氢与甲烷丙烷的比较课件

Chapter7燃料電池的燃料(FuellingFuelCells)

7.1簡介(Introduction)介紹大自然中可以作為燃料電池使用之物質，其包含：(1)生物燃料。(2)天然氣。(3)石油與煤等的使用。說明在上述燃料中，製程燃料電池所需之氣體，文中主要介紹氫氣燃料的製程。探討對於燃料電池整體系統熱問題之整合，並且對於此方面作設計改善其整體性能。1Chapter7燃料電池的燃料(FuellingFue圖中主要說明，一些可作為燃料電池燃料之基本化學與物理特性資料。2圖中主要說明，一些可作為燃料電池燃料之基本化學與物理27.2化石燃料(FossilFuels)

7.2.1石油(Petroleum)化石燃料內包含許多成分，然而對於燃料電池需知道燃料的物理特性與燃燒時所產生之特性。就如同石油而言，石油為混合氣體、液體與固體的碳氫化合物，需利用沸點溫度差異來分離石油的成分(即所謂提煉)，其成分包含：鏈烷、烷類、環烷、芳香族的碳氫化合物，而其化學成分會決定氫燃料生產過程的形式。37.2化石燃料(FossilFuels)

7.2.1石天然石油在不同沸騰範圍所蒸餾出的成分：4天然石油在不同沸騰範圍所蒸餾出的成分：4氫的提煉一般為對石油蒸餾出的某些成分而言，經由提煉來減少芳香族(苯)的含量。應用上，可以用來穩定引擎的性能，減少腐蝕、碰撞的風險。氫的提煉(Hydro-refining)：5氫的提煉一般為對石油蒸餾出的某些成分而言，經由氫的提1.瀝青沙(tarsands)天然瀝青及天然柏油（包括「特里尼達柏油」及在一些國家所眾知為「瀝青砂」之物質）。它們是褐色或黑色、固態或非常黏稠之碳氫化合物與惰性物質天然形成之混合物，柏油可能是其實體。

2.油頁岩(oilshales)一種高灰分的﹑乾餾後可以獲得頁岩油的緻密薄層狀可燃有機岩﹐又稱油母頁岩。與腐泥煤的區別是礦物質含量高﹔與一般的瀝青質頁岩的區別是有機組分中以非原質瀝青為主﹐不含或含微量(小於1～2％)的原質瀝青。7.2.2石油混合物61.瀝青沙(tarsands)7.2.2石油混合物63.水煤氣(gashydrates)一種低熱值煤氣。由蒸汽與灼熱的無煙煤或焦炭作用而得。4.液態汽油瓦斯(LPG)

將在常溫、常壓下呈氣體狀態的石油系輕烴類，經加壓或冷卻得到的液化產物。其主要成分為丙烷、丙烯、丁烷、丁烯。液化石油氣主要從石油加工或油氣開採過程中取得。

73.水煤氣(gashydrates)71.煤炭是所有化石燃料中含量最豐富的物質，由許多植物遺骸經地層作用硬化所生成。煤炭在碳化或蒸餾的過程中會產生液體(有機液體，如瀝青、酚)、氣體(主要為氫氣與碳的氧化物)與殘留的焦炭。碳化作用：

指煤炭經高溫的過程轉變為更適宜的燃料形式。2.瀝青煤炭是碳化過程的產物，經氣化後可以得到煤氣。氣化作用：

指煤炭、水蒸氣以及氧在高溫下反應，而氣化後的產物大多為氣體，只有少數為液體與固體。7.2.3煤炭與煤氣81.煤炭是所有化石燃料中含量最豐富的物質，由許多植7.2.3目前許多煤炭氣化系統可區分為三類:1.Moving-bed:氣化生成物溫度450°C~650°C

(氣體包含甲烷、乙烷與碳氫化合物；液體與水蒸氣包含揮發油、瀝青、石油與酚液體)2.Fluidised-bed:氣化生成物溫度925°C~1050°C3.Entrained-bed:氣化生成物溫度>1200°C

(氣體生成物由氫氣、一氧化碳與二氧化碳所組成)

9目前許多煤炭氣化系統可區分為三類:9顯示以不同上述之方法所產生不同含量的百分比：10顯示以不同上述之方法所產生不同含量的百分比：10天然氣之低沸點碳氫化合物包含甲烷、乙烷、丙烷等，其中以甲烷含量較多，而已烷與丙烷含量較少。除碳氫化合物之外，天然氣包含大量的氮、二氧化碳與其它微量的氣體，如氦氣、硫等。7.2.4天然氣11天然氣之低沸點碳氫化合物包含甲烷、乙烷、丙烷等，7.2.4天然氣在不同區域中各種成分之含量：12天然氣在不同區域中各種成分之含量：127.3生物燃料(Bio-fuels)Biomass為燃料的重要來源，因含有較高之能量，其獲得途徑如下列所示：1.直接燃燒。2.經由高溫分解、氫的氣化、厭氧的消化作用轉換成生物氣體。3.經由發酵轉換成乙醇。4.轉換成共氣熱化學與甲醇或氨。5.經由氫化作用轉換成液態碳氫化合物。氫化作用：將含豐富氫氣的煤氣與適當的催化劑接觸，謂之。137.3生物燃料(Bio-fuels)Biomass為燃料的生物燃料內成分所佔百分比：14生物燃料內成分所佔百分比：147.4燃料基本處理(TheBasicsofFuelProcessing)

7.4.1

燃料電池的需求對於PAFC而言，CO的含量要小於0.5%。對於MCFC與SOFC而言，CO可作為燃料使用。SOFC與有內部重組之MCFC可在電池內部使用甲烷；反之，PAFC與PEMFC則不行。PEMFC可使用丙烷做燃料(需外加裝置)，但性能較差。157.4燃料基本處理(TheBasicsofFuel各種氣體對於燃料電池種類之影響：16各種氣體對於燃料電池種類之影響：16在燃料完成提煉時，天然氣與液態石油所含的有機硫成分需被排除。加氫反應之速率會隨溫度而增加，操作溫度為300-400℃。7.4.2脫硫作用17在燃料完成提煉時，天然氣與液態石油所含的有機硫成7.4.2HDS(加氫脫硫)反應裝置，以鎳-鉬氧化物或鈷-鉬氧化物作為催化劑，減少硫的影響。鎳為一強有力的氫化催化劑，且可導致含氫之石油分裂。利用活性碳來吸附H2S(使用於小型系統中)。活性碳之功能：

活性碳課滲透到金屬內作為助催化劑，以提高對H2S的吸附性。18HDS(加氫脫硫)反應裝置，以鎳-鉬氧化物或鈷-鉬氧化187.4.3

水蒸汽重組水-氣轉換反應：以鎳作為觸媒，目的將CO轉換成CO2，並可產生氫。皆為可逆反應197.4.3水蒸汽重組水-氣轉換反應：以鎳作為觸媒，目的將C在1bar下的輸出成分中，水蒸汽重組之反應物氣體濃度與溫度關係：20在1bar下的輸出成分中，水蒸汽重組之反應物氣體濃度與溫度2影響重組後產物成分之要素：1.反應溫度。a.溫度高於700℃時，有利於氫的重組。b.溫度過高時，水-氣轉換反應會有逆反應的產生。2.操作壓力。3.供給之氣體成分。4.反應裝置的水蒸汽比例。21影響重組後產物成分之要素：21揮發油在不同條件下重組之生成物含量比：22揮發油在不同條件下重組之生成物含量比：22其它重組型式：

CO2重組：用於內部重組燃料電池中。以甲醇為燃料重組之反應物：23其它重組型式：23利用天然氣在缺乏空氣或水蒸汽時，加熱至650℃高溫分解。Boudouard反應：以金屬鎳作為觸媒。7.4.4碳的形成與預先重組式中碳會沉澱，對於PEM而言，會造成多孔媒介的阻塞。24利用天然氣在缺乏空氣或水蒸汽時，加熱至650℃7.4.4下圖為SOFC預先重組系統：25下圖為SOFC預先重組系統：25內部重組型式可分為兩種：1.直接內部重組(DIR)：重組反應在陽極內部完成。有較佳的熱轉換。產生的水蒸汽可用來重組。

7.4.5內部重組26內部重組型式可分為兩種：7.4.5內部重組262.間接內部重組(IIR)：優點：電池堆與重組器有緊密的熱接觸。缺點：IIR反應與電化學反應需分離。272.間接內部重組(IIR)：27內部重組應用之優點(與外部重組比較)：1.系統較便宜。2.在DIR系統中，水蒸汽需求較少。3.在DIR系統中，氫氣與溫度分布較大。4.對燃料而言，甲烷轉換率較高。5.系統效率較高。28內部重組應用之優點(與外部重組比較)：28使用直接與間接重組系統於MCFC中之示意圖：29使用直接與間接重組系統於MCFC中之示意圖：29甲烷完全反應時：直接氧化的最大效率為：7.4.6碳氫化合物直接氧化30甲烷完全反應時：7.4.6碳氫化合物直接氧化30部份氧化作用：操作溫度約為1200-1500℃，且無觸媒情況下。自動熱重組：1.所需水蒸汽較少。2.熱來自於燃料局部燃燒。7.4.7部份氧化與自動熱重組31部份氧化作用：7.4.7部份氧化與自動熱重組311.高溫分解：利用在缺乏空氣下，將碳氫化合物高溫分解產生氫氣。2.熱分餾：利用分餾或分解碳氫化合物產生氫氣與固態碳。產生之氫氣較純。7.4.8高溫分解產生氫氣或碳氫化合物的熱分餾321.高溫分解：7.4.8高溫分解產生氫氣或碳氫化合物的熱分利用甲醇重組(可用於PAFC)。水-氣轉換反應：缺點：在高溫時偏向於產生CO。改善方法：1.冷卻產物。

2.加入觸媒促進反應。7.4.9燃料進一步的處理---一氧化碳的排除33利用甲醇重組(可用於PAFC)。7.4.9燃料進一步的處理PEMFC的CO移除方法：

(1)加入觸媒轉換器。

(2)

CO與氫氣反應形成甲烷。

(3)使用鈀/鉑的薄膜。34PEMFC的CO移除方法：34

7.5實用的燃料製程-定置的設備

7.5.1PEMFC和PAFC以天然氣為進氣的系統設計用蒸汽重整器

溫度最小的需求：在脫硫前燃料氣體要加熱至300℃氣體在重整前要在600℃或更高重整後的氣體要冷卻至400℃為了高溫轉換反應更進一步冷卻至200℃為了低溫轉換反應在進入燃料電池要先加熱或冷卻視電池種類而定水的加熱成為蒸汽需要在蒸汽重整器中35

7.5實用的燃料製程-定置的設備

7.5.1PEMPAFC燃料的製程36PAFC燃料的製程367.5.2

重整和部分氧化設計377.5.2重整和部分氧化設計37緊密的再生重整器使用環狀催化反應器。燃燒室在中央的底部採用加壓燃燒。壓力通常4.5bar。第一催化床是對流加熱，熱的流向與氣體的方向不同，第一催化床的溫度大約為675℃，氣體經過第一催化床一部分被重整，無重整的氣體經導管傳送到第二床頂部，向下流再經歷重整過程。第二催化床受燃燒氣體的對流加熱和中央燃燒室的輻射加熱溫度高達830℃。38緊密的再生重整器使用環狀催化反應器。燃燒室在中央的底部採用加再生重整器的優缺點優點：體積小適合小規模製氫加壓燃燒熱利用率高啟動較快成本低缺點：氣體傳輸到催化劑顆粒有一定的限制熱回收系統與反應器是一體的回收率受反應器設計限制39再生重整器的優缺點優點：缺點：39板式重整器燃燒室和重整室被薄板分開，板的兩側燃燒催化劑、重整催化劑，燃燒反應的熱量用於促進重整反應。特點：1.結構緊湊2.熱傳阻力小40板式重整器燃燒室和重整室被薄板分開，板的兩側燃燒催化劑、重整薄膜重整器

氫氣能滲透過鈀或鈀合金的膜，鈀膜能將氫氣從混合氣體中分離出來。在低溫中也有高的效率。所產生氫氣的濃度可高達100％。但是鈀金屬太貴了，所以無商業生產。41薄膜重整器氫氣能滲透過鈀或鈀合金的膜，鈀膜能將氫氣從混無催化部分氧化重整 液態燃料加氧加蒸汽進入重整器，部分氧化發生在重整器，出來產物溫度高達1150℃，為了抗高溫，熱交換器和重整器以貴重金屬製作，但它流出的氣體含有污染物，整體來說並不適合在燃料電池的應用 企業應用：Texaco和Shell轉換重油為合成氣42無催化部分氧化重整 液態燃料加氧加蒸汽進入重整器，部分氧化發催化劑部分氧化（CPO）重整器它可分為兩種種類第一類： 不加水，非貴金屬(Ni)和貴金屬(Ru,Pd,Rh) 都可作為氧化劑。第二類： 在不完全氧化重整器中加水蒸氣，部分氧化和蒸汽重整重整同時發生，部分氧化的熱就可以供給蒸汽重整。此種方式又稱做自供熱重整器。43催化劑部分氧化（CPO）重整器它可分為兩種種類43第一類催化劑部分氧化（CPO）重整器耐火材料(通常為陶瓷)為基底的鉑和氧化鉻。他採用點噴進料技術，在催化床中形成熱點而得名。這樣的好處是在進行中不用對空氣和燃料預熱。但在重整器啟動時天然氣和空氣要預熱到500℃，或者，引入啟動燃料，其催化氧化反應放出的熱量可以提高催化床的溫度44第一類催化劑部分氧化（CPO）重整器耐火材料(通常為陶瓷)為第二類催化劑部分氧化（CPO）重整器甲醇加上水經由噴嘴，噴向加熱線圈，與空氣混合後，經過催化劑的反應，產生所需要氫氣。45第二類催化劑部分氧化（CPO）重整器甲醇加上水經由噴嘴，噴向7.6實用的燃料製程-移動設備的應用

7.6.1

需要考慮的因素移動式裝置燃料產生的過程應用需要：結構需要緊密，不能太大必須要有快速啟動的能力必須符合我們的需求，在一範圍內要有快速的操作效率。散發的污染物要很低進入到PEMFC的電池堆之CO含量要低467.6實用的燃料製程-移動設備的應用

7.6.1需要考7.6.2

甲醇重整器發展甲醇重整器的公司：DaimlerChryslerG.M.HondaInternationalFuelCellsMitsubishiNissan477.6.2甲醇重整器發展甲醇重整器的公司：47使用甲醇重整器的燃料電池系統工作圖

48使用甲醇重整器的燃料電池系統工作圖

48DaimlerChryslermethanolprocessor

49DaimlerChryslermethanolproceDaimlerChryslerNeCar350DaimlerChryslerNeCar350GeneralMotors/Opelmethanolprocessor51GeneralMotors/OpelmethanolpGMZafira52GMZafira52Mercatoxmethanolprocessor

由WellmanCJB發展 預計的目標： 50kW的系統49公升50公斤啟動時間小於5秒響應時間小於5ms53Mercatoxmethanolprocessor 由W7.6.3

甲醇CPO/自供熱重整器

發展的公司：HydrogenburnerTechnologyJohnsonMattheyHonda547.6.3甲醇CPO/自供熱重整器

發展的公司：54JohnsonMattheyHotSpotreactor55JohnsonMattheyHotSpotreacto為何甲醇重整適合於交通工具工業製氫主要以天然氣為原料，生產量大，適合大規模生產應用。甲醇製氫適於中、小規模應用。作為交通工具的燃料電池的燃料，以來源、價格、安全性能等方面綜合考慮，甲醇是具有競爭力的。56為何甲醇重整適合於交通工具工業製氫主要以天然氣為原料，生產量最新科技將水分解成氫與氧的光觸媒

什麼是光觸媒？簡單地說，就是當某些化學物質受到光線照射時，可藉光的能量促使一些化學反應的產生。過去光觸媒的應用已深入許多人的日常生活，例如冷氣機的殺菌光即是藉由光觸媒達到破壞病毒蛋白質及去除有害廢氣的效果。而日本產業技術綜合研究所則研究出新型的光觸媒，可將水分解成氫及氧。

57最新科技將水分解成氫與氧的光觸媒什麼是光觸媒？簡單地說，就7.7

氫的儲存587.7氫的儲存587.7.1序論氫有高的比能（能量/公斤）但它的能量密度太小（能量/體積）因為它的密度低所以我們在儲存氫上有很大的問題597.7.1序論氫有高的比能（能量/公斤）59氫的儲存要通過下列測試要很簡單就可以得到氫製造過程簡單，且節省能源操作時要有安全性60氫的儲存要通過下列測試要很簡單就可以得到氫60各種化合物中氫的比例61各種化合物中氫的比例61主要用於儲氫的方法壓縮氣體儲存於鋼瓶中以液態氫儲存以可逆金屬氫化物儲存以金屬氫化物儲存（活性較大可與水反應）62主要用於儲氫的方法壓縮氣體儲存於鋼瓶中627.7.2安全性氫是獨特的元素，擁有低的分子量，且有高的熱傳導性、分子速度，低的黏度與密度，基於上列特性，使氫有較快的滲透率。比甲烷快2.8倍，比空氣快3.3倍，此外氫具有高爆炸性。監控氫的滲透率愈小愈好氫的燃燒溫度高於甲烷、甲醇避免使用氫在狹小空間中637.7.2安全性氫是獨特的元素，擁有低的分子量，且有高的氫與甲烷、丙烷的比較64氫與甲烷、丙烷的比較647.7.3以壓縮氣體儲氫儲存較小量的氫使用高壓儲氫時，鋼瓶的重量需要被考慮進去，重量越重時效率越低。另外一點氫會擴散到材料內部，形成氣泡造成氫脆的現象，它會形成裂縫，氫會有洩漏的危險。657.7.3以壓縮氣體儲氫儲存較小量的氫65兩種儲氫方式的比較66兩種儲氫方式的比較66使用壓縮儲氫的主要優點簡單無保存期限的限制無氫飽和度的限制67使用壓縮儲氫的主要優點簡單67使用壓縮儲氫實例68使用壓縮儲氫實例687.7.4以液態方式儲氫以液態方式能儲存較大量的氫液態氫的溫度22K為了防止氫的洩漏，安全的儲氫，使用安全隔膜空氣混合物禁止進入液態氫，否則會有爆炸的危險在注入液態氫之前要先以氮氣清除內部氣體氫氣液化需要的能量約為40％焓或氫的加熱值697.7.4以液態方式儲氫以液態方式能儲存較大量的氫69液態氫的特性70液態氫的特性70使用壓縮儲氫的實例71使用壓縮儲氫的實例717.7.5

可逆金屬氫化物儲氫常見的金屬：鐵、鈦、錳、鎳、鉻等等與氫反應生成金屬氫化物 通式：向右反應放熱，合金金屬的不同，則壓力與溫度的範圍也不同727.7.5可逆金屬氫化物儲氫常見的金屬：鐵、鈦、錳、鎳、工作方式

在容器內提供氫到金屬合金，反應向右放熱，必須提供冷卻系統來冷卻，大部分是以空氣來冷卻，當金屬反應完，壓力上升，停止供氫。當需要時在加熱釋放。73工作方式 在容器內提供氫到金屬合金，反應向右放熱，必須提供冷缺點價格高，密度大氫的質量分數約為1～2％74缺點價格高，密度大74以金屬氫化物儲存氫的應用75以金屬氫化物儲存氫的應用75以金屬氫化物儲存氫的特性76以金屬氫化物儲存氫的特性767.7.6

鹼金屬氫化物

此種方法，能量密度遠比其他的方法好，攜帶電源用鹼金屬氫化物在空氣中較穩定，與等的水反應，定量放出氫氣，放熱少。777.7.6鹼金屬氫化物 此種方法，能量密度遠比其他的方法此方法所產生的問題需處理具腐蝕性的氫氧化物氫氧化物有助於黏結水分子--> 水所需的體積會比較大製造和運輸的能量，會大於燃料電池所產生78此方法所產生的問題需處理具腐蝕性的氫氧化物78以鹼金屬氫化物儲存氫的特性79以鹼金屬氫化物儲存氫的特性797.7.7儲存方式的比較807.7.7儲存方式的比較80最新科技在運輸方面方面，科學家也發現如果將奈米碳管與鋰或鉀混合之後，它的儲氫能力遠超過科學家的想像，如果這項新的儲氫材料研發成功的話，未來的汽車將不再以汽油而是以氫為燃料，屆時將能大量減低空氣污染，還給下一代一個潔淨的地球。將氫吹入合成的奈米碳管，以研究其儲氫性能，結果發現，室溫下重量比0.7%；以液態氮冷卻時提高至重量比5%，可以視為溫度愈低，氫愈容易儲存在奈米碳管中。氫由於溫度的上升而釋放。

81最新科技在運輸方面方面，科學家也發現如果將奈米碳管與鋰或鉀混Chapter7燃料電池的燃料(FuellingFuelCells)

7.1簡介(Introduction)介紹大自然中可以作為燃料電池使用之物質，其包含：(1)生物燃料。(2)天然氣。(3)石油與煤等的使用。說明在上述燃料中，製程燃料電池所需之氣體，文中主要介紹氫氣燃料的製程。探討對於燃料電池整體系統熱問題之整合，並且對於此方面作設計改善其整體性能。82Chapter7燃料電池的燃料(FuellingFue圖中主要說明，一些可作為燃料電池燃料之基本化學與物理特性資料。83圖中主要說明，一些可作為燃料電池燃料之基本化學與物理27.2化石燃料(FossilFuels)

7.2.1石油(Petroleum)化石燃料內包含許多成分，然而對於燃料電池需知道燃料的物理特性與燃燒時所產生之特性。就如同石油而言，石油為混合氣體、液體與固體的碳氫化合物，需利用沸點溫度差異來分離石油的成分(即所謂提煉)，其成分包含：鏈烷、烷類、環烷、芳香族的碳氫化合物，而其化學成分會決定氫燃料生產過程的形式。847.2化石燃料(FossilFuels)

7.2.1石天然石油在不同沸騰範圍所蒸餾出的成分：85天然石油在不同沸騰範圍所蒸餾出的成分：4氫的提煉一般為對石油蒸餾出的某些成分而言，經由提煉來減少芳香族(苯)的含量。應用上，可以用來穩定引擎的性能，減少腐蝕、碰撞的風險。氫的提煉(Hydro-refining)：86氫的提煉一般為對石油蒸餾出的某些成分而言，經由氫的提1.瀝青沙(tarsands)天然瀝青及天然柏油（包括「特里尼達柏油」及在一些國家所眾知為「瀝青砂」之物質）。它們是褐色或黑色、固態或非常黏稠之碳氫化合物與惰性物質天然形成之混合物，柏油可能是其實體。

2.油頁岩(oilshales)一種高灰分的﹑乾餾後可以獲得頁岩油的緻密薄層狀可燃有機岩﹐又稱油母頁岩。與腐泥煤的區別是礦物質含量高﹔與一般的瀝青質頁岩的區別是有機組分中以非原質瀝青為主﹐不含或含微量(小於1～2％)的原質瀝青。7.2.2石油混合物871.瀝青沙(tarsands)7.2.2石油混合物63.水煤氣(gashydrates)一種低熱值煤氣。由蒸汽與灼熱的無煙煤或焦炭作用而得。4.液態汽油瓦斯(LPG)

將在常溫、常壓下呈氣體狀態的石油系輕烴類，經加壓或冷卻得到的液化產物。其主要成分為丙烷、丙烯、丁烷、丁烯。液化石油氣主要從石油加工或油氣開採過程中取得。

883.水煤氣(gashydrates)71.煤炭是所有化石燃料中含量最豐富的物質，由許多植物遺骸經地層作用硬化所生成。煤炭在碳化或蒸餾的過程中會產生液體(有機液體，如瀝青、酚)、氣體(主要為氫氣與碳的氧化物)與殘留的焦炭。碳化作用：

指煤炭經高溫的過程轉變為更適宜的燃料形式。2.瀝青煤炭是碳化過程的產物，經氣化後可以得到煤氣。氣化作用：

指煤炭、水蒸氣以及氧在高溫下反應，而氣化後的產物大多為氣體，只有少數為液體與固體。7.2.3煤炭與煤氣891.煤炭是所有化石燃料中含量最豐富的物質，由許多植7.2.3目前許多煤炭氣化系統可區分為三類:1.Moving-bed:氣化生成物溫度450°C~650°C

(氣體包含甲烷、乙烷與碳氫化合物；液體與水蒸氣包含揮發油、瀝青、石油與酚液體)2.Fluidised-bed:氣化生成物溫度925°C~1050°C3.Entrained-bed:氣化生成物溫度>1200°C

(氣體生成物由氫氣、一氧化碳與二氧化碳所組成)

90目前許多煤炭氣化系統可區分為三類:9顯示以不同上述之方法所產生不同含量的百分比：91顯示以不同上述之方法所產生不同含量的百分比：10天然氣之低沸點碳氫化合物包含甲烷、乙烷、丙烷等，其中以甲烷含量較多，而已烷與丙烷含量較少。除碳氫化合物之外，天然氣包含大量的氮、二氧化碳與其它微量的氣體，如氦氣、硫等。7.2.4天然氣92天然氣之低沸點碳氫化合物包含甲烷、乙烷、丙烷等，7.2.4天然氣在不同區域中各種成分之含量：93天然氣在不同區域中各種成分之含量：127.3生物燃料(Bio-fuels)Biomass為燃料的重要來源，因含有較高之能量，其獲得途徑如下列所示：1.直接燃燒。2.經由高溫分解、氫的氣化、厭氧的消化作用轉換成生物氣體。3.經由發酵轉換成乙醇。4.轉換成共氣熱化學與甲醇或氨。5.經由氫化作用轉換成液態碳氫化合物。氫化作用：將含豐富氫氣的煤氣與適當的催化劑接觸，謂之。947.3生物燃料(Bio-fuels)Biomass為燃料的生物燃料內成分所佔百分比：95生物燃料內成分所佔百分比：147.4燃料基本處理(TheBasicsofFuelProcessing)

7.4.1

燃料電池的需求對於PAFC而言，CO的含量要小於0.5%。對於MCFC與SOFC而言，CO可作為燃料使用。SOFC與有內部重組之MCFC可在電池內部使用甲烷；反之，PAFC與PEMFC則不行。PEMFC可使用丙烷做燃料(需外加裝置)，但性能較差。967.4燃料基本處理(TheBasicsofFuel各種氣體對於燃料電池種類之影響：97各種氣體對於燃料電池種類之影響：16在燃料完成提煉時，天然氣與液態石油所含的有機硫成分需被排除。加氫反應之速率會隨溫度而增加，操作溫度為300-400℃。7.4.2脫硫作用98在燃料完成提煉時，天然氣與液態石油所含的有機硫成7.4.2HDS(加氫脫硫)反應裝置，以鎳-鉬氧化物或鈷-鉬氧化物作為催化劑，減少硫的影響。鎳為一強有力的氫化催化劑，且可導致含氫之石油分裂。利用活性碳來吸附H2S(使用於小型系統中)。活性碳之功能：

活性碳課滲透到金屬內作為助催化劑，以提高對H2S的吸附性。99HDS(加氫脫硫)反應裝置，以鎳-鉬氧化物或鈷-鉬氧化187.4.3

水蒸汽重組水-氣轉換反應：以鎳作為觸媒，目的將CO轉換成CO2，並可產生氫。皆為可逆反應1007.4.3水蒸汽重組水-氣轉換反應：以鎳作為觸媒，目的將C在1bar下的輸出成分中，水蒸汽重組之反應物氣體濃度與溫度關係：101在1bar下的輸出成分中，水蒸汽重組之反應物氣體濃度與溫度2影響重組後產物成分之要素：1.反應溫度。a.溫度高於700℃時，有利於氫的重組。b.溫度過高時，水-氣轉換反應會有逆反應的產生。2.操作壓力。3.供給之氣體成分。4.反應裝置的水蒸汽比例。102影響重組後產物成分之要素：21揮發油在不同條件下重組之生成物含量比：103揮發油在不同條件下重組之生成物含量比：22其它重組型式：

CO2重組：用於內部重組燃料電池中。以甲醇為燃料重組之反應物：104其它重組型式：23利用天然氣在缺乏空氣或水蒸汽時，加熱至650℃高溫分解。Boudouard反應：以金屬鎳作為觸媒。7.4.4碳的形成與預先重組式中碳會沉澱，對於PEM而言，會造成多孔媒介的阻塞。105利用天然氣在缺乏空氣或水蒸汽時，加熱至650℃7.4.4下圖為SOFC預先重組系統：106下圖為SOFC預先重組系統：25內部重組型式可分為兩種：1.直接內部重組(DIR)：重組反應在陽極內部完成。有較佳的熱轉換。產生的水蒸汽可用來重組。

7.4.5內部重組107內部重組型式可分為兩種：7.4.5內部重組262.間接內部重組(IIR)：優點：電池堆與重組器有緊密的熱接觸。缺點：IIR反應與電化學反應需分離。1082.間接內部重組(IIR)：27內部重組應用之優點(與外部重組比較)：1.系統較便宜。2.在DIR系統中，水蒸汽需求較少。3.在DIR系統中，氫氣與溫度分布較大。4.對燃料而言，甲烷轉換率較高。5.系統效率較高。109內部重組應用之優點(與外部重組比較)：28使用直接與間接重組系統於MCFC中之示意圖：110使用直接與間接重組系統於MCFC中之示意圖：29甲烷完全反應時：直接氧化的最大效率為：7.4.6碳氫化合物直接氧化111甲烷完全反應時：7.4.6碳氫化合物直接氧化30部份氧化作用：操作溫度約為1200-1500℃，且無觸媒情況下。自動熱重組：1.所需水蒸汽較少。2.熱來自於燃料局部燃燒。7.4.7部份氧化與自動熱重組112部份氧化作用：7.4.7部份氧化與自動熱重組311.高溫分解：利用在缺乏空氣下，將碳氫化合物高溫分解產生氫氣。2.熱分餾：利用分餾或分解碳氫化合物產生氫氣與固態碳。產生之氫氣較純。7.4.8高溫分解產生氫氣或碳氫化合物的熱分餾1131.高溫分解：7.4.8高溫分解產生氫氣或碳氫化合物的熱分利用甲醇重組(可用於PAFC)。水-氣轉換反應：缺點：在高溫時偏向於產生CO。改善方法：1.冷卻產物。

2.加入觸媒促進反應。7.4.9燃料進一步的處理---一氧化碳的排除114利用甲醇重組(可用於PAFC)。7.4.9燃料進一步的處理PEMFC的CO移除方法：

(1)加入觸媒轉換器。

(2)

CO與氫氣反應形成甲烷。

(3)使用鈀/鉑的薄膜。115PEMFC的CO移除方法：34

7.5實用的燃料製程-定置的設備

7.5.1PEMFC和PAFC以天然氣為進氣的系統設計用蒸汽重整器

溫度最小的需求：在脫硫前燃料氣體要加熱至300℃氣體在重整前要在600℃或更高重整後的氣體要冷卻至400℃為了高溫轉換反應更進一步冷卻至200℃為了低溫轉換反應在進入燃料電池要先加熱或冷卻視電池種類而定水的加熱成為蒸汽需要在蒸汽重整器中116

7.5實用的燃料製程-定置的設備

7.5.1PEMPAFC燃料的製程117PAFC燃料的製程367.5.2

重整和部分氧化設計1187.5.2重整和部分氧化設計37緊密的再生重整器使用環狀催化反應器。燃燒室在中央的底部採用加壓燃燒。壓力通常4.5bar。第一催化床是對流加熱，熱的流向與氣體的方向不同，第一催化床的溫度大約為675℃，氣體經過第一催化床一部分被重整，無重整的氣體經導管傳送到第二床頂部，向下流再經歷重整過程。第二催化床受燃燒氣體的對流加熱和中央燃燒室的輻射加熱溫度高達830℃。119緊密的再生重整器使用環狀催化反應器。燃燒室在中央的底部採用加再生重整器的優缺點優點：體積小適合小規模製氫加壓燃燒熱利用率高啟動較快成本低缺點：氣體傳輸到催化劑顆粒有一定的限制熱回收系統與反應器是一體的回收率受反應器設計限制120再生重整器的優缺點優點：缺點：39板式重整器燃燒室和重整室被薄板分開，板的兩側燃燒催化劑、重整催化劑，燃燒反應的熱量用於促進重整反應。特點：1.結構緊湊2.熱傳阻力小121板式重整器燃燒室和重整室被薄板分開，板的兩側燃燒催化劑、重整薄膜重整器

氫氣能滲透過鈀或鈀合金的膜，鈀膜能將氫氣從混合氣體中分離出來。在低溫中也有高的效率。所產生氫氣的濃度可高達100％。但是鈀金屬太貴了，所以無商業生產。122薄膜重整器氫氣能滲透過鈀或鈀合金的膜，鈀膜能將氫氣從混無催化部分氧化重整 液態燃料加氧加蒸汽進入重整器，部分氧化發生在重整器，出來產物溫度高達1150℃，為了抗高溫，熱交換器和重整器以貴重金屬製作，但它流出的氣體含有污染物，整體來說並不適合在燃料電池的應用 企業應用：Texaco和Shell轉換重油為合成氣123無催化部分氧化重整 液態燃料加氧加蒸汽進入重整器，部分氧化發催化劑部分氧化（CPO）重整器它可分為兩種種類第一類： 不加水，非貴金屬(Ni)和貴金屬(Ru,Pd,Rh) 都可作為氧化劑。第二類： 在不完全氧化重整器中加水蒸氣，部分氧化和蒸汽重整重整同時發生，部分氧化的熱就可以供給蒸汽重整。此種方式又稱做自供熱重整器。124催化劑部分氧化（CPO）重整器它可分為兩種種類43第一類催化劑部分氧化（CPO）重整器耐火材料(通常為陶瓷)為基底的鉑和氧化鉻。他採用點噴進料技術，在催化床中形成熱點而得名。這樣的好處是在進行中不用對空氣和燃料預熱。但在重整器啟動時天然氣和空氣要預熱到500℃，或者，引入啟動燃料，其催化氧化反應放出的熱量可以提高催化床的溫度125第一類催化劑部分氧化（CPO）重整器耐火材料(通常為陶瓷)為第二類催化劑部分氧化（CPO）重整器甲醇加上水經由噴嘴，噴向加熱線圈，與空氣混合後，經過催化劑的反應，產生所需要氫氣。126第二類催化劑部分氧化（CPO）重整器甲醇加上水經由噴嘴，噴向7.6實用的燃料製程-移動設備的應用

7.6.1

需要考慮的因素移動式裝置燃料產生的過程應用需要：結構需要緊密，不能太大必須要有快速啟動的能力必須符合我們的需求，在一範圍內要有快速的操作效率。散發的污染物要很低進入到PEMFC的電池堆之CO含量要低1277.6實用的燃料製程-移動設備的應用

7.6.1需要考7.6.2

甲醇重整器發展甲醇重整器的公司：DaimlerChryslerG.M.HondaInternationalFuelCellsMitsubishiNissan1287.6.2甲醇重整器發展甲醇重整器的公司：47使用甲醇重整器的燃料電池系統工作圖

129使用甲醇重整器的燃料電池系統工作圖

48DaimlerChryslermethanolprocessor

130DaimlerChryslermethanolproceDaimlerChryslerNeCar3131DaimlerChryslerNeCar350GeneralMotors/Opelmethanolprocessor132GeneralMotors/OpelmethanolpGMZafira133GMZafira52Mercatoxmethanolprocessor

由WellmanCJB發展 預計的目標： 50kW的系統49公升50公斤啟動時間小於5秒響應時間小於5ms134Mercatoxmethanolprocessor 由W7.6.3

甲醇CPO/自供熱重整器

發展的公司：HydrogenburnerTechnologyJohnsonMattheyHonda1357.6.3甲醇CPO/自供熱重整器

發展的公司：54JohnsonMattheyHotSpotreactor136JohnsonMattheyHotSpotreacto為何甲醇重整適合於交通工具工業製氫主要以天然氣為原料，生產量大，適合大規模生產應用。甲醇製氫適於中、小規模應用。作為交通工具的燃料電池的燃料，以來源、價格、安全性能等方面綜合考慮，甲醇是具有競爭力的。137為何甲醇重整適合於交通工具工業製氫主要以天然氣為原料，生產量最新科技將水分解成氫與氧的光觸媒

什麼是光觸媒？簡單地說，就是當某些化學物質受到光線照射時，可藉光的能量促使一些化學反應的產生。過去光觸媒的應用已深入許多人的日常生活，例如冷氣機的殺菌光即是藉由光觸媒達到破壞病毒蛋白質及去除有害廢氣的效果。而日本產業技術綜合研究所則研究出新型的光觸媒，可將水分解成氫及氧。

138最新科技將水分解成氫與氧的光觸媒什麼是光觸媒？簡單地說，就7.7

氫的儲存1397.7氫的儲存587.7.1序論氫有高的比能（能量/公斤）