台灣燃料電池研發現況 @ 亞視

台灣燃料電池研發現況
　　台灣最早期從事燃料電池研究及推廣單位，是經濟部能源委員會及工研院能資所，但其研究均屬小規模。及至最近3、4年，各單位更擴大投入規模，分述如下。
◎ 工研院能資所，規劃在未來4年內，開發3~5kw小型家用PEM燃料電池，包含電池堆、燃料重組器及關鍵材料。
◎ 台灣經濟研究院預期將於2002年完成第四代燃料電池，量產應用於電動機車，其機車最終目標為：極速85km/hr、續航力160km、總重量100公斤以下，換氫氣罐時間五分鐘內。
◎ 中科院材料之研究領域則包含：電極觸媒、碳材電極、氣體擴展層(gas diffusion layer)、複合石墨雙極板，及電池堆設計開發。
◎ 工研院材料所及核能研究所燃材組，也積極從事關鍵材料零組件研發工作，研發目標以應用家電、資訊、通訊(3C)電源供應產品為主。
◎ 學術單位方面，則有元智大學投入燃料電池應用領域的研究，其近程目標是PEM 燃料電池的研發；長程目標則是直接式甲醇燃料電池(DMFC)及固態氧化物燃料電池(SOFC)的研發。
◎ 能源委員會的燃料電池計畫，目前則先由PEM 燃料電池著手研發。

隨著全球工業及人口之遽增，地球上可用的資源則愈形短缺，因此可重複使用、對環境友善以及能源轉換效率佳之新能源技術，已成為各國工業界及學術界共同追求之目標與興趣。其中燃料電池技術因具備低污染、高能源轉換效率之特性，成為近年來最受矚目的新穎能源供應技術。
燃料電池的原理早在一世紀之前即被提出。西元1839年時，William Grove提出了最原始的燃料電池模型，其基本概念是依據H2與O2氧化還原電位的不同，得到一個可供利用的電動勢。圖一所示為Grove的燃料電池模型 [1]。為了使氧化還原反應能在室溫或略高於室溫下發生，一般在兩端的電極（H2端與O2端）置有觸媒（catalyst），以催化反應，而觸媒的來源通常以穩定性佳的金屬如鉑(Pt)為首選。

Grove之後的一百多年，燃料電池的研究並未有大幅進展，一直到1960年代美蘇開始太空競賽，由於燃料電池能提供太空載具所需之能量，因此逐漸受到矚目。即使是在現今的太空載具中，燃料電池仍然持續扮演供應能源的重要角色。

圖一、Grove的燃料電池模型。[1]

若依所使用的電解質來分類，燃料電池大約可分為下列五種 [2,3]：
高分子膜燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell, SPEFC)，或質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)
鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell, AFC)
磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)
熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)
固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)
各種不同的燃料電池所使用的電解質與相對應之電荷載子(charge carrier)，如表一所示。

表一、燃料電池之種類。
*CF3(CF2)nOCF2SO3－。
** Yttrium-stabilized zirconia。[1]
燃料電池雖然名為電池，但事實上更像一個特殊的發電機(或內燃機)，原因在於一般電池為封閉式系統，而燃料電池屬於開放式系統，它並不儲存能源，而是轉換能源。圖二為燃料電池與內燃機之比較，讀者可以發現它們的相似性，不過燃料電池利用觸媒啟動氧化還原反應，不必經過劇烈燃燒即可產生能源。燃料電池直接由燃料氧化產生電能，因此其放電電流可以隨著燃料供應量增加而增大，若再將其串聯成電池堆(fuel cell stack)，則可以提供大電流或大電壓，因而具有超高的能源密度。此外，燃料電池沒有電力衰竭及充電的問題，只要持續供給燃料及氧氣，便可持續發電。

(a) (b)
圖二、(a)內燃機與(b)燃料電池之比較。[1]

隨著近數十年來奈米科技的發展，燃料電池在技術上已經有了重大突破，特別是低溫操作的PEMFC的問世，使燃料電池得以由高不可攀的太空科學進入民生應用的範疇。PEMFC基本設計是由兩個電極夾著一層高分子薄膜之電解質(參見圖三)，電解質需要維持溼度，使其成為離子導體 (ionic conductor)。在PEMFC中，電解質為氫離子(質子)導體，故名為質子交換膜 (proton conducting membrane－PEM) 或簡稱質導膜。電極通常為多孔性碳，其上多包含做為催化劑之用的白金粉末。以下我們就來看看電極、質導膜及觸媒的特性。
電極（陰、陽極）之功能在於傳導電流及氣體，同時可做為觸媒的載體(back support)。目前最廣為使用且性能可靠之電極材料為碳製成的纖維織布或紙。碳電極為微米至奈米級的多孔或介孔性(mesoporous)材料，具有表面積大 (> 75 m2g-1)的優點，同時能讓氣體燃料通過。最近亦有研究嘗試以奈米碳管作為電極。
圖三、現代燃料電池之基本架構(質子交換膜燃料電池為例)。[1]

質子交換膜多採用高分子薄膜電解質，內部為網狀結構，提供原子級(atomic scale)的離子通道，須具備高離子傳導性、高滲透選擇性(只傳導氫離子)、化學穩定性及熱穩定性佳等優點。質子交換膜表面與陰極、陽極、觸媒等材料接觸，其介面氧化還原反應之效率與燃料電池效率息息相關，目前較可靠且廣為接受者為杜邦公司之Nafion系列產品，此外也有許多其他不同高分子薄膜電解質的研究或商品 [4－7]。

觸媒材料依其功能分為氫觸媒與氧觸媒二種，分別使用於陽極/質子交換膜界面及陰極/質子交換膜介面。根據電催化效應（Electrocatalysis）作用，氫觸媒促使氫原子氧化為質子，氧觸媒則使氧原子還原為水。觸媒材料之選擇有三大要件：高分散度下的均勻性、催化活性與安定性。對操作環境較單純之氫/氧質子交換膜燃料電池而言，以鉑系金屬(Pt、Pd等)為最適合，為提高其電化活性，通常製成奈米級粉末，先均勻散佈於碳顆粒上，再塗佈於電極表面，由於大小只有20奈米，其電催化能力因而大幅提升，因此可以降低電化學反應所需之溫度。

碳電極與質導膜形成之三明治結構通常稱為膜極組，所有燃料電池之反應均發生於此，可以說是燃料電池的心臟。以不鏽鋼或石墨板等耐腐蝕材料將膜極組封裝之後，即形成目前使用的燃料電池元件(見圖四)。

圖四、膜極組之構造及相關電化學反應。[1]

目前成功的燃料電池應用實例有大型發電機、火箭能源供應器、機動車輛能源供應器等等。近來，將燃料電池微型化，並運用於可攜式電子產品(包括行動電話、手提電腦、數位相機等)，或作為可攜型發電機，更成為新一波的發展趨勢。更加微小的設計則可運用於長放型微感測器、分離式通訊系統上。不論其尺寸大小，燃料電池總有其能源效率高、污染性低之優點，特別是降低大氣污染及減少二氧化碳的排放，將是其發展的優勢。

.msgcontent .wsharing ul li { text-indent: 0; }

分享

Facebook
Plurk
YAHOO!

hoitiglyu

亞視

hoitiglyu 發表在痞客邦留言(0) 人氣()

E-mail轉寄

亞視

亞視

台灣燃料電池研發現況

歷史上的今天

留言列表

站方公告

活動快報

BIONAP...

我的好友

熱門文章

文章分類

最新文章

最新留言

動態訂閱

文章精選

文章搜尋

新聞交換(RSS)

誰來我家

參觀人氣

QR Code

POWERED BY