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科技專題:燃料電池的種類與特點之(二)

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【大紀元12月5日訊】(大紀元記者陳常鵬綜合報導)繼前文介紹四種燃料電池後,本篇再介紹固態氧化物、融熔碳酸鹽、再生式燃料、鋅空氣燃料及質子陶瓷燃料電池等五種。

◎ 固態氧化物燃料電池 (Solid Oxide Fuel Cells)
SOFC型燃料電池屬於高溫型電池,操作溫度高達800~1000℃。採用固態氧化物作爲電解質,除了轉換效率高效、環境親和性佳的特點外,它無材料腐蝕和電解液腐蝕等問題。高操作溫度有幾個好處:電極觸媒不限於使用如鉑、銫等貴金屬,可採用鎳;對一氧化碳中毒承受能力大,SOFC甚至可使用煤氣為燃料。若再回收高溫碳氫燃料轉化過程所產生的廢熱,則可再進一步降低運轉成本。但高操作溫度下,氧化物電解質雖無洩漏之虞,仍會熱裂,影響使用壽命。其運作原理如下圖所示:

(取材自http://americanhistory.si.edu/)
(取材自http://americanhistory.si.edu/)
(取材自http://americanhistory.si.edu/)

這種燃料電池所用的電解質是固態的陶瓷材料,一般為氧化鈣或氧化鋯,作用是輸送氧離子至陽極,與氫原子結合後形成水,並釋出自由電子產出電流,其功率可達2~100 仟瓦之譜。若與燃氣渦輪機併用,則可輸出220~300仟瓦之功率。示範的裝置電轉換效率可達45-55%;利用廢熱的熱電聯產配置可達到80-85%的總體能量轉換效率。SOFC與燃氣渦輪機併用的混合系統可達100萬瓦以上的電力。

SOFC的燃料適用範圍廣,不僅能用氫氣,還可直接用一氧化碳、天然氣(甲烷)、煤氣、碳氫化合物、NH3、H2S等作燃料。這類電池最適合於分散和集中發電,如中至大型的現場發電或熱電聯供的應用。常見用於醫院、旅館及大學校區等居住用供電及電廠發電。電信產業亦常利用它來做電力之備援系統及裝載於軍用車輛上的輔助性供電設備(APUs)。

◎ 融熔碳酸鹽燃料電池 (Molten Carbonate Fuel Cells)
MCFC型燃料電池亦屬於高溫型,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,其操作溫度介於600~750℃之間。利用懸浮於多孔惰性基材中的融熔態鹼金屬(如鋰、鈉、鉀)碳酸鹽混合物為電解質,電極可採用非貴金屬的鎳質電極。陰極需有二氧化碳及氧氣同時參與反應,運作原理如下圖:

(取材自http://americanhistory.si.edu/)
(取材自http://americanhistory.si.edu/)
(取材自http://americanhistory.si.edu/)

陰 極: O2 + 2CO2 + 4e– → 2CO32-

陽 極: 2H2 + 2CO32- → 2CO2 + 2H2O + 4e–

總反應: O2 + 2H2 → 2H2O

典型的輸出功率介於75~250仟瓦。市面上已有使用多個發電單元結合的系統,發電量可達500萬瓦。電轉換效率頗高,在50~60%之範圍,利用廢熱的聯產設置可達到80~85%的轉換效率。主要應用於聯合迴圈熱電廠、電廠、船、鐵路用車等系統之電力供應。

如同SOFC型電池, MCFC電池仰賴高溫之特點使其燃料有多樣的選擇。市場上已有以氫氣、一氧化碳、煤氣、天燃氣、丙烷、垃圾掩埋場沼氣及海運用柴油等。具有餘熱利用價值高和電池構造材料價廉等諸多優點,為目前大型固定式綠色電站的主流。

但MCFC及SOFC皆有一些使用上的限制:(1)它們的啟動較慢;(2)須有強固的熱遮蔽設計;(3)耐高溫材料製作不易。當前的MCFC發電裝置的研發方向著重於縮小佔地空間及降低成本,以及與燃氣渦輪機的整合。

◎ 再生式燃料電池 (Regenerative Fuel Cells)
再生性燃料電池是一種新奇的閉迴路循環的發電裝置。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。利用太陽能或風力等自然能量所產生的電能將水予以電解,產生氫氣與氧氣。氫與氧再輸送至燃料電池,便可產生電能、熱能及水;水可再重新循環至電解機中,產生氫燃料,周而復始。

該技術目前仍值概念性設計,如NASA及世界各相關機構皆在研究中。示範例如本文開頭的貼圖所示。

◎ 鋅空氣燃料電池 (Zinc-Air Fuel Cells)
鋅-空氣燃料電池,簡稱ZAFC,是所有燃料電池中真正像電池的,因為它有個充電過程。ZAFC含有一個鋅質陽極、一個稱為氣體擴散電極(gas diffusion electrode, GDE)的陰極,彼此之間由電解質來區隔;鋅金屬其實是燃料,空氣中的氧氣仍是氧化劑。

GDE實際上是一種隔膜,其作用是只讓空氣中的氧氣透析過去。當氧與水在陰極形成氫氧基離子(OH-)後,OH離子便可經由電解質游向鋅質陽極,並與鋅發生氧化反應,形成氧化鋅及水,反應式如下。這種過程可產生電動勢(電壓),數個ZAFC串接在一起便能產生電力。

陰極 1/2O2 + H2O + 2e– → 2OH–

陽極 Zn + 2OH– → ZnO + H2O + 2e–

雖然ZAFC的反應過程與鹼性燃料電池類似,但燃料的使用方確是迥異,表現出電池的特色。燃料鋅金屬一般以顆粒體儲存於「燃料槽」中,並作為陽極。ZAFC還有一個鋅再生機,默默而自動地將氧化鋅還原為鋅。在這個閉迴路系統中,當鋅發生氧化反應時,ZAFC可輸出電能;當鋅耗盡時,系統可設計成自動連接至外部電路,將反應逆轉,把氧化鋅再生成鋅金屬顆粒。再將反應逆轉便可重新提供電力,其過程即類似電池須再充電的作法。

ZAFC技術的優勢在於,上述的逆轉反應只需耗時約5分鐘便可完成。另一方面ZAFC具有高比能量(specific energy)的特點,表示其單位重量所能提供的電能高於一般的充電電池。ZAFC用於電動車輛,在市場上已證明確比配備充電電池的同重量車輛具有更長的續航力。

再者,鋅在自然界的蘊藏量豐富,使ZAFC在價格上很有優勢。除電動車外,其在消費性電子產品及軍用品方面也很有潛力。

◎ 質子性陶瓷燃料電池 (Protonic Ceramic Fuel Cells)
PCFC是一種新型的燃料電池,以採用具有質子傳導性的陶瓷材料為電解質,如BaCeO3等固態電解質。這種陶瓷材料在高溫下便能展現良好的質子傳導率。如同融熔碳酸鹽型及固態氧化物型燃料電池,操作溫度一般在700℃左右。它既分享了高操作溫度之熱力學及動力學方面的優勢,又同時擁有質子交換聚合物電解質(PEM)及磷酸電解質(PAFC)等質子性傳導的優點。

高溫條件對於碳氫類燃料而言,是使它們能產出較高電能轉換效率的必要條件。PCFC在高溫下可將化石燃料以電化學作用直接在陽極氧化,如此省卻了費用高昂的萃取氫氣之轉化製程。其反應方式類似於直接甲醇燃料電池:碳氫燃料分子與水蒸汽被吸附於陽極表面後,氫原子迅速被萃出並解離成質子及電子,亦生成二氧化碳;質子經陶瓷電解質輸送至陰極與氧及電子結合生成水,電子流經外部電路便產生電力。

由於陶瓷電解質為固體,故沒有PEM電解質須濕潤及PAFC怕漏酸的問題。目前該技術仍值研發階段,CoorsTek 公司是主要投入這方面研究的企業。http://www.coorstek.com/products/power.asp)

參考網頁
http://fuelcells.sae.org/
http://www.fuelcells.org/
http://americanhistory.si.edu/fuelcells/basics.htm
http://www.nfcrc.uci.edu/fcresources/FCexplained/index.htm
http://www.china5e.com/second/cell/
(http://www.dajiyuan.com)

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2006-12-05 8:52 PM
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