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燃料電池技術

燃料電池技術. H.K. Ma Department of Mechanical Engineering National Taiwan University, Taipei, Taiwan. November, 2009 台灣大學機械工程系能源環境實驗室. ENERGY WATER FOOD ENVIRONMENT POVERTY TERRORISM & WAR DISEASE EDUCATION DEMOCRACY POPULATION. Humanity’s Top Ten Problems for next 50 years.

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燃料電池技術

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Presentation Transcript

  1. 燃料電池技術 H.K. MaDepartment of Mechanical Engineering National Taiwan University, Taipei, Taiwan November, 2009 台灣大學機械工程系能源環境實驗室

  2. ENERGY WATER FOOD ENVIRONMENT POVERTY TERRORISM & WAR DISEASE EDUCATION DEMOCRACY POPULATION Humanity’s Top Ten Problems for next 50 years 2003 6.3 Billion People 2050 8-10 Billion People

  3. 台灣地區能源供給結構預測 百萬公秉油當量 180 3% 12% 2% 14% 0% 160 　新能源 　核能發電 140 2% 9% 2% 14% 1% 　水力發電 　液化天然氣 120 0% 9% 2% 6% 1% 　天然氣 　石油 100 　煤炭 80 47% 23% 60 51% 31% 51% 22% 40 20 0 民國89年 民國99年 民國109年

  4. 台灣地區能源消費結構預測 2% 49% 5% 38% 6% 2% 46% 5% 39% 8% 0% 49% 3% 37% 11%

  5. 我國能源生產力與能源密集度

  6. 我國再生能源發電裝置容量 1991 2004 合計 1699.8 MW 合計 2601.5 MW 單位：MW (百萬瓦)

  7. 我國再生能源供給 1991 2004 合計1,760,504 公秉油當量 合計1,119,576 公秉油當量 單位：公秉油當量

  8. Fuel Cell Outline 1. 燃料電池簡介 (Introduction of Fuel Cell) 2. 高分子電解質薄膜燃料電池 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 3. 直接甲醇燃料電池 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 4. 均一化再生型燃料電池 Unitized Regenerative Fuel Cell (URFC) 5. 固態氧化物燃料電池 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) Clean H- Energy, Green Si-Island

  9. 1. 燃料電池簡介 (Introduction of Fuel Cell) 2. 高分子電解質薄膜燃料電池 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 3. 直接甲醇燃料電池 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 4. 均一化再生型燃料電池 Unitized Regenerative Fuel Cell (URFC) 5. 固態氧化物燃料電池 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)

  10. 電池分類 • 化學電池 • 一次電池：鹼性電池、水銀電池、碳鋅電池、氧化銀電池 • 二次電池：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池 • 燃料電池 : PEMFC, DMFC, AFC, PAFC, MCFC, SOFC • 物理電池 • 太陽能電池 • 熱感應電力電池 • 原子力電池

  11. 一次電池(Primary Battery)？ • 電池內參與化學反應的物質無法重複使用。放電完時，電池的壽命即告結束。故用完後必須丟棄。 • 價格較便宜，儲存能量大且更換容易，無需長時間充電的麻煩，在電池的市場中使用量大。 • 目前市場上銷售的民用電池，以一次電池中的鹼性電池及水銀電池為最重要。

  12. 一次電池(Primary Battery) 作用 e- e- • 鹼性電池 (Alkaline Battery) 陽極(Anode)反應：Zn + 2OH- → ZnO + H2O + 2e- 陰極(Cathode)反應：2e- + 2MnO2 + H2O → Mn2O3 + 2OH- 總反應：  Zn + 2MnO2 → ZnO + Mn2O3 Anode Electrolyte Cathode Zn  ZnO Electrical Circuit  2OH- H2O Mn2O3  MnO2

  13. 二次電池(Secondary Battery)? • 二次電池又叫作充電電池，亦即電池電力用完時，可以再次充電使用的電池。 • 目前市場上銷售的二次電池，以鎳氫電池、鎳鎘電池及鋰電池為最重要。

  14. 二次電池(Secondary Cell) 之作用 鎳鎘電池 • 放電反應： 陽極反應： Cd+2OH- → Cd(OH)2 + 2e- 陰極反應： 2e- + NiO2 + 2H2O → Ni(OH)2 + 2OH- 總反應： 　Cd + NiO2 + 2H2O→Cd(OH)2 + Ni(OH)2 • 充電反應：  陰極反應：Cd+2OH- Cd(OH)2 + 2e- 陽極反應： 2e- + NiO2 + 2H2O  Ni(OH)2 + 2OH- 總反應：　Cd + NiO2 + 2H2O  Cd(OH)2 + Ni(OH)2

  15. 燃料電池(Fuel Cell)?  Anode(陽極,燃料端) reaction: H2Þ 2H+ + 2e- Cathode(陰極,氧氣端) reaction: ½ O2 + 2H+ + 2e- ÞH2O Overall reaction:H2 + ½ O2ÞH2O + Heat + We Fuel cell is not a battery, and it is apower generator!

  16. 陽極 • 氫氣在陽極進行的是氧化反應，氫分子氣體輸至多孔之陽極後，經過質傳到達陽極，於是進行氧化反應：H2→2H++2e-，氧化反應將氫氣氧化成氫離子。薄膜隔離陰陽兩個電極，避免陰陽兩極接觸到而短路，它的另一功用是輸送在陽極所生成的氫離子到陰極。電子由陽極導至外接電路，形成電流。而氫離子也由陽極端，透過可導離子性質(電子絕緣體)之高分子薄膜電解質，抵達陰極。

  17. 陰極 • 氧氣在陰極進行還原反應，與由陽極傳來的氫離子結合生成水，產生水及1.229伏特之電壓。反應如下：O2+4H++4e-→2H2O。此氧化還原反應所產生的電流，就會由電池釋放出來推動連接到電池的電子設備。單一燃料電池，其理論輸出電壓值約為1伏特，因此可藉由雙極板或連接器將組件予以串、並聯，如此便可製備出不同規格的產品[1]。 • 燃料電池沒有經過燃燒過程，故不會產生污染，也不像傳統的火力或核能發電，需經多次轉換才能發電。燃料電池發電因步驟簡單，自然效率就高，體積小。當多組的單位原件重疊一起時，即可串連增加電壓及電能。又效率與組數無關，燃料電池可大可小，應用範圍廣闊。

  18. 燃料電池的基本元件 • 燃料電池的基本元件包括：陰極、陽極、電解質和雙極板或連接器。通常以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑，在陽極氧化燃料，在陰極還原氧氣。燃料電池是以這樣的核心單元串聯組成為較大功率的電池組，或稱電池堆(fuel cell stack)。

  19. 燃料電池 vs. 電池 e- e- Mn2O3  MnO2 Zn  ZnO  2OH- H2O Pt Pt Electrical Circuit Pt(catalyst) Anode reaction：Zn + 2OH- → ZnO + H2O + 2e- Anode reaction: 2H2 -→ 4H+ + 4e- reactant

  20. 燃料電池 vs. 一般電池 共同點(SIMILARITY): • 電化學裝置(Electrochemical devices); • 將燃料之化學能直接轉電能; • 組成(Components): 電極(Electrodes) and 電解質(Electrolyte) 差異處(DIFFERENCE):

  21. 內燃機 vs. 燃料電池 Generator Combustion Heat Engine Electric Energy Mechanical Energy Chemical Energy Heat 燃料電池 Fuel Cell Electric Energy Chemical Energy 內燃機

  22. 內燃機 vs. 燃料電池 • 共同點(SIMILARITY): • Energy conversion(轉換)devices; • Reactants are stored outside(外部儲存); • Lifetime(壽命): unlimited (in principle). • 差異處(DIFFERENCE):

  23. 電池 vs. 內燃機 vs.燃料電池 電池BATTERY – + Energy Storage Device Reactant Storage 內燃機 Heat Engine/Generator Set + – Electric Generator Heat Engine Reactant Storage Energy Conversion Device 燃料電池FUEL CELL – + Energy Conversion Device Reactant Storage

  24. 燃料電池的分類 Present Future 1. Choice of electrolyte(電解質) 2. Type of fuel(燃料) 3. Operating temperature(電池溫度) 4. Type of charge carrier(傳導離子)

  25. 依電解質分類-1 • 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) • 高分子電解質薄膜燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) • 直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)

  26. 依電解質分類-2

  27. 燃料(Fuel)電池(Cell)的新分類 O2(Air) Cathode electrolyte Anode CO removal Sulfur(硫) removel Reformer (燃料重組器) Fuel processing system (Fueling the fuel cell) Structure of Cell • Primary fuel sources: • Crude oil(原油) • Diesel(柴油) • Natural gas(天然氣) • Water Type of FC: PEMFC (H2) DMFC (Methanol) SOFC (Natural Gas) URFC (H2O)

  28. 燃料電池的分類 AFC, PAFC, MCFC,因電解質非屬固態且具腐蝕性而逐漸失去市場接受度

  29. 燃料電池的優點 安全 乾淨 低污染 噪音低 只排水而不排廢氣(H2 fuel) 成本低廉 高效率(使用時間長、壽命長) URFC PEMFC SOFC

  30. 跨領域的技術 Chemical Eng. Electrochemistry, Catalyst, Membrane , Transport Phenomena Material Eng. Mechanical Eng. Fluid & thermal, Design and manufacture, System control Polymer, Carbon, Ceramics, Metal hydride, Nano tube Power Electronics, Microprocessor, MEMS, Sensor Electrical Eng.

  31. 燃料電池構造(以PEMFC例) 膜電極組 (陽極/電解質/陰極) 流場板 單電池 高分子電解質(電解質)

  32. 燃料電池系統(Fuel Cell System) • Beginning with fuel processing(燃料處理系統), a conventional fuel (natural gas, other gaseous hydrocarbons, methanol, naphtha, or coal) is cleaned, then converted into a gas containing hydrogen(氫氣). Energy conversion occurs when DC electricity is generated by means of individual fuel cells (燃料電池)combined in stacks or bundles. Finally,power conditioning(電源調節系統)converts the electric power fromDC into regulated DC or ACfor consumer use. 一級燃料 空氣

  33. 活性極化(Activation Polarization):陰陽極材料,結構 濃度極化(Concentration Polarization): 流道設計 Actual Performance 歐姆極化(Ohmic Polarization): 電解質材質,厚度 ;電池組抗 燃料電池性能曲線(I-V Curve) V I

  34. 直接進料甲醇燃料電池電極模組上的反應機制示意圖直接進料甲醇燃料電池電極模組上的反應機制示意圖 • 燃料電池中的燃料與氧化劑的電化學反應速率甚低，須借助於陽極觸媒及陰極觸媒。以高分子電解質燃料電池為例，主要的發電機制來自於常被稱為是燃料電池心臟的電極膜組(membrane electrode assembly，MEA)。基本上電極膜組有五層結構，其中心是傳導氫離子的高分子膜，兩旁各為陽極觸媒層及陰極觸媒層，最外層是燃料氣體擴散層及氧氣擴散層。

  35. Introduction of Fuel Cell Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) Unitilized Regenerative Fuel Cell (URFC) Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Clean H- Energy, Green Si-Island

  36. PEMFC(HFC, 氫氣燃料電池)工作原理 Clean H- Energy, Green Si-Island 電池溫度(temperature): 60~80°C 陽極(Anode):白金(Pt) supported on 碳粉(carbon) 陰極(Cathode):白金(Pt) supported on 碳粉(carbon) 電解質(Electrolyte): Perfluorinated sulfonic acid in solid polymer form (Nafion) 燃料需求:高純度氫( CO < 10 ppm) • Anode (Hydrogen electrode) reaction: H2Þ 2H+ + 2e– • Cathode (Oxygen electrode) reaction: ½ O2 + 2H+ + 2e–Þ 2 H2O • Net cell reaction: H2 + ½ O2 ÞH2O + We + Waste Heat PEMFC

  37. 圖2-2-4 質子交換膜燃料電池之構造圖[6]

  38. 緊鄰膜電極組體的元件稱為氣體擴散層，該層通常使用經過疏水處理的碳布或碳紙，以避免水分阻塞氣體通道，妨礙燃料或氧化劑由雙極板流至觸媒層。質子交換膜燃料電池的最外層組件稱為雙極板，是一導電隔離板，表面上刻有溝槽，作為氣體流通的通道。緊鄰膜電極組體的元件稱為氣體擴散層，該層通常使用經過疏水處理的碳布或碳紙，以避免水分阻塞氣體通道，妨礙燃料或氧化劑由雙極板流至觸媒層。質子交換膜燃料電池的最外層組件稱為雙極板，是一導電隔離板，表面上刻有溝槽，作為氣體流通的通道。 • 質子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，以空氣為氧化劑，因此反應生成物只有水和熱，故水的管理成為很重要的課題。再者，當使用碳氫化合物作為氫氣來源時，除脫硫外更需要將大量的一氧化碳去除，以避免鉑失去觸媒的功效。一般而言，燃料中許可的一氧化碳含量，通常須低於千分之五。

  39. 質子交換膜燃料電池 圖質子交換膜燃料電池：(左)單電池組裝前；(右)單電池組裝後 質子交換膜燃料電池的操作溫度可以低於攝氏60度，且無腐蝕性液體逸出的危險，又有高電流密度等優點，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，可依照需求的不同將單電池組成電池組，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。

  40. 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 m2/g)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。 • 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。

  41. 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。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。 • 自從美國Los Alamos國家研究院，創新使用杜邦公司之Nafion固態電解質後，PEMFC開發進展突飛猛進，主要應用於電動車及分散式發電為主。在電動車應用方面，80年代末期各國競相投入研發，加拿大Ballard公司首先示範電動公車。燃料電池在電動汽車之應用已進入小量生產，目前研發重點在降低製造成本以便能夠和傳統內燃機相競爭。小型車用主要為50 瓩級，大型公車用為250 瓩級。

  42. 質子交換膜燃料電池發電流程圖

  43. 25cm2 MEA’s performance 0.6W/cm2 @0.6V Cell T= 40, 50,60,70oC Single Cell(單電池) Clean H- Energy, Green Si-Island Performance 5 cm 5 cm PEMFC

  44. Manifolding and Performance Anode(燃料) flow field Cathode(空氣) flow field (Internal) (External) 0.17W/cm2@40oC (25cm2) 8-cell 50W Stack(電池堆) Clean H- Energy, Green Si-Island PEMFC

  45. 國內PEMFC技術應用 Clean H- Energy, Green Si-Island 工研院能資所 3~5kW家用電力 元智大學燃料電池中心(YZFC) 真敏國際股份有限公司 中科院 100W攜帶電力 PEMFC 亞太燃料電池公司

  46. PEMFC於軍事 德國海軍13日在德國北部基爾的ＨＤＷ船廠，為新型的212Ａ級潛艦舉行命名典禮。212Ａ級潛艦號稱是全球最先進的非核子動力潛艦，艦長56公尺、高11.5公尺；潛艦可視高速前進或匿蹤航行的需要，進行柴油動力與燃料電池運轉切換，且可長達數週不必浮上水面。這種潛艦將於2006年1月加入德國海軍的服役陣容。 PEMFC 資料來源:中科院

  47. PEMFC應用可能 定置型發電機(FCS) • Primary Fuel source： • Natural gas (天然氣) • Methanol (MeOH, 甲醇) 增濕器? or 儲氫系統 ？ 傳輸系統(FCV) The Answer is 高溫PEMFC PEMFC

  48. 高溫PEMFC於定置型發電機(FCS)之優點 Clean H- Energy, Green Si-Island • PEMFC operation @ 120~200oC(HT-PEMFC) versus 60~80oC(LT-PEMFC) • 更小之熱交換器 (Smaller heat exchanger) • 無液態水管理問題(Potential to eliminate water management) • 更高之功率密度與低成本(Higher power density and lower cost) • 陽極抗CO能力提升 (Better anode kinetics in the presence of CO)---耐久性提升 PEMFC

  49. 高溫PEMFC於傳輸工具(FCV)之優點 • PEMFC operation @ 120~200℃(HT-PEMFC) versus 60~80℃(LT-PEMFC) • 更小之熱交換器 (Smaller heat exchanger) • 無液態水管理問題(Potential to eliminate water management) • 更高之功率密度與低成本(Higher power density and lower cost) • 更多之空間予儲氫系統(Longer transport distance)---續航力提升 資料來源：Honda Motor Co.

  50. WHY NOT OPERATED at HIGH TEMPERATURE with TRADITIONAL MEMBREANE (Nafion) and MEA ?

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