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Wednesday, March 16, 2005

燃料電池的原料來源

主題: 燃料電池的原料來源
張均傑

  燃料電池發電時最理想的利用媒介為氫氣,而氫氣在地球上的豐度雖只佔第九位,約為地球質量的0.9%。可是在宇宙中,氫是最豐富的元素,約佔所有物質質量的75%,可以說是相當高的比例。可惜不幸的是,氫在自然界中多以化合物的形式存在,我們無法直接從自然界中獲取純粹的氫氣來利用,必須想出一些轉換的方法。接著便來簡單介紹現在最常用的人工合成氫氣的方法如下:    

氫氣的生產方法可以分為兩大類,一類是由化石原料製氫,主要的製程有:

  蒸氣重組法(steam reforming):   

   蒸氣重組法目前是最有效率且最廣泛被用來製造氫氣的製程,其係利用蒸氣與低碳素的石化原料(常用的是甲烷)反應產生氫氣及二氧化碳的程序,其反應可分為以下兩個主反應其化學反應式如下:

     合成氣(Synthesis gas generation)生成反應:

     CH4 + H2O -> 3H2 + CO

     水-氣轉化反應:

     CO + H2O -> H2 + CO2

     總反應:

     CH4 + 2H2O + 熱 -> 4H2 + CO2

部分氧化法(partial oxidation):

  部分氧化法係將預熱的原料,以比化學理論劑量少的氧氣與水蒸氣,於無觸媒條件下,於燃燒器中反應,其所產生的熱可供作轉化器中蒸氣重組之用。藉由控制烴、氧及蒸氣之進料可得氫及一氧化碳含量高達96%,其中氫及一氧化碳的比率可以由操作條件來加以控制。

  其總反應式如下: 

  CnHm + n/2 O2 ---> nCO + m/2 H2


水煤氣法(coal gasification)

  製法為將蒸氣與空氣替換週期性通入炙熱之焦炭床,每數分鐘為一週期,通入空氣時燃燒焦炭以加熱至1000℃左右,通入蒸氣時即發生水煤氣反應:

   C + H2O --> CO + H2

  此法之缺點為需設廠於生產媒焦之地點附近,因而受地區之限制,若在大氣壓力下操作,氣體設備要有較大空間,若用於高壓製程時需要高昂的氣體壓縮費用。

另一類則為非化石原料製氫法,主要製程有:

水電解法(water splitting by electrolysis)

水電解法是靠直流電將水電解,於負極產生氫氣正極產生氧氣的方法。反應式如下:

   2H2O(i) --->電解-->2H2(g) + O2(g)

水光電解法(photoelectrochemical water splitting)

  水光電解法之反應式如下:

   2H2O --(光能、光觸媒)--> 2H2 + O2

  近年來由於半導體材料被不斷的開發與改良,發現部分半導體材料可以經由光照激發所產生的電子與電洞來對水進行分解的反應。

結論:

  目前燃料電池之所以還不能普及的原因之一,便為氫的來源實屬不易。上述的方法雖然已經能有效產生氫氣,但是仍有改進的空間。相信要是技術再進步,或是藉由眾人的努力能研發尋找出更好的氫氣來源,相信利用燃料電池過便利環保的生活就將不再是夢想!


參考網站:

http://idic.tier.org.tw/TFCF/name_f.htm