能源科技概論 第八章 氫能

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能源科技概論能源科技概論 第八章第八章

氫能氫能

臺北城市科技大學機械工程系

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可攜式燃料電池可攜式燃料電池

Voller Energy V100Voller Energy V100能碩能碩 (EnerMaster)(EnerMaster)EM-H1000D1EM-H1000D1

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Masterflex Fuel Cell Bike Masterflex Fuel Cell Bike 美國美國 HondaHonda 氫燃料電池汽車氫燃料電池汽車

運輸用燃料電池運輸用燃料電池

( 圖片摘自 http://www.hydrogencarsnow.com/ hydrogencars2005.htm)

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UTC Fuel Cells UTC Fuel Cells 5kW Energy Center 5kW Energy Center

MTU Hot Module (MCFC) MTU Hot Module (MCFC)

定置型燃料電池定置型燃料電池

( 圖片摘自 http://www.fuelcelltoday.com)

( 圖片摘自 http://www.fuelcelltoday.com)

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微小型燃料電池微小型燃料電池ToshibaToshiba

( 圖片摘自 http://www.adpulp.com/archives/2005/09/batteries_stink.php#)

( 圖片摘自 http://www.electronista.com/articles/09/02/25/sony.fuel.cell.chargers/)

SonySony

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什麼是燃料電池？什麼是燃料電池？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

燃料電池燃料電池 鋰電池、鹼性電池、鉛酸電池鋰電池、鹼性電池、鉛酸電池

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fuel ( 化學能 )

熱能 steam( 高溫高壓 )

running turbine( 機械能 )

running generator( 電能 )

Fuel CellFuel Cell( 電化學反應 )

O2

H2

H2O

電能電能

傳統電能轉換過程

什麼是燃料電池？什麼是燃料電池？

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燃料電池基本原理燃料電池基本原理

2 2 2

2

2 2

Anode: 2 2

1Cathode: 2 2

2

Overall: 1

2

H H e

O H e

H

H O

O H O

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。

H2O2

e-

H2O2

e-

白金電極 (Pt electrodes)

酸性電解質 (dilute acid electrolyte)

A

水電解反應 氫氧燃料電池反應+ -

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圖片來源 : PEM Fuel Cells – Theory and Practice, by F. Barbir, Elsevier Inc. (2005)

燃料電池的發展燃料電池的發展燃料電池發明燃料電池發明

太空計畫太空計畫

新產業誕生新產業誕生

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為什麼使用燃料電池？為什麼使用燃料電池？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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燃料電池的限制燃料電池的限制

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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燃料電池的種類燃料電池的種類溫度 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 天然氣、甲醇、汽油

精煉氫氣、電解副產氫氣

天然氣、甲醇、輕油

天然氣、甲醇、石油、煤碳

天然氣、甲醇、石油、煤碳

電流密度 高 高 普通 普通 高

可能應用領域

小型發電機組、分散型發電、移動式電源、運輸工具電源

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燃料電池的基本結構

電負載

質子交換膜 Electrolyte membrane

氣體擴散層 GDL

觸媒層 Catalyst Layer

陽極流道Anode flow channel

集電區Current Collector

石墨流道板GraphiteGraphiteend/bipolar plateend/bipolar plate

陰極流道Cathode flow channel

e-e-

e-e-

H+

H2 O2

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MembraneMembrane

CatalystCatalystC/Pt-RuC/Pt-Ru

CatalystCatalystC/PtC/Pt

Anode GDLAnode GDL Cathode GDLCathode GDL

SOURCE: Antig

膜電極組膜電極組 (MEA)(MEA)

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觸媒電極觸媒電極

圖片來源： Journal of Power Sources 74 (1998) 211-218

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Electrochimica Acta 49 (2004) 4149–4156

碳紙碳紙碳布碳布

氣體擴散層氣體擴散層

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雙極板雙極板

Freudenberg-NOK

- sealing technology

http://www.ornl.gov/sci/fuelcellprogram/projects.html

Oak Ridge National LaboratoryMetallic Bipolar Plates

Schunk Graphite Technology- compression molding

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電池堆電池堆

( 圖片來源： http://www.greencarcongress.com/2008/03/bac2-introduces.htm)l

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Ballard Power Systems (Canada)

電池堆電池堆

ESORO hyCar( 圖片摘自 Ballard 公司網頁 )

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氫氣儲存系統氫氣儲存系統

( 圖片摘自 Quantum technologies, Inc. 公司網頁 )

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燃料電池系統燃料電池系統

World's First Hydrogen Fuel-Cell, Plug-In Electric Hybrid Bus (Burbank)

Fuel Cell Hydrogen Vehicle (FCHV, Toyota) ( 圖片摘自 http://www.toyota.com/esq/articles/2010/FCHV_ADV.html)

( 圖片摘自 http://www.fuelcelltoday.com)

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MOTOROLA’s MOTOROLA’s IMPRESIMPRESTMTM Charger Package (1W) Charger Package (1W)

燃料電池系統燃料電池系統

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製氫技術製氫技術

1.氣態燃料蒸氣重組或部分氧化2.液態燃油蒸氣重組或部分氧化3.煤的氣化4.水電解5.生質酒精改質6.生物質熱解7.藻類光合製氫

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氫基礎設施氫基礎設施Honda’s Solar Hydrogen Refueling Station, Japan

Hydrogen station (Denmark)

http://www.ecofriend.org/entry/honda-debuts-solar-powered-hydrogen-fueling-station/

http://www.vatgas.se/shhp/news.html

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再生式燃料電池系統再生式燃料電池系統

electrolyser

fuel cell

solar cell

demonstration of a fuel cell fueled by an electrolyser driven by solar cells

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附 錄附 錄

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3 2

26 6

CH OH H O

H e CO

2

2

36 6

23

H e O

H O

3 2 2 2

32

2CH OH O CO H O

OxidationOxidation

ANODEANODE

ReductionReduction

CATHODECATHODE

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

(Figure source: Antig’s website)

陽極 陰極甲醇甲醇

水溶液水溶液氧氣氧氣

二氧化碳二氧化碳

水水

DMFC DMFC 基本原理基本原理

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DMFCDMFCDMFCDMFC

甲醇Chemical Energy (Em)

水Chemical Energy (Ew)

氧Chemical Energy (Eo)

熱熱

電能電能Energy (Ee)

二氧化碳Chemical Energy (Ec)

3 2 2 2

32

2CH OH O CO H O

Em + Eo = Ee + Ew + Ec + Heat chemical energy: Gibbs free energy of formation gf

depends on the state and temperature

DMFC DMFC 能量轉換能量轉換

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(1)

(2)

(3)

(4)

TerminologiesTerminologies - overvoltage / overpotential, polarization, irreversibility,

losses, voltage drop

Causes of overvoltagesCauses of overvoltages - activation losses- fuel crossover and

internal currents- ohmic losses- mass transport or

concentration lossesFig. source: Fig. source: Larminie, J., and Dicks, A. 2003. Fuel Cell Systems Explained. Ed. 2nd. New York: John Wiley & Sons, Ltd.

燃料電池極化曲線燃料電池極化曲線

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燃料電池的效能燃料電池的效能

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 1 2 3 4 5

Current (A)

Vo

ltag

e (

V)

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91

Po

we

r (W

)

IV5 P5

operation voltage: about 0.3V-0.4V

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Title:Title: Diagram of a Diagram of a working Ceramic working Ceramic Fuel Cell CHP unit Fuel Cell CHP unit

Description:Description: This This diagram shows a diagram shows a SOFC CHP unit SOFC CHP unit designed by designed by Ceramic Fuel CellCeramic Fuel Cell..

Source:Source: Ceramic Ceramic Fuel Cells LimitedFuel Cells Limited

熱電共生 熱電共生 (CHP)(CHP)

( 圖片摘自 http://www.fuelcelltoday.com)