Transcript Chap_8_氫能

能源科技概論
第八章
氫能
臺北城市科技大學
機械工程系
TPCUFCLab
可攜式燃料電池
TPCUFCLab
Voller Energy V100
能碩(EnerMaster)
EM-H1000D1
Page 1
運輸用燃料電池
Masterflex Fuel Cell Bike
TPCUFCLab
美國Honda氫燃料電池汽車
(圖片摘自http://www.hydrogencarsnow.com/
hydrogencars2005.htm)
Page 2
定置型燃料電池
UTC Fuel Cells
5kW Energy Center
TPCUFCLab
MTU Hot Module (MCFC)
(圖片摘自http://www.fuelcelltoday.com)
(圖片摘自http://www.fuelcelltoday.com)
Page 3
微小型燃料電池
Toshiba
(圖片摘自
http://www.adpulp.com/archives/2
005/09/batteries_stink.php#)
TPCUFCLab
Sony
(圖片摘自
http://www.electronista.com/articles/0
9/02/25/sony.fuel.cell.chargers/)
Page 4
什麼是燃料電池？
TPCUFCLab
 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
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什麼是燃料電池？
傳統電能轉換過程
fuel
(化學能)
running generator
(電能)
O2
H2
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steam
(高溫高壓)
熱能
running turbine
(機械能)
Fuel Cell
(電化學反應)
H2O
電能
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燃料電池基本原理
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 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
-
+
O2
H2
e-
氫氧燃料電池反應
A
eO2
H2
Anode: H 2  2 H   2e 
1
O2  2 H   2e   H 2O
2
1
Overall: H 2  O2
H 2O
2
Cathode:
酸性電解質
(dilute acid electrolyte)
白金電極 (Pt electrodes)
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燃料電池的發展
TPCUFCLab
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)
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為什麼使用燃料電池？
TPCUFCLab
 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。
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燃料電池的限制
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1. 成本高
2. 功率密度受限
3. 氫燃料取得與儲存技術
4. 操作溫度的影響
5. 對於環境污染物的敏感性
6. 耐久性議題
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燃料電池的種類
溫度
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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
電流密度
天然氣、甲醇、 精煉氫氣、電 天然氣、甲醇、 天然氣、甲醇、 天然氣、甲醇、
汽油
解副產氫氣
輕油
石油、煤碳
石油、煤碳
高
小型發電機組、
分散型發電、
可能應用領域
移動式電源、
運輸工具電源
高
普通
普通
高
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
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燃料電池的基本結構
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電負載
e-
石墨流道板
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
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膜電極組(MEA)
Anode GDL
Membrane
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Cathode GDL
Catalyst
C/Pt
Catalyst
C/Pt-Ru
SOURCE: Antig
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觸媒電極
TPCUFCLab
圖片來源： Journal of Power Sources 74 (1998) 211-218
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氣體擴散層
碳布
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碳紙
Electrochimica Acta 49 (2004) 4149–4156
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雙極板
Schunk Graphite Technology
- compression molding
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Oak Ridge National Laboratory
Metallic Bipolar Plates
http://www.ornl.gov/sci/fuelcellprogram/projects.html
 Freudenberg-NOK
- sealing technology
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電池堆
TPCUFCLab
(圖片來源：http://www.greencarcongress.com/2008/03/bac2-introduces.htm)l
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電池堆
ESORO hyCar
TPCUFCLab
Ballard Power Systems (Canada)
(圖片摘自Ballard公司網頁)
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氫氣儲存系統
TPCUFCLab
(圖片摘自Quantum technologies, Inc.公司網頁)
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燃料電池系統
Fuel Cell Hydrogen Vehicle (FCHV, Toyota)
(圖片摘自http://www.toyota.com/esq/articles/2010/FCHV_ADV.html)
TPCUFCLab
World's First Hydrogen Fuel-Cell,
Plug-In Electric Hybrid Bus (Burbank)
(圖片摘自http://www.fuelcelltoday.com)
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燃料電池系統
TPCUFCLab
MOTOROLA’s IMPRESTM Charger Package (1W)
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製氫技術
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
TPCUFCLab
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
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氫基礎設施
Honda’s Solar Hydrogen Refueling
Station, Japan
http://www.ecofriend.org/entry/honda-debutssolar-powered-hydrogen-fueling-station/
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Hydrogen station
(Denmark)
http://www.vatgas.se/shhp/ne
ws.html
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再生式燃料電池系統

TPCUFCLab
demonstration of a fuel cell fueled by an
electrolyser driven by solar cells
fuel
cell
electrolyser
solar
cell
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TPCUFCLab
附
錄
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DMFC 基本原理
TPCUFCLab
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
陽極
Oxidation
ANODE
陰極
甲醇
水溶液
Reduction
CATHODE
氧氣
3
6 H  6e  O2
2
 3H 2 O

CH 3OH  H 2 O 
6 H   6e   CO2

水
二氧化碳
(Figure source:
Antig’s website)
3
CH 3OH  O2  CO2  2 H 2O
2
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DMFC 能量轉換
3
CH 3OH  O2  CO2  2 H 2O
2
TPCUFCLab
電能
Energy (Ee)
甲醇
水
Chemical
Energy (Em)
DMFC
Chemical
Energy (Ew)
氧
二氧化碳
Chemical
Energy (Eo)
Chemical
Energy (Ec)
熱
 Em + Eo = Ee + Ew + Ec + Heat
 chemical energy: Gibbs free energy of formation gf
depends on the state and temperature
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燃料電池極化曲線
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Terminologies
- overvoltage / overpotential, polarization, irreversibility,
losses, voltage drop
Causes of overvoltages
- activation losses
- fuel crossover and
internal currents
- ohmic losses
- mass transport or
concentration losses
(2)
(1)
(3)
(4)
Fig. source: Larminie, J., and Dicks, A. 2003. Fuel Cell Systems
Explained. Ed. 2nd. New York: John Wiley & Sons, Ltd.
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燃料電池的效能
operation voltage:
about 0.3V-0.4V
P5
0.6
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Voltage (V)
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
1
2
3
4
Power (W)
IV5
TPCUFCLab
5
Current (A)
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熱電共生 (CHP)
TPCUFCLab
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)
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