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科技專題:燃料電池的種類與特點之(一)

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【大紀元12月5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。繼前文介紹燃料電池的歷史與原理後,本文將著墨於現代工業界所研發出來的各式樣燃料電池。

目前燃料電池科技已是由多種技術所組成的領域。燃料電池可依據電解質及使用溫度之不同而加以各種類型。本篇先介紹四種:

◎ 質子交換隔膜燃料電池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cells)
簡稱為PEMFC,是目前交通運輸業應用最多的燃料電池。它的電解質是固態的高分子聚合物薄膜,僅可容許質子透析過去。杜邦專利之全氟化氟碳聚合物Nafion已廣為業界所採用。由於此種高分子材料須在潤濕的狀態下使用且耐溫性有限,一般其使用溫度較低,介於60~100℃之間;但改良後的新材質耐溫則可達200℃。其運作原理如下圖所示。

(取材自http://americanhistory.si.edu/)

參與反應的觸媒採用在低溫對氫氣最有解離能力的是:鉑金屬。燃料以純氫氣為主;若使用甲醇、乙醇、天然氣或液化石油氣等燃料,則須先經過轉化器(reformer)處理將氫元素萃取出來,方可使用。現有的PEM型電池輸出功率約在50瓦至150仟瓦之間。

PEM型電池的能量轉換效率可達50%,若將廢熱予以回收供作居家之保暖或加熱之用,則整體效率可超過85%。

PEM型燃料電池有以下優點:(1)質輕,單位重量輸出的功率高;(2)使用溫度低,對附近組件的熱影響小;(3)啟動迅速,幾分鐘內可達全功率。以上的優勢使此型燃料電池適合於地面車輛之應用。快速啟動的特性,亦使其可搭配其它元件組成不斷電系統(UPS),作為緊急之電源供應。

目前仍有幾項挑戰待克服:(1) 鉑質觸媒作為催化劑來講甚為昂貴,而且碰到一氧化碳時便無法發揮催化作用,故稱「一氧化碳中毒(CO poisoning)」,故較不適用於易產生一氧化碳的碳氫類燃料;(2)隔膜對溫度及化學不純物質的抵抗性須再提昇;(3)受限於氫體儲存技術之瓶頸。目前一般行車,要求燃料可續駛480~650公里(300~400英哩),當前的氫燃料車的儲槽容量尚無法滿足。(4)低溫啟動能力須再改進。美國能源部所設目標要求在零下20℃時,30秒鐘以內發動。

◎ 直接甲醇燃料電池(Direct methanol fuel cells)
簡稱為DMFC,它不同於PEM之處在於使用未經轉化的液態甲醇—俗稱木精或工業酒精,因此燃料成本極低。其操作溫度略高於PEM型,在50~120℃之譜。能量轉換效率略低,約為40%。由於可小型化、供電穩定並可再填充,目前是可攜式電子產品最熱門的充電電池替代方案目前可替換式甲醇燃料匣的輸出功率約介於1~50瓦。

其運作原理如下圖所示:

(http://www.antig.com/english/tech.html)

陽極: CH3OH + H2O —> CO2 + 6H+ + 6e-
陰極: 3/2O2 + 6H+ + 6e- —> 3H2O
全反應:CH3OH + 3/2O2 —> CO2 + 2H2O

SFC Smart Fuel Cell AG等公司已在販售此類電池。業者目前仍在改進隔腐蝕、燃料滲漏及小型化等問題。軍用品之輕型供電裝置及運輸業均是未來有潛力的發展方向。

◎ 磷酸燃料電池 (Phosphoric Acid Fuel Cells)
PAFC是目前在民生消費應用經驗最多的燃料電池技術。目前全球有超過200具PAFC供電系統提供醫院、療養院、旅館、辦公大樓、機場、垃圾掩埋場、廢水處理廠及發電廠等所需之電力及蒸汽熱能。該技術推廣者UTC Fuel Cells公司近年剛創供電10億仟瓦-小時的里程碑。

PAFC型燃料電池係使用磷酸為電解質,電極亦採用鉑金屬為觸媒,其陰陽極發生的化學反應與PEMFC相同,但操作溫度較高,介於150~200℃之間。高溫使觸媒對碳氫燃料轉化(reformation)產生的污染物較具承受力,故PAFC型電池可使用天燃氣、丙烷及垃圾沼氣等碳氫燃料。

PAFC在中大型固定式發電設備之應用甚廣,電轉換效率可達36-42%;若採熱電聯產(或譯汽電共生,co-generation)設置,則能量轉換效率可達85%。一般PAFC單元的電輸出功率介於25-250仟瓦。若數個單元串接後結合的電功率可達幾百萬瓦(日本一座PAFC電廠可供出1,100萬瓦電力)。

◎ 鹼性燃料電池 (Alkaline Fuel Cells)
鹼性燃料電池(AFC)亦具有快速啟動之特性,在1960年代曾經被NASA用於雙子星-太陽神(Gemini-Apollo)太空計畫,除供應電力外尚提供飲用水給太空人。其運作原理如下圖所示:氧氣在陰極與水結合形成OH基離子,氫氧基離子游向陽極與氫離子結合形成水,所釋出的電子形成電流。

(取材自http://americanhistory.si.edu/)

AFC型電池的電解質使用氫氧化鉀之水溶液,並可採用多種非貴金屬質的觸媒電極,但一般仍以鉑為主。操作溫度略高介於23~250℃。燃料須採用壓縮的純氫氣,反應速率快,可產出60-70%的電能轉換率。

AFC對於一氧化碳的污染極為敏感,故多應用於控制精密的太空或水下環境之作業。一般輸出功率為300瓦至5仟瓦,太空梭所使用的鹼性燃料電池輸出功率為13仟瓦。
(待續)

參考網頁
http://fuelcells.sae.org/
http://www.fuelcells.org/
http://americanhistory.si.edu/fuelcells/basics.htm
http://www.antig.com/english/tech.html
http://www.nfcrc.uci.edu/fcresources/FCexplained/index.htm

(http://www.dajiyuan.com)

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2006-12-05 12:03 AM
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