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高溫燃料電池發展新趨勢

2016/01/05 經濟部能源局 點閱人次: 638

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撰文/周宜欣、黃孟涵、許寧逸、李瑞益、鄭俊才 圖片提供/周宜欣

高溫燃料電池之運轉系統,可搭配天然氣或再生能源產氫作為燃料。熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)與固態氧化物燃料電池(SOFC)皆屬高溫燃料電池,具有汽電共生的特質,整體發電效率推估分別可達85%及90%,深具產業化發展潛能。

在世界各國追求經濟成長之際,能源需求與日俱增,可用化石燃料存量卻日益減少,可預見的未來,我們將會面臨能源短缺與能源成本日益增加等問題。不僅如此,在全世界對環境品質要求的法規愈趨嚴格之下,溫室氣體減量也受到世界各國重視,此顯現在迫切尋求高效能與低碳排放的新潔淨能源上。

理想的潔淨燃料

氫氣為一種重要的能源傳遞媒介,被視為理想的潔淨燃料,經由燃料電池,實現低污染甚至零二氧化碳(CO2)排放條件下,直接將氫能轉換為電能和熱能。除此之外,氫氣可自工業廢棄物、化石燃料、再生能源等獲得,可有效分散能源來源,降低進口依賴,減少溫室氣體排放及空氣汙染,提升能源使用效率。

相較於傳統石化工業,產氫製程可運用更多元化的含氫原料,製程環節部分,包括氫氣的分離、運輸、分配、儲存、轉化和應用等,均與石化產業相似,不需大幅改變。藉由氫能發電的高效率高溫燃料電池,可使化石燃料的使用量降低,有效達到減少CO2的排放量。另外亦可運用再生能源直接電解水產製氫氣,使用於高溫燃料電池,如此一來將可達到零溫室氣體排放的效果。

氫能與燃料電池之技術開發方向,以高效率產氫、儲氫技術、低成本燃料電池創新材料為主。燃料電池的操作溫度對電池性能影響重大,進而衍生出多類型的燃料電池,如表1 所示。高溫燃料電池因具汽電共生的特性,整體發電效率較高,且高溫燃料電池之運轉系統,可搭配天然氣或再生能源作為燃料,將其轉換為氫氣,深具產業化發展效益。

2009 年挪威維京女士號(VikingLady)裝置320 瓩(kW)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)作為船舶發電系統,目前Viking Lady 已成功運行超過7,000 小時。MCFC 供應船上所有設施運轉所需之電力,發電效率達44.5%,若結合汽電共生,效率更可提升至85%。又因該船採用潔淨的燃料電池,可大幅降低溫室氣體排放,估計每年可以減少排放CO2 4,755 噸、SO233 噸、NOx 180 噸,約相當於20,000 輛私人汽車的排放量,驗證綠色燃料電池技術對減少溫室氣體之排放,具有巨大的潛力。

未來新星─固態氧化物燃料電池

除此之外,固態氧化物燃料電池(SOFC)被視為未來可能發展的潔淨能源方案之一,發電方式如下圖所示。SOFC 採用在高溫下具有傳遞氧離子(O2-)能力的固態氧化物為電解質,不須使用貴重金屬催化劑,以氫氣、天然氣、煤氣等作為陽極燃料氣體,空氣中的氧氣作為陰極氧化劑。天然氣主要成份是甲烷,其含量約占85% 至95%,甲烷係含氫比例最高之碳氫化合物,可產生氫氣的比例也最高。

甲烷重組可產製含氫量高的重組氣,使用於高溫燃料電池可大幅提高其發電效率。常見的甲烷重組反應模式可分為蒸氣重組法(steam reforming)、自熱重組法(autothermal reforming) 及部分氧化法(partial oxidation),個別反應特性彙整於表2,重組氣所含之氫氣及一氧化碳皆可直接使用於高溫燃料電池。蒸氣重組法單位甲烷莫爾數之產氫量最大,且該反應所需之熱量,恰可運用SOFC 電能輸出時,回收所排出餘熱,使其具備高能源效率、餘熱具應用價值等優點,汽電共生燃料轉換效率達90%。由於SOFC 具有低廢氣排放量、高發電效率、低振動、低噪音等優點,且SOFC 的工作模式與傳統柴油引擎相似,皆為利用外部管線運輸反應物,因此皆可維持長時間且大功率運作。

我國產業未來的新方向

我國政府為加強推動燃料電池產業化及關鍵產業技術國產化,建置符合國際標準的驗證平臺,協助國內業者進入國際市場,於2012 年建立0.52 百萬瓦(MW)氫能示範運轉裝置,如電信基地台備用電力、二輪代步車應用案例等,也涵蓋電動推高機、城市觀光遊艇、移動式電源等應用,得到實際使用驗證並提升產品可靠度。另外燃料電池屬於分散式發電,可排除集中式大電網易受大自然災害重大的衝擊、網路末端可靠度較低及傳輸損失等問題。

在政府多次加碼再生能源目標的情況下,再生能源在我國未來發展一片看好。目前國際趨勢朝向研發再生能源結合高溫燃料電池運轉,未來臺灣亦可建立次世代氫能與高溫燃料電池的研發基地,如此將吸引愈來愈多全球頂尖高科技設備產業來臺成立研發中心,提高國產高溫度燃料電池產業設備的自製率與國際競爭力,並使氫能與高溫燃料電池產業設備成為臺灣產業的新支柱。


關鍵字:高溫燃料電池,汽電共生燃料轉換效率

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