设为首页收藏本站

科技网

[技术] 废铝粉是反应氢能源的原料可别乱弃置

[复制链接]
发表于 2008-12-1 12:51:29 | 显示全部楼层

废铝粉是反应氢能源的原料可别乱弃置

携带型燃料电池(Portable Fuel Cell)的现况发展

  随着人类移动资讯通讯的需求发展,每个人随身所需携带的能源需求正急剧增加,最近美国国防部便希望可以找到提供军人20W随身电源,并希望可以在4公斤的重量内提供可以操作四天(约2000Wh)的解决方桉;此外近年来Intel一直希望可以找到将笔记型电脑的操作时数提升到八小时的解决方桉,而燃料电池似乎是这些问题的重要解答。

  燃料电池的机会与挑战

  新经济体的快速崛起与发展,人类所面对的能源问题正急剧的恶化,在新的能源未被发现之前,如何节能以及开发高能源转换效率的技术变的非常重要;而燃料电池正是有效提昇能源转换效率的首选,也因此美国积极推动燃料电池电动汽车的开发,希望可以有效降低运输工具所消耗的能源,另一方面也希望因此降低汽车所带来的污染问题。我国政府这几年透过国科会、能源局、经济部等部会积极推动燃料电池的开发,其开发之技术涵盖PEMFC、DMFC及SOFC等。然而燃料电池的应用正面临着成本太高、使用寿命需要更多验证的艰难挑战,因此开发适当的燃料电池应用机会,以加速燃料电池的商品化,一直是燃料电池技术发展的重要里程碑,一来可以因此建立燃料电池的产业,加速燃料电池成本降低技术的开发,另外也可以透过燃料电池实际的使用,深入研究燃料电池操作寿命的影响因素,据以开发具竞争力的家用或车用的燃料电池系统,将燃料电池的应用真正带入人类的生活,减缓温室效应以及能源需求的成长。

  燃料电池是一种发电系统,其所使用的燃料是高含氢的物质,透过电化学触媒的转换,直接将燃料的化学能转换为氢能,不经过燃烧转成机械能,转换效率也较高,安静且污染少,然而燃料电池的大量应用正面临着成本太高、使用寿命需要更多验证的艰难挑战,因此开发适当的燃料电池应用,以加速燃料电池的商品化,一直是燃料电池技术发展的重要里程碑。一来可以因此建立燃料电池的产业,加速燃料电池成本降低技术的开发,另外也可以透过燃料电池实际的使用,深入研究燃料电池操作寿命的影响因素,据以开发具竞争力的家用或车用的燃料电池系统,将燃料电池的应用真正带入人类的生活,减缓温室效应以及能源需求的成长。因此积极寻找燃料电池的应用机会,降低燃料电池的成本,提升燃料电池的转换效率以及提升系统的操作寿命,找到燃料电池的最佳运作模式,是目前燃料电池开发首要之工作。

  各种可携式燃料电池系统的进展

  1. 氢气质子交换膜燃料电池系统

  氢气燃料电池的最大优点是反应速率极快,所以膜电极组(Membrane Electrode Assembly,MEA)的功率高,电池堆体积小,但缺点是氢气的携带不易。传统的作法是以储氢罐搭配金属储氢材料为主轴,其中低温释氢储氢材料的储氢能力为重要指标,因为储氢材料释氢要吸热;如果是高温储氢释氢,将需要考虑热的来源,而燃料电池本身是低温系统,所以会限制释氢温度。很不幸的目前已知的低温释氢材料其储氢量普遍太低,含储氢罐的储氢密度大约仅在1.2 w%附近,整体储氢之能量理论密度仅达400Wh/kg,相较目前的锂电池系统并不佔优势。不过储氢罐是一种安全且成熟的携氢方法,目前仍有很多厂商积极推动其应用,包括国内的汉氢科技开发储氢罐及储氢材料,如图一所示。国外则有Canon公司研究尝试如何将Fuel cell与相机结合,如图二所示,但是因为储氢罐的问题,要变成普遍使用的系统是需要在商业模式以及技术方面有更多的投入,比如充填、运送、以及取得容量的进一步提升。

  因为储氢材料难找,所以日本的渡边教授积极开发利用铝粉与水反应产生氢气的方法,尝试解决氢气携带的问题,这个做法也受到日立Maxell以及Aquafairy公司的採用,尝试与笔记型电脑或是手机结合。产氢的另一个方法便是利用改质器直接将醇类烷类等化合物直接转换成氢气,目前有Ultracell、Casio、Motorola 投入此研发,Ultracell并已有商品开始贩售,如图三所示,以改质器做为随身产氢方法的缺点是改质器操作温度一般高于250℃,所以需要一点时间升温;另外就是因为水回收不易,以较低温的甲醇改质为例,其理论能量密度会被水稀释。

  2. 直接氧化燃料电池系统

  气态或固态的燃料一般而言并不好携带,液态燃料是相对较为方便携带,所以直接甲醇燃料电池以及直接甲酸燃料电池或甲醇改质燃料电池,都是为了改善燃料携带输送的问题。甲酸燃料电池最早由伊利诺大学的Rice Group所开发,他们发现以PtPd的触媒可以有效分解甲酸,因为甲酸仅有两个电子所以电位高而且其反应速度也较快所以MEA的功率密度较高,其缺点为甲酸的理论能量密度先天就不好,仅有1700 Wh/kg,2100Wh/L;但是甲酸穿透质子交换膜的能力相对较差,所以燃料的使用效率较高,可以提升其竞争力。目前Tekion公司取得伊利诺大学的授权,正积极开发相关产品中,不过相信甲酸燃料电池的系统不会更简单于甲醇系统,因此一些相关技术问题可以参考甲醇系统,不过其甲酸穿透如果比较小,相对于甲醇系统,其实更适合于开发被动式系统。

  

  ▲图一、汉氢公司HB-SC0100-Q储氢罐,含100L H2

  

  ▲图二、Canon所开发之小型燃料电池系统

  

  ▲图三、Ultracell 所开发之XX25 RMFC系统

  3. 硷性燃料电池系统

  以固态质子交换膜为电解质系统的燃料电池系统,在面对液态的燃料时通常会有几个问题:(1)高酸度限制触媒必须使用贵重金属,也因此限制了可以使用的集电材或双极板材料种类,(2)另外这些燃料在酸性系统的转换效率普遍不佳,目前仅氢气、甲醇、甲酸找到适当的触媒可以使用,因为CO毒化的问题大力的抑制反应速率。如果可以改为固态硷性电解质膜,则一般金属在硷性的环境中耐受性很好,所以可以利用卑金属做为电化学转换触媒,降低MEA的成本,而且在硷性系统中空气极的反应速率较快,所以硷性系统的功率密度较高。但由于固态硷性离子传导膜的传导性普遍不佳,亦即其电阻较高,通常需要添加KOH等为电解质,但是这些硷金属盐类遇到CO2时会沉降造成电阻再度升高,也因此硷性燃料电池被优先使用在太空船中,因为其燃料为液态氢以及液态氧所供应,不需考虑CO2的困扰。目前Acta公司有考虑以CsCO3等高解离度的碳酸盐来维持阳极端的硷性环境,其后续发展值得观察。

 楼主| 发表于 2008-12-1 13:00:14 | 显示全部楼层
   ▼表一、各种燃料电池系统之特性与突破点分析
 系统 理论能量密度
操作点转换能量密度
 BOP需求 突破点
 储氢材料 ·660Wh/kg(2% 储氢量不含罐体)
·385 Wh/kg (0.7V)
 ·需要收集废热对储氢罐加热
·须有压力调节阀件
·系统保湿的需求
 ·储氢材料能力需大幅提升至目前的三倍
·储氢罐轻量化与高导热化
 金属粉产氢(Al) ·1222 Wh/kg
·713 Wh/kg (0.7V)
 ·需要水量比理论值多
·需要控制氢气产生量与需求间之搭配
 ·燃料转换成氢之效率
·STACK中之氢气使用/传输效率
 化学氢
NaBH4
 ·3600 wh/kg
·2100 Wh/kg (0.7V)
 ·需要水量比理论值多
·需要适当的产氢反应器设计
 ·氢气产出速率控制
·燃料转换成氢之效率
·STACK中之氢气使用效率
 改质器产氢 ·3840Wh/kg
·1920 Wh/kg (0.6V)
 ·需要250 C之Reformer
·需要控制氢气产生量与需求间之搭配
·低温启动加热系统
 ·产氢速度及依需求调控之技术需提升
·系统开关对MEA的影响
 甲醇 ·6000Wh/kg
·2000Wh/kg (0.4V)
 ·需要进行水回收管理
·需进行甲醇燃料浓度控制以提升功率
 ·功率密度需要再提升
·BOP元件的低成本与寿命提升
·系统的自动调控能力
 甲酸 ·1700Wh/kg
·700Wh/kg (0.6V)
 ·需要进行水回收管理
·需进行甲酸燃料浓度控制以提升功率
 ·大幅提昇操作电压以提升能量密度
 乙醇 ·8250Wh/kg
·3618 Wh/kg (0.5V)
 ·需要设计阳极排水
·需进行乙醇燃料浓度控制以提升功率
 ·开发不需添加metal hydroxide Salt之阴离子传导膜

资料来源:工研院材化所/工业材料杂志第250期
透过整理的表一可以看到,如果可以用氢气做为燃料,其放电功率与转换效率都很高,但是目前除了以硼氢化钠的系统开发的比较完整而且其能量密度也相较较高外,其他的系统均被理论值做了很大的限制。此外,甲醇改质器部分最近ultra cell已经开始贩售其供电系统,选用高温质子交换膜的好处是可以没有阴极淹水的困扰,也不需加湿,未来在改质器的Turn down ratio以及MEA相关技术的提升,相信此系统具有在一些需要长期用电及不需时常开关机应用场合的竞争力,如果透过适当的溷成供电设计,相信会更加简化系统的设计。
相同的以醇类为燃料的系统具有携带方便,能量密度高的优点,但是目前直接氧化燃料电池(DEFC, DMFC, DFAFC)相关原型机种的转换效率均仅达20%左右,未来透过MEA效能的提升、系统自我整合控制技巧的提升,相信还有很大的成长空间,但是液态燃料也引进方向性的限制,这部份的应用限制虽然在被动式设计导入解决了相关问题,但是整体仍须研究人员花心思与使用端共同思考最适化设计,才能早日看到燃料电池的普及应用。综观国内产业型态以及产业的竞争力,将燃料电池的开发建立在个人携带式电子产品或个人行动资讯的能量需求满足上,是国内发展氢能技术成功的最佳方法,也因此虽然燃料电池技术开发风险极高,但也使新普、大同、台达、胜光、奇鋐、南亚、亚太、远茂等多家公司,积极投入燃料电池技术的开发,相信这些资源与信念的投入,将可为我国的能源产业建立蓬勃发展的基础。

发表于 2015-12-11 17:50:34 | 显示全部楼层
打酱油的人拉,回复下赚取积分
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

辽公网安备 21100402204006号|科技网 ( 辽ICP备07501385号-1   

GMT+8, 2019-12-6 08:14

Powered by tech-domain X3.4 Licensed

© 2001-2017 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表