第十五章最有潛力的新動(dòng)力能源燃料電池LivingbetterbyChemistry課件

生活化學(xué)第十五章最有潛力的新動(dòng)力能源─燃料電池LivingbetterbyChemistry1生活化學(xué)第十五章最有潛力的新動(dòng)力能源─燃料電池Living15-1能源的運(yùn)用人類文化的提升和進(jìn)步常依賴所使用的能量或動(dòng)力。因?yàn)閯?dòng)力意味著灌溉、開墾、耕作和收獲。動(dòng)力意味熱、光、電、機(jī)械和運(yùn)輸。所有這些動(dòng)力也意味著原料、食物和工廠。它們比任何別的東西更能影響富裕和貧困、戰(zhàn)爭(zhēng)或和平之間的平衡。215-1能源的運(yùn)用人類文化的提升和進(jìn)步常依賴所使用的能量或動(dòng)能源的運(yùn)用(2)二次大戰(zhàn)之後，地球上人口穩(wěn)步增加，對(duì)能量的需求迅速增長(zhǎng)。萬(wàn)一沒(méi)有暖氣、食物短缺，千千萬(wàn)萬(wàn)的人將會(huì)餓死，整個(gè)工業(yè)文明注定崩潰。在原子能還未運(yùn)用之前，我們幾乎完全依賴煤、石油和天然氣提供能量。到底煤和石油以及天然氣的前景如何？原子能的前景又如何？是不是還有什麼其他可靠的能源？以下為人類目前所運(yùn)用的主要發(fā)電方法：3能源的運(yùn)用(2)二次大戰(zhàn)之後，地球上人口穩(wěn)步增加，對(duì)能量的火力發(fā)電鍋爐裡的水被熱源燒成蒸汽後，送至汽輪機(jī)再推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；使用過(guò)的蒸汽則送至冷凝器，由海水將其冷卻成水，再送至鍋爐重複使用。其中使為熱源的物質(zhì)包括了煤、油及天然氣等。4火力發(fā)電鍋爐裡的水被熱源燒成蒸汽後，送至汽輪機(jī)再推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)圖15-1 火力發(fā)電運(yùn)作原理5圖15-1 火力發(fā)電運(yùn)作原理5煤─工業(yè)革命的動(dòng)力(1)煤是由4億到1百萬(wàn)年前的植物所形成。植物死後沉積到地下，經(jīng)長(zhǎng)期的壓力而碳化。從形成的時(shí)間和含碳的多寡，煤可分為4類：(1)泥煤；(2)褐煤；(3)煤以及(4)焦煤。煤的產(chǎn)量最豐，熱產(chǎn)值也最大。6煤─工業(yè)革命的動(dòng)力(1)煤是由4億到1百萬(wàn)年前的植物所形成煤─工業(yè)革命的動(dòng)力(2)煤主要用來(lái)發(fā)電，其優(yōu)點(diǎn)是熱值高、價(jià)格便宜，但是也有燃燒後產(chǎn)生嚴(yán)重污染的頭痛問(wèn)題。大部分的煤含有硫，燃燒後產(chǎn)生的二氧化硫轉(zhuǎn)化成亞硫酸，造成酸雨。此外，大量燃燒煤會(huì)排放大量的二氧化碳，使地球的溫室效應(yīng)升高。1997年底的京都?xì)夂蚬s，各已開發(fā)工業(yè)國(guó)議定在2000年，將各國(guó)的二氧化碳排放量抑制在1990年的排放水準(zhǔn)。7煤─工業(yè)革命的動(dòng)力(2)煤主要用來(lái)發(fā)電，其優(yōu)點(diǎn)是熱值高、價(jià)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電是直接利用風(fēng)力推動(dòng)發(fā)電機(jī)中的導(dǎo)線線圈來(lái)發(fā)電，其最大特色即為荷蘭的標(biāo)記─風(fēng)車。臺(tái)灣澎湖的七美也有座風(fēng)力發(fā)電廠，其發(fā)電量約比核四廠小了一百萬(wàn)倍，可知欲發(fā)展這種電廠也需有大量的土地，而穩(wěn)定且強(qiáng)勁的風(fēng)力也是不可或缺的條件。8風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電是直接利用風(fēng)力推動(dòng)發(fā)電機(jī)中的導(dǎo)線線圈來(lái)發(fā)電，石油和天然氣石油和天然氣也是千萬(wàn)年前的生物沉積在地下而形成的。石油和天然氣的儲(chǔ)存量有限，而且石油可以提煉出各種工業(yè)產(chǎn)品和生活必需品，從資源利用的角度來(lái)看，拿來(lái)發(fā)電是極度浪費(fèi)之舉。石油和天然氣雖是優(yōu)良的能源，可惜地球的儲(chǔ)存量有限，以現(xiàn)在的速度消耗，大約再50年就已枯竭了。9石油和天然氣石油和天然氣也是千萬(wàn)年前的生物沉積在地下而形成的太陽(yáng)能(1)在新興的能源中，除了核能之外，或許太陽(yáng)能是最有潛力的能源。太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)是乾淨(jìng)，來(lái)源無(wú)匱。但是太陽(yáng)能的能量密度太低，每平方公尺的輻射能約1,400瓦，如果考慮天候和日夜的差別，太陽(yáng)能每平方公尺的輻射能只剩不到300瓦。10太陽(yáng)能(1)在新興的能源中，除了核能之外，或許太陽(yáng)能是最有太陽(yáng)能(2)而目前太陽(yáng)能集電板的效率約為12%，你可以算要用多少土地面積才能收集足夠的太陽(yáng)能，供應(yīng)臺(tái)灣目前的電力需要。即使不考慮土地面積的成本，利用太陽(yáng)能集電板的電力成本，一度電至少也要新臺(tái)幣10元。這個(gè)成本是核能電力的15倍，燃煤電力的10倍，燃油電力的7倍，天然氣發(fā)電的6倍。此外，儲(chǔ)存白天所收集到的太陽(yáng)能也需要電池，大量使用太陽(yáng)能也會(huì)引起環(huán)境的問(wèn)題。11太陽(yáng)能(2)而目前太陽(yáng)能集電板的效率約為12%，你可以算要核能(2)核能是二次世界大戰(zhàn)以後的新興能源。核能的優(yōu)點(diǎn)是安全、乾淨(jìng)、價(jià)格便宜，不排放溫室氣體。但是興建核能電廠所需資金龐大，核分裂後的高放射性燃料束需要特別的處理。12核能(2)核能是二次世界大戰(zhàn)以後的新興能源。核能的優(yōu)點(diǎn)是安核能(2)根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，1998年止，全球共有32個(gè)核電國(guó)家，480部核能機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)中，另外亦有48部正在興建中。32個(gè)核電國(guó)家中，有13個(gè)國(guó)家的核能電力超過(guò)全國(guó)電力供應(yīng)的30%以上，其中最高的前五位分別為立陶宛(76%)、法國(guó)(75%)、比利時(shí)(56%)、瑞典(51%)及斯洛伐克(49%)。目前核能電力大約占全世界總發(fā)電量的百分之十七。13核能(2)根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，1998年止，全球共有32個(gè)核電國(guó)15-2燃料電池的發(fā)展燃料電池的歷史可以追朔到1839年，由英國(guó)法官威廉葛洛夫(WilliamGrove)在一項(xiàng)業(yè)餘的實(shí)驗(yàn)中神奇的發(fā)現(xiàn)燃料電池的發(fā)電原理；但當(dāng)時(shí)因?yàn)殡姌O材料問(wèn)題，使這項(xiàng)發(fā)明未受重視。1415-2燃料電池的發(fā)展燃料電池的歷史可以追朔到1839年，由燃料電池的發(fā)展(2)直到1959年由另一位英國(guó)法蘭西斯培根(FrancisT.Bacon)製作出一個(gè)5kW的燃料電池組，能夠推動(dòng)電銲機(jī)、電鋸及堆高機(jī)，使這項(xiàng)技術(shù)得以走出實(shí)驗(yàn)室，其後使用氫氣為燃料的鹼性燃料電池(AFC)更成功的應(yīng)用在太空科技上，成為太空梭的電力供應(yīng)系統(tǒng)，因?yàn)槿剂想姵氐母碑a(chǎn)物的純淨(jìng)的水，故也成為太空人飲水用的維生系統(tǒng)。15燃料電池的發(fā)展(2)直到1959年由另一位英國(guó)法蘭西斯培根燃料電池的發(fā)展(3)由於燃料電池(FuelCell)的技術(shù)創(chuàng)新突破，再加上環(huán)保問(wèn)題、能源不足等多重壓力下，國(guó)際間政府、交通、電力、能源產(chǎn)業(yè)等單位，漸漸重視燃料電池科技發(fā)展，而國(guó)內(nèi)也處?kù)断嗤闆r。另外，國(guó)內(nèi)將FuelCell譯為「燃料電池」，但其實(shí)它並非電池，而是經(jīng)由電化學(xué)反應(yīng)之發(fā)電機(jī)，譯為「環(huán)保發(fā)電機(jī)」似乎較為妥適。16燃料電池的發(fā)展(3)由於燃料電池(FuelCell)的技燃料電池的發(fā)展(4)燃料電池為一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的媒介，只要燃料持續(xù)供應(yīng)，無(wú)需燃燒，電力就能夠持續(xù)輸出，而燃料通常為氫氣與氧氣（空氣），其產(chǎn)物為水，無(wú)環(huán)境污染之虞。除此之外，藉著控制燃料電池組(FuelCellStack)之?dāng)?shù)量，小至3C產(chǎn)品，大至社區(qū)或大型發(fā)電廠，可應(yīng)用於各種不同之系統(tǒng)。17燃料電池的發(fā)展(4)燃料電池為一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的燃料電池的發(fā)展(5)部分種類之燃料電池亦可應(yīng)用於交通工具上，更可大量降低目以汽油為主要燃料之汽機(jī)車排放之廢氣，改善環(huán)境，提高生活品質(zhì)?？芍苯佑苫瘜W(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，並非如一般將燃料由化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能後，再利用熱機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，最後轉(zhuǎn)換成電能，所以並不受卡諾循環(huán)(CarnotCycle)的限制，所以其效率可大幅提昇。18燃料電池的發(fā)展(5)部分種類之燃料電池亦可應(yīng)用於交通工具上燃料電池的發(fā)展(6)燃料電池是二十一世紀(jì)最重要之能源科技之一，為極有潛力的替代能源及可攜式電子產(chǎn)品用的小型電池。工研院工業(yè)材料研究所結(jié)合國(guó)內(nèi)國(guó)科會(huì)、中研院、同步輻射、能源會(huì)等研發(fā)團(tuán)隊(duì)，投入微小型攜帶式燃料電池關(guān)鍵材料的開發(fā)，以既有電池材料技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合最新的奈米材料技術(shù)，以及積極建立國(guó)際合作關(guān)係，如美國(guó)杜邦公司及國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)等，目標(biāo)為開發(fā)可供小型電子產(chǎn)品用的微小型燃料電池。以大哥大為例，目標(biāo)是待機(jī)時(shí)間50~100天，只要數(shù)秒鐘即可完成燃料補(bǔ)充。19燃料電池的發(fā)展(6)燃料電池是二十一世紀(jì)最重要之能源科技之燃料電池的發(fā)展(7)不過(guò)氫氣具有爆炸的危險(xiǎn)性，氫燃料電池是否也具有高度的危險(xiǎn)性？氫氣並未像一般人所想的危險(xiǎn)，而且氫氣很便宜，氫燃料電池又零污染，所以極具研發(fā)價(jià)值。20燃料電池的發(fā)展(7)不過(guò)氫氣具有爆炸的危險(xiǎn)性，氫燃料電池是15-3燃料電池之基本原理燃料電池是藉由電池內(nèi)發(fā)生燃料燃燒反應(yīng)而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，負(fù)極除作為燃料與電解質(zhì)的共同介面，並對(duì)燃料的氧化反應(yīng)作催化；而正極則為氧氣與電解質(zhì)的共同介面，亦對(duì)氧的還原作催化。2115-3燃料電池之基本原理燃料電池是藉由電池內(nèi)發(fā)生燃料燃燒反圖15-2燃料電池反應(yīng)示意圖22圖15-2燃料電池反應(yīng)示意圖2215-3燃料電池的基本構(gòu)造固體高分子型燃料電池(PolymerElectrolyteFuelCell,PEFC)的構(gòu)造模型。將燃料（氫氣）和空氣中的氧氣以塗佈在電解質(zhì)高分子膜的兩側(cè)於電極間之觸媒加以電離，以空氣電極使其反應(yīng)發(fā)電的電池。高分子膜是讓氫離子通過(guò)的功能，燃料電池因反應(yīng)而生成的東西只有水，所以沒(méi)有公害。2315-3燃料電池的基本構(gòu)造固體高分子型燃料電池(Polyme燃料電池之特性(1)氫，一種無(wú)色，無(wú)臭、無(wú)味、無(wú)毒的可燃性氣體物質(zhì)，最簡(jiǎn)單的化學(xué)元素。氫原子含有一個(gè)帶一單位正電荷的質(zhì)子構(gòu)成的核和一個(gè)帶一單位負(fù)電荷並與這個(gè)核相聯(lián)繫的電子。氫原子很活潑，可以彼此結(jié)合成對(duì)，形成分子式為H2的雙原子氫分子。24燃料電池之特性(1)氫，一種無(wú)色，無(wú)臭、無(wú)味、無(wú)毒的可燃性燃料電池之特性(2)雖然氫在地球上的豐度只佔(zhàn)第九位，約為地球質(zhì)量的0.9%?？墒窃谟钪嬷校瑲涫亲钬S富的元素，約佔(zhàn)所有物質(zhì)質(zhì)量的75%。氫與碳及其他元素形成化合物存在於所有動(dòng)植物中。石油和煤中也含有氫。氫約佔(zhàn)水質(zhì)量的11%。氫氣與氧氣燃燒可產(chǎn)生約2600℃高溫，用電弧或加熱鵭絲將氫分子解離為氫原子，然後使這些原子重新化合時(shí)甚至可以產(chǎn)生3400℃以上的高溫。25燃料電池之特性(2)雖然氫在地球上的豐度只佔(zhàn)第九位，約為地燃料電池之特性(3)若以原料的來(lái)源來(lái)區(qū)別，氫氣的生產(chǎn)方式可以分兩大類：由化石原料製氫，主要商業(yè)化的製程有蒸氣重組法(SteamReforming)；部分氧化法(PartialOxidation)；水煤氣法(CoalGasification)等……。26燃料電池之特性(3)若以原料的來(lái)源來(lái)區(qū)別，氫氣的生產(chǎn)方式可燃料電池之特性(4)非化石原料製氫法，主要製程有水電解法(WaterSplittingByElectrolysis)；水光電解法(PhotoelectrochemicalWaterSplitting)；實(shí)驗(yàn)室中少量製氫法等……。27燃料電池之特性(4)非化石原料製氫法，主要製程有27燃料電池分類(1)如以燃料電池之電解質(zhì)(Electro-lyte)來(lái)區(qū)分，它可分為下列五種：固態(tài)高分子膜燃料電池固態(tài)高分子膜燃料電池(PolymerElectrolyteFuelCell,PEFC)，以陽(yáng)離子交換膜為電解質(zhì)，採(cǎi)用氟樹脂系離子交換膜，因具有優(yōu)越之化學(xué)安定性，可減少電解液稀釋及霧化等問(wèn)題。此型燃料電池只能以白金為觸媒，所以費(fèi)用也相對(duì)的較高，反應(yīng)氣體中容許二氧化碳存在，惟一氧化碳會(huì)導(dǎo)致白金觸媒中毒，必須嚴(yán)加控制。另外，高分子薄膜型燃料電池使用時(shí)溫度低，本身體積小，重量輕，電流密度高，爆發(fā)力強(qiáng)，能迅速啟動(dòng)汽車，廢氣排放污染又低，可應(yīng)用於大型車輛如巴士和貨車上。28燃料電池分類(1)如以燃料電池之電解質(zhì)(Electro-l燃料電池分類(2)鹼性燃料電池鹼性燃料電池(AlkalineFuleCell,AFC)使用高導(dǎo)電度KOH電極是由具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)的網(wǎng)導(dǎo)體外覆黃金所製成，使用純H2，純O2，對(duì)CO2污染極為敏感，適用於太空船上。29燃料電池分類(2)鹼性燃料電池29燃料電池分類(3)磷酸燃料電池(PhosphoricAcidFuelCell,PAFC)30燃料電池分類(3)磷酸燃料電池(PhosphoricAc燃料電池分類(4)熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池(MoltenCarbonateFuelCell,MCFC)又稱為第二代燃料電池，以鹼金屬（鋰、鉀、鈉）碳酸鹽為電解質(zhì)，此等鹽料只有在熔融狀態(tài)時(shí)，方能發(fā)揮離子傳導(dǎo)之功能，故作溫以必須在熔點(diǎn)以上，介於600~700℃之間，屬高溫型。此類燃料電池由於電極反應(yīng)容易，不需以貴金屬為觸媒，使用鎳及氧化鎳即可。在燃料使用方面，除了後氣之外，一氧化碳含量高的燃料亦可輕易使用，故適合與煤炭氣化技術(shù)相結(jié)合。31燃料電池分類(4)熔融碳酸鹽燃料電池31燃料電池分類(5)固態(tài)氧化物燃料電池固態(tài)氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell,SOFC)又稱第三代燃料電池，係使用固態(tài)、無(wú)孔隙之金屬氧化物為電解質(zhì)，藉著氧離子在晶體中有梭以進(jìn)行離子傳送，通常以安定化氧化鋯為電解質(zhì)。操作溫度高達(dá)900~1000℃。優(yōu)點(diǎn)為不需以貴金屬為觸媒，燃料重組器和電池組合併，而減化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)並降低製造成本，廢熱品質(zhì)高，可用於電氣共生所須知知熱能，可以氫及一氧化碳為燃料，惟因其在高溫環(huán)境下操作，材料選擇受到若干限制。32燃料電池分類(5)固態(tài)氧化物燃料電池32燃料電池分類(6)過(guò)去人類使用的能源多以煤、石油、天然氣等生物能為主，水力等再生能源為輔，之後發(fā)展出核能，但由於安全性考量以及核廢料的問(wèn)題，使核能為世界各國(guó)所逐步揚(yáng)棄，取而代之的是太陽(yáng)能、風(fēng)能、氫電池、燃料電池等新能源。燃料電池(FuelCell)是水力、火力、核能之外第四種發(fā)電法，原料可用氫氣、天然氣、沼氣等，發(fā)電原理是燃料電池灌進(jìn)燃料，透過(guò)電解發(fā)電，未經(jīng)燃燒程序，所以沒(méi)有污染，列為二十一世紀(jì)三大革命性科技之一。33燃料電池分類(6)過(guò)去人類使用的能源多以煤、石油、天然氣等燃料電池分類(7)燃料電池的成本昂貴，30年來(lái)始終沒(méi)有商品化。然而，最近幾年，燃料電池在技術(shù)上起了革命性突破，燃料電池最早被利用在美國(guó)登入月球的太空梭之主要電力、水熱來(lái)源供應(yīng)，燃料電池有幾項(xiàng)符合時(shí)代趨勢(shì)的特色，使得它在未來(lái)發(fā)電世界中備受矚目，也將成為二十一世紀(jì)人類在地球上明星電源。34燃料電池分類(7)燃料電池的成本昂貴，30年來(lái)始終沒(méi)有商品生活化學(xué)第十五章最有潛力的新動(dòng)力能源─燃料電池LivingbetterbyChemistry35生活化學(xué)第十五章最有潛力的新動(dòng)力能源─燃料電池Living15-1能源的運(yùn)用人類文化的提升和進(jìn)步常依賴所使用的能量或動(dòng)力。因?yàn)閯?dòng)力意味著灌溉、開墾、耕作和收獲。動(dòng)力意味熱、光、電、機(jī)械和運(yùn)輸。所有這些動(dòng)力也意味著原料、食物和工廠。它們比任何別的東西更能影響富裕和貧困、戰(zhàn)爭(zhēng)或和平之間的平衡。3615-1能源的運(yùn)用人類文化的提升和進(jìn)步常依賴所使用的能量或動(dòng)能源的運(yùn)用(2)二次大戰(zhàn)之後，地球上人口穩(wěn)步增加，對(duì)能量的需求迅速增長(zhǎng)。萬(wàn)一沒(méi)有暖氣、食物短缺，千千萬(wàn)萬(wàn)的人將會(huì)餓死，整個(gè)工業(yè)文明注定崩潰。在原子能還未運(yùn)用之前，我們幾乎完全依賴煤、石油和天然氣提供能量。到底煤和石油以及天然氣的前景如何？原子能的前景又如何？是不是還有什麼其他可靠的能源？以下為人類目前所運(yùn)用的主要發(fā)電方法：37能源的運(yùn)用(2)二次大戰(zhàn)之後，地球上人口穩(wěn)步增加，對(duì)能量的火力發(fā)電鍋爐裡的水被熱源燒成蒸汽後，送至汽輪機(jī)再推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；使用過(guò)的蒸汽則送至冷凝器，由海水將其冷卻成水，再送至鍋爐重複使用。其中使為熱源的物質(zhì)包括了煤、油及天然氣等。38火力發(fā)電鍋爐裡的水被熱源燒成蒸汽後，送至汽輪機(jī)再推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)圖15-1 火力發(fā)電運(yùn)作原理39圖15-1 火力發(fā)電運(yùn)作原理5煤─工業(yè)革命的動(dòng)力(1)煤是由4億到1百萬(wàn)年前的植物所形成。植物死後沉積到地下，經(jīng)長(zhǎng)期的壓力而碳化。從形成的時(shí)間和含碳的多寡，煤可分為4類：(1)泥煤；(2)褐煤；(3)煤以及(4)焦煤。煤的產(chǎn)量最豐，熱產(chǎn)值也最大。40煤─工業(yè)革命的動(dòng)力(1)煤是由4億到1百萬(wàn)年前的植物所形成煤─工業(yè)革命的動(dòng)力(2)煤主要用來(lái)發(fā)電，其優(yōu)點(diǎn)是熱值高、價(jià)格便宜，但是也有燃燒後產(chǎn)生嚴(yán)重污染的頭痛問(wèn)題。大部分的煤含有硫，燃燒後產(chǎn)生的二氧化硫轉(zhuǎn)化成亞硫酸，造成酸雨。此外，大量燃燒煤會(huì)排放大量的二氧化碳，使地球的溫室效應(yīng)升高。1997年底的京都?xì)夂蚬s，各已開發(fā)工業(yè)國(guó)議定在2000年，將各國(guó)的二氧化碳排放量抑制在1990年的排放水準(zhǔn)。41煤─工業(yè)革命的動(dòng)力(2)煤主要用來(lái)發(fā)電，其優(yōu)點(diǎn)是熱值高、價(jià)風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電是直接利用風(fēng)力推動(dòng)發(fā)電機(jī)中的導(dǎo)線線圈來(lái)發(fā)電，其最大特色即為荷蘭的標(biāo)記─風(fēng)車。臺(tái)灣澎湖的七美也有座風(fēng)力發(fā)電廠，其發(fā)電量約比核四廠小了一百萬(wàn)倍，可知欲發(fā)展這種電廠也需有大量的土地，而穩(wěn)定且強(qiáng)勁的風(fēng)力也是不可或缺的條件。42風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電是直接利用風(fēng)力推動(dòng)發(fā)電機(jī)中的導(dǎo)線線圈來(lái)發(fā)電，石油和天然氣石油和天然氣也是千萬(wàn)年前的生物沉積在地下而形成的。石油和天然氣的儲(chǔ)存量有限，而且石油可以提煉出各種工業(yè)產(chǎn)品和生活必需品，從資源利用的角度來(lái)看，拿來(lái)發(fā)電是極度浪費(fèi)之舉。石油和天然氣雖是優(yōu)良的能源，可惜地球的儲(chǔ)存量有限，以現(xiàn)在的速度消耗，大約再50年就已枯竭了。43石油和天然氣石油和天然氣也是千萬(wàn)年前的生物沉積在地下而形成的太陽(yáng)能(1)在新興的能源中，除了核能之外，或許太陽(yáng)能是最有潛力的能源。太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)是乾淨(jìng)，來(lái)源無(wú)匱。但是太陽(yáng)能的能量密度太低，每平方公尺的輻射能約1,400瓦，如果考慮天候和日夜的差別，太陽(yáng)能每平方公尺的輻射能只剩不到300瓦。44太陽(yáng)能(1)在新興的能源中，除了核能之外，或許太陽(yáng)能是最有太陽(yáng)能(2)而目前太陽(yáng)能集電板的效率約為12%，你可以算要用多少土地面積才能收集足夠的太陽(yáng)能，供應(yīng)臺(tái)灣目前的電力需要。即使不考慮土地面積的成本，利用太陽(yáng)能集電板的電力成本，一度電至少也要新臺(tái)幣10元。這個(gè)成本是核能電力的15倍，燃煤電力的10倍，燃油電力的7倍，天然氣發(fā)電的6倍。此外，儲(chǔ)存白天所收集到的太陽(yáng)能也需要電池，大量使用太陽(yáng)能也會(huì)引起環(huán)境的問(wèn)題。45太陽(yáng)能(2)而目前太陽(yáng)能集電板的效率約為12%，你可以算要核能(2)核能是二次世界大戰(zhàn)以後的新興能源。核能的優(yōu)點(diǎn)是安全、乾淨(jìng)、價(jià)格便宜，不排放溫室氣體。但是興建核能電廠所需資金龐大，核分裂後的高放射性燃料束需要特別的處理。46核能(2)核能是二次世界大戰(zhàn)以後的新興能源。核能的優(yōu)點(diǎn)是安核能(2)根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，1998年止，全球共有32個(gè)核電國(guó)家，480部核能機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)中，另外亦有48部正在興建中。32個(gè)核電國(guó)家中，有13個(gè)國(guó)家的核能電力超過(guò)全國(guó)電力供應(yīng)的30%以上，其中最高的前五位分別為立陶宛(76%)、法國(guó)(75%)、比利時(shí)(56%)、瑞典(51%)及斯洛伐克(49%)。目前核能電力大約占全世界總發(fā)電量的百分之十七。47核能(2)根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，1998年止，全球共有32個(gè)核電國(guó)15-2燃料電池的發(fā)展燃料電池的歷史可以追朔到1839年，由英國(guó)法官威廉葛洛夫(WilliamGrove)在一項(xiàng)業(yè)餘的實(shí)驗(yàn)中神奇的發(fā)現(xiàn)燃料電池的發(fā)電原理；但當(dāng)時(shí)因?yàn)殡姌O材料問(wèn)題，使這項(xiàng)發(fā)明未受重視。4815-2燃料電池的發(fā)展燃料電池的歷史可以追朔到1839年，由燃料電池的發(fā)展(2)直到1959年由另一位英國(guó)法蘭西斯培根(FrancisT.Bacon)製作出一個(gè)5kW的燃料電池組，能夠推動(dòng)電銲機(jī)、電鋸及堆高機(jī)，使這項(xiàng)技術(shù)得以走出實(shí)驗(yàn)室，其後使用氫氣為燃料的鹼性燃料電池(AFC)更成功的應(yīng)用在太空科技上，成為太空梭的電力供應(yīng)系統(tǒng)，因?yàn)槿剂想姵氐母碑a(chǎn)物的純淨(jìng)的水，故也成為太空人飲水用的維生系統(tǒng)。49燃料電池的發(fā)展(2)直到1959年由另一位英國(guó)法蘭西斯培根燃料電池的發(fā)展(3)由於燃料電池(FuelCell)的技術(shù)創(chuàng)新突破，再加上環(huán)保問(wèn)題、能源不足等多重壓力下，國(guó)際間政府、交通、電力、能源產(chǎn)業(yè)等單位，漸漸重視燃料電池科技發(fā)展，而國(guó)內(nèi)也處?kù)断嗤闆r。另外，國(guó)內(nèi)將FuelCell譯為「燃料電池」，但其實(shí)它並非電池，而是經(jīng)由電化學(xué)反應(yīng)之發(fā)電機(jī)，譯為「環(huán)保發(fā)電機(jī)」似乎較為妥適。50燃料電池的發(fā)展(3)由於燃料電池(FuelCell)的技燃料電池的發(fā)展(4)燃料電池為一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的媒介，只要燃料持續(xù)供應(yīng)，無(wú)需燃燒，電力就能夠持續(xù)輸出，而燃料通常為氫氣與氧氣（空氣），其產(chǎn)物為水，無(wú)環(huán)境污染之虞。除此之外，藉著控制燃料電池組(FuelCellStack)之?dāng)?shù)量，小至3C產(chǎn)品，大至社區(qū)或大型發(fā)電廠，可應(yīng)用於各種不同之系統(tǒng)。51燃料電池的發(fā)展(4)燃料電池為一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的燃料電池的發(fā)展(5)部分種類之燃料電池亦可應(yīng)用於交通工具上，更可大量降低目以汽油為主要燃料之汽機(jī)車排放之廢氣，改善環(huán)境，提高生活品質(zhì)?？芍苯佑苫瘜W(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，並非如一般將燃料由化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能後，再利用熱機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，最後轉(zhuǎn)換成電能，所以並不受卡諾循環(huán)(CarnotCycle)的限制，所以其效率可大幅提昇。52燃料電池的發(fā)展(5)部分種類之燃料電池亦可應(yīng)用於交通工具上燃料電池的發(fā)展(6)燃料電池是二十一世紀(jì)最重要之能源科技之一，為極有潛力的替代能源及可攜式電子產(chǎn)品用的小型電池。工研院工業(yè)材料研究所結(jié)合國(guó)內(nèi)國(guó)科會(huì)、中研院、同步輻射、能源會(huì)等研發(fā)團(tuán)隊(duì)，投入微小型攜帶式燃料電池關(guān)鍵材料的開發(fā)，以既有電池材料技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合最新的奈米材料技術(shù)，以及積極建立國(guó)際合作關(guān)係，如美國(guó)杜邦公司及國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)等，目標(biāo)為開發(fā)可供小型電子產(chǎn)品用的微小型燃料電池。以大哥大為例，目標(biāo)是待機(jī)時(shí)間50~100天，只要數(shù)秒鐘即可完成燃料補(bǔ)充。53燃料電池的發(fā)展(6)燃料電池是二十一世紀(jì)最重要之能源科技之燃料電池的發(fā)展(7)不過(guò)氫氣具有爆炸的危險(xiǎn)性，氫燃料電池是否也具有高度的危險(xiǎn)性？氫氣並未像一般人所想的危險(xiǎn)，而且氫氣很便宜，氫燃料電池又零污染，所以極具研發(fā)價(jià)值。54燃料電池的發(fā)展(7)不過(guò)氫氣具有爆炸的危險(xiǎn)性，氫燃料電池是15-3燃料電池之基本原理燃料電池是藉由電池內(nèi)發(fā)生燃料燃燒反應(yīng)而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，負(fù)極除作為燃料與電解質(zhì)的共同介面，並對(duì)燃料的氧化反應(yīng)作催化；而正極則為氧氣與電解質(zhì)的共同介面，亦對(duì)氧的還原作催化。5515-3燃料電池之基本原理燃料電池是藉由電池內(nèi)發(fā)生燃料燃燒反圖15-2燃料電池反應(yīng)示意圖56圖15-2燃料電池反應(yīng)示意圖2215-3燃料電池的基本構(gòu)造固體高分子型燃料電池(PolymerElectrolyteFuelCell,PEFC)的構(gòu)造模型。將燃料（氫氣）和空氣中的氧氣以塗佈在電解質(zhì)高分子膜的兩側(cè)於電極間之觸媒加以電離，以空氣電極使其反應(yīng)發(fā)電的電池。高分子膜是讓氫離子通過(guò)的功能，燃料電池因反應(yīng)而生成的東西只有水，所以沒(méi)有公害。5715-3燃料電池的基本構(gòu)造固體高分子型燃料電池(Polyme燃料電池之特性(1)氫，一種無(wú)色，無(wú)臭、無(wú)味、無(wú)毒的可燃性氣體物質(zhì)，最簡(jiǎn)單的化學(xué)元素。氫原子含有一個(gè)帶一單位正電荷的質(zhì)子構(gòu)成的核和一個(gè)帶一單位負(fù)電荷並與這個(gè)核相聯(lián)繫的電子。氫原子很活潑，可以彼此結(jié)合成對(duì)，形成分子式為H2的雙原子氫分子。58燃料電池之特性(1)氫，一種無(wú)色，無(wú)臭、無(wú)味、無(wú)毒的可燃性燃料電池之特性(2)雖然氫在地球上的豐度只佔(zhàn)第九位，約為地球質(zhì)量的0.9%?？墒窃谟钪嬷?，氫是最豐富的元素，約佔(zhàn)所有物質(zhì)質(zhì)量的75%。氫與碳及其他元素形成化合物存在於所有動(dòng)植物中。石油和煤中也含有氫。氫約佔(zhàn)水質(zhì)量的11%。氫氣與氧氣燃燒可產(chǎn)生約2600℃高溫，用電弧或加熱鵭絲將氫分子解離為氫原子，然後使這些原子重新化合時(shí)甚至可以產(chǎn)生3400℃以上的高溫。59燃料電池之特性(2)雖然氫在地球上的豐度只佔(zhàn)第九位，約為地燃料電池之特性(3)若以原料的來(lái)源來(lái)區(qū)別，氫氣的生產(chǎn)方式可以分兩大類：由化石原料製氫，主要商業(yè)化的製程有蒸氣重組法(SteamReforming)；部分氧化法(PartialOxidation)；水煤氣法(CoalGasification)等……。60燃料電池之特性(3)若以原料的來(lái)源來(lái)區(qū)別，氫氣的生產(chǎn)方式可燃料電池之特性(4)非化石原料製氫法，主要製程有水電解法(WaterSplittingByElectrolysis)；水光電解法(PhotoelectrochemicalWaterSplitting)；實(shí)驗(yàn)室中少量製氫法等……。61燃料電池之特性(4)非化石原料製氫法，主要製程有27燃料電池分類(1)如以燃料電池之電解質(zhì)(Electro-lyte)來(lái)區(qū)分，它可分為下列五種：固態(tài)高分子膜燃料電池固態(tài)高分子膜燃料電池(PolymerElectrolyteFuelCell,PEFC)，以陽(yáng)離子交換膜為電解質(zhì)，採(cǎi)用氟樹脂系離子交換膜，因具有優(yōu)越之化學(xué)安定性，可減少電解液稀釋及霧化等問(wèn)題。此型燃料電池只能以白金為觸媒，所以費(fèi)用也相對(duì)的較高，反應(yīng)氣體中容許二氧化碳存在，惟一氧化碳會(huì)導(dǎo)致白金觸媒中毒，必須嚴(yán)加控制。另外，高分子薄膜型燃料電池使用時(shí)溫度低，本身體積小，重量輕，電流密度高，爆發(fā)力強(qiáng)，能迅速啟動(dòng)汽車，廢氣排放污染又低，可應(yīng)用於大型車輛如巴士和貨車上。62燃料電池分類(1)如以燃料電池之電解質(zhì)(El