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2010/12/02

源領域-氫能與燃料電池技術

能源領域-氫能與燃料電池技術

 RMFC為型燃料電源供應器設計/ 射出成型複合雙極板/ 燃料電池組設計
/燃料電池發電系統/ Compact微波電漿輔助化學氣相沉積(MPECVD)設備
/利用光觸媒反應進行水分解產氫/ 非熱電漿柴油重組生產合成氣體(富氫氣體)技術
/微小型甲醇重組器技術/ 儲氫技術-儲氫材料/ 薄膜助效式重組器開發/ 移動式顆粒床高溫微粒過濾技術

Reference: http://www.itri.org.tw/chi/gel/p4.asp?RootNodeId=070&NavRootNodeId=0735&NodeId=073521&ArticleNBR=1149


■能源領域-氫能與燃料電池技術 

   RMFC為型燃料電源供應器設計/ 射出成型複合雙極板/ 燃料電池組設計
/燃料電池發電系統/ Compact微波電漿輔助化學氣相沉積(MPECVD)設備
/利用光觸媒反應進行水分解產氫/ 非熱電漿柴油重組生產合成氣體(富氫氣體)技術
/微小型甲醇重組器技術/ 儲氫技術-儲氫材料/ 薄膜助效式重組器開發/ 移動式顆粒床高溫微粒過濾技術

 

■RMFC為型燃料電源供應器設計  

可攜式燃料電池發發電系統之電力容量具有超越目前使用鋰離子電池所面臨的電力容量瓶頸,對燃料電池而言燃料攜帶便利性仍以醇類最具有可行性,其中以甲醇為燃料之改質重組顯然較有利於燃料電池低溫的要求,然而甲醇穿透高分子膜造成之問題使得DMFC面臨技術瓶頸,包括電力容量不足,壽命太短及導致系統複雜化,因此RMFC成為克服可攜式燃料電池發發電系統的明日之星,其中微型重組器開發是RMFC技術關鍵點。
重組器為使用液態燃料之燃料電池將液態燃料轉化成氫氣之重要元件,由重組器提供之氫氣可供燃料電池產生電能之用。

.聯絡人:張文振  經理
.tel:03-5918528 
.e-mail:wc_chang@itri.org.tw

 

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■射出成型複合雙極板  

Introduction
雙極板在燃料電池之作用包括:分配反應氣體至反應區域、分隔兩側之氫氣與氧氣等反應氣體、電能與熱能之傳導、以及固定薄膜電極組,因此雙極板之基本需求為導電性、氣密性、耐化學腐蝕性、耐熱性、輕量化與薄件化、高機械強度、以及低表面粗糙度。在特殊需求上必須具有良好之加工性質。雙極板除了符合上述之規格需求,更重要的必須降低其成本,包含材料成本與製程成本,而且必須有量產化之技術。具有低廉價格且性質良好之雙極板元件,將使燃料電池更具有市場競爭力。 
習知技藝之雙極板流場溝槽之機械加工費是昂貴的支出且難以量產。以射出成型技術製作之複合碳板,將可節決上述之問題。 此技術可以快速量產各種型態流道之雙極板,相關配方亦

已申請專利保護,相關技術與專利以移轉盛英股份有限公司,進行量產。

Special Features & Benefits
以射出成型技術製作之複合碳板性能符合美國能源部之規範.  這些性能包括拉伸強度,彎曲強度,導熱,導電氫氣滲透率以及腐蝕電流。

可撓性是本所複合碳板之特色,在燃料電池組裝時強大壓力下所致之變性容易使剛性之碳板碎裂,適當之可撓性可減緩其應力。

Applications
以本技術所製作之雙極板可在燃料電池200 oC 環境下操作適用於下列之燃料電池PEMFC, DMFC (direct methanol fuel cell), AFC (alkaline fuel cell),以及 PAFC (phosphoric acid fuel cell)。以本技術可製作大面積之雙極板.適用於不同功率從20W至應用於可攜式電源,定置行電源,以及移動電源。

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■燃料電池組設計  

簡介:
能源與環境研究所發展質子交換膜燃料電池(PEMFC)組之技術,目前研製成果氣冷式百瓦級至瓩級與水冷式五瓩定置型熱電共生系統之電池組(Fuel Cell Stack),電池組發展之核心技術包括:電池組水熱管理技術、電化學模擬、密封設計、電池組結構模擬分析與流體力學流道分析設計等,可應用於中小型之電力供應設備需求。

核心技術:
反應氣體流道設計、散熱流道設計、PEMFC電化學模擬、局部電流量測技術氣體、冷卻水道密封O-ring設計、電池組組裝結構設計高剛性結構與穩健性組裝設計電池組測試診斷技術與可靠度耐久性測試技術。

應用對向:
-百瓦至一瓩級電池組適用於可攜式小型電源供應系統
-五瓩級電池組適用於三至五瓩定置型重組器之熱電共生系統與純氫之緊急備用電力系統
-五瓩級電池組設計可延伸至小型個人行動車之電池組設計百瓦級以下電池組可應用於小型電子產品電力供應需求

實驗室設備:
-高穩健性組組裝機台
-大功率單電池恆溫測試系統
-大功率電流密度量測設備
-百瓦級至12瓩級之測試設備
-交流阻抗儀

實際應用案例:
-工研院五瓩定置型發電系統
-工研院一瓩可攜式電力系統
-工研院三百瓦小型電力供應系統
專利:
-高性能流道專利
-可調性之高結構強度端板專利
-模組化碳板密封專利
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■燃料電池發電系統  

Introduction
工研院目前已成功發展300W、1kW~5kW 質子交換膜燃料電池(PEMFC)發電系統,可分別應用於可攜式電力裝置、備用電力裝置、電熱共生發電機、以及分散式電力系統等需求。其中5kW系統可分別選擇使用純氫或天然氣燃料,並可同時產生電力與熱水,其電熱共生的能源轉換效率可達75%以上。

Special Features & Benefits
3~5kW系統
適用純氫或重組氣燃料
額定淨輸出電力: 0 to 5 kW (120VAC 60Hz)
電壓操作範圍 : 46 to 68 Vdc
電流操作範圍 : 0~108 Amps
1kW可攜式系統
適用純氫燃料
額定淨輸出電力: 800 W,最高1000 W (110VAC)
燃料過低保護設計

Applications

 3~5kW系統
網路交換機房、基地台、辦公或商業大樓、醫院、旅館的UPS或緊急備用電力。
小型社區或大樓分散式電力系統。
本系統應用於UPS或緊急備用電力主要是使用純氫燃料為主。
應用於定置型電熱共生系統之場合,可與燃料重組器結合,除了提供電力外,並可提供熱水,因此較適合應用於有大量熱水需求的場合,如三溫暖、醫院或飯店業者等。
1kW可攜式系統
初期市場:遊艇、醫療車、登山急難救助等,可承受高單價之用電需求。
遠期市場:普及化價格,可取代現有之小型發電機市場。

Case Examples
300W、1 kW~5kW發電系統之長時測試運轉進行中。

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■Compact微波電漿輔助化學氣相沉積(MPECVD)設備

產品介紹:
工研院累積多年在微波電漿技術研發經驗,並獲得多項研究專利所開發出之一 套以批次方式生產材料薄膜沉積的真空電漿表面處理製程設備。其原理是利用微波磁控管提供2450 MHZ電磁波將反應腔中的氣體激發解離產生電漿。由於電漿中的電子溫度高達 10000 K,有足夠的能量通過碰撞過程使氣體分子激發、分解和電離。利用此微波非熱平衡電漿便可進行各種薄膜沉積的反應製程。
經過多代設備的改良,達到具有模組化設計,設備組裝容易; 製程控制彈性化,各種參數可隨意調整; 操作容易,維修保養方便等特性。

 
 特色及優點:
˙利用微波激發電漿,能於較低溫度(500 ℃)條件下進行化學裂解或合成反應
˙可直接在大面積基材上,生長垂直整齊排列之奈米碳管
˙在稍低壓力(20~100Torr)條件下操作,成長效率高、省時、省能,容易達到大量生產

應用說明:
˙奈米碳管、鑽石膜、類鑽石膜及無機奈米管合成。
˙高分子或無機物改質與廢棄物固化、奈米碳管照明應用等。 

過去案例:
在國內有超過十家使用過本院所開發之MPECVD設備之案例,主要使用者包括研究單位、學術界及私人企業。(有工研院、成大、清華、利機公司等)

專利:
美國專利號碼US 6,908,530,B2 ;中華民國專利號碼211996

.聯絡人:楊昌中 經理
.tel:03-5915436
.e-mail:ccyang@itri.org.tw

 

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■利用光觸媒反應進行水分解產氫  

簡介:
太陽能為地球上最豐富之再生能源,其最大優點為無污染之能源,因此利用太陽能獲得氫氣,將是未來發展上極重要之技術;目前太陽能製氫法主要分成四種:(1)太陽能電池結合水電解法(2)直接光催化將水解產氫法(3)生物光化學法製氫法(4)太陽熱能分解產氫法等四種。  
                                    

光觸媒材料開發:                                 
目前本研究著重於直接光催化將水解產氫法之發展,所採用材料為多成分硫系列與氧系列之可見光光觸媒,其製程方式可分為化學沉積法與電漿法;目前所製備之ZnS/AgInS2/AgIn5S8光觸媒反應板面積可達600 cm2,在施加偏壓 2V下,光電流達7.6 mA/cm2 (AM 1.5) ,換算成產氫效能約為34.8 L/m2-hr,活性時間測試 可達300 小時。


光反應器之開發:
為使光觸媒技術在能源領域有極大之突破,使得太陽能具有新的應用面,光反應器之設計技術研究也是發展重點項目;因此本研究藉由聚光型反應器設計,搭配高效能半導體薄膜,以提高光觸媒活性、強化光能收集與反應效率。

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■非熱電漿柴油重組生產合成氣體(富氫氣體)技術 

電漿重組反應: 
電漿重組器是一種氣體放電裝置,透過氧化性氣體作為電漿氣,主要形成部份解離之常壓非熱電漿,高導熱導電性能以及富含離子、電子、自由基可使混合良好的液體或氣體燃料充分加速反應產生以氫氣與一氧化碳為主的合成氣體。反應器的設計具有低成本、簡單、小巧、反應啟動快速、適合多種燃料以及無須使用觸媒的優點。

2005 工研院開始發展新式的渦旋式低功率常壓電漿重組反應器,以雙同心圓柱體作為電極,並以高頻(20kHz~50kHz)高壓(8kV~15kV)的直流或交流電源連接電極進行常壓電漿激發,低功率。
電源僅需180~500W之間便可操作。工研院能環所已利用新開發的電漿反應器進行部份氧化重組、蒸汽重組與熱整合式重組來針對多種燃料進行產氫驗證(高烷類石化或生質燃料如(生質)柴油、低烷類如酒精、甲、乙、丙烷等)。
其中 低碳鏈類料幾乎是完全反應轉化率>99%。而高碳鏈類的柴油油品也有70%的轉化效果。 

特色與優勢:

採用新式專利設計“一體型多點式二流體霧化器電極”使反應器處理液體燃料時,有高效的霧化能力,均勻分配到電漿能量,伴隨高穩定性電漿的重合分布,促使反應避開燃燒與熱烈解反應路徑而遵從部份氧化反應化學當量比進行高效轉化。 
同時,熱整合設計回收“部份氧化反應”所產生700 ℃以下的廢熱,用以產生蒸汽 還可促使蒸汽重組反應同步發生,達能源效率提升的功效。

應用:
1.本系統是理想的油、氣燃料重組反應器; 一般工業有毒廢液或廢氣也可以處理。
2.電漿反應器的體積可以小到0.5L 的體積大小,可用為氫氣助效內燃機使用,例如電漿機車的在台氫氣製造。

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■微小型甲醇重組器技術  

由於燃料電池具高效率、低污染、可靠度高、燃料更換容易等優點,且燃料電池利用可取自再生能源之甲醇為燃料。因此,燃料電池是重要的「綠色能源科技」之一,為極具發展潛力的永續性替代能源。
使用甲醇做為燃料電池之液態燃料(其他可用之液態燃料如乙醇、天然氣、碳氫化合物等),有如下之優點:
-料源充足
-液相操作

-儲存容易                                                                           -攜帶方便可應用於3C產品
-價格不高   
重組器為使用液態燃料之燃料電池將液態燃料轉化成氫氣之重要元件,由重組器提供之氫氣可供燃料電池產生電能之用。
 
甲醇蒸汽重組反應機制:
1.甲醇蒸汽重組
CH3OH + H2O ? 3H2 + CO2  ΔH= 49.5  kJ/mole 2.甲醇自身分解反應
CH3OH ? 2H2 + CO  ΔH= 90.7  kJ/mole 3.水汽的轉移反應
CO + H2O ? H2 + CO2  ΔH= -41.2  kJ/mole
關鍵技術:
-微小型甲醇重組器設計
-甲醇蒸汽重組反應機制探討
-微流道觸媒塗佈與檢測分析
-微小型重組器最佳操作參數
-微型重組器氣密技術
技術指標:
-甲醇轉化率 ≧ 95%
-H2濃度 ≧ 70%
-CO濃度 < 100ppm
-產氫流量  >  420 ml/min. 
-重組器尺寸 <  100cm3

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