URFC) Clean H- Energy, Green Si-Island Regenerative Fuel Cell (RFC) Unitized Regenerative Fuel Cell (URFC) URFC

14 URFC材料考量 URFC Electrolyte H2電極 O2電極 Fuel Cell Nafion Pt Electrolyzer
Clean H- Energy, Green Si-Island Electrolyte H2電極 O2電極 Fuel Cell Nafion Pt Electrolyzer IrO2 URFC Pt/IrO2 URFC

15 URFC應用 無人偵察機系統 URFC 2004/9(教具) NASA(USA)
Clean H- Energy, Green Si-Island 2004/9(教具) NASA(USA) 無人偵察機系統 URFC

16 Introduction of Fuel Cell Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) Unitilized Regenerative Fuel Cell (URFC) Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Clean H- Energy, Green Si-Island

17 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)
固態氧化物燃料電池 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) Clean H- Energy, Green Si-Island 電池溫度(temperature): °C 陽極(Anode): Nickel-Zirconia cermet (Ni-ZrO2) 陰極(Cathode): Modified lanthanum manganite Electrolyte: Yttria (Y2O3) stabilized Zirconia (ZrO2) Anode (half-cell) reaction: H2 + O2 – Þ H2O + 2e– (CO + O2 – Û CO2 + 2e–) Cathode (half-cell) reaction: ½ O2 + 2e– Þ O2 – Net cell reaction: H2 + ½ O2 Þ H2O + We + Waste Heat (CO + ½ O2 Þ CO2) SOFC

18 Material Components 空氣(Air) Flow field plate(Stainless)
Clean H- Energy, Green Si-Island 空氣(Air) Flow field plate(Stainless) Cathode ((LaSrMn)O3 ) Electrolyte (YSZ (8Y) ) Anode (NiO+YSZ) Natural Gas SOFC Anode supported electrolyte (Leatech)

19 電池堆設計(Stack Design) Characteristics SOFC 平板型設計(Planar cell design)
Clean H- Energy, Green Si-Island Characteristics 平板型設計(Planar cell design) 內部分流(Internally manifolded) 不繡鋼雙極板(Stainless steel interconnects, current collector, end plates) 金屬密封材質(metal seal) 陶瓷骨架設計(Frame Design) SOFC

20 表2-2-1 各種燃料電池的種類與特性 電池種類 磷 酸 (PAFC) 熔融碳酸鹽 (MCFC) 固態氧化物 (SOFC) 鹼 性
表 各種燃料電池的種類與特性 電池種類 磷     酸 (PAFC) 熔融碳酸鹽 (MCFC) 固態氧化物 (SOFC) 鹼       性 (AFC) 質子交換膜 (PEMFC) 電解質 H3PO4 Li2CO3-K2CO3 ZrO2 KOH 含氟質子交換膜 陽極 C(含Pt) Ni(含Cr，Al) 金屬(Ni，Zr) 陰極 NiO 金屬氧化物如LaMnO4 C(含觸煤) C(含Pt)、鉑黑 流動離子 H+ CO32- O2- OH- 操作溫度 180~2000C ~6500C ~10000C 室溫~1000C 室溫~800C 操作壓力 < 120 psia 常壓 < 60 psia < 30 psia 可用燃料 天然氣、甲醇、輕油 天然氣、甲醇、石油、煤碳 精煉氫氣、電解副產氫氣 天然氣、甲醇、汽油 池體材料 石墨 鎳、不鏽鋼 陶瓷 合成樹脂 特        性 1.進氣中CO會導致觸媒中毒。 2.廢熱可予利用。 1.不受進氣CO影響 2.反應時需循環使用CO2。 3.廢熱可利用。 2.高溫反應，不需依賴觸煤的特殊作用。 1.需使用高純度氫氣做為燃料。 2.低腐蝕性及低溫較易選擇材料。 1.功率密度高，體積小，重量輕。 2.低腐蝕性及低溫，較易選擇材料。 優       點 對CO2不敏感 可用空氣作氧化劑 可用天然氣或甲烷 作燃料 可用天然氣或甲烷作燃料 啟動快 室溫常壓下工作 1. 壽命長 2. 可用空氣作 氧化劑 3. 室溫工作 4. 功率大 5. 啟動迅速 6. 輸出功率可 隨意調整 缺      點 對CO敏感 工作溫度高 成本高 低於峰值功率輸出時性能下降 工作溫度較高 工作溫度過高 需以純氧作氧化劑 對CO非常敏感 反應物需要加濕 電池內重組 之可能性 可能 非常可能 不可能 系統效率 40 % 50 % 用        途 汽電共生 分散型發電 離島地區發電 移動式電源 運輸工具之電源 取代大規模火力發電 取代中規模火力發電 太空船 潛水艇 小型發電機組

21 Research Programs 電池堆設計(Stack Design) 數值模擬(Dynamics of SOFC System)
Clean Energy, Green Island 電池堆設計(Stack Design) 數值模擬(Dynamics of SOFC System) 電池性能評估技巧(Performance Evaluated Ability) SOFC

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