燃料电池系统TPCUFCLab课件.ppt

1、TPCUFCLab臺臺北城市科技北城市科技大學大學機械工程系機械工程系TPCUFCLabPage 1TPCUFCLabPage 2(圖片摘自圖片摘自http:/ 3(圖片摘自圖片摘自http:/)(圖片摘自圖片摘自http:/)TPCUFCLabPage 4(圖片摘自圖片摘自http:/ 5燃料電池是一種可以把反應物的燃料電池是一種可以把反應物的化學能化學能直接轉換為直接轉換為電能電能的的燃料電池燃料電池是是一種電能一種電能產生產生裝置，而裝置，而非非電能電能貯存貯存裝置裝置燃料電池燃料電池是是一個一個系統系統，而，而非非單一元件單一元件TPCUFCLabPage 6fuel(化學能化學能)熱

2、能熱能steam(高溫高壓高溫高壓)running turbine(機械能機械能)running generator(電能電能)(電化學反應電化學反應)O2H2H2O傳統電能轉換過程傳統電能轉換過程TPCUFCLabPage 7222222Anode:221Cathode:222Overall:12HHeOHeHH OOH O燃料電池之父燃料電池之父 William Grove爵士於爵士於1839年發明燃料電池：藉由年發明燃料電池：藉由觸媒觸媒將將水電解反水電解反應逆向操作應逆向操作，產生電流。，產生電流。H2O2e-H2O2e-白金電極白金電極(Pt electrodes)酸性電解質酸性電解

3、質(dilute acid electrolyte)A水電解反應水電解反應氫氧燃料電池反應氫氧燃料電池反應+-TPCUFCLabPage 8圖片來源:PEM Fuel Cells Theory and Practice,by F.Barbir,Elsevier Inc.(2005)TPCUFCLabPage 9替代能源替代能源-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。合物等燃料，但其選擇具有替代性。環保能源環保能

4、源-潔淨、安靜，電化學反應無噪音，主要生成物為潔淨、安靜，電化學反應無噪音，主要生成物為H2O。高效能源高效能源-高效率、高能量密度，相對減少系統的體積和重量，並高效率、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。延長供電運作時間。便利能源便利能源-獨立性、可攜性高；不需充電器，完全無線獨立性、可攜性高；不需充電器，完全無線(wireless)需需求，補充燃料不需長時間等待。求，補充燃料不需長時間等待。TPCUFCLabPage 101.成本高成本高2.功率密度受限功率密度受限3.氫燃料取得與儲存技術氫燃料取得與儲存技術4.操作溫度的影響操作溫度的影響5.對於環境污染物的敏感性對

5、於環境污染物的敏感性6.耐久性議題耐久性議題TPCUFCLabPage 11溫度溫度 低溫低溫 高溫高溫 燃料電池種類燃料電池種類 質子交換膜型質子交換膜型 PEMFC/DMFC鹼液型鹼液型AFC 磷酸型磷酸型PAFC 熔融碳酸鹽型熔融碳酸鹽型 MCFC固體氧化物型固體氧化物型 SOFC操作溫度操作溫度 7080 80100 200220 600650 8001000 可用燃料可用燃料天然氣、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、煤碳電流密度電流密度 高 高 普通 普通 高 可能應用領域可能應用領域小型發電機組、分散型發電、移動式電源、運

6、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TPCUFCLabPage 12 電負載電負載質子交換膜質子交換膜Electrolyte membrane氣體擴散層氣體擴散層 GDL觸媒層觸媒層 Catalyst Layer陽極流道陽極流道Anode flow channel集電區集電區Current Collector石墨流道板石墨流道板陰極流道陰極流道Cathode flow channelH+H2O2TPCUFCLabPage 13S

7、OURCE:AntigTPCUFCLabPage 14圖片來源：圖片來源：Journal of Power Sources 74(1998)211-218TPCUFCLabPage 15Electrochimica Acta 49(2004)41494156TPCUFCLabPage 16 Freudenberg-NOK-sealing technologyhttp:/www.ornl.gov/sci/fuelcellprogram/projects.htmlOak Ridge National LaboratoryMetallic Bipolar Plates Schunk Graphite

8、 Technology-compression moldingTPCUFCLabPage 17(圖片來源：圖片來源：http:/ 18Ballard Power Systems(Canada)ESORO hyCar(圖片摘自圖片摘自Ballard公司網頁公司網頁)TPCUFCLabPage 19(圖片摘自圖片摘自Quantum technologies,Inc.公司網頁公司網頁)TPCUFCLabPage 20Worlds First Hydrogen Fuel-Cell,Plug-In Electric Hybrid Bus(Burbank)Fuel Cell Hydrogen Vehicl

9、e(FCHV,Toyota)(圖片摘自圖片摘自http:/ 21TPCUFCLabPage 221.氣態燃料蒸氣重組或部分氧化氣態燃料蒸氣重組或部分氧化2.液態燃油蒸氣重組或部分氧化液態燃油蒸氣重組或部分氧化3.煤的氣化煤的氣化4.水電解水電解5.生質酒精改質生質酒精改質6.生物質熱解生物質熱解7.藻類光合製氫藻類光合製氫TPCUFCLabPage 23Hondas Solar Hydrogen Refueling Station,Japan Hydrogen station(Denmark)http:/www.ecofriend.org/entry/honda-debuts-solar-po

10、wered-hydrogen-fueling-station/http:/www.vatgas.se/shhp/news.htmlTPCUFCLabPage 24electrolyserelectrolyserfuel fuel cellcellsolar solar cellcellndemonstration of a fuel cell fueled by an electrolyser driven by solar cellsTPCUFCLabPage 25TPCUFCLabPage 2632266CH OHH OHeCO2236623HeOH O3222322CH OHOCOH O

11、(Figure source:Antigs website)陽極陽極陰極陰極TPCUFCLabPage 27甲醇甲醇Chemical Energy(Em)水水Chemical Energy(Ew)氧氧Chemical Energy(Eo)Energy(Ee)二氧化碳二氧化碳Chemical Energy(Ec)3222322CH OHOCOH OEm+Eo=Ee+Ew+Ec+Heat chemical energy:Gibbs free energy of formation gf depends on the state and temperatureTPCUFCLabPage 28(1)(

12、2)(3)(4)-overvoltage/overpotential,polarization,irreversibility,losses,voltage drop-activation losses-fuel crossover and internal currents-ohmic losses-mass transport or concentration lossesLarminie,J.,and Dicks,A.2003.Fuel Cell Systems Explained.Ed.2nd.New York:John Wiley&Sons,Ltd.TPCUFCLabPage 29operation voltage:about 0.3V-0.4VTPCUFCLabPage 30(圖片摘自圖片摘自http:/)