MCFC定置型燃料电池课件

能源科技概論

第八章

氫能臺北城市科技大學機械工程系能源科技概論

第八章

氫能臺北城市科技大學可攜式燃料電池VollerEnergyV100能碩(EnerMaster)EM-H1000D1可攜式燃料電池VollerEnergyV100能碩(EnMasterflexFuelCellBike美國Honda氫燃料電池汽車

運輸用燃料電池(圖片摘自/hydrogencars2005.htm)MasterflexFuelCellBike美國HoUTCFuelCells5kWEnergyCenterMTUHotModule(MCFC)定置型燃料電池(圖片摘自)(圖片摘自)UTCFuelCellsMTUHotModule微小型燃料電池Toshiba(圖片摘自/archives/2005/09/batteries_stink.php#)(圖片摘自/articles/09/02/25/sony.fuel.cell.chargers/)Sony微小型燃料電池Toshiba(圖片摘自http://www.什麼是燃料電池？燃料電池是一種可以把反應物的化學能直接轉換為電能的電化學裝置燃料電池是一種電能產生裝置，而非電能貯存裝置燃料電池是一個系統，而非單一元件燃料電池鋰電池、鹼性電池、鉛酸電池什麼是燃料電池？燃料電池是一種可以把反應物的化學能直接轉換為fuel(化學能)熱能steam(高溫高壓)runningturbine(機械能)runninggenerator(電能)FuelCell(電化學反應)O2H2H2O電能傳統電能轉換過程什麼是燃料電池？fuel熱能steamrunningturbinerun燃料電池基本原理燃料電池之父WilliamGrove爵士於1839年發明燃料電池：藉由觸媒將水電解反應逆向操作，產生電流。H2O2e-H2O2e-白金電極

(Ptelectrodes)酸性電解質

(diluteacidelectrolyte)A水電解反應氫氧燃料電池反應+-燃料電池基本原理燃料電池之父WilliamGrove爵士圖片來源:PEMFuelCells–TheoryandPractice,byF.Barbir,ElsevierInc.(2005)燃料電池的發展燃料電池發明太空計畫新產業誕生圖片來源:PEMFuelCells–Theory為什麼使用燃料電池？替代能源主要使用氫氣直接產生電能，可替代既有燃油動力來源和電力取得方式；雖然也使用甲醇、乙醇及其他碳氫化合物等燃料，但其選擇具有替代性。環保能源潔淨、安靜，電化學反應無噪音，主要生成物為H2O。高效能源高效率、高能量密度，相對減少系統的體積和重量，並延長供電運作時間。便利能源獨立性、可攜性高；不需充電器，完全無線(wireless)需求，補充燃料不需長時間等待。為什麼使用燃料電池？替代能源燃料電池的限制

成本高

功率密度受限

氫燃料取得與儲存技術

操作溫度的影響

對於環境污染物的敏感性

耐久性議題燃料電池的限制成本高燃料電池的種類溫度低溫高溫燃料電池種類質子交換膜型PEMFC/DMFC鹼液型AFC

磷酸型PAFC

熔融碳酸鹽型MCFC固體氧化物型SOFC操作溫度70~80℃80~100℃200~220℃600~650℃800~1000℃可用燃料天然氣、甲醇、汽油精煉氫氣、電解副產氫氣天然氣、甲醇、輕油天然氣、甲醇、石油、煤碳天然氣、甲醇、石油、煤碳電流密度高高普通普通高可能應用領域小型發電機組、分散型發電、移動式電源、運輸工具電源太空船、潛水艇汽電共生、分散型發電、離島地區發電、移動式電源、運輸工具電源汽電共生、分散型發電、取代大規模火力發電汽電共生、分散型發電、取代中規模火力發電*資料來源：工研院IEK、東亞產經資訊網燃料電池的種類溫度低溫高溫燃料電池種類質子交換膜型燃料電池的基本結構

電負載質子交換膜Electrolytemembrane氣體擴散層

GDL觸媒層

CatalystLayer陽極流道Anodeflowchannel集電區CurrentCollector石墨流道板Graphiteend/bipolarplate陰極流道Cathodeflowchannele-e-H+H2O2燃料電池的基本結構電負載質子交換膜ElectrolyteMembraneCatalystC/Pt-RuCatalystC/PtAnodeGDLCathodeGDLSOURCE:Antig膜電極組(MEA)MembraneCatalystCatalystAnode觸媒電極圖片來源：JournalofPowerSources74(1998)211-218觸媒電極圖片來源：JournalofPowerSouElectrochimicaActa49(2004)4149–4156碳紙碳布氣體擴散層ElectrochimicaActa49(2004)雙極板Freudenberg-NOKsealingtechnology/sci/fuelcellprogram/projects.htmlOakRidgeNationalLaboratoryMetallicBipolarPlatesSchunkGraphiteTechnology-compressionmolding雙極板Freudenberg-NOKhttp://www.o電池堆(圖片來源：/2008/03/bac2-introduces.htm)l電池堆(圖片來源：http://www.greencarcoBallardPowerSystems(Canada)電池堆ESOROhyCar(圖片摘自Ballard公司網頁)BallardPowerSystems(Canada)氫氣儲存系統(圖片摘自Quantumtechnologies,Inc.公司網頁)氫氣儲存系統(圖片摘自Quantumtechnologie燃料電池系統World'sFirstHydrogenFuel-Cell,Plug-InElectricHybridBus(Burbank)FuelCellHydrogenVehicle(FCHV,Toyota)(圖片摘自/esq/articles/2010/FCHV_ADV.html)(圖片摘自)燃料電池系統World'sFirstHydrogenFMOTOROLA’sIMPRESTMChargerPackage(1W)燃料電池系統MOTOROLA’sIMPRESTMChargerPa製氫技術氣態燃料蒸氣重組或部分氧化液態燃油蒸氣重組或部分氧化煤的氣化水電解生質酒精改質生物質熱解藻類光合製氫製氫技術氣態燃料蒸氣重組或部分氧化氫基礎設施Honda’sSolarHydrogenRefuelingStation,JapanHydrogenstation(Denmark)/entry/honda-debuts-solar-powered-hydrogen-fueling-station/http://www.vatgas.se/shhp/news.html氫基礎設施Honda’sSolarHydrogenRe再生式燃料電池系統electrolyserfuelcellsolarcelldemonstrationofafuelcellfueledbyanelectrolyserdrivenbysolarcells再生式燃料電池系統electrolyserfuelcell附錄附錄OxidationANODEReductionCATHODEDirectMethanolFuelCell(DMFC)(Figuresource:Antig’swebsite)陽極陰極甲醇水溶液氧氣二氧化碳水DMFC基本原理OxidationReductionDirectMethaDMFC甲醇ChemicalEnergy(Em)水ChemicalEnergy

(Ew)氧Chemical

Energy

(Eo)熱電能Energy(Ee)二氧化碳ChemicalEnergy

(Ec)Em+Eo=Ee+Ew+Ec+Heat

chemicalenergy:Gibbsfreeenergyofformationgf dependsonthestateandtemperatureDMFC能量轉換DMFC甲醇水氧熱電能二氧化碳Em+Eo=Ee+(1)(2)(3)(4)Terminologies

overvoltage/overpotential,polarization,irreversibility,losses,voltagedropCausesofovervoltages

activationlossesfuelcrossoverand internalcurrentsohmiclossesmasstransportor concentrationlossesFig.source:Larminie,J.,andDicks,A.2003.FuelCellSystemsExplained.Ed.2nd.NewYork:JohnWiley&Sons,Ltd.燃料電池極化曲線(1)(2)(3)(4)TerminologiesFig.燃料電池的效能operationvoltage:about0.3V-0.4V燃料電池的效能operati