燃料電池

一、摘要

  能源工程及環境保護是關係二十一世紀人類文明發展的重要課題。燃料電池是具有潛力的綠色發電工具,目前廣獲各國重視,預計可成為二十一世紀的重要能源裝置。燃料電池可視為一種綠色環保發電機,它可以將化學能連續的直接的轉換成電能。目前發展中的燃料電池近期以低溫型的質子交換膜燃料電池(PEMFC)為主,其所使用的燃料是氫氣,因此能夠提供安全且有效的氫氣,將可促進燃料電池之商業化。

二、背景

  燃料電池的歷史可以追朔到1839年,由英國法官威廉葛洛夫(William Grove)在一項業餘的實驗中神奇的發現了燃料電池的發電原理;但當時因為電極材料問題,使這項發明未受重視。直到1959年由另一位英國人法蘭西斯培根(Francis T. Bacon)製作出一個5kW的燃料電池組,能夠推動電銲機、電鋸、及堆高機,使這項技術得以走出實驗室,其後使用氫氣為燃料的鹼性燃料電池(AFC)更成功的應用在太空科技上,成為太空梭的電力供應系統;因為燃料電池的副產物是純淨的水,故也成為太空人飲水用的維生系統

  隨著1970年代出現的能源危機,以及1980年代以來高漲的環保意識,燃料電池開始被人考慮應用於地面上,作為現場型或分散型電廠,以提昇能源使用效率及減輕環境的負擔。最近因為不同型式的燃料電池被開發出來,不但提昇了燃料電池的發電性能,也拓展了燃料電池的應用領域,小自行動電話、筆記型電腦,大到太空梭、發電廠,都有燃料電池發展的空間,將成為氫能利用技術重要的一環

三、原理

  燃料電池係一種藉著電化學反應,直接利用含氫燃料和空氣產生電力和熱能的裝置。以下將以質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)為例介紹其結構及原理,PEMFC一般均由十一層結構所組成,中間層為傳輸質子的電解質膜,如美國DuPont的Nafion膜,或者是美國Dow、Gore,日本Asahi Glass、Asahi Chemical 等公司的類似實驗性產品。在質子交換膜兩側為觸媒層,係由Johnson Matthey或E-Tek等公司所生產的Pt/C、Pt/Ru/C等觸媒粉粒、碳粉、Nafion、Teflon所製成,而陽極與陰極的電化學反應即分別在此兩層進行。在兩層觸媒層外側者為兩層擴散層,大都係使用低孔隙的排水性碳紙或碳布,陽極與陰極的反應物即經由此兩層擴散至觸媒反應層,而生成物亦可經由此兩層擴散排出。在兩層擴散層外側者為兩層流場板,大都係使用碳板、金屬板或複合石墨纖維板加工而成,其相臨擴散層側均有氣體導流槽,而陽極與陰極的反應物與生成物即經由此兩層流場板進出燃料電池,於流場板外側有導電板,作用在於收集電流並將其經由外線路傳送至負載,最外層有兩片壓板,用以固定鎖緊整個電池組。

  質子交換膜燃料電池發電原理為氫氣經由氣體流道進入電池組,經由擴散層,與觸媒層中之白金觸媒作用後,氧化為氫離子並釋出電子。以上為陽極之電化學半反應。此半反應的兩種產物(氫離子及電子),再以兩種不同方式輸送至陰極。氫離子受到電滲透力驅策,以一個氫離子伴隨數個水分子的方式,經由電解質層(質子交換膜)輸送至陰極觸媒層。電子則因電位差的緣故,經由導電層在外電路作功之後輸送至陰極觸媒層。氫離子、電子、加上由陰極氣體流道輸送來的氧氣,藉由陰極觸媒層的白金催化,進行陰極半反應而產生水。總反應為氫氣和氧氣反應,產生水及電力和熱。理論可逆電壓為1.234伏特,但因為過電位及內電阻使得其一般的工作電位約為0.7伏特左右。其中,陰極半反應之反應速率為陽極半反應之一萬倍。反應速率決定步驟(rate determined step)在陰極的半反應。下列為陰陽極之半反應及總反應式。

  除了氫氣之外,只要含有氫原子的化石能源如天然氣、石油、煤炭等氣化產物,或是沼氣、酒精、甲醇等,都可作為燃料電池的能源進料。

  燃料電池中發生的電化學反應是將化學能即所謂的自由能差(ΔG)轉變為電動勢(ΔE),而其中ΔG=ΔH-TΔS,於使用氫氣為燃料的反應中其反應熱ΔH=286k J/mol,亂度差ΔS=163 J/mol-K,於27℃(300K)之下因亂度差所造成的能量損耗TΔS=48.9kJ/mol,故約有80%的反應熱可以轉換成電能,由表一可以看出不同燃料的比較,其中以氫氣作為燃料的能量密度最高。此外目前的燃料電池技術亦是以使用氫氣最為純熟。

四、燃料電池優缺點

  PEMFC的操作溫度低(60℃以下),且無腐蝕性液體逸出的危險,以及高電流密度等優點,因此近年來成為燃料電池研發工作的焦點,其用途包括現場型、運輸動力型與攜帶型機組等,可依照需求電力的不同將單電池組成電池組以滿足各種電力需求,其中以串聯方式來區別可分為傳統堆疊串聯和平板型串聯等方式。由於具有下列等諸項特色,成為歐、美、日各國爭相研發和推廣的對象。

低污染-燃料電池比一般發電方式更為清潔,若用氫氣作為燃料,其排放物是可供飲用的水和可以利用的熱能。
高效率-因為燃料電池直接將燃料中的化學能轉換成電能,故不受卡諾循環的限制。
低噪音-發電主體不含迴轉機件時則無噪音問題,若需散熱則有風扇的雜音。
用途多-燃料電池所能提供的電力範圍廣泛(1W~1000MW),因此可應用的產品也多。
免充電-一般電池係將能源貯藏於電池本體中,待用完後即需捨棄或重新充電,以恢復電力。燃料電池的能源是由燃料中的化學能所提供,不含在電池本體結構中,因此只要燃料源源不絕的供應,燃料電池便可以不停的發電。
進料廣-只要含有氫原子的化石能源如天然氣、石油、煤炭等氣化產物,或是沼氣、酒精、甲醇等,都可作為燃料電池的能源進料。加上利用高壓鋼瓶或金屬氫化物等儲氫材料製成的儲氫卡匣成為燃料電池電力組,可取代一般的蓄電池使用

  但就目前的技術而言,燃料電池尚有一些缺點及瓶頸需要突破。目前燃料系統的選擇與相關技術的可用性仍無法令人滿意。就電動機車的小型系統而言,一般建議直接使用高壓鋼瓶或儲氫合金等氫氣儲存技術,但其成本、體積、重量、安全性及消費者接受度等因素並不太有利,其中的成本、體積、重量、安全性尚需經由一連串的試驗與測試,而消費者接受度則有賴廠商的推廣及媒體的宣導。若採用液態燃料,則需要時間研發小型高效率的燃料重組器和CO氧化器。就燃料電池所使用的材料而言,其使用鉑為催化劑,雖然可以有效的提高發電效率,但相對的亦增加其成本。目前技術的瓶頸在於電池組系統的性能受限於其反應性與穩定性。較好的反應性可以由提高電極活性,提高操作溫度,控制反應氣體溼度與壓力等方法來達到。提高穩定性必須避免腐蝕與副反應的發生,以及電池組各層結構材料的匹配與相容性。而反應性與穩定性常常是有如魚與熊掌般的不可兼得。故就不同的應用場合電池組的設計將會有很大的差異。 

圖1 燃料電池的運作原理

資料來源:台灣經濟研究院

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