|
1.??? 背景及現況
A.?? 背景 綠色能源推廣目標：2010年占總能源3%~5%，或發電裝置容量為500萬瓩約10%。具體作法包括：推廣酒精汽油發展利用及廢棄物衍生燃料發電應用，持續規劃推動風力發電系統設置，加強太陽 光電發電示范系統補助，訂定氫能源及燃料電池、海洋能發電及地熱發電等計劃，并積極推動。 其中有關氫能源及燃料電池部分，根據行政院函立法院審議中之電業法修正草案，政府正在大力推展分布式及潔凈發電技術的研發及應用，目的是希望將發電系統分散建置于全國各地之使用端，有別于現有大型集中之火力發電或核能發電模式，從小型分布式 電力系統的普遍建置，來克服大型電力開發的不足，由能源效率提升及潔凈能源的使用，來解決環?？範巻栴}；并藉由分布式小型發電，減少電力傳輸損失及提供高質量、高可靠度的電力，而利用氫能源作為原料的燃料電池發電技術的應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。 未來氫能源時代來臨時，燃料電池將是最關鍵且最重要的技術，它具備高效率及低污染等優點，應用于發電系統，可裝設在需要電力的地方如家庭、學校、大樓、醫院、工廠等。燃料電池除了發電外，最寶貴的是它產生的熱能可以回收利用，使得系統總熱效率可高達80%，與傳統電力相比較，能源效率高一倍以上。燃料電池并具有多元化能源的優勢，可結合生質能、太陽能、風能等發電技術，將能源使用多元化、可再生及永續使用。 B.?? 現況 2001年開始，經濟部能源委員會委托工研院能源與資源研究所執行分布式燃料電池的發電系統及現場發電技術研發，進行質子交換膜燃料電池發電系統與關鍵組件技術開發，自90-93年度三年半的時間，已完成定置型3瓩級雛型燃料電池發電系統、1瓩級可攜式燃料電池發 電機及多項關鍵組件技術開發。真敏國際股份有限 公司已成功開發出『 PFC1000』，此為1kW純氫質子交換膜燃料電池發電機組，具備直流轉交流、數字 控制系統及計算機遠程監控等功能[3]。亞太燃料電池科技股份有限公司則研發出全球第一輛 商品化的燃料電池機車，是由***研發生產，命名為ZES的亞太燃料電池機車最快可以在二OO七年上市。 目前燃料電池預估產值，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，尤其以現場定置型與可攜式發電系統會較早量產。韓國政府并將燃料電池的研發列為重點扶持的產業，發展汽車用80瓩燃料電池發電機。日本則是發展定置型發電系統最快的國家，多家日本公司發布消息在兩三年內推出家用定置型商品，發電容量約在1瓩左右，并將燃料電池的廢熱回收用以加熱冷水，供應家庭洗滌用途。放眼未來，燃料電池將帶來龐大的商機，在全球市場的競爭下，加速建立我國燃料電池技術能力并爭取國際分工角色，更是當前重要目標。 為配合國家科技產業整體發展，并有效運用研究經費，其研究的內容，多以下列之項目為研究范疇：電池和系統性能提升、電池堆組裝技術、電池系統應用、電池設計最佳化、電池性能測試技術、高性能質子交換膜、觸媒、雙極板、電極（碳布、碳紙）、電解質材料研發與制作、材料微觀之表面界面分析、 檢測技術、氫之生產與儲存技術、微奈米技術應用于電池組件、分子 仿真、流場、電場、熱流仿真、電池 供電系統整合和交直流配電技術、以及電池可靠度、穩定度及加速實驗研究等議題。 2.?? 計劃目標
- 規劃發展氫能源與燃料電池為本校教學與研究特色之一。
- 培養學生綠色能源的環境保護觀念，厚植發展氫能源與燃料電池之扎根工作。
- 前端與基礎研究：有效整合本校教師研發能量與實務應用的能力，深入探討氫能源與燃料電池尖端技術之諸多學理與實務，增進研究論文質量，厚植本校研究水平。
- 促進產學合作：透過本計劃所建立之研發團隊，并期待日后能與國內產業界合作，提供業界系統化研究資源，使得諸多創意能發芽并反應成為成品，期獲得專利，提升國內未來之競爭力。
3.?? 具體內容及配套措施
1.? 燃料電池的發電概念 在多孔質的正負電極之間布滿電解質(ex 食鹽的水溶液)，正極上所供應的是空氣(氧氣)、負極則是氫氣。在燃料電池之中，電解質是被作為 電子的Fil ter 來使用。電解質雖然可讓氫離子通過，但是電子卻無法通過，因此，遂在正負極之間設置讓電子通過的旁信道(Bypass)，而如果在中途設置Inverter（ DC/→ AC）的話，則可以獲取交流電力，當然，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極與正極進入。
- 負極板將氫分子電離為兩個電子及兩個質子。
- 質子經由電解液在電池中移動。
- 特制的電解液本身并不產生電子，電子是經由負極板生成并經外部電路完成循環。
- 整個電池的機構維持了電位差以促使質子的流動，而經由外部電路流動的電子產生了電流以帶動馬達。
- 電子將兩個質子及一個氧原子結合成為水。
2.?? 燃料電池種類 在近半世紀的發展中，燃料電池出現了多種形式，除了早期的堿性燃料電池（AFC）外，尚有已在測試中的磷酸燃料電池（PAFC），正在發展中的質子交換膜燃料電池（PEMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固態氧化物燃料電池（SOFC），和近來倍受矚目的直接進料甲醇燃料電池（DMFC）等，表七為各種然電池之種類及用途表。
|
種類 |
堿性(APC) |
質子交換膜(PEMFC) |
磷酸(PAFC) |
熔融碳酸鹽(MCFC) |
固態氧化物(SOFC) |
|
電解質 |
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℃ |
|
發電效率 |
45~60% |
40~60% |
40~50% |
45~60% |
50~60% |
|
主要用途 |
太空、運輸 |
太空、運輸、攜帶動力 |
汽電共生、分散型電廠、運輸 |
汽電共生、分散型電廠、運輸 |
汽電共生、分散型電廠、運輸 |
|
技術現況 |
80kW |
250 kW |
11 kW |
2 kW |
100 kW |
- 質子交換膜燃料電池 質子交換膜燃料電池又可稱為高分子電解質燃料電池或固態高分子電解質燃料電池。由質子交換膜、陰極和陽極所組成的組件稱之為膜電極組體，質子交換膜為一傳導質子（H+）的高分子膜。陰極和陽極材料皆以鉑為主要觸媒，將鉑分布在具導電性與高表面積的碳黑載體上。質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 以質子交換膜燃料電池為基礎，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展的主流，以取代現有鋰離子、鎳鎘與鎳氫電池等二次電池為目標。除輕、薄、短、小外，直接甲醇燃料電池更具有供電及待機時間長、能量密度高與無污染等優勢。
- 固態氧化物燃料電池 固態氧化物燃料電池的基本組件與前兩種電池相似，但因采用固態電解質的材料，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，技術上并不容易。可是這型電池的能源轉換電能的效率最高。
- 設施規劃
- 整合本?，F有系所師資與軟硬件設備，作為加強研究深度，整合研究團隊為主要目標，并培育研究人才。
- 引進國內外現有研發技術及相關研發數據，并結合本校研發團隊，可迅速強化技術，并將技術商品化。
- 配合實驗室建置現有資源如表八所示。
|
? |
名稱 |
|
數量 |
單位 |
單價 |
實驗室名稱
購置日期 |
|
1 |
|
|
14 |
套 |
86,000 |
電機機械
90/12/6 |
|
2 |
|
PRINTER接口控制,三種 |
1 |
套 |
29675 |
電機機械
93/4/26 |
|
3 |
SOC前段崁入式開發訓練平臺 |
PRESOCES-C S3C2410 |
1 |
套 |
60000 |
電機機械
93/12/16 |
|
4 |
數位熒光示波器 |
Tktronix TDS3012B |
1 |
組 |
120,000 |
|
|
5 |
|
LT354,500MHZ |
1 |
臺 |
430,000 |
電力電子
92/7/17 |
|
6 |
電流測試棒 |
AP015,50MHZ |
2 |
支 |
100,000 |
電力電子
92/7/17 |
|
7 |
相位校正器 |
DCS015 |
1 |
臺 |
10,000 |
電力電子
92/7/17 |
|
8 |
差動測試棒 |
LDP-6110,100MHZ |
3 |
支 |
20,000 |
電力電子
92/7/17 |
|
9 |
數字電力計 |
HIOKI3193,最大可擴充 |
1 |
組 |
542,000 |
電力電子
92/11/12 |
|
10 |
主動式電流探棒 |
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 |
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 |
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/驅動調變系統 |
2 |
組 |
44,000 |
電力電子
93/7/6 |
|
16 |
數據擷取器 |
FLUKE 2640A |
1 |
臺 |
190,000 |
|
|
17 |
超靜音空壓機 |
110VOLT/60Hz,排氣量30公升 |
1 |
臺 |
26,500 |
93/7/29 |
|
18 |
高速數字影像系統 |
數字攝影機*1,動態影像擷取卡*1影像處理軟件含驅動 |
1 |
套 |
250,000 |
93/7/30 |
|
19 |
|
|
1 |
組 |
36,225 |
電子
90/12/19 |
|
20 |
網絡化電表量測裝置 |
|
1 |
組 |
12,075 |
電子
90/12/19 |
|
21 |
數字儲存示波器 |
2CH,60MHZ,含TDS2CM通 |
15 |
臺 |
39,816 |
電子
91/7/9 |
|
22 |
直流伺服馬達系統 |
|
3 |
套 |
162,000 |
自動控制
90/11/29 |
|
23 |
|
D/A：4CH.12BITS,A/D：8 |
3 |
套 |
16,000 |
自動控制
90/11/29 |
|
24 |
GP IB適配卡 |
NI PCI-GPIB,支援IEEE |
2 |
片 |
21,000 |
機電整合
94/06/23 |
- 配合燃料電池發電需要增購前端與基礎研究的軟、硬件設施，建立前端與基礎實驗室。購置設備98年度-資本門如表九所示。
|
類別 |
設備名稱 |
數量 |
單價 |
金額 |
|
資本門 |
5KW INVERTER(與市電并聯) |
1 |
200,000 |
200,000 |
Fuel St orage System儲氫柜/Sensor Package (防震、防水等) / Commun ication Package Modem(監控)-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 |
1,100,000 |
- 98年度繼續建置且改為并聯型及純水電解而得氫燃料。
- 課程規劃 在工學群中規劃「燃料電池之基礎養成」入門系列課程（如燃料電池系統、電化學原理及氫能源技術）與「系統應用與設計技術精進」進階系列課程，教授如何設計使用燃料電池膜組，更深一步進入到實際應用的領域當中。在設計學群與商管學群中規劃創新設計與優良質量的產品，顯示出本校設計的厚深實力；并可運用***最擅長的能源管理迅速導入有效的管理燃料電池系統的領域上，達到最優化應用設計。
課程規劃重點如下：
- 電化學能量轉換。
- 燃料電池效率。
- 燃料電池結構。
- 特性曲線之量測。
- 燃料電池效率與影響特性曲線因素之分析。
- 功率/效率比。
- 燃料電池運作參數之關系。
- 不同電負載與負載響應之系統分析。
- 燃料電池冷卻之熱能分析。
- 空氣對流之熱能分析。
- 電壓/變頻轉換。
- 系統參數數據擷取與紀錄。
4.?? 預期成效
- 配合國家政策，建置并推廣綠色潔凈能源的使用。
- 發展氫能源與燃料電池為本?；A與前端研究特色之一。
- 培養學生潔凈能源使用與環境保護的基本觀念，并習得畢業后即可進入產業界或做前端研究基本技能。
- 建置氫能源與燃料電池實驗室與相關軟硬件設施，有效提升本校教師研發能量。
- 運用研發能量與產業界緊密結合，開發具商品化系統，提升國家競爭力。
5.?? 參考文獻
- 中華民國九十四年能源政策白皮書，經濟部能源局
- 張一屏," 串聯式燃料電池機車動態仿真與分析" , 2003 燃料電池研討會論文集,桃園, 第8 8-92 頁2 003.
- 張一屏," 機車用燃料電池之反向動態仿真與分析" , 第2 4 屆電力工程研討會論文集,臺南,第297-301 頁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.
- Jeferson et. al.,"Simulation of Fuel-Cell Stacks Using a Computer-Controlled Power Rectifier With the Purposes of Actual High-Power Injection Applications," IEEE, pp.1136-1142, 2003.
- "Matlab-Fuzzy Toolbox," Use r Manual, MathWork Inc.,2002.
- W. G. Colella,"Market prospects, design features, and performance of a fuel cell-powered scooter,"Journal of Power Sources,2000
- C. Tso and S. Y. Chang ,"A viable niche market-fuel cell scooters in Taiwan,"International Journal of Hydrogen,2003
- M. J. Blomen and M. N. Mugerwa ,"Fuel cell Systems," Plenumprees, New York,1993.
- M. T Iqbal ,"Simulation of a small wind fuel cell hybrid energy system," Renewable Energy, Vol: 28, Issue: 4,pp. 511-522, April, 2003.
- R. F. Mann , J. C. Amphlett , M. A. Hooper, H. M. Jensen, B. A. Peppley and P. R. Roberge,"Development and application of a generalised steady-state electrochemical model for a PEM fuel cell," Journal of Power Sources ,Vol: 86, Issue: 1-2, March, 2000.
- Alexandru Forrai, Hirohito Funato, Yukihiro Yanagita, and Yoshitsugu Kato, "Fuel-Cell Parameter Estimation and Diagnostics,"IEEE Transactions On Energy Conversion, Vol.20, No.3, September 2005.
- Frano Barbir, "PEM Fuel Cells：Theory and Practice," Amsterdam Boston Heidelberg London New York Oxford Paris San Diego San Francisco Singapore Sydney Tokyo, Vol.1-3, No. 1-71, 2005.
- S. Sato, S. Moisseev, and M. Nakaoka, "Reversed-output current -assisted ZVS phase-shift PWM DC-DC power converter using synchronous rectifier," IEE Proceedings on Electric Power Applications, Vol. 152, No. 2, pp. 423 - 428, 2005.
- R. J. Wai and R. Y. Duan, "High-efficiency power conversion for low power fuel cell generation system," IEEE Trans. Power Electronics, vol. 20, no. 4, pp. 847-856, July 2005.
- S. Kim, S. Shimpalee, and J. W. Van Zee, "The effect of stoichiometry on dynamic behavior of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) during load changes," Journal of Power Sources, Vol. 135, No. 1-2, September 2004, pp.110-121.
- M. Krcum, A. Gudelj and Z. Juric, "Fuel cells for marine application," Proceedings of the 46th International Symposium on Electronics in Marine, 16-18 June 2004, pp.491-495.
- Kaushik Rajashekara, "Hybrid Fuel-Cell Strategies for CleanPower Generation," IEEE transactios on applicatons , VOL. 41, NO. 3, MAY/JUNE 2005.
- Haiping Xu, Li Kong, and Xuhui Wen, "Fuel Cell Power System," IEEE transactios on power electronics , VOL. 19 , NO. 5 , SEPTEMBER 2004.
- E. Koutroulis and K. Kalaitzakis, "Novel battery charging regulation system for photovoltaic applications," IEE Proceedings Electric Power Applications, Vol.151, No.2, Mar. 2004, pp.191-197.
- Il-Kyu Hwang and Jin-Wook Baek, "Wireless Access Monitoring and Control System based on Digital Door Lock," IEEE Trans. On Consumer Electronics, Vol. 53, No. 4, Nov. 2007. pp 1724-1730.
- Haimin Tao; Kotsopoulos, A.; Duarte, J.L.; Hendrix, M.A.M, "Transformer-Coupled Multiport ZVS Bidirectional DC-DC Converter With Wide Input Range," IEEE Trans. Power Ibat(10A/div) Electronics., vol. 23, no. 2, pp. 771-781, Mar. 2008.
|
