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零污染能源科技新希望燃料电池
零污染能源,科技新希望-燃料電池
壹●前言
說到電池,你首先會想到什麼呢?
停電時,大家第一個想到的便是趕緊找電池,聽一聽收音機到底發生什麼事?
我想幾乎每個人或多或少都曾使用過電池。
計算機、大哥大等很多小電器使用電池,汽車或機車裡也少不了電池以發動車子。
電腦主機板上也有電池以記錄時間以及相關基本資料。
電池對我們日常生活影響非常大,就讓我們藉著這個機會,一起對電池有更進一層的瞭解吧!
中東地區的化石能源的蘊藏量非常豐富,而地區政治不穩定也是舉世皆知。
化石能源因為屬於不可再生之資源,在人類大量得消耗之後,早已面臨枯竭的窘境。
為了防範石油短缺影響經濟發展,各國莫不為能源多元化而努力。
而根據英國石油統計報導,化石能源經過本世紀的大量使用之後,其存量只能再使用半個世紀。
因此,該如何抑制溫室氣體排放?
如果有辦法完全控制,有沒有替代的無污染能源?
這是值得大家討論的議題。
貳●正文
一、燃料電池的原理
燃料電池是一種發電裝置,但不像一般非充電電池一樣用完就丟棄,也不像充電電池一樣,用完須繼續充電,燃料電池正如其名,是繼續添加燃料以維持電力,所需的燃料是「氫」。
燃料電池所使用的「氫」燃料可以來自於任何的碳氫化合物,例如天然氣、甲醇、乙醇(酒精)等。
由於燃料電池是利用氫及氧的化學反應,產生電流及水,不但完全無污染,也避免了傳統電池充電耗時的問題,是目前最具發展前景的新能源方式,如能順利與廣泛的應用在車輛及其他高污染之發電工具上,將能顯著改善空氣污染及溫室效應。
燃料電池是一種將燃料的化學能,透過電化學反應直接轉換成電能的裝置。
燃料電池的發展歷史可以追溯到一八三九年,首先由威廉.羅伯特.葛羅夫爵士發明,他使用稀釋的硫酸當做液態電解質,成功地產生電能。
經過不斷的研究,能司特在一八九九年,首度發現固態電解質的導電行為。
而第一個陶瓷型燃料電池則在一九三七年,由鮑爾與葡來司首先示範成功。
經過170年的發展,燃料電池依其電解質的種類,主要可分為質子交換膜燃料電池、鹼性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池與固態氧化物燃料電池五種燃料電池。
依其操作溫度做區分時,質子交換膜燃料電池、鹼性燃料電池與磷酸燃料電池屬於低溫型,操作溫度在攝氏80~200度之間;而熔融碳酸鹽燃料電池與固態氧化物燃料電池則為中高溫型,操作溫度在攝氏500~1,000度之間。
其中,以質子交換膜燃料電池為基礎,使用甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池是微型燃料電池發展的主流,主要應用在電子產品如手提電腦、行動電話與個人數位助理等,目前是工業國家非常有興趣的組件。
質子交換膜燃料電池主要可應用於電動汽車、電動機車、電動腳踏車及電動工具機。
至於固態氧化物燃料電池,則可藉由微機電技術將組件模組化,可應用於分散式的電力系統或大型發電廠。
本文針對三種最具潛力的燃料電池,即低溫型的質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池與固態氧化物燃料電池作一簡介。
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(如右下圖)。
燃料以氣體分子的型態由陽極進入,發生氧化反應並釋放出電子,電子由陽極端經外部迴路傳至陰極,同時提供能量給負載使用;氧化劑經由陰極進入,接受電子並藉由陰極觸媒的催化,發生還原反應,將氧氣還原成氧離子,藉由電解質的傳遞,將氧離子傳送至陽極端與燃料產生反應,經氧化作用後再次產生電子。
單一燃料電池,其理論輸出電壓值約為一伏特,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。
二、燃料電池的優點
低污染:
燃料電池比一般傳統火力發電方式更清潔,沒有二氧化碳及含硫的問題,更沒有核能發電核廢料的問題。
若用氫氣與空氣作為燃料與氧化劑,其生成物只有水和熱。
高效率:
因為燃料電池直接將燃料中的化學能轉換成電能,和一般傳統的發電方式不同,故不受卡諾循環的限制,理論上能量轉換效率可達80%。
無噪音:
燃料電池發電本體在發電時,不需其它移動機件的配合,因此沒有噪音問題。
用途多:
燃料電池所能提供的電力範圍相當廣泛,小至手機大至百萬瓦發電廠,都在其適用範圍內。
免充電:
一般電池是將能量貯於電池本體中,用完後即捨棄,或充電後再重複使用。
燃料電池是由燃料中的化學能提供能源,它並不含在電池本體結構中,因此只要持續不斷地供給燃料,燃料電池便可以不停地發電。
燃料來源廣:
只要含有氫原子的石化能源如石油、天然氣、煤炭、沼氣、酒精與甲醇等,通過一個轉換器,都可作為燃料電池的能源進料。
目前更有利用高壓鋼瓶或金屬氫化物等儲氫材料製成的儲氫卡匣,成為燃料電池電力組,可取代一般的蓄電池。
三、市場報導
BCC公司新出版的市場報告FuelCellIndustryReview針對燃料電池和氫能源市場顯示,世界各國的政府部門在2003年投入了超過11億美元經費支持燃料電池開發,預期在2004年更超過十五億元。
在2003年全世界總數超過1,000家企業及研究機構參與燃料電池組件及系統技術研發,各國簽署InternationalPartnershipfortheHydrogenEconomy條款,正式地為氫能源創造國際合作的夥伴,已簽署國家有:
澳洲、巴西、加拿大、中國、歐盟、法國、德國、冰島、印度、義大利、日本、韓國、挪威、俄國、英國和美國。
此外世界主導燃料電池的組織已經積極經過協議進行技術合作、資料交換、制訂產品規格和安全標準。
當燃料電池工業持續創新時,預期將可調降20%的大量生產成本。
在2003年美國燃料電池相關專利授權已超過過去的50個月數量,並且預期在2004年持續成長。
依據FuelCellToday調查燃料電池報告顯示在2003年全球約有2,800個燃料電池系統,將近7,000個如此的單位已經在全世界運轉。
逐漸增加的燃料電池投資將不只影響能源安全和空氣品質;它突破性的發展技術使得在未來20年將產生200,000個新的就業機會。
從U.S.FuelCellCouncil報告針對其美國地區會員進行燃料電池之產品、零件和燃料電池服務調查,獲知燃料電池營業額2001年1.51億美元,2002年1.67億美元,年成長率11%。
若以相同11%年成長率來預估,2003年預期市場營業額有1.78億美元,2004年有1.96億美元。
關於燃料電池R&D支出經費2001和2002分別是2.48億美元和2.88億美元,年成長率16%。
預估2003年有3.34億美元,2004年有3.87億美元。
燃料電池相關人力統計2001和2002分別是2745和3273人力,年成長率19%。
預估2003年以15%成長有3763,2004年以15%成長有4327雇用人力。
在2003年美國、歐洲和日本於燃料電池研究支出費用成長兩倍超過7.8億,2004年預期繼續增加。
美國布希總統已經承諾在往後的幾年增加資金來支持氫能源計畫和燃料電池發展。
其他的國家,像是韓國、澳洲、中國、加拿大和美國某些州的燃料電池研究支出費用,在2003年和2004年增大到十億元。
2005至2015年歐盟計劃花費34億美元在氫能源研究,主要是氫能源用於大型電廠的測試設備,其中Hycom將贊助16.1億美元經費。
日本企業正在積極地追求應用於便攜式產品、固定式發電和車輛的燃料電池的商業發展。
預估日本燃料電池靜態市場規模至2010年達24億美元,其中住宅市場達15億美元、商業面市場達9.2億美元,到2010年燃料電池之共發電機將以每年取代速度替換掉大約三分之一的1200萬個煤氣爐水加熱器。
四、相關報紙報導
美國及希臘的研究人員最近發明了一種由乙醇產氫的反應器。
明尼蘇達大學的LannySchmidt、佩卓司大學的XenephonVerykios及其研究伙伴表示,他們的反應器不但經濟時惠效率又高,代表向「氫經濟」的實現邁出一大步。
這種反應器可使用在小型燃料電池中,所產生的氫氣足以提供350瓦特-小時的電力。
一般燃料電池是透過氫氣的氧化產生電能,而水為其唯一副產物。
然而,目前大多數燃料電池使用的氫來自天然氣,意味著此能源並非真正的潔淨能源。
Schmidt指出,任何石化燃料都不可避免會產生二氧化碳,因此除非氫來自再生燃料,否則意義不大,而乙醇是一種容易取得、存量又豐富的再生能源。
由玉米等穀類製造的乙醇早已被用作汽車引擎之能源,不過其能量轉換效率僅20%,且在使用之前,需事先去除殘餘在乙醇的所有水氣,此舉又提高其成本。
最近,明尼蘇達-佩卓同的研究小組卻表示,若用乙醇來產生氫,再用於燃料電池,不但效率可達60%,且所用之乙醇不需純化。
Schmidt等人將乙醇/水/空氣之混和物通過帶有銠(rhodium)的多孔性金屬觸媒,在只有千分之幾秒的反應時間內,銠表面因發生反應而發熱,使觸媒升溫至800℃,並產生氫、可循環的二氧化碳以及微量的副產物。
此反應的乙醇/氫氣之轉換率超過95%,更有甚者,燃燒乙醇時常見的碳,在此一反應中極為有限,避免了因過多碳堆積使燃料電池失效的現象,因此目前此反應器可連續操作達30小時。
該研究小組相信,若進一步將製程最佳化,則可能由每一乙醇分子製備出5個氫分子(目前是4個)。
根據估計,一個完美的燃料電池產生的電力每仟瓦-小時只需0.04美元,而其最初可望應用於小型的遠距及可攜式裝置上。
五、零污染的目標
從前面燃料電池的發電原理,可以看出整個反應過程就是水電解的逆反應,因此其燃料--氫可以藉由水的電解產生。
然而,以電分解水,再取得氫,依然必須用到電力,若再追究此電力的轉換來源與成本,則氫的價格必然不斐,而且能源使用效率也不見得比汽油高。
所幸水的電解可以考慮使用離峰電力、太陽能電力等。
再加上水的電解,並非氫氣來源的唯一管道,諸如煉油、啤酒製造或其他產品製造過程,甚至廢棄物處理過程中,也都會直接或間接產生氫氣,這些都可說是氫氣的重要來源。
雖然甲醇、汽油或天然氣,經過重組之後,仍可以取得氫氣,但是重組器大又重,在燃料電池的應用上,會增加載具之重量,進而影響其推廣或普及。
再者就能源與環保的觀點而言,若以甲醇、汽油或天然氣做為燃料電池之進料,則人類對化石燃料之依賴情形將無法改變。
因此,在燃料電池開發與應用的過渡期間,或許基於技術的成熟度,而有使用甲醇、汽油或天然氣為燃料之必要。
但是就長期來看,仍應以氫做進料,才可降低化石燃料的使用量,以及達到零污染排放之目標。
參●結論
目前燃料電池要克服的主要技術環節之一,為氫氣的儲存及運輸方式,為求燃料電池能迅速普及於3C產品,其氫氣的儲存方式(包括材料及技術)勢必要從價格、安全性、能量密度、方便性及穩定性等方面來考量,利用儲氫合金來儲運高純度(99.9999%)氫氣,雖然儲氫重量密度較低,但因除了沒有爆炸的危險性外,具有長時間儲存且無損耗之優點勢,故成為當前燃料電池最佳選擇方案之一。
以儲氫合金為負極材料的鎳氫電池,目前已廣泛的應用在3C電子產品、電動手工具、電動自行車等日常生活應用產品上;未來儲氫合金發展方向,除了以目前現有之合金材料為基礎,利用添加微量元素、改變合金組成比例或改變合金結構(例如奈米化)等方式,以改進合金特性外,開發新的合金也是主要的趨勢之一。
全球石油的消耗量遠大於生產量,依這樣的消耗速度算下去,大約到了公元2050年,權地球將面臨最嚴重的一次石油危機。
一方面為了減輕石油消耗量,另一方面也是為了減少石化所帶來的污染,世界各地的科學家開始尋找代替性的能源。
這個新的替代能源,必須成本低、污染低、價值高、可重複利用等條件,最後,燃料電池的誕生將會取代傳統電池。
經過我們多方面的蒐集資料、討論、報告、檢討,我們發現燃料電池勢必在未來市場上佔了很大空間,而它的方便性、實用性,想必也遠遠超過傳統電池。
雖然有了一個如此方便的替代能源,但也希望大家不能忘記環保問題,石油危機暫時是緩和下來了,但也請各位多多關心地球問題,地球的問題是必須靠每個人一起解決的。
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