MCFC定置型燃料电池课件

TPCUFCLab 能源科技概論能源科技概論 第八章第八章氫能臺北城市科技大學機械工程系 能源科技概論能源科技概論 第八章第八章氫氫能臺北城市科技大學能臺北城市科技大學TPCUFCLabPage 1可攜式燃料電池Voller Energy V100Voller Energy V100能碩能碩(EnerMaster)(EnerMaster)EM-H1000D1EM-H1000D1可攜式燃料電池可攜式燃料電池Voller Energy V100能碩能碩(EnTPCUFCLabPage 2Masterflex Fuel Cell Bike Masterflex Fuel Cell Bike 美國美國美國美國HondaHonda氫氫氫氫燃料電池汽車燃料電池汽車燃料電池汽車燃料電池汽車 運輸用燃料電池(圖片摘自圖片摘自http:/ Fuel Cell Bike 美國美國HoTPCUFCLabPage 3UTC Fuel Cells UTC Fuel Cells 5kW Energy Center 5kW Energy Center MTU Hot Module(MCFC)MTU Hot Module(MCFC)定置型燃料電池(圖片摘自圖片摘自http:/)(圖片摘自圖片摘自http:/)UTC Fuel Cells MTU Hot Module TPCUFCLabPage 4微小型燃料電池ToshibaToshiba(圖片摘自圖片摘自http:/ 5什麼是燃料電池？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燃料電池鋰電池鋰電池、鹼性電池鹼性電池、鉛酸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TPCUFCLabPage 6fuel(化學能化學能)熱能熱能steam(高溫高壓高溫高壓)running turbine(機械能機械能)running generator(電能電能)Fuel CellFuel Cell(電化學反應電化學反應)O2H2H2O電能電能電能電能傳統電能轉換過程傳統電能轉換過程什麼是燃料電池？fuel 熱能熱能steamrunning turbinerunTPCUFCLabPage 7燃料電池基本原理燃料電池之父 William Grove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-白金電極白金電極(Pt electrodes)酸性電解質酸性電解質(dilute acid electrolyte)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燃料電池基本原理燃料電池之父 William Grove爵士爵士TPCUFCLabPage 8圖片來源:PEM Fuel Cells Theory and Practice,by F.Barbir,Elsevier Inc.(2005)燃料電池的發展燃料電池發明燃料電池發明燃料電池發明燃料電池發明太空計畫太空計畫太空計畫太空計畫新產業誕生新產業誕生新產業誕生新產業誕生圖片來源圖片來源:PEM Fuel Cells Theory TPCUFCLabPage 9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？替代能源為什麼使用燃料電池？替代能源TPCUFCLabPage 10燃料電池的限制1.成本高2.功率密度受限3.氫燃料取得與儲存技術4.操作溫度的影響5.對於環境污染物的敏感性6.耐久性議題燃料電池的限制燃料電池的限制 成本高成本高TPCUFCLabPage 11燃料電池的種類溫度溫度 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燃料電池的種類溫度 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 TPCUFCLabPage 12燃料電池的基本結構 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GraphiteGraphiteend/bipolar plateend/bipolar plate陰極流道陰極流道Cathode flow channele-e-e-e-H+H2O2燃料電池的基本結構燃料電池的基本結構 電負載質子交換膜電負載質子交換膜Electrolyte TPCUFCLabPage 13MembraneMembraneCatalystCatalystC/Pt-RuC/Pt-RuCatalystCatalystC/PtC/PtAnode GDLAnode GDLCathode GDLCathode GDLSOURCE:Antig膜電極組(MEA)MembraneCatalystCatalystAnode TPCUFCLabPage 14觸媒電極圖片來源：圖片來源：Journal of Power Sources 74(1998)211-218觸媒電極圖片來源：觸媒電極圖片來源：Journal of Power SouTPCUFCLabPage 15Electrochimica Acta 49(2004)41494156碳紙碳紙碳紙碳紙碳布碳布碳布碳布氣體擴散層Electrochimica Acta 49(2004)TPCUFCLabPage 16雙極板Freudenberg-NOK-sealing technologyhttp:/www.ornl.gov/sci/fuelcellprogram/projects.htmlOak Ridge National LaboratoryMetallic Bipolar Plates Schunk Graphite Technology-compression molding雙極板雙極板Freudenberg-NOKhttp:/www.oTPCUFCLabPage 17電池堆(圖片來源：圖片來源：http:/ 18Ballard Power Systems(Canada)電池堆ESORO hyCar(圖片摘自圖片摘自Ballard公司網頁公司網頁)Ballard Power Systems(Canada)TPCUFCLabPage 19氫氣儲存系統(圖片摘自圖片摘自Quantum technologies,Inc.公司網頁公司網頁)氫氫氣儲存系統氣儲存系統(圖片摘自圖片摘自Quantum technologieTPCUFCLabPage 20燃料電池系統Worlds First Hydrogen Fuel-Cell,Plug-In Electric Hybrid Bus(Burbank)Fuel Cell Hydrogen Vehicle(FCHV,Toyota)(圖片摘自圖片摘自http:/ First Hydrogen FTPCUFCLabPage 21MOTOROLAs MOTOROLAs IMPRESIMPRESTMTM Charger Package(1W)Charger Package(1W)燃料電池系統MOTOROLAs IMPRESTM Charger PaTPCUFCLabPage 22製氫技術1.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3.煤的氣化4.水電解5.生質酒精改質6.生物質熱解7.藻類光合製氫製製氫氫技術氣態燃料蒸氣重組或部分氧化技術氣態燃料蒸氣重組或部分氧化TPCUFCLabPage 23氫基礎設施Hondas Solar Hydrogen Refueling Station,Japan Hydrogen station(Denmark)http:/www.ecofriend.org/entry/honda-debuts-solar-powered-hydrogen-fueling-station/http:/www.vatgas.se/shhp/news.html氫氫基礎設施基礎設施Hondas Solar Hydrogen ReTPCUFCLabPage 24再生式燃料電池系統electrolyserfuel cellsolar cellndemonstration of a fuel cell fueled by an electrolyser driven by solar cells再生式燃料電池系統再生式燃料電池系統electrolyserfuel cellTPCUFCLabPage 25附 錄附附 錄錄TPCUFCLabPage 26OxidationOxidationANODEANODEReductionReductionCATHODECATHODEDirect Methanol Fuel Cell(DMFC)Direct Methanol Fuel Cell(DMFC)(Figure source:Antigs website)陽極陽極陰極陰極甲醇甲醇甲醇甲醇水溶液水溶液水溶液水溶液氧氣氧氣氧氣氧氣二氧化碳二氧化碳二氧化碳二氧化碳水水水水DMFC 基本原理OxidationReductionDirect MethaTPCUFCLabPage 27DMFCDMFC甲醇甲醇Chemical Energy(Em)水水Chemical Energy(Ew)氧氧Chemical Energy(Eo)熱熱熱熱電能電能電能電能Energy(Ee)二氧化碳二氧化碳Chemical Energy(Ec)Em+Eo=Ee+Ew+Ec+Heat chemical energy:Gibbs free energy of formation gf depends on the state and temperatureDMFC 能量轉換DMFC甲醇水氧熱電能二氧化碳甲醇水氧熱電能二氧化碳Em+Eo=Ee+TPCUFCLabPage 28(1)(2)(3)(4)Terminologies-overvoltage/overpotential,polarization,irreversibility,losses,voltage dropCauses of overvoltages-activation losses-fuel crossover and internal currents-ohmic losses-mass transport or concentration lossesFig.source:Fig.source:Larminie,J.,and Dicks,A.2003.Fuel Cell Systems Explained.Ed.2nd.New York:John Wiley&Sons,Ltd.燃料電池極化曲線(1)(2)(3)(4)Terminologies Fig.TPCUFCLabPage 29燃料電池的效能operation voltage:about 0.3V-0.4V燃料電池的效能燃料電池的效能operation voltage:TPCUFCLabPage 30Title:Title:Diagram of a Diagram of a working Ceramic working Ceramic Fuel Cell CHP unit Fuel Cell CHP unit Description:Description:This This diagram shows a diagram shows a SOFC CHP unit SOFC CHP unit designed by designed by Ceramic Fuel CellCeramic Fuel Cell.Source:Source:Ceramic Ceramic Fuel Cells LimitedFuel Cells Limited熱電共生(CHP)(圖片摘自圖片摘自http:/)Title:Diagram of a working Ce