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1. 背景及现况
A. 背景 绿色能源推广目标：2010年占总能源3%~5%，或发电装置容量为500万瓩约10%。具体作法包括：推广酒精汽油发展利用及废弃物衍生燃料发电应用，持续规划推动风力发电系统设置，加强太阳 光电发电示范系统补助，订定氢能源及燃料电池、海洋能发电及地热发电等计划，并积极推动。 其中有关氢能源及燃料电池部分，根据行政院函立法院审议中之电业法修正草案，政府正在大力推展分布式及洁净发电技术的研发及应用，目的是希望将发电系统分散建置于全国各地之使用端，有别于现有大型集中之火力发电或核能发电模式，从小型分布式 电力系统的普遍建置，来克服大型电力开发的不足，由能源效率提升及洁净能源的使用，来解决环保抗争问题；并藉由分布式小型发电，减少电力传输损失及提供高质量、高可靠度的电力，而利用氢能源作为原料的燃料电池发电技术的应用即非常适合以上目的。政府期望在2020年前燃料电池能累积到装置容量10~20万瓩，到了2025年燃料电池能累积到装置容量40~70万瓩。 未来氢能源时代来临时，燃料电池将是最关键且最重要的技术，它具备高效率及低污染等优点，应用于发电系统，可装设在需要电力的地方如家庭、学校、大楼、医院、工厂等。燃料电池除了发电外，最宝贵的是它产生的热能可以回收利用，使得系统总热效率可高达80%，与传统电力相比较，能源效率高一倍以上。燃料电池并具有多元化能源的优势，可结合生质能、太阳能、风能等发电技术，将能源使用多元化、可再生及永续使用。 B. 现况 2001年开始，经济部能源委员会委托工研院能源与资源研究所执行分布式燃料电池的发电系统及现场发电技术研发，进行质子交换膜燃料电池发电系统与关键组件技术开发，自90-93年度三年半的时间，已完成定置型3瓩级雏型燃料电池发电系统、1瓩级可携式燃料电池发 电机及多项关键组件技术开发。真敏国际股份有限 公司已成功开发出『 PFC1000』，此为1kW纯氢质子交换膜燃料电池发电机组，具备直流转交流、数字 控制系统及计算机远程监控等功能[3]。亚太燃料电池科技股份有限公司则研发出全球第一辆 商品化的燃料电池机车，是由***研发生产，命名为ZES的亚太燃料电池机车最快可以在二OO七年上市。 目前燃料电池预估产值，例如英国Johnson Matthy公司与美国杜邦公司所预估的产值高达100亿美金。大多数 资料认为2008年是关键时刻，届时将出现大量的燃料电池商品，尤其以现场定置型与可携式发电系统会较早量产。韩国政府并将燃料电池的研发列为重点扶持的产业，发展汽车用80瓩燃料电池发电机。日本则是发展定置型发电系统最快的国家，多家日本公司发布消息在两三年内推出家用定置型商品，发电容量约在1瓩左右，并将燃料电池的废热回收用以加热冷水，供应家庭洗涤用途。放眼未来，燃料电池将带来庞大的商机，在全球市场的竞争下，加速建立我国燃料电池技术能力并争取国际分工角色，更是当前重要目标。 为配合国家科技产业整体发展，并有效运用研究经费，其研究的内容，多以下列之项目为研究范畴：电池和系统性能提升、电池堆组装技术、电池系统应用、电池设计最佳化、电池性能测试技术、高性能质子交换膜、触媒、双极板、电极（碳布、碳纸）、电解质材料研发与制作、材料微观之表面界面分析、 检测技术、氢之生产与储存技术、微奈米技术应用于电池组件、分子 仿真、流场、电场、热流仿真、电池 供电系统整合和交直流配电技术、以及电池可靠度、稳定度及加速实验研究等议题。 2. 计划目标
- 规划发展氢能源与燃料电池为本校教学与研究特色之一。
- 培养学生绿色能源的环境保护观念，厚植发展氢能源与燃料电池之扎根工作。
- 前端与基础研究：有效整合本校教师研发能量与实务应用的能力，深入探讨氢能源与燃料电池尖端技术之诸多学理与实务，增进研究论文质量，厚植本校研究水平。
- 促进产学合作：透过本计划所建立之研发团队，并期待日后能与国内产业界合作，提供业界系统化研究资源，使得诸多创意能发芽并反应成为成品，期获得专利，提升国内未来之竞争力。
3. 具体内容及配套措施
1. 燃料电池的发电概念 在多孔质的正负电极之间布满电解质(ex 食盐的水溶液)，正极上所供应的是空气(氧气)、负极则是氢气。在燃料电池之中，电解质是被作为 电子的Fil ter 来使用。电解质虽然可让氢离子通过，但是电子却无法通过，因此，遂在正负极之间设置让电子通过的旁信道(Bypass)，而如果在中途设置Inverter（ DC/→ AC）的话，则可以获取交流电力，当然，也可以直接利用直流电力。而燃料电池作用如图七所示。
- 氢气与湿空气分别由负极与正极进入。
- 负极板将氢分子电离为两个电子及两个质子。
- 质子经由电解液在电池中移动。
- 特制的电解液本身并不产生电子，电子是经由负极板生成并经外部电路完成循环。
- 整个电池的机构维持了电位差以促使质子的流动，而经由外部电路流动的电子产生了电流以带动马达。
- 电子将两个质子及一个氧原子结合成为水。
2. 燃料电池种类 在近半世纪的发展中，燃料电池出现了多种形式，除了早期的碱性燃料电池（AFC）外，尚有已在测试中的磷酸燃料电池（PAFC），正在发展中的质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固态氧化物燃料电池（SOFC），和近来倍受瞩目的直接进料甲醇燃料电池（DMFC）等，表七为各种然电池之种类及用途表。
|
种类 |
碱性(APC) |
质子交换膜(PEMFC) |
磷酸(PAFC) |
熔融碳酸盐(MCFC) |
固态氧化物(SOFC) |
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电解质 |
氢氧化钾 |
高份子薄膜 |
磷酸 |
熔融碳酸盐 |
二氧化钴 |
|
阳极 |
白金/碳 |
白金/碳 |
白金/碳 |
镍/钴、铝 |
镍/钴 |
|
阴极 |
白金/碳 |
白金/碳、铂黑 |
白金/碳 |
氧化 |
锰酸鉴 |
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操作温度 |
60~100℃ |
80~100℃ |
100-200℃ |
~650℃ |
~1000℃ |
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发电效率 |
45~60% |
40~60% |
40~50% |
45~60% |
50~60% |
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主要用途 |
太空、运输 |
太空、运输、携带动力 |
汽电共生、分散型电厂、运输 |
汽电共生、分散型电厂、运输 |
汽电共生、分散型电厂、运输 |
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技术现况 |
80kW |
250 kW |
11 kW |
2 kW |
100 kW |
- 质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池又可称为高分子电解质燃料电池或固态高分子电解质燃料电池。由质子交换膜、阴极和阳极所组成的组件称之为膜电极组体，质子交换膜为一传导质子（H+）的高分子膜。阴极和阳极材料皆以铂为主要触媒，将铂分布在具导电性与高表面积的碳黑载体上。质子交换膜燃料电池以氢气为燃料，以空气为氧化剂，因此反应生成物只有水和热，故水的管理成为很重要的课题。
- 直接甲醇燃料电池 以质子交换膜燃料电池为基础，并使用甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池是微型燃料电池发展的主流，以取代现有锂离子、镍镉与镍氢电池等二次电池为目标。除轻、薄、短、小外，直接甲醇燃料电池更具有供电及待机时间长、能量密度高与无污染等优势。
- 固态氧化物燃料电池 固态氧化物燃料电池的基本组件与前两种电池相似，但因采用固态电解质的材料，例如气化金告、氧化铈，所以需要在较高的温度（约摄氏800度）操作，技术上并不容易。可是这型电池的能源转换电能的效率最高。
- 设施规划
- 整合本校现有系所师资与软硬件设备，作为加强研究深度，整合研究团队为主要目标，并培育研究人才。
- 引进国内外现有研发技术及相关研发数据，并结合本校研发团队，可迅速强化技术，并将技术商品化。
- 配合实验室建置现有资源如表八所示。
|
|
名称 |
|
数量 |
单位 |
单价 |
实验室名称
购置日期 |
|
1 |
|
|
14 |
套 |
86,000 |
电机机械
90/12/6 |
|
2 |
|
PRINTER接口控制,三种 |
1 |
套 |
29675 |
电机机械
93/4/26 |
|
3 |
SOC前段崁入式开发训练平台 |
PRESOCES-C S3C2410 |
1 |
套 |
60000 |
电机机械
93/12/16 |
|
4 |
数位荧光示波器 |
Tktronix TDS3012B |
1 |
组 |
120,000 |
|
|
5 |
|
LT354,500MHZ |
1 |
台 |
430,000 |
电力电子
92/7/17 |
|
6 |
电流测试棒 |
AP015,50MHZ |
2 |
支 |
100,000 |
电力电子
92/7/17 |
|
7 |
相位校正器 |
DCS015 |
1 |
台 |
10,000 |
电力电子
92/7/17 |
|
8 |
差动测试棒 |
LDP-6110,100MHZ |
3 |
支 |
20,000 |
电力电子
92/7/17 |
|
9 |
数字电力计 |
HIOKI3193,最大可扩充 |
1 |
组 |
542,000 |
电力电子
92/11/12 |
|
10 |
主动式电流探棒 |
TEKTRONIX TCP202/DC |
1 |
组 |
62,000 |
电力电子
92/11/12 |
|
11 |
阻抗分析仪 |
HIOKI3522-50 |
1 |
组 |
128,000 |
电力电子
92/11/13 |
|
12 |
|
|
2 |
组 |
41,200 |
电力电子
92/11/20 |
|
13 |
|
输入电压DC10V~16V 输出电压DC18~20V可调 |
9 |
组 |
8,200 |
电力电子
93/6/2 |
|
14 |
|
输入电压DC17V~30V 输出电压DC10~15V可调 |
9 |
组 |
8,200 |
电力电子
93/6/2 |
|
15 |
开放式电力电子装置 |
PMS-6A,交流整流电路额定功率3HP/驱动调变系统 |
2 |
组 |
44,000 |
电力电子
93/7/6 |
|
16 |
数据撷取器 |
FLUKE 2640A |
1 |
台 |
190,000 |
|
|
17 |
超静音空压机 |
110VOLT/60Hz,排气量30公升 |
1 |
台 |
26,500 |
93/7/29 |
|
18 |
高速数字影像系统 |
数字摄影机*1,动态影像撷取卡*1影像处理软件含驱动 |
1 |
套 |
250,000 |
93/7/30 |
|
19 |
|
|
1 |
组 |
36,225 |
电子
90/12/19 |
|
20 |
网络化电表量测装置 |
|
1 |
组 |
12,075 |
电子
90/12/19 |
|
21 |
数字储存示波器 |
2CH,60MHZ,含TDS2CM通 |
15 |
台 |
39,816 |
电子
91/7/9 |
|
22 |
直流伺服马达系统 |
|
3 |
套 |
162,000 |
自动控制
90/11/29 |
|
23 |
|
D/A：4CH.12BITS,A/D：8 |
3 |
套 |
16,000 |
自动控制
90/11/29 |
|
24 |
GP IB适配卡 |
NI PCI-GPIB,支援IEEE |
2 |
片 |
21,000 |
机电整合
94/06/23 |
- 配合燃料电池发电需要增购前端与基础研究的软、硬件设施，建立前端与基础实验室。购置设备98年度-资本门如表九所示。
|
类别 |
设备名称 |
数量 |
单价 |
金额 |
|
资本门 |
5KW INVERTER(与市电并联) |
1 |
200,000 |
200,000 |
Fuel St orage System储氢柜/Sensor Package (防震、防水等) / Commun ication Package Modem(监控)-纯水电解 |
1 |
600,000 |
600,000 |
|
高阶燃料电池分析软件 |
1 |
300,000 |
300,000 |
|
总计 |
1,100,000 |
- 98年度继续建置且改为并联型及纯水电解而得氢燃料。
- 课程规划 在工学群中规划「燃料电池之基础养成」入门系列课程（如燃料电池系统、电化学原理及氢能源技术）与「系统应用与设计技术精进」进阶系列课程，教授如何设计使用燃料电池膜组，更深一步进入到实际应用的领域当中。在设计学群与商管学群中规划创新设计与优良质量的产品，显示出本校设计的厚深实力；并可运用***最擅长的能源管理迅速导入有效的管理燃料电池系统的领域上，达到最优化应用设计。
课程规划重点如下：
- 电化学能量转换。
- 燃料电池效率。
- 燃料电池结构。
- 特性曲线之量测。
- 燃料电池效率与影响特性曲线因素之分析。
- 功率/效率比。
- 燃料电池运作参数之关系。
- 不同电负载与负载响应之系统分析。
- 燃料电池冷却之热能分析。
- 空气对流之热能分析。
- 电压/变频转换。
- 系统参数数据撷取与纪录。
4. 预期成效
- 配合国家政策，建置并推广绿色洁净能源的使用。
- 发展氢能源与燃料电池为本校基础与前端研究特色之一。
- 培养学生洁净能源使用与环境保护的基本观念，并习得毕业后即可进入产业界或做前端研究基本技能。
- 建置氢能源与燃料电池实验室与相关软硬件设施，有效提升本校教师研发能量。
- 运用研发能量与产业界紧密结合，开发具商品化系统，提升国家竞争力。
5. 参考文献
- 中华民国九十四年能源政策白皮书，经济部能源局
- 张一屏," 串联式燃料电池机车动态仿真与分析" , 2003 燃料电池研讨会论文集,桃园, 第8 8-92 页2 003.
- 张一屏," 机车用燃料电池之反向动态仿真与分析" , 第2 4 届电力工程研讨会论文集,台南,第297-301 页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.
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- 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.
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