燃料電池

燃料電池
燃料電池是用汽油、酒精、天然氣、氫氣、沼氣等燃料轉換成電流。可以替代汽車的內燃機，取代筆記型電腦的電池、手機電池、計算機、汽機車、游艇等設備之發電用。充電時，只要清空充滿副產品水的容器，然後再裝進燃料(酒精等燃料)即可。燃料電池，簡單的說，就是一個發電機。燃料電池是火力、水力、核能外第四種發電方法。
以氫氣為燃料、氧氣為氧化劑， 通過化合作用發電，此種燃料電池又叫再生性氫氧燃料電池(regenerative fuel cell，RFC)。氫和氧化學反應生成水蒸氣，不排放碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物質，排出物是無污染的水。氫氧燃料電池排放出非常清潔的副產品，幾乎無污染且高效率。
氫氧燃料電池作用原理是以氫氣為燃料，和氧氣經電化學反應後透過質子交換膜產生電能，其具備的優點為發電效益高，且最終副產品只有熱能與純水，不會對環境造成任何威脅，相當符合環保交通工具的需求。
研發火箭之專家早在30年前人類第一次登陸月球時，就已使用液態氫和液態氧之燃料電池了。今日汽車製造業才開始i應用到燃料電池。燃料電池汽車是利用氫和氧進行化學反應產生電，然後再以電能進行驅動車輛。燃料電池在德國，被用作潛水艇的動力及用於驅動汽車和居民供電供暖。
日本FCX-V3燃料電池汽車的燃料氫是填充在250個大氣壓下的高壓蓄氫槽裡。2002年12月日本豐田公司與本田公司已出產世界第一批燃料電池汽車。加拿大Mark-900燃料電池，是使用甲醇或氫為燃料，可在零下40oC低溫下工作。大量生產時，燃料電池的成本與現有內燃發動機接近。
我國業者將氫氧燃料電池運用在電動自行車上，電力用完了，只要加燃料氣即可迅速恢能電能，符合快速環保方便的需求，的確是新發明新世紀的電池。氫氧燃料電池關鍵組件是電池內部兩片基板中的薄塑膠質子交換膜，目前仍是杜邦公司的專利權。目前電動車仍多數使用鉛酸電池，部分採用鎳氫電池，而鋰電池仍有成本高及充電時間長等問題；採用燃料電池做為電動自行車電能來源，將使我國電動車產業直接跳過鋰電池，進入燃料電池時代。

燃料電池----深具環保概念
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1.概論
燃料電池是利用氫與氧起化學反應變成水狀時的化學能源，直接轉變成電力的發電裝置。即一般含有豐富氫原子的的天然氣巳可推動燃料電池發電。
　
2.燃料電池之分類
目前，世界上已經研發出五種燃料電池，其特性如下表 :
　 燃料電池種類 　
　 固體高分子型
Polymer Electrolyte Membrane 磷酸型
Phosphoric
Acid 溶融碳酸鹽型（MCFC）
Carbonate 固體電解質型
（SOFC）
Solid Oxide Alkaline
(AFC)
Electrolyte Ion Exchange Membrane Phosphoric
Acid Alkali Carbonates Mixture Yttria Stabilized Zirconia 　
使用於
use in 特定汽車所使用 Stationary power buses / Vehicle Stationary power transportation Stationary power transportation 太空
排熱情況 低溫 低溫 高溫 高溫 　
運轉時排熱
operation temp °C 80 °C 200 °C 650 °C 1,000 °C 　
Charge Carrier H+ H+ CO3= O= 　
Electrolyte State Solid Immobilized
Liquid Immobilized
Liquid Solid 　
Cell Hardware Carbon- or
Metal-Based Graphite-
Based Stainless
Steel Ceramic 　
Catalyst Platinum Platinum Nickel Perovskites 　
綜 合 熱 ( 熱電共生 ) 效 率
Cogeneration Heat None Low Quality High High 　
發 電 效 率
Fuel Cell Efficiency, %LHV <40 40-45 50-60 50-60 　
　
根據運行時的溫度可分為高溫型及低溫型
高溫型 固體電解質型（SOFC） 1. 高溫型的發電效率較高
2. 高溫管理相當困難
3. 難以小型化，只能朝向火力發電等大型設施方向來發展。
　 溶融碳酸鹽型（MCFC） 1. 高溫型的發電效率較高
2. 高溫管理相當困難
3. 難以小型化，只能朝向火力發電等大型設施方向來發展。
低溫型 磷酸型
(p-acid) 1. 實用化已經成功
2. 價格仍比小型燃器渦輪的二倍，因此必須努力加以量產化，才能降低售價
　 固體高分子型 　
　
3.燃料電池發電實用化現況
省能源且低公害電源的燃料電池之中，最接近實用化的是磷酸型。磷酸型燃料電池以用途別可分類如下：
　 輸出電力 用途
分散配置用 數MW～數10MW 小型電廠及城市內分散配置電源
固定配置用 數10KW～數M W 辦事處、公寓、酒店等
移動用 數KW～數10k W 汽車、工程用電源等
世界一些工業國家已開發燃料電池實用化計，燃料電池的特徵之一是發電效率高，其二係同時可利用其排熱，所以最適合使用於汽電共生系統。
　
4.各種發電機性能比較
　 燃料電池 柴油引擎 瓦斯引擎 瓦斯渦輪
規模 50-10,000kW 10-10,000kW 20～-1,000kW 500-10,000kW
效率 38-45% 33-38% 25-35% 15-25%
燃料 都市瓦斯‧LPG 重油‧輕油‧燈油 都市瓦斯‧LPG 重油‧輕油‧ 燈油‧都市瓦斯
特徵 • 高效率
• 排熱利用容易
• NOx、SOx非常少
• 噪音‧振動大 • 高效率
• 燃料單價便宜
• 噪音‧振動小 • 排氣乾淨
• 排熱回收容易 • 小型
• 噪音
• 振動小
• 發電效率低
　
5. 100KW燃料電池的基本規則
輸 出 電 力 100kW
發 電 效 率 40% (LHV)
綜 合 熱 效 率 81% (LHV)
燃 料 都市瓦斯(13A)及天然瓦斯
運 轉 形 態 系統連結運轉
起 動 時 間 冷起動　4 h
暖起動 2.5h
排 熱 85～90℃溫水(181 kj/h)
50℃溫水(270 kj/h)
環 境 特 性 NOx:5ppm SOx:無
裝 置 尺 寸 2.28m(W)×6.5m(L)×2.75m(H)
*1 LHV（低發熱量）基準
根據最新研究資料顯示。美國在磷酸燃料電池方面已開發出低價格的200KW 機及巳開始實用化。其發展目標為做出 40,000 小時壽命及降低其成本。要進入該產業的關鍵是開發出高性能的電解質材料，尤其要著重研究及開發出精密陶瓷為電解質的高溫型「固體電解質型燃料電池」之新物料及技術
雖然燃料電池還在發展階段，但在環保與節省能源的考量下，燃料電池將成為二十一世紀發電之星。