设为首页收藏本站

科技网

[技术] 燃料电池‧能源明日之星 V.S 传统车与电动车

[复制链接]
发表于 2008-12-7 02:48:01 | 显示全部楼层

燃料电池‧能源明日之星 V.S 传统车与电动车

燃料电池‧能源明日之星

  作者:吴老师

  ----------------------------------------------------------------------------

  燃料电池-能源明日之星

  大家或许曾经听过「燃料电池」这个名词,但对于这种能源技术可能又不甚了解。从政经、能源、环保、社会、科技产业发展,及生活品质提昇等角度考量,燃料电池(FuelCell)科技是值得国内产、官、学界长期投入发展的新兴科技领域。燃料电池为高效率、洁淨、多元化能源使用,可应用于车辆动力、分散式发电、3C资讯产品电源等商业产品。其多元化研发领域及应用产品,将提供部份产业转型成为知识密集、永续环保的绿色科技产业。

  燃料电池成本昂贵

  燃料电池并不是未来技术,由于成本昂贵,近三十年多应用在航太方面,提供电力、水、热来源。然而近几年来技术上革命性的突破及环保意识抬头的影响下,更进一步研究将燃料电池技术应用于地面上,希望能继水力、火力、核能之后,成为第四种主要的电力来源。

  燃料电池的基本构造及发电原理

  燃料电池的构造与一般电池相似,由阴极、阳极以及夹在它们中间的电解质层所组成。图一为一个燃料电池单体,将这一个个电池单体堆叠组合在一起,就成为一个燃料电池。

  

  图一

  燃料电池与一般电池最大的不同就在燃料电池本身并不储存电力 ( Isabelle注 : 所以说 燃料电池还是需要一个电池跟他搭配 锂铁电池将是最好的搭当),它的电能供给来自燃料中的化学能,也就是说,只要有燃料不断地供应,燃料电池便源源不绝的发出电力。换言之,燃料电池的构造就如同一般的发电机,只不过燃料电池的操作比发电机更为安静、乾淨和更有效率。

  其燃料电池的发电原理由水的电解实验即可端详一二:当直流电力经过导电的电极进入水槽后,水即被分解,分别从阴、阳两极产生氢气及氧气。而燃料电池的作动原理则刚好与水电解的电化学反应现象相反,也就是说当氢气和氧气分别输送到阳、阴两极,经过与电极上的触媒反应之后,就会产生直流电力和乾淨的水,如图二所示。就是这样的原理,使得燃料电池能够将燃料中的化学能直接换成为电力,所以燃料电池又被称为直接能源转换装置(Direct Energy Conversion Device)。

  

  图二

  兼顾环保与效率的绿色发电工具

  虽然目前燃料电池仍然是利用一般化石能源,如煤碳、石油、天然气等,或是含有氢分子的再生能源,如沼气、甲醇等作为进料,但是与同样利用这些能源的火力发电方式有所不同,因为后者必须经过燃烧及各种层层能量转换程序,最后才转变成为方便使用的电力,故此燃料电池发电效率高,同时亦不会带来因为燃烧而造成的空气污染,以及发电机经由齿轮传动而产生的噪音,所以燃料电池常被认为是一种兼顾环保与效率的绿色发电工具。

  目前发展中的五种燃料电池

  目前发展中的燃料电池,可依所使用电解质层的不同,分为硷性(Alkaline,简称AFC)、质子交换膜(Proton ExchangeMembrane,简称PEMFC)、磷酸(Phosphoric Acid,简称PAFC)、熔融碳酸盐(MoltenCarbonate,简称MCFC),以及固态氧化物(SolidOxide,简称SOFC)等五种。这五种燃料电池,因为所使用的电极与电解质料的不同,再加上不一样的操作条件如温度、压力等,使得在应用上亦有所不同。有关这五种燃料电池的特产与应用,如表一所示。

  

  表一

  燃料电池应用层面广泛

  事实上,燃料电池的应用领域不仅限于表一所示,它除了在太空方面的发展外,在地面上发展也相当迅速,如笔记型电脑或手机电源使用的储氢卡匣式燃料电池电力组、燃料电池电动车等,主要原因即在近年来质子交换膜燃料电池有着长足的发展。质子交换膜燃料电池与其他型的燃料电池相较,同样的体积可以发出数倍的电力,而且发电时操作温度接近常温,适合一般需用电力场合使用,尤其是因应环保和能源效率殷切需求而日益受到重视;如此,高效率、低污染、携带能量取决与燃料储存系统大小。故储存在高压钢瓶或是金属氢化物(MetalHydrides)卡匣的氢气,结合发电密度高的质子交换膜燃料电池,即成为一个独立供应电力的燃料电池电力组(Fuel Cell PowerPack,又称Fuel CellBattery),可以取代一般充电式的传统电池成为使用时间更长久、发出电力更强大的电源;与传统电池充电方式不相迳庭的是,当氢气用罄,燃料电池组不再发电时,只需要再度灌入氢气到钢瓶或卡匣中,即可恢复发电,而毋需经过像传统电池般的充电程序。

  在强调燃料电池拥有低污染、低噪音、高效能,所谓「二低一高」的优点外,燃料电池更可以给大家带来一个更美好的生态环境。

  燃料电池的化学原理

  大家对燃料电池的构造原理有基本的认识后,可以发现,在整个燃料电池的组成上,对于催化电极材料,及电解质膜的选择有决定性的影响,其所涉及的内容,为材料工程、化学工程学程所研究的课题之一。在电化学学程的基础上,首先对于反应电极作出基本的定义:在阳极所发生的电化学反应为氧化反应,其过程中释放出电子,在溶液中形成阳离子;而在阴极发生的电化学反应为还原反应,其过程中得到电子,使溶液中的阳离子还原成元素、原子或分子型态。以下就所谓的直接甲醇型燃料电池的反应为例:

  阳极反应:由白金等贵金属做成的电化学触媒所构成之反应。

  

  阴极反应:亦是由白金等贵金属(Isabelle注 : 贵在这裡喔)做成的电化学触媒所构成之反应。

  

  总反应:即此一个直接甲醇型燃料电池其内部阴阳极氧化还原反应,所产生的整体反应。

  

  燃料电池带来环保新契机

  一个直接甲醇型燃料电池的单电池约产生1.18V,故在应用上通常会将数个单电池堆叠组合在一起,就成为可使用的燃料电池;当电力耗尽时,只需补充甲醇(CH3OH)和水(H2O),即可达到永续利用的目的。

  回想由旧工业革命到现在的科技发展的过程,地球生态环境产生相当大的影响,其包括工业废弃物、环境污染(包括空气、水、土壤、噪音等污染),所以环保意识的抬头,以及人们对环保观念的认知已日趋成熟,低污染的技术尤其被重视。燃料电池的技术,就符合了乾淨、有效率而且安静的电力来源,不仅对能源的来源提供了一种新的产生方法,亦在环境保护的工作上给未来新科技的诞生作了一个最佳的模范。

  先进技术奠基于基础科学原理

  先进的技术发展与应用,也得仰赖基础学科中的理论观念。对于未来新科技的发展脱离不了几个主轴,其中包含生物科技、材料等,本文的主题-燃料电池即是将专业的相关学科(工业材料、材料科学、电化学)中的所学结合。

  各种不同类别的材料原本就具备其不同的物性(如:延展性、导电性、介电性质、电化学性质等),在燃料电池的应用上,电极本身材料的电化学性质有其重要性,理工人若能在专业科目的学习上掌握要领,自然而然能够应用至相关技术的开发中。所以理工人绝对要下工夫在专业学科的修习上,这不仅是为了通过考试、修得学分,因为唯有建立完备的学科智能,才能在未来科学技术上有所创新。台积电董事长张忠谋曾说过一个观念:「每个人时时刻刻都要有创新的想法与作为,不知创新的人都应该要得到处罚。」这句话重点不在于「处罚」,而在「创新」二字。或许这个观念可以用另外一句话来表达:「失败并不重要,重要的是要有创新的动力。」未来会有许多重要的发明,是等着你我共同去发掘、创造的!

  资料来源 : 节录自

  传统车与电动车

  随着科技的日新月益日,和人们环保意识的不断增强,电动车是目前市面上可见的、有机会取代传统汽、机车的新型交通工具。传统车辆的动力来源是汽油或柴油引擎,除引擎本体之外,还需要有油箱、油泵、滤油器、空气滤清器、化油器、喷嘴与点火装置等组件,同时排气管装有消音器与触媒转化器,而且水冷式引擎还需要冷却水系统,相较之下电动车的动力系统显得较为单纯。目前市面上常见的电动车,其动力系统分为两种,一种是採用採用铅酸电池、镍氢或锂电池等蓄电池系统的电动车,主要的动力组件是电池组、充电器、电力控制器与马达等,因此动力系统较为简单。另外还有以燃料电池(使用最广的是氢-空气或氢-氧气型燃料电池)为动力系统的电动车。

  燃料电池引擎系统

  使用燃料电池的电动车,是将电池组 ( Isabelle注 :所以说 燃料电池还是需要一个电池跟他搭配 锂铁电池 将是最好的搭当)、储氢罐、马达与其他相关组件加以整合,便可组成燃料电池引擎系统,以做为燃料电池电动车的动力来源。这种系统可分为水冷式与气冷式两种,水冷式动力系统能源效率较高,但较为複杂,适合应用于较大型的汽、机车中。水冷式动力系统能源效率较低,但结构单纯,适合装设于小型的自行车与代步车中。不同类型的燃料、电解液、工作温度以及补充燃料的方法不同,如直接或间接加燃料方法,导致了不同的燃料电池,如:酸燃料电池、咸燃料电池、熔态碳化燃料电池、固态氢化燃料电池、固态聚合燃料电池、直接甲醇燃料电池等。由于燃料电池组的反应物需要由外界供应,所以要有提供氢气与空气的系统,同时要装设电池组冷却系统,因此燃料电池电动车的动力系统比一般电池电动车较为複杂。

  新型燃料电池加速电动车的发展

  电动车的开发与应用在根据多年来的研究与推广结果,使用铅酸、镍氢等电池的电动车,由于行程不足、充电麻烦等问题,只能做为自行车、代步车、高尔夫球车、机场搬运车等用途,而无法作为路面上的主要交通工具,如果希望电动车能够真正地商业化,则须採用新型的电池技术,才可大幅提升电动车的功能,增加消费者的接受程度。虽然目前以电池驱动的电动车,在行驶里程方面与燃油汽车还不能相媲美,但由于以燃料电池为动力的电动车,其行驶里程则完全是由车载燃料量决定的,只要有适量的燃料,电动车就可具有与燃油汽车相当的行驶里程。与燃油汽车类似,这类电动车补充燃料也可以在几分钟之内完成。燃料电池的寿命( ( Isabelle注 :因此要搭配长寿的锂铁囉...))通常远高于蓄电池并且几乎是免维护的,要发展实用化与商业化的燃料电池电动机车,必须针对燃料电池引擎系统的特性与构件,重新进行车体与车型的分析、规划、设计等工作,儘管燃料电池的製作技术还有种种缺点,但燃料电池在电动车上应用开发与应用,的确也为电动车创造了一个能与燃油汽车相竞争的美好前景。

  燃料电池系统的发电原理

  燃料电池与一般电池最大的不同就在燃料电池本身并不储存电力,它的电能供给来自燃料中的化学能,也就是说,只要有燃料不断地供应,燃料电池便源源不绝的发出电力。换言之,燃料电池的构造就如同一般的发电机,只不过燃料电池的操作比发电机更为安静、乾淨和更有效率。燃料电池引擎系统的运转与保护,都依赖电力与操作控制器。 ( Isabelle注 : 控制器真的满重要)在系统开始启动时,先利用一颗小型二次电池提供驱动电力,包括开启氢气阀与转动鼓风机等,等到电池组开始发电后,即可由电池组提供各种需要的电力。燃料电池引擎系统的体积、重量、功能与控制,必须达到节省空间、减少重量、提升效率与简易操作的效果,因此需要有精巧的系统设计与适当的组件整合,才能符合实用的要求,并让使用者能轻鬆地驾驶与操控。在价格方面,目前燃料电池是极其昂贵的,固态聚合燃料电池的成本是蓄电池的数十倍。因此,降低成本是普及燃料电池的一个重大课题。

  燃料电池电动车与周边系统

  燃料电池引擎系统只是电动车的动力部分,尚需要搭配车架、车轮、煞车、悬挂系统、传动系统、照明与电力系统、仪表与操控系统等组件,才能完成整部车体的设计与组装。燃料电池电动车上路后,紧接着的问题是要到何处加装燃料,因此需要有燃料周边系统的设置。如果是使用高压氢气钢瓶的电动汽车,则需要普遍建立加氢站以补充燃料;若是採用合金储氢罐的电动机车或自行车,则须有氢罐交换站提供服务。 ( Isabelle注 : Justin 就想做电池交换站)由此可知,一个适合电动机车的完整燃料周边系统,需要包括交换站、物流中心、充氢工厂与製氢工厂四个部分。由于车辆的使用数量大与分布地区广,燃料周边系统的建置,不但需要庞大的投资,而且需要相当的时间,所需的安全管理规范也需要积极建立与严格执行。 ( Isabelle注 :台塑这方面资源充裕但... 内部要达成共识!!哈哈哈!! )

  燃料电池带来环保新契机

  由旧工业革命到现在的科技发展的过程,地球生态环境产生相当大的影响,其包括工业废弃物、环境污染(包括空气、水、土壤、噪音等污染),所以环保意识的抬头,以及人们对环保观念的认知已日趋成熟,低污染的技术尤其被重视。燃料电池的技术,就符合了乾淨、有效率而且安静的电力来源,不仅对能源的来源提供了一种新的产生方法,亦在环境保护的工作上给未来新科技的诞生作了一个最佳的模范。只要商业化的进展能够成功,在大量生产与使用后,车辆的性能就能不断提升,而且价格也可以持续下降,此时燃料电池电动车就可逐渐全面取代引擎车,并可造就一个拥有清洁空气的都市空间。

  先进技术奠基于基础科学原理

  各种不同类别的材料原本就具备其不同的物性(如:延展性、导电性、介电性质、电化学性质等),在燃料电池的应用上,电极本身材料的电化学性质有其重要性,理工人若能在专业科目的学习上掌握要领,自然而然能够应用至相关技术的开发中。所以理工人绝对要下工夫在专业学科的修习上,先进的技术发展与应用,也得仰赖基础学科中的理论观念。对于未来新科技的发展脱离不了几个主轴,其中包含生物科技、材料等,本文的主题-燃料电池即是将专业的相关学科(工业材料、材料科学、电化学)中的所学结合。
发表于 2015-12-18 08:40:15 | 显示全部楼层
啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊
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, 2019-9-15 16:12

Powered by tech-domain X3.4 Licensed

© 2001-2017 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表