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調節尖峰供電之新要角─國內定置型燃料電池發展

2016/09/05 經濟部能源局 點閱人次: 728

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撰文/柯文清、江烈光、王文琳、張文昇、王人謙(工研院綠能所)
圖片提供/工業技術研究院綠能與環境研究所

燃料電池發電技術屬於「分散式」發電的一種,具高效率、零污染、可模組化的優點,除了供應電力,也可透過熱回收的設計,將整體能源利用效率提升到90%以上,是當前各國的重點能源科技之一。

燃料電池技術可分為:定置型、運輸型與可攜式型等3種主要應用形式,用途及料源廣泛,除區域型定置發電機或備用緊急電力外,國外燃料電池汽車亦陸續量產上市。以下將介紹定置型燃料電池在國內的發展與使用現況,說明其未來對電力供應可扮演的角色。

燃料電池發電系統

燃料電池隨著電極種類、電解質、電化學反應的不同,可區分為:固態氧化物燃料電池、融熔碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、質子交換膜燃料電池、鹼液燃料電池等。

以質子交換膜燃料電池為例,係由2片電極與一傳導離子的電解質所組成。燃料電池操作時,氫氣與氧氣分別接至陽極與陰極的導氣溝槽,此時電解質作用是讓氫離子傳遞到陰極完成電化學反應,然後電子由電極輸出電流。其完整發電系統包含:燃料電池電堆(Stack)、冷卻模組、供氣模組、水管理及電控系統等。雖然燃料電池有很多種類,但目前普遍於民生使用的仍以質子交換膜燃料電池為主。

國內燃料電池研發方向與成果

工研院投入氫能與燃料電池技術應用計畫以來,已陸續開發重組產氫技術、新型吸附儲氫材料、燃料供應系統、量產型低成本雙極板關鍵燃料電池組、10瓩級模組化燃料電池系統、電池組智慧型製造技術等,並取得多項國內外專利。近年來國內廠商積極投入開發燃料電池產品及提升產品效能,且逐漸形成燃料電池產業之上、中、下游供應鏈,而已開發的多項利基產品如可攜式電源、移動載具電力及緊急備用電源等,均在不同領域累積各式產品的應用經驗,以下為應用現況說明。

◎鐵路軌道號誌

鐵道號誌的備用電力傳統上是採用柴油發電機或蓄電池,由於需要定期維護並考慮電池劣化等問題,成為鐵路營運單位的負擔。我國於2011年7月,在臺鐵中壢站設置首座燃料電池鐵路號誌備援系統,為裝置容量1kW的質子交換膜燃料電池發電系統,其電流輸出為直流DC模式,和一般二次蓄電池相同,與市電轉換後之直流電併聯,供給號誌設備所需的電源。此設備迄今仍持續測試運轉中,系統穩定性與可靠度相當高。

◎無線通訊基地臺

傳統基地臺的備用電力大都採用蓄電池,僅可提供3小時左右的備用電力,然而面對越來越嚴峻的天候異常,偏鄉地區的備用電力確實有必要再升級。以往在經濟部能源局與國家通訊傳播委員會的補助下,已設置超過40處的基地臺備用電力,期間歷經凡那比、蘇迪勒與杜鵑等颱風,燃料電池備用電力均在市電斷電後啟動並提供用電,確保偏鄉通訊通暢,並提供救災指揮情資。以中華電信馬美機房為例,於颱風時造成市電中斷,該機房的燃料電池備用電力系統啟動供電超過12小時,充分發揮做為備援電力的可靠度及穩定性。

國內定置型發展現況與未來方向

經濟部能源局於2009年至2013年推動示範驗證計畫,補助國內廠商建置各式燃料電池發電系統,共累計709kW裝置容量,其中定置型發電系統約有412kW裝置量。接著,能源局於2014年至2016年推動業界能專計畫,鼓勵廠商開發高效率及節能產品,期間定置型燃料電池系統亦新增111kW裝置量,可知燃料電池系統的應用與需求主要仍以定置型發電系統為主。

由於國內電力需求逐年增加、舊電廠除役、電廠機組意外跳機及新建火力電廠環評等諸多因素,造成今年(2016)的尖峰用電備載容量率曾下降至10年來的新低,「限電準備」危機浮現。故為解決國內電力缺口、限電危機、國際減碳壓力及達成非核家園之目標,除提高太陽能及風力等再生能源裝置容量之占比外,燃料電池發電的納入,將有助於區域微電網的電力調節與穩定。


關鍵字:燃料電池,分散式電力,定置型發電,氫氣

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