燃料電池 & 加氫站

作者:Lillian   |   2014 / 12 / 27

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:股感知識庫


早期燃料電池主要被應用在發電廠或工廠、商場機房等地之備援電力,近年來,永續環保的概念下,燃料電池因具有零排放、效率高、運轉效率高、能源可再生等優勢,被認為是未來汽車工業可持續發展的方向。目前,在交通運輸上已有多元應用,如:汽車、巴士、堆高機、摩托車及腳踏車、飛機、船隻、潛艇等。

 

燃料電池介紹與種類

燃料電池車的核心技術是燃料電池(Fuel Cell),燃料電池是藉由化學反應將化學能直接轉換為電能,為一直接的能源轉換裝置,過程中不涉及燃燒、無機械耗損、能源轉換率達60%以上。其發電原理如下圖,利用氫氣在陽極進行的是氧化反應,而氧氣在陰極進行還原反應,在氧化還原反應過程中就可以產生電流,進而產生水與熱,幾乎沒有任何汙染,是目前最具發展前景的新能源方式。

燃料電池所使用的「氫」燃料可以來自於任何的碳氫化合物,例如天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、水的電解、沼氣…等等。

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圖:燃料電池基本發電原理。

目前燃料電池根據電解質的不同,大略可分為五種:鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell ;簡稱AFC)、質子交換膜燃料電池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cell;簡稱PEMFC)、磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell;簡稱 PAFC)、溶融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell;簡稱MCFC)及固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell;簡稱SOFC)。

各種燃料電池中所產生的化學反應種類、操作溫度範圍、操作參數、適合的應用產品以及優點和限制都不相同。其中,質子交換膜燃料電池(PEMFC)被目前燃料電池車選擇採用,雖然PEMFC需使用昂貴的觸媒(鉑)、對燃料的純度要求嚴格,但其反應過程中唯一液體是水、腐蝕問題小、轉換功率大、啟動迅速,同時其操作溫度較低介於80至100℃之間,相對安全。

 

加氫站Hydrogen Station

推廣燃料電池車,不可或缺的一環是加氫站的建設,所需要的技術包含氫的製造、運輸、儲存、高壓設備、運行控制、加注、安全措施等。

加氫站大略可分為四種:

  • 燃料重整型:在加氫站內通過燃料重整製造氫。
  • 站內水電解型:在加氫站內通過水電解製造氫。
  • 站內壓縮氫儲藏型:在外部製造氫,以壓縮形式運輸再儲藏至加氫站。
  • 站內液氫儲藏型:以液態氫的形式運輸再儲藏至加氫站。

以上各種加氫站的系統各有特點,需根據各加氫站的佈局、位置、對象車輛、預想利用狀況、可利用的氫源、經濟效應等來選擇。

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路邊充電站

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資料來源:Hygen Industries 

上圖所示即加州的HyGen工業所設計的加氫站,第一階段是利用再生能源將水分子裂解,進而獲得純化的氫,再將氫儲存在緩衝匣。過程中的副產物氧會排放到大氣中。下一階段會將氫壓縮至儲存容器以便傳送到燃料幫浦。燃料電池車可承受350至700巴(Bar),目前加至700巴的氫所需時間為3至5分鐘,所需費用大約是$3.00-$3.50 GGE (Gallon Gasoline Equivalent),而在產能規模上,一座HyGen加氫站可供應每週100輛燃料電池車之所需氫氣量。

 

家庭能源站(Home Energy Station)

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資料來源:Honda 官網

因為加氫站建設成本昂貴,若能在家中可自己補給氫燃料,且兼具發電機的功能,勢必會引起更多消費者注意與需求,更有利於燃料電池車的推廣。由本田主導的實驗性計畫─家庭能源站(Home Energy Station),將燃料電池的技術轉向家庭使用,使用天然氣來製氫,以其同時作為燃料電池車與家用靜置型燃料電池發電機的燃料,供應家用所需的電力及熱能。

自2013年開始,本田於美國加州托蘭斯Torrance進行實驗,並與科技夥伴Plug Power合作致力於家庭能源站的改善,減少其體積,以提高便利性。2007年發展出第四代的家庭能源站,較前幾代更適合家用。若使用家庭能源站,所產生的二氧化碳排放量與使用汽油車和商用電力與熱能的家庭,平均約可以降低約30%。

隨著燃料電池車的技術不斷進步,各國政府和企業也開始推動嘗試普及加氫站,以配合燃料電池車的發展,如日本政府也考慮放寬對加氫站建設法規限制,使建設成本下降,建造速度亦能提高,且補助加氫站的建設以及購車的民眾,目前已有5座加氫站,計畫2017年增至100座。德國,戴姆勒與政府和相關行業攜手,提出了在2023年之前建設約400座加氫站的方針。。美國加州能源委員會在2014年5月1日宣布,將投注近5000萬美元,相當於約超過 14億新台幣,來加速加氫站的設置,以達到推動氫燃料電池車的效果。

 

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Lillian
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