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漫遊現代科技 — 能源材料

漫遊現代科技 — 能源材料. 東華材料系 -- 張 文 固. Contents. 燃料電池 ( Fuel Cell) 太陽能電池 ( Solar Cell). 廿一世紀人類面對兩大問題： 能源危機 環境污染. 能源 – 摘自能源政策白皮書. 能源可說是經濟發展及社會進步的原動力 工業發展 – 電力、燃料油等 交通運輸 – 油品 人民生活 – 電力(含家用與攜帶用) * 過去10年國民生產毛額( GDP) 平均年增率為6.7%，能源消費年增率約6.2%，顯示能源消費與經濟成長相關。. 當前能源課題 – 摘自能源政策白皮書. 能源消費快速增加

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漫遊現代科技 — 能源材料

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Presentation Transcript

  1. 漫遊現代科技—能源材料 東華材料系--張 文 固

  2. Contents • 燃料電池(Fuel Cell) • 太陽能電池(Solar Cell)

  3. 廿一世紀人類面對兩大問題： • 能源危機 • 環境污染

  4. 能源 – 摘自能源政策白皮書 能源可說是經濟發展及社會進步的原動力 • 工業發展 – 電力、燃料油等 • 交通運輸 – 油品 • 人民生活 – 電力(含家用與攜帶用) * 過去10年國民生產毛額(GDP)平均年增率為6.7%，能源消費年增率約6.2%，顯示能源消費與經濟成長相關。

  5. 當前能源課題 – 摘自能源政策白皮書 • 能源消費快速增加 • 運輸、住宅與商業部份的能源消費比重增加 • 環境污染問題日受重視 • 能源使用效率仍有提高空間

  6. 電力、生活與環保 • 停電時刻 @ 小型發電機、電池 • 新時代生活 % 手機、隨身電腦等 • 環保議題 –發電機的噪音與污染 電池的重複使用、回收與丟棄 天然資源的快速消耗 • 國際能源科技發展趨勢 * 能源效率提升 * 潔淨能源技術 * 燃料電池與氫能 * 再生性能源

  7. 自然資產 - 化石燃料 化石燃料 (fossil fuels) 提供~85% 全世界使用之能量 天然氣 (natural gas):主要成份為甲烷(CH4) estimated to last ~110 years at current usage rate 石油 (petroleum):含數千種碳氫化合物之複雜混合物 estimated to last ~60 years at current usage rate 煤 (coal): 更複雜之碳氫化合物混合物 estimated to last ~220 years at current usage rate 化石燃料不僅提供能量，亦是工業生產上重要碳氫化合物的主要來源

  8. 台灣能源的使用狀況 資料來源: 經濟部能源局網站

  9. 電 – 方便的能源型式 電可由線圈於磁場中轉動產生 (電磁感應 - 法拉第定律) • 火力發電 • 水力發電 • 核能發電 • 太陽能發電 • 風力發電 • 地熱發電 ……… The efficiency for overall conversion for a fuel into electricity and its distribution to users is ~ 30%.

  10. 台灣電力使用狀況

  11. 替代化石燃料的能源 核能(Nuclear energy) – nuclear fission, nuclear fusion 1 kg of U-235 = 20,000 tons of TNT 太陽能(Solar energy) – ~1.7×1017 W received by Earth Ocean kelp has perhaps the highest utilization of sunlight (2% overall) 生物燃料(Biofuels) – biomass fuel, such as ethanol 地熱能(Geothermal energy)  ….

  12. 能源轉換網路 輻射能 光化學合成 核能 核子反應 化學光 太陽能 化學能 熱能 燃燒器 電化學合成 電燈 Electrochemical Cells 電能 馬達 機械能 發電機 動能，位能

  13. 燃料電池與電能 • 能源替換 – 以氧氣及氫氣(或甲烷、乙醇…)為主 (H2 + ½ O2 H2O +熱+電) • 環保– 排放物為純水(H2O) • 高效率 – 單位能源的CO2排放量較低 • 與資訊科技、生物科技並列為21世紀三大科技

  14. 電化學電池(electrochemical cells) • 定義：直接進行“化學能  電能”的裝置 • 電池(Battery) – an energy storage device, 化學能儲存在cell內部(電池的電極) * 一次電池(Primary battery) – 不可逆的電化學反應，鹼性電池。 * 二次電池(Secondary battery) – 可逆式的電化學反應，鉛酸池、鎳氫電池、鋰電池等 • 燃料電池(Fuel Cell) – 發電機an energy generating device, 化學能儲存在cell外部(燃料) • 燃料電池電池，二者都是電化學電池

  15. 化學能  電能 電 Oxidants (氧化劑) 氧氣 空氣 Fuels 燃料 氫氣 燃料電池 水

  16. 燃料電池為何被視為21世紀之新興產業? • 電力市場持續成長 • 輸配電成本急遽升高，分散式電廠市場將逐步成長 • 環保意識覺醒，潔淨電力能源成主流 • 無線器材市場快速成長、高能量密度電池之需求日增 • 擁有鉅大之市場潛力

  17. -續頁- • 清潔： -- 利用氫能無污染 -- 利用石化燃料降低污染 • 安靜： -- 200 KW (9m, 62DBA) • 高效率： -- 固定式 -- 移動式 • 高能量密度電池 • 貯存電力

  18. -續頁- • 未來20年有3200億美元/年之市場 • 大型基載電廠：100GW/年，~750億美元/年 (300MW以上) • 分散式電力(KW ~ 2MW)：目前100億美元/年，2010年 1300億美元(社區、工廠、居家) • 移動型電力(400W~200KW)：250億美元/年 • 手提式電力匣(1W~200W)：550億美元/年

  19. 燃料電池的分類

  20. ←OH— H+→ H+→ ←CO32- ←O2- O2+2H2O+4e-→4OH-- O2+4H++4e-→2H2O O2+4H++4e-→2H2O O2+2 CO2+4e-→2 CO32- O2+4e-→2 O2- H2+2OH-→2H2O+2e- 鹼性(Alkaline) 質子交換膜(Proton Exchange Membrane) H2→2H++2e- H2→2H++2e 磷酸型(Phosphoric Acid) H2+CO32-→H2O+CO2 +2e- CO+ CO32-→2 CO2+2e- 熔融碳酸鹽(Molten Carbonate) H2+O2-→H2O+2e- CO+ O2-→CO2+2e- CH4+4O2-→2H2O+CO2+8e- 固態氧化物(Solid Oxide)

  21. 應用範圍及工業 • 交通工具(電動車輛、腳踏車) • 家庭小型發電機 • 筆記型電腦、行動電話、士兵通訊電源 • 大型發電機、社區、醫院、發電廠 • 國防、太空工業、潛水艇

  22. Daimler-Chrysler已接受第一批Fuel Cell Bus訂單，2002年將量產30輛公車於歐洲九大城市運行。 • 加州環保署空氣資源委員會預計於2003年前完成70輛汽車及公車的路上展示行駛、測試 。 • 新加坡政府經濟發展委員會宣布投入數億美元與Daimler-Chrysler合作研發Fuel Cell汽車，建立燃料供給系統。 • Plug/GE公司已於2000年製作測試上百個PEM的小型、安靜、環保發電機，只要接上家用的天然瓦斯，即可以提供住宅戶的用電。

  23. 低溫高分子膜燃料電池(PEFC)發電原理 H2 2 H+ + 2 e- 2H+ +1/2O2 + 2e- H2O

  24. PEFC製程分析 低孔隙度碳布 Pt/C或Pt-Ru/C觸媒 質子交換高分子膜(PEM) 陰極(氫氣極)製造 陽極(空氣極)製造 膜電極組體製造 雙極分隔板設計與製造 墊片設計與製造 電流收集板設計與製造 加溫板設計與製造 冷卻板設計與製造 平板型組裝 測試 溫度管理 活性碳 儲氫合金 設計與製作 觸媒研製 電池材料 陰/陽極製造及組合 電池組組件 電池組裝與測試 儲氫材料研製 重組器研製 電池組系統設計與製造 PEFC

  25. PEFC燃料電池關鍵技術及困難 1.燃料供應 (燃料重組) (儲氫技術) 2.膜電極價格的降低 3.Catalyst 觸媒與防CO毒化方法 4.多孔碳電極的製作技術 Anode H+Cathode O2, N2, H2O H2, H2O 5.石墨雙極技術 5.石墨雙極技術 6.排水及水管理系統 7.冷卻方式 8.整體結構及密封 e- Load

  26. PEFC主要關鍵材料 • 石墨雙極分隔板 -- 當作H2及O2/air氣體分隔板、氣體導流槽、 兩極電流傳導、電流收集器 • Pt/C或Pt-Ru/C等觸媒 -- Anode H2氧化(H2 2H++2e-) -- Cathode O2還原(O2+4H + +4e -2H2O) • 碳/石墨氣體擴散層 -- 觸媒支撐層、提供H2及O2均勻擴散到觸媒、 當作水氣通路及電子傳導 • 質子交換高分子膜 -- H+質子傳導

  27. 質子交換膜– 高分子聚合物(固體電解質)利用傳導氫離子來完成反應 F – C – C – C – C – F2 F2 | F2n O | CF2 | CFCF3 | O k | F2C – CF2 – SO3H 親水性區域 疏水性區域

  28. 高溫氧化物燃料電池發電原理 Cathode：O2+4e-→2O2-Anode：H2+O2-→H2O+2e-Total：H2+1/2O2→H2O+heat

  29. 固態電解質 – 氧化鋯(ZrO2)、鑭鎵氧系列(LaGaO3)、氧化鉍(Bi2O5) ZrO2 + Y2O3  Zr(Y)O2 + Vo O-

  30. 目前市售SOFC • 電解質：~200um厚且完全緻密Yttria-Stabilized ZrO2 (YSZ) • 陰極：~50um具多孔隙添加鍶的錳酸鑭(Sr-doped Lanthanum Manganite LSM) • 陽極：~50um具有多孔隙的鎳/氧化鋯 (Ni/YSZ)

  31. SOFC關鍵技術及困難 • 高溫操作條件使材料選擇不易且影響壽命 • 材料熱膨脹係數考量 • 固態電解質膜厚必須緻密且薄 • 必須為完全離子導電材料 • 電壓提升困難

  32. 配合利用汽電共生將廢熱回收，效率可達約80%。配合利用汽電共生將廢熱回收，效率可達約80%。

  33. 貨櫃式行動燃料電池

  34. 電動機車 –亞太燃料電池

  35. 電動腳踏車

  36. 家庭式燃料電池組合

  37. 燃料電池展望 • 公共型電力來源 -- 大尺寸集中型電廠，連續操作，高溫型燃料電池較佳，可配合廢熱回收提升效率。 -- 中至小尺寸分散型與現場型電廠，非連續操作，低溫型燃料電池較佳。 • 攜帶型電力設計 -- 輕薄短小，使用方便 -- 持久性或價廉 • 電動汽機車：高分子膜燃料電池 • Cost Down: new materials, cheaper catalysts, cheaper membrane….

  38. 太陽能電池(solar cell) • 定義：太陽的輻射能光子通過半導體物質轉變為電能的過程。 • 是一種物理過程產生的電流 • 沒有物質的消耗，只是能量的轉換。 • 沒有化學腐蝕性 • 沒有噪音 • 沒有空氣污染

  39. 光電轉換基本原理 電子 光 hv 原子核

  40. 光電轉換示意圖 太陽光 反射光 + - 電極接頭 + + - - - + + - + - + + + + + - - - - - + + + - 電極接頭 + + - - - - P型半導體 N型半導體 PN 穿透光 v

  41. 太陽能電池的種類 矽晶圓太陽能電池 (silicon solar cells) 非晶矽太陽能電池 (amorphous silicon solar cells) 銅銦鎵二硒太陽能電池 (copper indium gallium diselenide solar cells; 含銅銦硒三元素者簡稱 CIS, 含銅銦鎵硒四元素者簡稱 CIGS) 碲化鎘薄膜太陽能電池 (cadmium telluride thin film photovoltaics) 矽薄膜太陽能電池 (thin film silicon solar cells) 染料敏化太陽能電池 (dye-sensitized solar cells, DSSC)

  42. 數種光電池之效能比較 資料來源：Grätzel, M. Nature414, 338 (2001).

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