燃料电池专题报告 - blogsciencenetcn

燃料電池
未來或許我們可以 將電廠裝在手提包中隨身攜帶， 只要將「它」連接到任何電器上，一切就 搞定了。 「它」就是當前正在積極發展中的燃料電 池。
前言


近幾年來，由於燃料電池（Fuel Cell）技 術創新突破，再加上環保問題、能源不足 等多重壓力下，國際間政府、汽車、電力、 能源產業等單位，漸漸重視燃料電池科技 發展，而國內也處於相同情況。另外，國 內將Fuel Cell譯為「燃料電池」，但其實它 並非電池，而是經由電化學反應之發電機， 譯為「環保發電機」似乎較為妥適。
燃料電池的演進

燃料電池（fuel cell）是一種將燃料的化學 能，透過電化學反應直接轉換成電能的裝 置。其發展歷史可追溯至一八三九年，首 先由威廉．羅伯特．葛羅夫爵士（Sir William Robert Grove）所發明，該系統是 使用稀釋的硫酸當做液態電解質，成功地 產生電能。經過不斷的研究，能司特在一 八九九年，首度發現固態電解質的導電行 為。而第一個陶瓷型燃料電池則在一九三 七年，由鮑爾與葡來司首先示範成功。
高溫燃科電池
(600—1000℃) 類型 應用 開發的狀態 特性 MCFC 熔融碳酸燃料電池 聯合循環熱電廠、電廠船、鐵路用車 容量為280kW至2MW的試驗電廠 有效利用能源 低噪音水平 SOFC 固態氧燃料電池 電廠、家庭電源傳送 100kW的試驗電廠 有效利用能源 低噪音水平
沒有外部氣體配置

乾淨

燃料電池的發電過程幾乎沒有造成任何污 染。如果以11百萬瓦燃料電池的發電廠為 例，電廠運轉的氮氧化物排放量為1PPM， 也沒有硫氧化物及粒狀污染物，比目前最 清潔的天然氣發電廠還乾淨，同時具備低 噪音、安靜等特色。
質子交換膜燃料電池工作原理
質子交換膜型﹝PEMFC﹞其反應式如下： 陽極 H2 + → 2H + 2e 陰極 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O 全反應 1/2 O2 + H2 → H2O 質子交換膜型﹝PEMFC﹞燃料電池為了加速電極 的反應，電極中通常會加入催化劑如鉑﹝白金﹞， 但由於PEMFC內需含水分，所以操作溫度必須控 制在100℃以下，此時鉑容易產生不完全反應並製 造出一氧化碳﹝CO﹞，進而失去催化的效果，因 此多加入銠或銥等貴金屬於鉑之中，如此一來成 本就向上攀升。

燃料電池工程中心進行電池材料的制備， 研究SOFC的新型結構和組裝技術並進行 SOFC的應用基礎研究。已掌握LSM陰極， Ni-YSZ陽極及高溫密封材料的制備工藝。 開發出中溫SOFC用大面積Ni-YSZ 多孔陽 極基膜和負載YSZ 緻密膜以及電極-膜三合 一的制備工藝，制備的負載YSZ 緻密膜厚 度小於10μm。中溫SOFC在800℃時的功率 密度達到0.15W/cm2。目前正在進行千瓦級 電池組的開發。
（3）磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC） （4）熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC）
（5）固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）
以溫度分類
低溫型 ─ PEMFC(80-100oC) AFC(60-220oC) PAFC(180-200oC) 中溫型 ─ MCFC(650oC) 高溫型 ─ SOFC(1200oC)


中科院材料之研究領域則包含：電極觸媒、碳材 電極、氣體擴展層(gas diffusion layer)、複合石墨 雙極板，及電池堆設計開發。 工研院材料所及核能研究所燃材組，也積極從事 關鍵材料零組件研發工作，研發目標以應用家電、 資訊、通訊(3C)電源供應產品為主。
學術單位方面，則有元智大學投入燃料電池應用 領域的研究，其近程目標是PEM 燃料電池的研發； 長程目標則是直接式甲醇燃料電池(DMFC)及固態 氧化物燃料電池(SOFC)的研發。 能源委員會的燃料電池計畫，目前則先由PEM 燃 料電池著手研發。
熔融碳酸鹽燃料電池工作原理

熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶 瓷電解質隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構成的 燃料電池。其電解質是熔融態碳酸鹽。 反應原理示意圖如下： 陰 極： O2 + 2CO2 + 4e - →2CO32陽 極： 2H2 + 2CO32- → 2CO2 + 2H2O + 4e– 總反應： O2 ＋ 2H2 → 2H2O
燃料電池的種類

以燃料電池之電解質（electrolyte）來區分， 它可分為五種。
若以溫度分類 ，可分為三種 高溫型、中溫型、低溫型。

電解質（electrolyte）來區分
（1）鹼性燃料電池（Alkaline Fuel Cell, AFC） （2）質子交換膜燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell, SPEFC; 或Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）

美國巴拉德動力系統公司於1993年首次研製出概 念車，1995年又推出新款，1997年該公司的16輛 燃料電池公共汽車分別在美國的芝加哥和加拿大 的溫哥華試運行。

德國戴姆勒—奔馳公司雖起步較晚，但發展速度 驚人，它與巴拉德公司合作，投資約10億美元，3 年內推出四種車型，大有後來居上之勢。1994年 研製出氫燃料電池驅動多用途車(麵包車)NeCarI。 緊接著又推出NeCarII，該車為多用途車，採用25 千瓦的質子交換膜燃料電池組，最高時速110英里。 1997年5月戴姆勒—奔馳公司的燃料電池公共汽車 亮相 。


通用汽車公司的樣車已經推出，該車以 Chevy麵包車為基礎，裝50千瓦甲醇燃料電 池系統。公司將在2004年之前開發出可投 入生產的燃料電池汽車。 福特公司不局限於與巴拉德公司的合作， 它還與莫比爾合作，共同開發小型燃料轉 化裝置，即從碳氫燃料(如汽油和柴油)中提 取燃料電池用氫氣技術。


理論探討

燃料電池的運作原理（如圖1），也就是電池含有 陰陽兩個電極，分別充滿電解液，而兩個電極間 則為具有滲透性的薄膜所構成。氫氣由燃料電池 的陽極進入，氧氣（或空氣）則由陰極進入燃料 電池。經由催化劑的作用，使得陽極的氫原子分 解成兩個氫質子（proton）與兩個電子 （electron），其中質子被氧『吸引』到薄膜的另 一邊，電子則經由外電路形成電流後，到達陰極。 在陰極催化劑之作用下，氫質子、氧及電子，發 生反應形成水分子，因此水可說是燃料電池唯一 的排放物。
克萊斯勒公司決定開發汽油燃料電池汽車， 計劃1999年推出示範樣車，2005年生產樣 型車
除此之外，菲亞特、雷諾、沃爾沃以及 標誌等公司採用意大利迪諾拉的燃料電池， 開發出或正在開發燃料電池汽車。大眾、 寶馬、日產和三菱都有自己的燃料電池開 發計劃。

燃料電池未來可能發展的方向或展望
展望

目前成功的燃料電池應用實例有大型發電 機、火箭能源供應器、機動車輛能源供應 器等等。近來，將燃料電池微型化，並運 用於可攜式電子產品(包括行動電話、手提 電腦、數位相機等)，或作為可攜型發電機， 更成為新一波的發展趨勢。更加微小的設 計則可運用於長放型微感測器、分離式通 訊系統上。不論其尺寸大小，燃料電池總 有其能源效率高、污染性低之優點，特別 是降低大氣污染及減少二氧化碳的排放， 將是其發展的優勢。



漸入佳境的燃料電池汽車

1998年3月，美國《財富》雜誌的評論聲稱：「燃 料電池將會把那些驅動世界轎車、卡車以及公共 汽車的嘈雜而又污染環境的活塞發動機淘汰，就 像淘汰蒸汽機那樣。」是否將來真是如此，暫且 不論。但近年燃料電池汽車的開發進展之大和商 業化步伐之快確是實實在在的，為世人所矚目。 隨著各大汽車製造廠家的積極參與、投入的驟增 以及技術的進步，幾經沉浮的燃料電池汽車的開 發已經駛出實驗室，開始其商業化進程，進入一 個富有挑戰與機遇發展階段。
再生氫氧燃料電池工作原理

再生氫氧燃料電池將水電解技術(電能 +2H2O→2H2+O2)與氫氧燃料電池技術 (2H2+O2→H20+電能)相結合 ,氫氧燃料電 池的燃料 H2、氧化劑O2可通過水電解過程 得以「再生」, 起到蓄能作用。可以用作空 間站電源。
固態氧化物燃料電池工作原理

日本豐田公司於1997年法蘭克福汽車展上展出了 RV4A多用途燃料電池汽車，該車採用甲醇燃料電 池，具有再生(發電)制動功能。公司總裁聲稱要 在市場上擊敗戴姆勒—奔馳。 日本馬自達公司一直在進行燃料電池開發計劃， 1997年12月推出它的第一輛燃料電池轎車。該車 以Demio多用途車為基礎，設計最高時速為每小 時90公里，行程170公里，動力系統由一個20千瓦 的燃料電池組、氫吸附金屬氫化物儲氫罐、小空 氣壓縮機和20千瓦超級電容器組成。
台灣燃料電池研發現況
台灣最早期從事燃料電池研究及推廣單位， 是經濟部能源委員會及工研院能資所，但其 研究均屬小規模。及至最近3、4年，各單位 更擴大投入規模，分述如下。

工研院能資所，規劃在未來4年內，開發3~5kw小 型家用PEM燃料電池，包含電池堆、燃料重組器 及關鍵材料。 台灣經濟研究院預期將於2002年完成第四代燃料 電池，量產應用於電動機車，其機車最終目標為： 極速85km/hr、續航力160km、總重量100公斤以 下，換氫氣罐時間五分鐘內。
電解體 燃料 日化劑 系統的電效率 從事燃料電池得 研究和開發 的公司
氫氧化鉀溶液 純氫 純氫 60-90％ 美國國際燃料電池公司
中溫燃料電池
(160—220℃) 類型 應用 開發的狀態 特性 PAFC 磷酸燃料電池 熱電聯產電廠 具有200kW功率的電池在工業中的應用(大約160個電廠) 低污染排放 低噪音水平 是熱電聯產電廠的三倍費用 隨著連續運行電效率降低 隨著連續運行電效率的減小 電解體 燃料 日化劑 系統的電效率 從事燃料電池得研究和開發 的公司 磷酸 天然氣，氫 大氣中的氫氣 37-42％ 美國Onsi公司 日本宣士電機公司 日本三菱公司 日本三洋公司 日本東芝公司