科技專題:燃料電池的應用與優缺點

裝氫燃料的充氣站依然罕見,目前世界各地約有70處氫氣補充點:美國與歐洲各24處,日本12處,另有10處則分佈於其他各地。(引自《科學人雜誌網站》http://sa.ylib.com/)
更新: 2006-12-11 10:26:14 AM   標籤:tags: 燃料電池 , 氫氣 , 氫燃料

【大紀元12月11日訊】(大紀元記者陳常鵬綜合報導)近年來油價不斷飆高,全球能源頗有面臨枯竭之憂。另一方面石化燃料燃燒產生之廢氣所致之溫室效應,已在全球各地屢釀巨禍。世界為達成後京都議定書時代溫室氣體減量的目標,科技大國紛紛尋求潔淨且具經濟效益的替代性能源。以氫氣為燃料的燃料電池(Fuel Cell),具有零污染、高電能轉換效率、低噪音及可再生性等特點,已成為為全球寄予厚望的綠色能源。繼前文介紹過燃料電池的演進及種類後,本篇再介紹燃料電池的應用、優點及目前的技術瓶頸,作一總結。

燃料電池的應用
自燃料電池的原理被發現至今一百六十多個年頭以來,雖然其技術的發展曾因石化燃料豐富的蘊藏配合內燃機技術的迅速發展而被忽視過。但由於工業時代的經濟環境,放縱人類慾望的無限制擴張,在競爭下為求立即的享樂及獲利,資源的耗用罕有節制,更遑論與大自然之諧調,總總因素加速了地球石油能源的耗盡,並造成環境的污染。1970年代以來歷經幾波的能源危機與1980年代後日漸高漲的環保意識,人們終於肯正視無度工業化的弊端,各工業大國均開始倡導綠色能源之利用。

在此背景下,燃料電池近幾年來的應用與發展逐漸開花結果,不但提升了供電性能,其應用亦已深入至人們每日的食衣住行。小至行動電話、膝上型電腦;大至太空梭、高樓大厦、發電廠等都有燃料電池發揮的空間。在此依各種不同的應用,將燃料電池分為以下幾種類型。

固定式發電
目前全世界已有超過2,500個燃料電池發電系統正在運作,供應醫院、療養院、旅館、辦公大樓、學校、機場及發電廠等之主要或備援的電力。在大型的建築系統中,使用氫燃料發電設備與傳統的電力供應服務相比,可節省20~40%的設施運轉費用。若技術不斷提昇又能兼顧製造成本的降低,燃料電池輸電系統甚可能在未來取代現行的高壓電力網絡之供電模式。

住宅用電
燃料電池技術用於重要地區之高壓輸配電線路網的輔助電力或備用電力,或是用在獨立於電力網之外的偏遠地區或電力電纜難以到達的現場之電力供應等,均是理想的發電裝置。此外,由於燃料電池運作時幾乎無噪音,空氣污染近乎零,而且排放的廢熱還可以回收用於產生熱水及暖氣,故特別適於家居之應用。現行許多正在測試的原型系統或住宅示範案例,均採用原地供應的天燃氣或丙烷作為燃料。

交通運輸
所有的汽車主要大廠均在發展燃料電池車輛(Fuel Cell Vehicle),有的已進入試產階段。本田(Honda)與豐田(Toyota)汽車均已在美國加州及日本當地開始經營出租FCV的業務。由於燃料載運技術的瓶頸及氫氣供應基礎建設之不足,汽車業者及專家們大多認為,2010年以前FVC汽車尚無法真正商業化。
其它運輸工具的應用也是料想得到的,諸如巴士、列車、飛機、摩托車、高爾夫球車、堆高機等,舉凡現已有電氣化設計的車輛均可適用。

可攜式電源
小型化的燃料電池一旦成功地進入市場,消費者使用行動電話想要一個月內都不須充電的願望應可實現。燃料電池可能改變通訊技術的發展,為筆記型電腦、個人數位助理器、可攜式影音媒體播放器等,提供比二次充電電池更長的供電時間。

由於燃料電池具有可微型化的特點,未來可應用於攝像機、可攜式工具、低功率遙控裝置、助聽器、煙火檢知器、防盜器及軍用品等,不一而足。目前正值研發階段的直接甲醇式燃料電池(DMFC)是這型應用的主流。甲醇即俗稱之木精或工業酒精,為廉價的燃料,但電能轉換效率是所有燃料電池之最差者。

垃圾掩埋場及廢水處理廠
垃圾掩埋及廢水處理中常會產生沼氣,其主要成份為甲烷氣體。將此種氣體經過轉化器之作用即可萃取出氫氣。目前美國各地的許多掩埋場及廢水廠皆已採用燃料電廠方案,一方面減少廢氣的排放量,另一方面又將其回收利用來產生電力,供應廠區自身所需的電力。


◎ 燃料電池的優勢
目前的科技手段中,尚沒有一項能源生成技術能如燃料電池一樣將諸多優點集合於一身。

能源安全性
自1970年代的石油危機後,各大工業國對石油的依賴仍有增無減,而且主要靠石油輸出國的供應。美國載客車輛每日可消耗約600萬桶油,佔油料進口量之85%。若有20%的車輛採用燃料電池來驅動,每日便可省下120萬桶油。

國防安全性
燃料電池發電設備具有散佈性的特質,它可讓地區擺脫中央發電站式的電力輸配架構。長距離、高電壓的輸電網絡易成為軍事行動的攻擊目標。燃料電池設備可採集中也可採分散性配置,進而降低了敵人欲癱瘓國家供電系統的風險。

高可靠度供電
燃料電池可架構於輸配電網絡之上作為備援電力,也可獨立於電力網之外。在特殊的場合下,模組化的設置(串聯安裝幾個完全相同的電池組系統以達到所需的電力)可提供極高的穩定性。經過適當規劃的電池系統可以達到的99.9999%可靠度,即6年內的斷電時間可少於1分鐘。

燃料多樣性
現代種類繁多的電池中,雖然仍以氫氣為主要燃料,但配備「燃料轉化器(或譯重組器,fuel reformer)」的電池系統可以從碳氫化合物或醇類燃料中萃取出氫元素來利用。此外如垃圾掩埋場、廢水處理場中厭氧微生物分解產生的沼氣也是燃料的一大來源。
利用自然界的太陽能及風力等可再生能源提供的電力,可用來將水電解產生氫氣,再供給至燃料電池,如此亦可將「水」看成是未經轉化的燃料,實現完全零排放的能源系統。只要不停地供給燃料給電池,它就可不斷地產生電力。

高效能
由於燃料電池的原理係經由化學能直接轉換為電能,而非產生大量廢氣與廢熱的燃燒作用,現今利用碳氫燃料的發電系統電能的轉換效率可達40~50%;直接使用氫氣的系統效率更可超過50%;發電設施若與燃氣渦輪機併用,則整體效率可超過60%;若再將電池排放的廢熱加以回收利用,則燃料能量的利用率可超過85%。
目前用於車輛的燃料電池其能量轉換率約為傳統內燃機的3倍以上,內燃引擎的熱效率約在10~20%之譜。

環境親和性
科學家們現在已認定空氣污染是造成心血管疾病、氣喘及癌症的元凶之一。最近的健康研究顯示,市區污染性的空氣對健康的威脅如同吸入二手菸。燃料電池運用能源的方式大幅優於燃油動力機排放大量危害性廢氣的方案,其排放物大部份是水份。某些燃料電池雖亦排放二氧化碳,但其含量遠低於汽油之排放量(約其1/6)。
燃料電池發電設備產生1000仟瓦-小時的電能,排放之污染性氣體少於1盎斯;而傳統燃油發電機則會產生25磅重的污染物。因此,燃料電池不僅可改善空氣污染的情況,甚可能許給人類未來一片潔淨的天空。

可彈性設置/用途廣
燃料電池的迷人之處在於其多樣風貌。除了前述的集中分散兩相宜的特點外,它還具有縮放性。利用黃光微影技術可製作微型化的燃料電池;利用模組式堆疊配置可將供電量放大至所欲的輸出功率。單一發電元所產生的電壓約為0.7伏特,剛好能點亮一只燈。將發電元予以串接,便構成燃料電池組,其電壓則增加為0.7伏特乘以串聯的發電元個數。
燃料電池可供應的電力範圍極廣,如1W~1,000MW,故其應用的產品領域也很廣。

其它優點
燃料電池尚有一些值得強調的特點:免充電、無火花、低噪音、無廢棄物處理問題、高機動性等。


◎ 燃料電池的劣勢
就當前的技術而言,燃料電池科技仍有一些技術瓶頸待克服,摘列如下。

燃料電池造價偏高: 車用PEMFC之成本中質子交換隔膜(USD300/m2)約佔成本之35%;鉑觸媒約佔40%,二者均為高貴材料。

反應/啟動性能:燃料電池的啟動速度尚不及內燃機引擎。反應性可藉增加電極活性、提高操作溫度及反應控制參數來達到,但提高穩定性則必須避免副反應的發生。反應性與穩定性常是魚與熊掌不可兼得。

碳氫燃料無法直接利用:除甲醇外,其它的碳氫化合物燃料均需經過轉化器、一氧化碳氧化器處理產生純氫氣後,方可供現今的燃料電池利用。這些設備亦增加燃料電池系統之投資額。

氫氣儲存技術:目前FCV的氫燃料是以壓縮氫氣為主,車體的載運量因而受限,每次充填量僅約2.5~3.5公斤,尚不足以滿足現今汽車單程可跑 480~650公里的續航力。以-253℃保持氫的液態氫系統雖已測試成功,但卻有重大的缺陷:約有1/3的電能必須用來維持槽體的低溫,使氫維持於液態,且從隙縫蒸發而流失的氫氣約為總存量的5%。

氫燃料基礎建設不足:氫氣在工業界雖已使用多年且具經濟規模,但全世界充氫站僅約70站,仍值示範推廣階段。此外,加氣時間頗長,約需時5分鐘,尚跟不上工商時代的步伐。(全文完)

參考資料
http://www.fuelcells.org/
http://americanhistory.si.edu/fuelcells/basics.htm
http://sa.ylib.com/read/readshow.asp?FDocNo=655&CL=18
http://cdnet.stpi.org.tw/techroom/market/energy_fuelcell/eng_fuelcell003.htm
“由碳能朝向氫能的燃料電池”, 許寧逸、顏溪成, 科學發展 2003年7月, 367期

(http://www.dajiyuan.com)

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