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

燃料電池技術

題目： 何謂燃料電池？這種新興的能源有何好處？
張均傑

　　邁入二十一世紀，在環保意識的抬頭，以及體認到現在最泛用的石油能源並非取之不盡、用之不竭的雙重影響下，新能源的開發，已經成為當前一個十分熱門的話題。而這一次上課也介紹了許多新興能源的利用，其中最令我感到興趣的，莫過於燃料電池這種技術了。

　　燃料電池（Fuel Cell），顧名思義是持續添加燃料的一種發電裝置，但不像一般非充電電池一樣用完就丟棄，也不像充電電池一樣，用完須充電後才能再使用，燃料電池所需的燃料主要是「氫」，持續添加燃料的情況下，便能穩定持續的供給電源。

　　使用以氫作為燃料的燃料電池擁有相當相當多的好處。其一便是能避開現在主要供電系統一個最讓人詬病的問題～造成環保的污染。這是因為氫燃料電池是直接利用氫及氧的化學反應，產生電及水，過程中不會產生其他污染物，是一種相當乾淨的能源模式。另外，利用燃料電池作為電力來源還能打破以往傳統集中供電的模式，達成能源來源分散的良好目的。如此一來，一方面能夠大幅的減少大型電力送電系統一定會有的送電損失，也能降低大型電力集中之風險，例如戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓。而且，中小型的分散式電力系統將可靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化。

　　在前述的小型分散式電力系統還更能附加許多好處，在傳統的火力或核能發電中，其實當中的熱損失是十分大的。相較之下燃料電池除了發電外，最寶貴的是它產生的熱能可以直接回收做熱水、熱泵利用，同時解決對電、熱的需求，使得整體利用效率可達80%，可以說是充分的利用了每一分的能源。

　　燃料電池的優點還不只前述這些，此外因為它發出的電是高品質的直流電，在資訊與控制科技發達的世界裡，可以不經交直流轉換直接使用，因此相當適合在3C產品、家電產品、甚至汽車上的應用，對世界經濟效益的潛在影響重大深遠。因此燃料電池技術的研究跟開發是相當值得我們注重且投入心力的。

http://www.digitimes.com.tw/n/article.asp?id=6B11868F9CDAB63248256F8E0049162F