在上次部落格好友的聚會中,和幾個好友泡在溫泉中一起聊到全球經濟的發展和人口的快速成長,使得人類對於石油的需求量有增無減,依賴程度也日益增加,因而造成地球有限的能源日益枯竭。因此未來如果沒有新型的替代能源出現,人類的生存恐將會出現危機。
  
  幾個替代能源之中,我比較注意的是燃料電池(Fuel Cell)的發展。怎麼說呢,其實簡單的來說,燃料電池是一種把化學能直接轉換成電能的裝置,只要不斷地供應燃料,就會持續地輸出電力。燃料通常是氫氣、甲醇、乙醇、天然氣或其他的碳氫化合物,氧化劑則可以用空氣中的氧,而副產物是熱、純水或較少量的二氧化碳,乾淨無污染,所以才會被視為未來主要的綠色能源供應其中之一,而燃料電池可望能繼水力、火力、核能後,成為第四種主要的電力來源。因此,這篇文章先帶好友們來看燃料電池的歷史,並簡介其基本原理及種類,下次再來介紹我特別看好的甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell,DMFC)。


先來複習一下電池共分哪幾類?
化學電池
一次電池:鹼性電池、碳鋅電池、水銀電池
二次電池:鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池
燃料電池

物理電池
太陽能電池
熱感應電力電池
原子力電池

什麼是一次電池?
電池內參與化學反應的物質無法重複使用。放電完時,電池的壽命即告結束。故用完後必須丟棄,但是價格較便宜,儲存能量大且更換容易,無需長時間充電的麻煩,在電池的市場中使用量大。目前市場上銷售的民用電池,以一次電池中的鹼性電池及碳鋅電池為最重要。
什麼是二次電池?
二次電池又叫作充電電池,亦即電池電力用完時,可以再次充電使用的電池。

燃料電池的演進
早在1839年有燃料電池之父之稱的威廉-葛洛夫爵士(Sir William Grove)便已發現將水的電解反應作逆向操作可產生電能的現象。但由於自然界中並不沒有富豐的氫氣體,故直到1889年藍吉爾(Charles Langer)與蒙德(Ludwig Mond)兩位研究者仍嘗試使用煤氣與空氣製作第一具實用的燃料電池,當時也才定下了「Fuel Cell」這一名詞,但均未獲得成功。

1866年,西門子(Werner von Siemen)先生發現了機-電效應,揭開了燃油發電機的發展,並使燃料電池技術黯然失色。1900年代初期雖然有後繼的努力嘗試將煤及碳轉變成電力,但內燃引擎的發明突然壓抑了這個剛萌芽的科技。

貝肯(Francis Bacon)後於1932年發展出堪稱世界第一具成功的燃料電池裝置,該電池採用氫氣與氧氣為反應物、鹼性溶液電解質及鎳金屬電極,該設計的突破在於其製作成本遠低於藍吉爾與蒙德當初的設計。

近幾十年來燃料電池的發展,在全球環保意識的推動下已朝向作為替代性能源發展。大至大型的固定式發電機組、發電廠;小至可攜式電子產品的電源供應件等,皆有各式各樣的燃料電池選擇。


好了~囉哩吧唆的介紹一堆電池種類及演進發展史後,要進入正題啦~

那麼,何為燃料電池呢?
簡單的說,燃料電池是一種能源直接轉換裝置,能將含能的燃料(如氫氣、天燃氣、甲醇、汽油等)及氧化劑(空氣、氧氣)直接經電化學反應方式藉由氫氣結合成水,讓化學能能夠直接轉變為電能。
燃料電池的基本元件包括:陽極(Anode)、陰極(Cathode)、電解質(Electrolyte)、燃料流場板(Gas distributor)與電流收集器(Current Collector)等。燃料電池發電原理從水電解實驗而來:當直流電力經過導電的電極進入水槽後,水會被電解成氫氣與氧氣。若反轉水電解反應,即當氫氣與氧氣分別輸送到陽、陰二極,經過與電極上的觸媒反應後,就會產生直流電力與水副產物。(如下圖一)


                  燃料電池基本原檢與結構(圖一)



然而,經過170年的發展,燃料電池依其電解質的種類,可分為質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)、鹼性燃料電池(alkaline fuel cell, AFC)、磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cell, PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池 (molten carbonate fuel cell, MCFC)與固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC)。依其操作溫度做區分時,質子交換膜燃料電池、鹼性燃料電池與磷酸燃料電池屬於低溫型,操作溫度在攝氏80~200度之間;而熔融碳酸鹽燃料電池與固態氧化物燃料電池則為中高溫型,操作溫度在攝氏500~1,000度之間。


                燃料電池的種類(圖二)

其中,以質子交換膜燃料電池為基礎,使用甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell,DMFC)是微型燃料電池發展的主流,主要應用在電子產品如手提電腦、行動電話與個人數位助理等,目前是工業國家非常有興趣的組件。質子交換膜燃料電池主要可應用於電動汽車、電動機車、電動腳踏車及電動工具機。至於固態氧化物燃料電池,則可藉由微機電技術將組件模組化,可應用於分散式的電力系統或大型發電廠。

最後來看看這些種類的燃料電池倒底有哪些特性呢?

電池種類 磷 酸
(PAFC)

熔融碳酸鹽(MCFC)

固態氧化物
(SOFC)

鹼 性
(AFC)

質子交換膜
(PEFC)

特 性

1. 進氣中CO會導致觸媒中毒
2. 廢熱可予利用
1. 不受進氣CO影響
2. 反應時需循環使用CO2
3. 廢熱可利用
1. 不受進氣CO影響
2. 高溫反應,不需依賴觸煤的特殊作用
3. 廢熱可利用
1. 需使用高純度氫氣做為燃料
2. 低腐蝕性及低溫較易選擇材料
1. 功率密度高,體積小,重量輕
2. 低腐蝕性及低溫,較易選擇材料

優 點

1. 對CO2不敏感
1. 可用空氣作氧化劑
2. 可用天然氣或甲烷 作燃料
1. 可用空氣作氧化劑
2. 可用天然氣或甲烷作燃料
1. 啟動快
2. 室溫常壓下工作
1. 壽命長
2. 可用空氣作氧化劑
3. 室溫工作
4. 功率大
5. 啟動迅速
6. 輸出功率可隨意調整

缺 點

1. 對CO敏感
2. 工作溫度高
3. 成本高
4. 低于峰值功率輸出時性能下降

工作溫度較高

 

工作溫度過高

1. 需以純氧作氧化劑
2. 成本高

1. 對CO非常敏感
2. 反應物需要加濕
                     燃料電池的特性及優缺點(圖三)

那麼今天就先介紹到這邊,下次再來寫DMFC的介紹囉

      新式甲醇燃料電池可供筆記型電腦持續使用十小時(圖四)


參考資料:<科學發展>雜誌,367&391期
     台灣燃料電池資訊網
     材料世界網


後記:
其實我也不是待在這個產業裡面,只是個人對DMFC十分的感興趣,至於要說到對這個產業的了解,恐怕我也只是比一般人再多懂一些而已,目前我知道國內在內湖有一家廠商-勝光科技,他跟南亞電路板(8046)、奇鋐科技(3017)與思柏科技組成研發聯盟,合力開發筆記型電腦用直接甲醇燃料電池電力模組(DMFC),很希望能有待在這些產業的好友上來多跟我們分享心得。

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