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氫能轉電能的媒介──小型質子交換膜燃料電池發電系統

2004/11/05 經濟部能源局 點閱人次: 590

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▓撰文:蔣淑卿 ■圖片提供:工研院能資所

質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell;PEMFC)是將氫氣轉換成電能的最佳媒介,兼具高效率與環保的優點;主要應用方向分為車用、定置型與可攜式發電三種。

美國與日本汽車工業發達,長期以來亦積極研發替代汽油的燃料技術,其中,對於燃料電池汽車技術寄予厚望,投入的研發資源遠超過定置型與可攜式發電系統,但是車用市場對於價格的要求較為嚴苛,因此一般預測車用燃料電池大量商品化的時間可能要延至2020年之後。定置型發電系統以日本發展為最快,多家日本公司發布消息將在兩三年內推出家用定置型商品,發電容量約在1瓩左右,並將燃料電池發出的廢熱回收用以加熱冷水,供應家庭洗滌用途。除了上述兩種發電應用之外,特別強調具移動性與便利性的可攜式發電系統,也極具發展潛力,舉凡手機、PDA、割草機至一般數瓩的小型發電機都可由燃料電池供電。本文即針對10瓩以下之定置型與可攜式燃料電池發電系統,做整合技術與發展狀況的詳細介紹。

<插入表1:燃料電池的應用>

發電系統整合技術

燃料電池發電系統分為燃料供應、電池組、BOP(Balance of Plant)與電氣系統(Power Conditioning Unit)四大部份,以下茲分別說明。

<插入:燃料電池發電系統示意圖>

一、燃料供應
一般來說,燃料的選擇有氫氣或重組氣(Reformate Gas)兩類,如果使用氫氣須考慮氣體儲存與輸送的問題,目前常見的方法包括高壓儲氫、金屬儲氫以及奈米碳管儲氫等。而使用重組氣則要考量重組反應的操作需求,例如使用蒸汽重組(Steam Reforming)時,此吸熱反應所需的熱能可由外部的燃燒器供給,或是在進行部份氧化(Partial Oxidation)之重組反應時,反應所放出的熱能可以用來供應系統需熱的部份。通常在重組反應之後,還可利用水移反應(Water Shift Reaction)、選擇性氧化反應(Preferential Reaction)進一步降低一氧化碳的濃度,使重組氣體中之一氧化碳不致毒化電池組。

二、電池組與BOP
BOP包括空氣幫浦、閥件、熱交換器、加溼器與風扇等組件,這些組件與電池組的搭配是整合技術的重點。有時設計電池組為了達到最佳的發電性能,通常會提高燃氣的壓力或溫度,反而使幫浦等組件的耗電量增加,降低了整體效率,因此取得電池性能與系統效率的平衡點是設計者需要重視的問題。

三、電氣系統
電氣系統的目的除了將燃料電池的直流電力轉換成交流電力輸出之外,還要調整系統的電控策略以符合所需的運作模式。常見的運作模式包括:獨立運轉(Stand-alone System)、市電併聯型(Grid Tied System)。

各國發展現況

發展燃料電池技術是提高能源效率的方法之一,近年來許多先進國家投入大量資源開發相關技術,政府單位多偏重在氫能基礎設施的建立,而私人公司則專注燃料電池技術的研發工作。美國、加拿大與日本三個國家均有多家公司參與,不同公司之間也有合作關係,例如加拿大的Ballard公司就與GM、Ford等多家汽車廠商有合作協定,Ballard與日本荏原製作所合作成立一家Ebara Ballard公司,致力推廣日本市場。

一般認為,日本市場將是全世界最早實現燃料電池商品化的國家,多家日本本國的電機公司如三洋電機(Sanyo Electric)、松下電機(Matsushita Electric),以及東京瓦斯(Tokyo Gas)、大阪瓦斯(Osaka Gas)、日本石油(Nippon Oil)等燃料供應商,對於燃料電池與燃料處理技術的開發十分積極。在氫氣使用法規尚未完整的情況下,日本的燃料電池發電系統多以天然氣做為燃料以便推廣。

同樣的,國內亦十分重視燃料電池技術的發展,工研院能資所的燃料電池發電系統開發計畫即是經濟部委辦計畫之一。能資所研發目標是開發3至5瓩的小型質子交換膜燃料電池發電系統,自2001年起陸續完成1瓩純氫燃料電池發電系統、3瓩天然氣燃料電池發電系統、以及1瓩可攜式燃料電池發電系統的雛形機開發。前兩型系統都利用冷水回收電池組的熱能,因此有熱水儲槽的設計,而可攜式系統為強調輕量化與便利性,採氣冷式電池設計,不另作熱能回收。

市場規模與商品化

目前燃料電池技術尚未商品化,但龐大的預估產值是研發的動力來源之一,例如英國Johnson Matthy公司與美國杜邦公司所預估的產值高達100億美金。大多數資料認為2008年是關鍵時刻,屆時將出現大量的燃料電池商品,尤其以定置型與可攜式發電系統較早量產,但是稍後幾年內車用市場將大幅成長,超越其他兩型發電系統。放眼未來,燃料電池將帶來龐大商機,在全球市場的競爭下,加速建立我國燃料電池技術能力並爭取優越的國際分工角色,是當前更重要的目標。(作者為工研院能資所副研究員)

圖1:燃料電池發電系統示意圖

表1:燃料電池的應用


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