2017年9月8日 星期五

燃料電池發電

一、燃料電池發電效率高的主要原因

    由於燃料電池不需要用到內燃機，所以不會受到卡諾循環(最理想是40%左右)的限制，只要利用化學能轉到電能，理想上能量轉換可以到90%以上，但目前工業上實際生產的燃料電池能量轉換效率大約40%到60%，未來仍有很大的成長空間。此外，燃料電池是利用氫氣作為燃料，不過只要含氫的物質都可以做為燃料，例如:酒精、甲醇、沼氣等等，這樣就要把這些燃料經由觸媒的改質反應形成氫氣，再把它導入陽極，效率就比較低。



二、燃料電池有多種類型，他們主要的工作原理

    燃料電池簡單說就是利用化學能轉變成電能，主要工作原理就是利用催化劑將陽極的氫氣H₂分解成氫離子與兩個電子(H₂→2H+ +2e-)，再來氫離子會被吸引到薄膜另一邊，電子則經由外電路來到陰極，在陰極催化劑的作用下，氫離子會與氧氣及電子合成水(2H+ +½O₂ +2e-→H₂O)，基於不同燃料，有可能產生少量的二氧化碳，對環境的污染相對少很多。



三、燃料電池較重要的設計特徵

1.電解質:
不同的燃料電池所用到的電解質不盡相同，像是質子交換膜燃料電池就是將離子交換膜作為電解質，所以就是根據不同的電解質來區分不同的燃料電池。
2.燃料:
主要是利用氫氣作為燃料，而含氫的物質也可以做為燃料，而天然氣的主要成分就是甲烷(CH4)，也可以做為燃料。
3.陽極催化劑:
利用催化劑將氫離子合成水或二氧化碳(有些燃料會產生)，主要是用鉑、鎳或奈米材料催化劑製成。

四、常見的燃料電池類型，並比較差異及優缺點

1.鹼性燃料電池(AFC):
電解質為液態的鹼性物質，如KOH，通常運用在人工衛星上，優點是啟動快以及在室溫室壓就可以工作，缺點是必須以純度高的氧氣作為氧化劑所以他的成本也相對就比較高。

2.質子交換膜燃料電池(PEFC):
電解質為離子交換膜，薄膜的表面塗有可以加速反應的觸媒(大部分用白金)，所以唯一的液體只有生成出來的水，腐蝕問題較小，適用在汽車動力。優點是可以直接用空氣作為氧化劑以及在室溫室壓就可以工作，還有除了它啟動快，輸出功率也可以隨意調整。缺點是白金容易與一氧化碳反應產生中毒現象。
3.磷酸型燃料電池(PAFC):
電解質為100%濃度的磷酸，操作溫度大約在150到220度之間，觸媒也大部分用白金，適用在大型發電機組上。優點是因為溫度高，反應速度快，甚至比PEFC還快，而且他不需要二氧化碳的處理系統。缺點和PEFC一樣，容易與一氧化碳產生中毒現象，而且成本也比較高，還有工作溫度也比較高。
4.熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC):
電解質為碳酸鋰或碳酸鉀等鹼性碳酸鹽，電極催化劑使用多孔的鎳，操作溫度大約在600到700度，因為高溫可以使固體狀的碳酸鹽熔解成高溫液體，並作為電解質。因為溫度高，廢熱可以回收再利用，所以適用在發電廠。優點是可以直接用空氣作為氧化劑，而且觸媒不需要用到貴重的金屬，所以成本較低。缺點是工作溫度高還有啟動慢的特性，還有高溫和碳酸鹽電解質導致在陽極和陰極的腐蝕，所以電池壽命比較短。
5.固態氧化物燃料電池(SOFC):
電解質為氧化鋯，因含有少量的氧化鈣與氧化釔，穩定度較高，所以不需要觸媒，它的操作溫度大約在1000度以上，廢熱也可以回收再利用，所以適用在中規模的發電廠。優點是可以直接用空氣作為氧化劑，而且觸媒不需要用到貴重的金屬，和MCFC很像。缺點是工作溫度更高，啟動也慢。

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)
電解質
H3PO4
Li2CO3-K2CO3
ZrO2
KOH
含氟質子交換膜
陽極
C(含Pt)
Ni(含Cr，Al)
金屬(Ni，Zr)
C(含Pt)
C(含Pt)
陰極
C(含Pt)
NiO
金屬氧化物如LaMnO4
C(含觸煤)
C(含Pt)、鉑黑
流動離子
H+
CO32-
O2-
OH-
H+
操作溫度
180~200℃
~650℃
~1000℃
室溫~100℃
室溫~80℃
操作壓力
<120psia
<120psia
常壓
<60psia
<30psia
可用燃料
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
精煉氫氣、
電解副產氫氣
天然氣、甲醇、
汽油
池體材料
石墨
鎳、不鏽鋼
陶瓷
合成樹脂
石墨
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
電池內重組可能性
可能
非常可能
非常可能
不可能
不可能
系統效率
40%
50%
50%
40%
40%
用 途
．
汽電共生
．
分散型發電
．
離島地區發電
．
移動式電源
．
運輸工具之電源
．
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
　
．
太空船
．
潛水艇
　
．
小型發電機組
．
分散型發電
．
移動式電源
．
運輸工具之電源

五、燃料電池以溫度區分的種類

  剛剛都是用電解質來區分燃料電池，如果用溫度來區分，可分為三種:
1.低溫型:
PEMFC(80-100 oC)
AFC(60-220 oC)
PAFC(150-220 oC)
2.中溫型:
MCFC(600-700 oC)
3.高溫型:
SOFC(1200 oC)

六、三個燃料電池的應用

1.交通工具:除了老師所說的燃料車，燃料電池也可以應用在許多交通工具，像是快艇、機車、大型公車等等。
2.家庭所需:隨著綠色能源的發揚，許多國外政府鼓勵家庭用電以太陽能或燃料電池來發電，並且多的電可以賣給電力公司。還有許多3C產品也都是使用燃料電池。
3.軍用、太空:在軍方上，與家庭發電所考量不同，可以應用在無人飛機上，在偵測與遠端操控大放異彩。而且可以做為士兵攜帶型電源，由於士兵往往會到一些電力不足的地方，為衛星系統或夜視鏡等等提供電力，所以必須攜帶輕便。

七、參考資料

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