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『化學專門課程』燃料電池~!!
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化學神
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化學神
朱晉杰

『運作原理』

 
燃料電池(Fuel Cell),是一種發電裝置,但不像一般非充電電池一樣用完就丟棄,也不像充電電池一樣,用完須繼續充電,燃料電池正如其名,是繼續添加燃料以維持其電力,所需的燃料是「氫」,其之所以被歸類為新能源,原因就在此。 燃料電池的運作原理,也就是電池含有陰陽兩個電極,分別充滿電解液,而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構成。

氫氣由燃料電池的陽極進入,氧氣(或空氣)則由陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用,使得陽極的氫原子分解成兩個氫質子(proton)與兩個電子(electron),其中質子被氧『吸引』到薄膜的另一邊,電子則經由外電路形成電流後,到達陰極。在陰極催化劑之作用下,氫質子、氧及電子,發生反應形成水分子,因此水可說是燃料電池唯一的排放物。 燃料電池所使用的「氫」燃料可以來自於任何的碳氫化合物,例如天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、水的電解、沼氣…等等。由於燃料電池是經由利用氫及氧的化學反應,產生電流及水,不但完全無污染,也避免了傳統電池充電耗時的問題,是目前最具發展前景的新能源方式,如能普及的應用在車輛及其他高污染之發電工具上,將能顯著改善空氣污染及溫室效應。


『種類』

目前燃料電池依照電解質的不同,可分為鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell ;簡稱AFC)、質子交換膜燃料電池或固體高分子型燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell;簡稱PEMFC或PEFC)、磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell;簡稱 PAFC)、溶融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell;簡稱MCFC)及固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell;簡稱SOFC)等五種。

鹼性燃料電池(AFC),一般被運用於人工衛星上,操作時所需溫度並不高,轉換效率好,可使用之觸媒種類多價格又便宜,例如銀、鎳等,但是在最近各國燃料電池開發競賽中,卻無法成為主要開發對象,其原因在於電解質必須是液態,燃料也必須是高純度的氫才可以。此外,鹼性燃料電池的電解質,易與空氣中的二氧化碳結合形成氫氧化鉀,影響電解質的品質,導致發電性能衰退。

質子交換膜燃料電池(PEFC),其電解質為離子交換膜,薄膜的表面塗有可以加速反應之觸媒(大部分為白金),薄膜兩側分別供應氫氣及氧氣,氫原子被分解為兩個質子及兩個電子,質子被氧吸引,再和經由外電路到達此處之電子形成水分子,因此此燃料電池的唯一液體是水,腐蝕問題相當小,同時其操作溫度介於80至100℃之間,安全上之顧慮較低。然而,觸媒白金價格昂貴,若減少其使用量,操作溫度勢必會提升。再者,白金容易與一氧化碳反應而發生中毒現象,因此比較不適合用在大型發電廠,而適合做為汽車動力來源。

磷酸型燃料電池(PAFC),因其使用之電解質為100﹪濃度之磷酸而得名。操作溫度大約為150到220℃之間,因溫度高所以廢熱可回收再利用。其觸媒與前述之質子交換膜燃料電池一樣,同為白金,因此也同樣面臨白金價格昂貴之問題。到目前為止該燃料電池大都運用在大型發電機組上,而且已商業化生產,技術較不成問題,惟未能迅速普及,成本居高不下就是主要關鍵。

溶融碳酸鹽燃料電池(MCFC),其電解質為碳酸鋰或碳酸鉀等鹼性碳酸鹽。在電極方面,無論是燃料電極或空氣電極,都使用具透氣性之多孔質的鎳。操作溫度約為600至700℃,因溫度相當高,致使在常溫下呈現白色固體狀的碳酸鹽溶解為透明液體,而發揮電解質之功用。由此可見此類型燃料電池,並不需要貴金屬當觸媒。因為操作溫度高,廢熱可回收再使用,其發電效率高者可達75到80﹪,非常適合於中央集中型發電廠。

固態氧化物燃料電池(SOFC),其電解質為氧化鋯,因含有少量的氧化鈣與氧化釔,穩定度較高,不需要觸媒。一般而言,此種燃料電池之操作溫度約為1000℃,廢熱可回收再利用,因此大都使用於中規模發電機組。
各種燃料電池的種類與特性

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

『燃料來源-氫氣』

基本特性
氫,一種無色、無臭、無味、無毒的可燃性氣體物質,最簡單的化學元素。氫原子含有一個帶一單位正電荷的質子構成的核和一個帶一單位負電荷並與這個核相聯繫的電子。氫原子很活潑,可以彼此結合成對,形成分子式為H2的雙原子氫分子。雖然氫在地球上的豐度只佔第九位,約為地球質量的0.9%。可是在宇宙中,氫是最豐富的元素,約佔所有物質質量的75%。氫與碳及其他元素形成化合物存在於所有動植物中。石油和煤中也含有氫。氫約佔水的質量的11%。氫氣與氧氣燃燒可產生約2600℃高溫,用電弧或加熱鎢絲將氫分子解離為氫原子,然後使這些原子重新化合時甚至可以產生3400℃以上的高溫。氫的化學性質和週期表I和VII兩族元素相似。在與金屬形成的化合物中,氫原子獲得第二個電子,變成帶負電的氫離子H-。在與非金屬形成的化合物中,氫原子與非金屬原子共用其電子,形成共價鍵分子。在某些情況下,共價鍵易於斷開形成氫離子H+,而原先分子的其餘部分形成帶負電的離子。氫為最輕的元素,以三種同位素的型態存在於自然界中,分別為氫,hydrogen [12385-13-6], H, wt. 1.0078,占99.985%; 氘, deuterium [16873-17-9], D, wt.2.0141,占0.015%,其原子核由一個質子和一個中子所構成; 氚,tritium [15086-10-9], T, wt. 3.0161,其原子核由一個質子和兩個中子所構成,於自然界中存在的量極微,可用人工合成,是半衰期為12.26年的放射性同位素。下表分別為它們的沸點和三相點(triple point)及當時的蒸氣壓:
種類溫度(K)蒸氣壓(kPa)

氫 氣

氘 氣

氚 氣

氫氣的沸點

20.38 101.3 34.01 19.24

氘氣的沸點

23.67

237.6

101.3

66.72

氚氣的沸點

25.04

323.0

147.9

101.3

氫氣的三相點

13.95

7.199

0.674

0.197

氘氣的三相點

18.73

59.63

17.13

8.012

氚氣的三相點20.62108.037.2421.60

『應用領域』

燃料電池的應用領域非常廣泛,目前主流發展的應用產品,依據燃料電池發電量歸類,可分為可攜式電子產品、各式運輸工具及定置型發電機三大類。

可攜式電子產品
近年來科技進步神速,3C產品種類與功能日新月異,例如手機不再單純只是通訊工具,還具備上網、照相、聽音樂等功能;而筆記型電腦往往搭配強大的影音功能,因此現在的3C產品對電池的續航力與充電的便利性要求都越來越高,是目前鋰電池面臨到的技術瓶頸。

在這種情況下,可預見的是未來3C產品對電力的需求越來越大,現行的鋰電池技術不敷使用,應用燃料電池技術的3C產品將很有可能起而代之,成為下一波的科技創新商品。

由於世界各國的3C大廠相偕投入燃料電池的研發工作已有多年經驗,每年於燃料電池展覽會公佈最新研發進展,包括燃料電池手機、燃料電池筆記型電腦、燃料電池充電機等。

              
                            燃料電池的原理及運用

 

by 剛開完會的化學神




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引用
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