|
1.??? 背景及現(xiàn)況
A.?? 背景 綠色能源推廣目標(biāo)：2010年占總能源3%~5%，或發(fā)電裝置容量為500萬瓩約10%。具體作法包括：推廣酒精汽油發(fā)展利用及廢棄物衍生燃料發(fā)電應(yīng)用，持續(xù)規(guī)劃推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置，加強(qiáng)太陽 光電發(fā)電示范系統(tǒng)補(bǔ)助，訂定氫能源及燃料電池、海洋能發(fā)電及地?zé)岚l(fā)電等計(jì)劃，并積極推動(dòng)。 其中有關(guān)氫能源及燃料電池部分，根據(jù)行政院函立法院審議中之電業(yè)法修正草案，政府正在大力推展分布式及潔凈發(fā)電技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用，目的是希望將發(fā)電系統(tǒng)分散建置于全國(guó)各地之使用端，有別于現(xiàn)有大型集中之火力發(fā)電或核能發(fā)電模式，從小型分布式 電力系統(tǒng)的普遍建置，來克服大型電力開發(fā)的不足，由能源效率提升及潔凈能源的使用，來解決環(huán)保抗?fàn)巻栴}；并藉由分布式小型發(fā)電，減少電力傳輸損失及提供高質(zhì)量、高可靠度的電力，而利用氫能源作為原料的燃料電池發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用即非常適合以上目的。政府期望在2020年前燃料電池能累積到裝置容量10~20萬瓩，到了2025年燃料電池能累積到裝置容量40~70萬瓩。 未來氫能源時(shí)代來臨時(shí)，燃料電池將是最關(guān)鍵且最重要的技術(shù)，它具備高效率及低污染等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于發(fā)電系統(tǒng)，可裝設(shè)在需要電力的地方如家庭、學(xué)校、大樓、醫(yī)院、工廠等。燃料電池除了發(fā)電外，最寶貴的是它產(chǎn)生的熱能可以回收利用，使得系統(tǒng)總熱效率可高達(dá)80%，與傳統(tǒng)電力相比較，能源效率高一倍以上。燃料電池并具有多元化能源的優(yōu)勢(shì)，可結(jié)合生質(zhì)能、太陽能、風(fēng)能等發(fā)電技術(shù)，將能源使用多元化、可再生及永續(xù)使用。 B.?? 現(xiàn)況 2001年開始，經(jīng)濟(jì)部能源委員會(huì)委托工研院能源與資源研究所執(zhí)行分布式燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電技術(shù)研發(fā)，進(jìn)行質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與關(guān)鍵組件技術(shù)開發(fā)，自90-93年度三年半的時(shí)間，已完成定置型3瓩級(jí)雛型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、1瓩級(jí)可攜式燃料電池發(fā) 電機(jī)及多項(xiàng)關(guān)鍵組件技術(shù)開發(fā)。真敏國(guó)際股份有限 公司已成功開發(fā)出『 PFC1000』，此為1kW純氫質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機(jī)組，具備直流轉(zhuǎn)交流、數(shù)字 控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能[3]。亞太燃料電池科技股份有限公司則研發(fā)出全球第一輛 商品化的燃料電池機(jī)車，是由***研發(fā)生產(chǎn)，命名為ZES的亞太燃料電池機(jī)車最快可以在二OO七年上市。 目前燃料電池預(yù)估產(chǎn)值，例如英國(guó)Johnson Matthy公司與美國(guó)杜邦公司所預(yù)估的產(chǎn)值高達(dá)100億美金。大多數(shù) 資料認(rèn)為2008年是關(guān)鍵時(shí)刻，屆時(shí)將出現(xiàn)大量的燃料電池商品，尤其以現(xiàn)場(chǎng)定置型與可攜式發(fā)電系統(tǒng)會(huì)較早量產(chǎn)。韓國(guó)政府并將燃料電池的研發(fā)列為重點(diǎn)扶持的產(chǎn)業(yè)，發(fā)展汽車用80瓩燃料電池發(fā)電機(jī)。日本則是發(fā)展定置型發(fā)電系統(tǒng)最快的國(guó)家，多家日本公司發(fā)布消息在兩三年內(nèi)推出家用定置型商品，發(fā)電容量約在1瓩左右，并將燃料電池的廢熱回收用以加熱冷水，供應(yīng)家庭洗滌用途。放眼未來，燃料電池將帶來龐大的商機(jī)，在全球市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)下，加速建立我國(guó)燃料電池技術(shù)能力并爭(zhēng)取國(guó)際分工角色，更是當(dāng)前重要目標(biāo)。 為配合國(guó)家科技產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展，并有效運(yùn)用研究經(jīng)費(fèi)，其研究的內(nèi)容，多以下列之項(xiàng)目為研究范疇：電池和系統(tǒng)性能提升、電池堆組裝技術(shù)、電池系統(tǒng)應(yīng)用、電池設(shè)計(jì)最佳化、電池性能測(cè)試技術(shù)、高性能質(zhì)子交換膜、觸媒、雙極板、電極（碳布、碳紙）、電解質(zhì)材料研發(fā)與制作、材料微觀之表面界面分析、 檢測(cè)技術(shù)、氫之生產(chǎn)與儲(chǔ)存技術(shù)、微奈米技術(shù)應(yīng)用于電池組件、分子 仿真、流場(chǎng)、電場(chǎng)、熱流仿真、電池 供電系統(tǒng)整合和交直流配電技術(shù)、以及電池可靠度、穩(wěn)定度及加速實(shí)驗(yàn)研究等議題。 2.?? 計(jì)劃目標(biāo)
- 規(guī)劃發(fā)展氫能源與燃料電池為本校教學(xué)與研究特色之一。
- 培養(yǎng)學(xué)生綠色能源的環(huán)境保護(hù)觀念，厚植發(fā)展氫能源與燃料電池之扎根工作。
- 前端與基礎(chǔ)研究：有效整合本校教師研發(fā)能量與實(shí)務(wù)應(yīng)用的能力，深入探討氫能源與燃料電池尖端技術(shù)之諸多學(xué)理與實(shí)務(wù)，增進(jìn)研究論文質(zhì)量，厚植本校研究水平。
- 促進(jìn)產(chǎn)學(xué)合作：透過本計(jì)劃所建立之研發(fā)團(tuán)隊(duì)，并期待日后能與國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界合作，提供業(yè)界系統(tǒng)化研究資源，使得諸多創(chuàng)意能發(fā)芽并反應(yīng)成為成品，期獲得專利，提升國(guó)內(nèi)未來之競(jìng)爭(zhēng)力。
3.?? 具體內(nèi)容及配套措施
1.? 燃料電池的發(fā)電概念 在多孔質(zhì)的正負(fù)電極之間布滿電解質(zhì)(ex 食鹽的水溶液)，正極上所供應(yīng)的是空氣(氧氣)、負(fù)極則是氫氣。在燃料電池之中，電解質(zhì)是被作為 電子的Fil ter 來使用。電解質(zhì)雖然可讓氫離子通過，但是電子卻無法通過，因此，遂在正負(fù)極之間設(shè)置讓電子通過的旁信道(Bypass)，而如果在中途設(shè)置Inverter（ DC/→ AC）的話，則可以獲取交流電力，當(dāng)然，也可以直接利用直流電力。而燃料電池作用如圖七所示。
- 氫氣與濕空氣分別由負(fù)極與正極進(jìn)入。
- 負(fù)極板將氫分子電離為兩個(gè)電子及兩個(gè)質(zhì)子。
- 質(zhì)子經(jīng)由電解液在電池中移動(dòng)。
- 特制的電解液本身并不產(chǎn)生電子，電子是經(jīng)由負(fù)極板生成并經(jīng)外部電路完成循環(huán)。
- 整個(gè)電池的機(jī)構(gòu)維持了電位差以促使質(zhì)子的流動(dòng)，而經(jīng)由外部電路流動(dòng)的電子產(chǎn)生了電流以帶動(dòng)馬達(dá)。
- 電子將兩個(gè)質(zhì)子及一個(gè)氧原子結(jié)合成為水。
2.?? 燃料電池種類 在近半世紀(jì)的發(fā)展中，燃料電池出現(xiàn)了多種形式，除了早期的堿性燃料電池（AFC）外，尚有已在測(cè)試中的磷酸燃料電池（PAFC），正在發(fā)展中的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC），和近來倍受矚目的直接進(jìn)料甲醇燃料電池（DMFC）等，表七為各種然電池之種類及用途表。
|
種類 |
堿性(APC) |
質(zhì)子交換膜(PEMFC) |
磷酸(PAFC) |
熔融碳酸鹽(MCFC) |
固態(tài)氧化物(SOFC) |
|
電解質(zhì) |
氫氧化鉀 |
高份子薄膜 |
磷酸 |
熔融碳酸鹽 |
二氧化鈷 |
|
陽極 |
白金/碳 |
白金/碳 |
白金/碳 |
鎳/鈷、鋁 |
鎳/鈷 |
|
陰極 |
白金/碳 |
白金/碳、鉑黑 |
白金/碳 |
氧化 |
錳酸鑒 |
|
操作溫度 |
60~100℃ |
80~100℃ |
100-200℃ |
~650℃ |
~1000℃ |
|
發(fā)電效率 |
45~60% |
40~60% |
40~50% |
45~60% |
50~60% |
|
主要用途 |
太空、運(yùn)輸 |
太空、運(yùn)輸、攜帶動(dòng)力 |
汽電共生、分散型電廠、運(yùn)輸 |
汽電共生、分散型電廠、運(yùn)輸 |
汽電共生、分散型電廠、運(yùn)輸 |
|
技術(shù)現(xiàn)況 |
80kW |
250 kW |
11 kW |
2 kW |
100 kW |
- 質(zhì)子交換膜燃料電池 質(zhì)子交換膜燃料電池又可稱為高分子電解質(zhì)燃料電池或固態(tài)高分子電解質(zhì)燃料電池。由質(zhì)子交換膜、陰極和陽極所組成的組件稱之為膜電極組體，質(zhì)子交換膜為一傳導(dǎo)質(zhì)子（H+）的高分子膜。陰極和陽極材料皆以鉑為主要觸媒，將鉑分布在具導(dǎo)電性與高表面積的碳黑載體上。質(zhì)子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，以空氣為氧化劑，因此反應(yīng)生成物只有水和熱，故水的管理成為很重要的課題。
- 直接甲醇燃料電池 以質(zhì)子交換膜燃料電池為基礎(chǔ)，并使用甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池是微型燃料電池發(fā)展的主流，以取代現(xiàn)有鋰離子、鎳鎘與鎳氫電池等二次電池為目標(biāo)。除輕、薄、短、小外，直接甲醇燃料電池更具有供電及待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、能量密度高與無污染等優(yōu)勢(shì)。
- 固態(tài)氧化物燃料電池 固態(tài)氧化物燃料電池的基本組件與前兩種電池相似，但因采用固態(tài)電解質(zhì)的材料，例如氣化金告、氧化鈰，所以需要在較高的溫度（約攝氏800度）操作，技術(shù)上并不容易。可是這型電池的能源轉(zhuǎn)換電能的效率最高。
- 設(shè)施規(guī)劃
- 整合本校現(xiàn)有系所師資與軟硬件設(shè)備，作為加強(qiáng)研究深度，整合研究團(tuán)隊(duì)為主要目標(biāo)，并培育研究人才。
- 引進(jìn)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研發(fā)技術(shù)及相關(guān)研發(fā)數(shù)據(jù)，并結(jié)合本校研發(fā)團(tuán)隊(duì)，可迅速?gòu)?qiáng)化技術(shù)，并將技術(shù)商品化。
- 配合實(shí)驗(yàn)室建置現(xiàn)有資源如表八所示。
|
? |
名稱 |
|
數(shù)量 |
單位 |
單價(jià) |
實(shí)驗(yàn)室名稱
購(gòu)置日期 |
|
1 |
|
|
14 |
套 |
86,000 |
電機(jī)機(jī)械
90/12/6 |
|
2 |
|
PRINTER接口控制,三種 |
1 |
套 |
29675 |
電機(jī)機(jī)械
93/4/26 |
|
3 |
SOC前段崁入式開發(fā)訓(xùn)練平臺(tái) |
PRESOCES-C S3C2410 |
1 |
套 |
60000 |
電機(jī)機(jī)械
93/12/16 |
|
4 |
數(shù)位熒光示波器 |
Tktronix TDS3012B |
1 |
組 |
120,000 |
|
|
5 |
|
LT354,500MHZ |
1 |
臺(tái) |
430,000 |
電力電子
92/7/17 |
|
6 |
電流測(cè)試棒 |
AP015,50MHZ |
2 |
支 |
100,000 |
電力電子
92/7/17 |
|
7 |
相位校正器 |
DCS015 |
1 |
臺(tái) |
10,000 |
電力電子
92/7/17 |
|
8 |
差動(dòng)測(cè)試棒 |
LDP-6110,100MHZ |
3 |
支 |
20,000 |
電力電子
92/7/17 |
|
9 |
數(shù)字電力計(jì) |
HIOKI3193,最大可擴(kuò)充 |
1 |
組 |
542,000 |
電力電子
92/11/12 |
|
10 |
主動(dòng)式電流探棒 |
TEKTRONIX TCP202/DC |
1 |
組 |
62,000 |
電力電子
92/11/12 |
|
11 |
阻抗分析儀 |
HIOKI3522-50 |
1 |
組 |
128,000 |
電力電子
92/11/13 |
|
12 |
|
|
2 |
組 |
41,200 |
電力電子
92/11/20 |
|
13 |
|
輸入電壓DC10V~16V 輸出電壓DC18~20V可調(diào) |
9 |
組 |
8,200 |
電力電子
93/6/2 |
|
14 |
|
輸入電壓DC17V~30V 輸出電壓DC10~15V可調(diào) |
9 |
組 |
8,200 |
電力電子
93/6/2 |
|
15 |
開放式電力電子裝置 |
PMS-6A,交流整流電路額定功率3HP/驅(qū)動(dòng)調(diào)變系統(tǒng) |
2 |
組 |
44,000 |
電力電子
93/7/6 |
|
16 |
數(shù)據(jù)擷取器 |
FLUKE 2640A |
1 |
臺(tái) |
190,000 |
|
|
17 |
超靜音空壓機(jī) |
110VOLT/60Hz,排氣量30公升 |
1 |
臺(tái) |
26,500 |
93/7/29 |
|
18 |
高速數(shù)字影像系統(tǒng) |
數(shù)字?jǐn)z影機(jī)*1,動(dòng)態(tài)影像擷取卡*1影像處理軟件含驅(qū)動(dòng) |
1 |
套 |
250,000 |
93/7/30 |
|
19 |
|
|
1 |
組 |
36,225 |
電子
90/12/19 |
|
20 |
網(wǎng)絡(luò)化電表量測(cè)裝置 |
|
1 |
組 |
12,075 |
電子
90/12/19 |
|
21 |
數(shù)字儲(chǔ)存示波器 |
2CH,60MHZ,含TDS2CM通 |
15 |
臺(tái) |
39,816 |
電子
91/7/9 |
|
22 |
直流伺服馬達(dá)系統(tǒng) |
|
3 |
套 |
162,000 |
自動(dòng)控制
90/11/29 |
|
23 |
|
D/A：4CH.12BITS,A/D：8 |
3 |
套 |
16,000 |
自動(dòng)控制
90/11/29 |
|
24 |
GP IB適配卡 |
NI PCI-GPIB,支援IEEE |
2 |
片 |
21,000 |
機(jī)電整合
94/06/23 |
- 配合燃料電池發(fā)電需要增購(gòu)前端與基礎(chǔ)研究的軟、硬件設(shè)施，建立前端與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室。購(gòu)置設(shè)備98年度-資本門如表九所示。
|
類別 |
設(shè)備名稱 |
數(shù)量 |
單價(jià) |
金額 |
|
資本門 |
5KW INVERTER(與市電并聯(lián)) |
1 |
200,000 |
200,000 |
Fuel St orage System儲(chǔ)氫柜/Sensor Package (防震、防水等) / Commun ication Package Modem(監(jiān)控)-純水電解 |
1 |
600,000 |
600,000 |
|
高階燃料電池分析軟件 |
1 |
300,000 |
300,000 |
|
總計(jì) |
1,100,000 |
- 98年度繼續(xù)建置且改為并聯(lián)型及純水電解而得氫燃料。
- 課程規(guī)劃 在工學(xué)群中規(guī)劃「燃料電池之基礎(chǔ)養(yǎng)成」入門系列課程（如燃料電池系統(tǒng)、電化學(xué)原理及氫能源技術(shù)）與「系統(tǒng)應(yīng)用與設(shè)計(jì)技術(shù)精進(jìn)」進(jìn)階系列課程，教授如何設(shè)計(jì)使用燃料電池膜組，更深一步進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域當(dāng)中。在設(shè)計(jì)學(xué)群與商管學(xué)群中規(guī)劃創(chuàng)新設(shè)計(jì)與優(yōu)良質(zhì)量的產(chǎn)品，顯示出本校設(shè)計(jì)的厚深實(shí)力；并可運(yùn)用***最擅長(zhǎng)的能源管理迅速導(dǎo)入有效的管理燃料電池系統(tǒng)的領(lǐng)域上，達(dá)到最優(yōu)化應(yīng)用設(shè)計(jì)。
課程規(guī)劃重點(diǎn)如下：
- 電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換。
- 燃料電池效率。
- 燃料電池結(jié)構(gòu)。
- 特性曲線之量測(cè)。
- 燃料電池效率與影響特性曲線因素之分析。
- 功率/效率比。
- 燃料電池運(yùn)作參數(shù)之關(guān)系。
- 不同電負(fù)載與負(fù)載響應(yīng)之系統(tǒng)分析。
- 燃料電池冷卻之熱能分析。
- 空氣對(duì)流之熱能分析。
- 電壓/變頻轉(zhuǎn)換。
- 系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)擷取與紀(jì)錄。
4.?? 預(yù)期成效
- 配合國(guó)家政策，建置并推廣綠色潔凈能源的使用。
- 發(fā)展氫能源與燃料電池為本校基礎(chǔ)與前端研究特色之一。
- 培養(yǎng)學(xué)生潔凈能源使用與環(huán)境保護(hù)的基本觀念，并習(xí)得畢業(yè)后即可進(jìn)入產(chǎn)業(yè)界或做前端研究基本技能。
- 建置氫能源與燃料電池實(shí)驗(yàn)室與相關(guān)軟硬件設(shè)施，有效提升本校教師研發(fā)能量。
- 運(yùn)用研發(fā)能量與產(chǎn)業(yè)界緊密結(jié)合，開發(fā)具商品化系統(tǒng)，提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力。
5.?? 參考文獻(xiàn)
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- 張一屏," 串聯(lián)式燃料電池機(jī)車動(dòng)態(tài)仿真與分析" , 2003 燃料電池研討會(huì)論文集,桃園, 第8 8-92 頁(yè)2 003.
- 張一屏," 機(jī)車用燃料電池之反向動(dòng)態(tài)仿真與分析" , 第2 4 屆電力工程研討會(huì)論文集,臺(tái)南,第297-301 頁(yè)2003.
- Jeferson et.al. ,"An Analysis of the Dynamic Performance of Proton Exchange Membrane Fuel Cells Using an Electrochemical Model. ," IEEE, pp.141-145,2001.
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- M. J. Blomen and M. N. Mugerwa ,"Fuel cell Systems," Plenumprees, New York,1993.
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