探究我國能源科技之發展研究-以燃料電池為例
石家瑋
國立高雄師範大學工業科技教育學系研究生
一、前言
近代人類科技文明的進步雖帶動經濟的大幅成長,但在大量地生產製造、消費使用及丟棄後,大自然生態環境的復原能力已無法負荷人類無止盡的需求,造成公害污染、資源銳減,甚至危及人類世代的永續發展;其中最令人憂心的,莫過於石油能源的日益枯竭,以及全球因溫室效應造成氣溫暖化等問題。
各國由於人口大量激增及追求高利潤工業化之下,導致全球最倚重的化石能源面臨缺乏的危機,依據BP Statistical Review of World Energy統計,以現今石油耗損的速度,地球上的原油的儲量最多能再用約半個世紀,屆時世界恐怕又要陷入難以估計的經濟恐慌。此外,大量燃燒化石燃料除了排放有毒廢氣外,所排放的二氣化碳全球溫度不斷的昇高,造成天氣異常現象與重大災害。所以全世界各國積極投入新能源的開發,所謂新能源包含太陽能、風能、水力發電、潮差發電、生質能與氫能等。在這之中,氫能可以算是最理想的新能源,因為氫可以直接用於燃料池中,與氧氣經由電化學反應直接產生電能,由於過程中少了很多轉換能量的耗損,因此效率最高。而且主要的副產物為水和熱,或是少量的二氧化碳,兼具高效率及低污染的特性,使得燃料電池在諸多能源技術中脫穎而出,不久的將來必定能成為新能源中最閃亮的科技之星。
隨著
所以,若以台灣2004年筆記型電腦生產量已超過全球的70%以上,開發筆記型電腦用的微型燃料電池,將是我國高科技產業刻不容緩的發展重點,於是希望透過本研究了解消費者在使用電子產品時,對電池電源供給的要求,提供我國在發展燃料電池時的參考。
二、研究目的
綜合上述的研究背景及動機,本研究希望透過文獻探討及訪談的方式,達到下列幾個目的。
1.電池的演進及燃料電池的發展歷程為何?
2.消費者在使用
3.消費者對未來燃料電池發展普及化的期待。
三、待答問題
綜合前述之研究目的,本研究主要探討以下幾個問題:
1.電池的演進及燃料電池的發展歷程為何?
2.消費者對燃料電池的認知。
3.消費者在使用
4.消費者對未來燃料電池發展普及化的期待。
四、研究限制
本研究礙於時間與人力的因素,僅透過文獻的蒐集,整理有關電池的演進及燃料電池的發展歷程,針對受訪者訪問自身對燃料電池的認知、使用
一、電池定義
所謂電池,係指一種利用電化學之氧化還原反應,將活性物質內之化學能轉換成電能的產品,其產品自萌芽期起發展至今已長達百餘年,因此種類繁多,分別可依能否再充電使用(亦即電池內所起之電化學反應是否為可逆)、尺寸、發電原埋、形狀、構造、電壓、電容量及電解質的種類/供給方式等加以分類;目前市場上常依電池放完電後能否再充電使用,將其區分為一次電池(Primary
Batteries)與二次電池(Rechargeable Batteries)兩大類,其中一次電池即是俗稱的乾電池,其電池放電完後,壽命即告結束,不能再充電使用,相反的,放電完後若施予逆方向之直流電充電,即可恢復電容量,而可以再度使用者稱為二次電池。電池的分類如下表所示。
資料來源:工研院材料所ITIS計畫整理
二、目前常用電池種類
電池的種類繁多,分別可依形狀、構造、尺寸、電壓、電容量、電解質的種類/供給方式、發電原理及能不能再充電使用(化學反應是否為可逆)等方式加以分類,目前市場上常依放電後能否再充電使用將其分為一次電池與二次電池兩大類。一次電池是最早被開發出來且商品化的電池,唯近幾年來在全球節能與環保(綠色能源)訴求下,應用市場已迅速被小型二次電池取代,目前主要使用在耗電量較小的可攜式電子產品上;而二次電池(包括鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池及鋰高分子電池)則是繼一次電池之後陸續被商品化的電池產品,現階段主要使用在耗電量較大的電子產品上,如下表所示。
資料來源:工研院IEK-ITIS計畫,電子零組件工業年,p20-17(2004/04)
市場上常將二次電池依尺寸大小分為大型二次電池與小型二次電他;在大型二次電池方面,目前已大規模量產、商品化的產品,為主要應用在照明、汽車與機車等領域的鉛酸蓄電池,唯此種電池發展至今,產業及產品技術已十分成熟,故市場僅能維持穩定成長,未來市場成長潛力已有限,至於其他大型二次電池,例如大型鎳氫電池與大型鋰電池(包括鋰離子電池及鋰高分子電池)等,則因開發至今在量產技術方面仍有瓶頸,故尚未有大量生產的商品化產品出現。
反觀小型二次電池(包括鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池及鋰高分子電池),自1899 年鎳鎘電池發明,並於1950 年代在歐洲市場開始擴展以來,為因應近十餘年來資訊及通訊市場快速起飛的市場需求,鎳氫電池、鋰離子電池與鋰高分子電池等電容量密度越來越高的小型二次電池,繼鎳鎘電池之後依序被開發出來,並蓬勃發展,逐漸取代一次電池的市場地位;唯近幾年來由於環保與節能議題日益受到全球各國的重視,鎳鎘電池的鎘因對環境具有污染性,目前已日漸被鎳氫電池、鋰電池(包括鋰離子電池與鋰高分子電池)取代,鋰電池則因電容量較鎳鎘電池、鎳氫電池高,價格對電容量的相對效益亦較鎳鎘電池及鎳氫電池高,市場規模迅速擴大,是當前市場成長率最大的主流產品。
此外,值得一提的是,近50餘年來燃料電池(Fuel Cell簡稱FC)在歐、美、日等各國的重視下投入研究開發,目前在
三、目前常用電池的發展況革
(1)一次電池的發展沿革
電池的發展是起自1791年義大利Bo1ogna大學的生理學家Ga1vani在作青蛙腿實驗時,發現金屬片接觸青蛙肌肉時,會產生肌肉收縮的現象。
而到了1800年義大利物理學家Volta以不同的金屬片中間隔著液體相對時會產生動力,此說明了青蛙腿收縮的現象,從而也形成3伏特電池,成為今日電池的鼻祖。
其後由於電池釋放電流時極不穩定,無法長間維持在同一穩定電流,因此在電解液中進行改善,幾經改良後陸續出現各種電池,如1839年古洛布電池(HNo3);1842年波根多夫電池(H
而在1880年錳鋅乾電池商品化後,一次電池的發展直到1950年以後,水銀電池、鹼錳乾電池、氧化銀電池… 等才依次地開發成功。水銀電池是二次大戰期間,一些電子機器需要放電時電壓變動小的小形高輸出電池,於是由Samuel Ruben與Mallory公司共同創製,大戰時供軍用,戰後才公開。其電壓安定,但因氧化汞的關係價格較高,所以主要用在小形電子產品如助聽器,手錶、計測器、無線收發訊號機等。鹼錳乾電池即因水銀電池昂貴,故用二氧化錳取代氣化汞,其電壓安定性不如水銀電池,但價格只有其1/3。最早實用化的
鹼錳乾電池是1950年美國ESB-Ray. O. Vac公司發售的Crown cell乾電池,後來P. R. Mallory公司及Union Carbide公司推出圓筒型的單一、單二、單三號電池,在1961年後開始普及。由於鹼錳乾電池的溫變特性良好,電壓安定性優於錳鋅乾電池,單位體積及重量的能量密度為錳鋅乾電池的2~5倍,因此自1989年以來許多專家就預測鹼錳乾電池會取代錳鋅乾電池,但是時至今日全球市場中除美國市場鹼錳乾電池佔較大比例外,其他市場仍以錳鋅乾電池為主。氧化銀電池(銀電池)在1927年即進行研究,1946年予以商用化,其比水銀電池昂貴,但是額定電壓高,溫度特性很好,大多為紐扣形,適用於小形高輸出高能量用,所以使用集中在手錶、時鐘及照相機上。1970年上市的鋰一次電池具有能量密度高、放電時電壓平穩、工作電壓高及自放電性低的特性,早期的鋰錳一次電池為鈕扣形主要用在電子錶,計算機及PC用Memory Back up,目前圓筒形的鋰錳一次電池則用在新型的電子式照相機(AF Zooming camera)。
(2)二次電池的發展沿革
二次電池的發展則始於1859年G. Plante發明的鉛酸電池,歷經鉛銻合金理論,鉛鈣合金理論與密閉形鉛酸電池的實用化,到了1980年密閉形鉛酸電池大為普及。而鎳鎘電池與鎳鐵電池是同期發明的,1899年瑞典科學家W. Jungner將正極使用鎳氧化物,負極使用鎘發明出鎳鎘電池,並在1901年以管式及袋式極板作小規模製造,而二次大戰時,德國用燒結式極板改善了鎳鎘電池的放電特性、高溫特性、低溫特性及延長壽命,因此到了1946年後開始大量生產且廣泛使用。
由於傳統開放形鎳鎘電池在充電末期,正極產生氧,負極產生氫,無法完全密閉化,因此若欲密閉化須不發生氣體,或將發生的氣體消耗掉。1938年A. E. Lange 即進行研究在充電中,正極產生的氧可在鎘負極消耗掉的研究,因而發明了密閉形鎳鎘電池,以致到1948年後密閉形的鎳鎘電池更是發展迅速。而鎳鐵電池是美國Edison所發明,1905年鎳鐵電池上市。目前以上所提之二次電池均已歸屬為傳統性二次電池。因為到了1970年以後各種電子產品受到輕薄、短、小的衝擊,1980年後更有攝錄放影機,攜帶型立體音響等產品的上市,以及1990年後有筆記型電腦、無線電話等相繼問市,這些家電產品、資訊產品、通訊產品都需要小型的、輕量的新型二次電池,所以到了1980年有小型密閉式鉛酸電池和小型密閉式鎳鎘電池閉始普遍化,1988年有鋰合金二次電池上市,1990年有鎳氫電池上市,1991年有鋰離子二次電池上市。
各類電池外觀圖
參、燃料電池
一、燃料電池的原理
燃料電池(Fuel Cell)是一種發電裝置,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,用完須繼續充電,燃料電池正如其名,是繼續添加燃料以維持其電力,所需的燃料是「氫」。
燃料電池的運作原理如下圖,也就是電池含有陰陽兩個電極,分別充滿電解液,而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構成。氫氣由燃料電池的陽極進入,氧氣(或空氣)則由陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用,使得陽極的氫原子分解成兩個氫質子(proton)與兩個電子(electron),其中質子被氧『吸引』到薄膜的另一邊,電子則經由外電路形成電流後,到達陰極。在陰極催化劑之作用下,氫質子、氧及電子,發生反應形成水分子,因此水可說是燃料電池唯一的排放物。
燃料電池所使用的「氫」燃料可以來自於任何的碳氫化合物,例如天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、水的電解、沼氣⋯等等。由於燃料電池是經由利用氫及氧的化學反應,產生電流及水,不但完全無污染,也避免了傳統電池充電耗時的問題,是目前最具發展前景的新能源方式,如能普及的應用在車輛及其他高污染之發電工具上,將能顯著改善空氣污染及溫室效應。
燃料電池的運作原理
二、燃料電池的種類
目前燃料電池依照電解質的不同,可分為鹼性燃料電池(Alkaline fuel cell,AFC)、磷酸性燃料電池(Phosphric acid fuel cell,PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(Molten carbon fuel cell,MCFC)、固態氧化物燃料電池(Solid oxide fuel cell,SOFC)、質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)及直接甲醇燃料電池(Direct methanol fuel cell,DMFC)等六種。
(1)鹼性燃料電池(AFC):
一般被運用於人工衛星上,操作時所需溫度並不高,轉換效率好,可使用之觸媒種類多價格又便宜,例如銀、鎳等,但是在最近各國燃料電池開發競賽中,卻無法成為主要開發對象,其原因在於電解質必須是液態,燃料也必須是高純度的氫才可以。此外,鹼性燃料電池的電解質,易與空氣中的二氧化碳結合形成氫氧化鉀,影響電解質的品質,導致發電性能衰退。
(2)質子交換膜燃料電池(PEMFC):
其電解質為離子交換膜,薄膜的表面塗有可以加速反應之觸媒(大部分為白金),薄膜兩側分別供應氫氣及氧氣,氫原子含有一個質子及一個電子,質子被氧吸引形成水分子,因此此燃料電池的唯一液體是水,腐蝕問題相當小,同時其操作溫度介於80 至
(3)磷酸型燃料電池(PAFC):
因其使用之電解質為100﹪濃度之磷酸而得名。操作溫度大約為150到
(4)溶融碳酸鹽燃料電池(MCFC):
其電解質為碳酸鋰或碳酸鉀等鹼性碳酸鹽。在電極方面,無論是燃料電極或空氣電極,都使用具透氣性之多孔質的鎳。操作溫度約為600 至
(5)固態氧化物燃料電池(SOFC):
其電解質為氧化鋯,因含有少量的氧化鈣與氧化釔,穩定度較高,不需要觸媒。一般而言,此種燃料電池之操作溫度約為
(6)直接甲醇燃料電池(DMFC):
DMFC同樣使用質子交換膜技術,但以甲醇溶液為燃料,和PEMFC一樣屬於低溫型燃料電池,可在室溫下操作,其體積能量密度約為液態氫的3~4倍,攜帶時遠較氫氣方便、安全,燃料取得容易且成本低,更符合可攜帶式電子產品的需求。
上述各種燃料電池的基本特性與應用區隔及各種燃料電池應用之需求功率,如下表及下圖所示。
燃料電池的種類及應用
燃料電池之應用及需求功率
三、燃料電池市場需求與預測
Edward
D. Hester (2001)預估,全球2005年燃料電池市場可達85億美元,2010年可達233億美元。其中,發電用燃料電池2005年市場為38億美元,2010年預測為105億美元,2000~2010年複合成長率達26.6%;車輛動力用燃料電池,2005年市場為18億美元,2010年預測為39億美元,2000~2010年複合成長率達20.6%;可攜式電力2005年市場為12億美元,2010年預測為45億美元,2000~2010年複合成長率為35.6%;其他應用領域2005年市場預測為17億美元,2010年為44億美元,2000~2010年複合成長率為21.8%。在地區別市場方面,2000年以美國7.2億美元(佔29.5%)最大;日本為6.75億美元,佔27.7%,排名第二;德國則以2.6億美元,佔10.7%,排名第三。此三者,2000~2010年複合成長率分別為:24.6%、21.7%及21.4%。
四、我國燃料電池的發展
1987年,台電公司委託工研院能資所進行燃料電池技術可行性評估計畫,結果選定PAFC為優先發展項目,自此經濟部能源委員會開始長期援助支持能資所從事相關技的開發。1995年,能資所獲得台電公司的技援與合作,利用能源基會的經費,從美國引進一座200KW的現場型汽電共生發電機組,安裝在北縣樹林台電公司研究所內,並展開一連串的試驗運轉與展示宣導工作。1998年以後,由於國外開始轉換研究方向,能資所因而也將技術研發轉為PEMFC上,繼續開發相關的技術與產品。
早期國內燃料電池研究計畫的規模與參與人數皆非常有限,僅著重在瞭解國外技術發展動態與培養基礎技術能力。直到2000年,經濟部能源委員會開始擴大燃料電池研發的規模,不但工研院整合自身資源,由能資所、化工所與材料所共同加入家用型燃料電池發電機的研發團隊,元智大學的燃料電池研究中也獲得一項為期五年的長期計畫,開發相關材料與基礎技術;同時亞太燃料電池公司正式成立,開發電池組,電動機車與發電機等產品。
2001年時,台灣涇濟研究院在政府部門支持下,成立台灣燃料電池夥伴聯盟,從事資訊交換、產業輔導、教育宣導與示範推廣工作。2001年之後,經濟部技術處開始支持自行車研發中心相裝燃料自行車,工研院材料所開發DMFC技術,中科院與元智大學研究燃料電池材料與組件,以及亞太燃料電池公司研究電動機車與真敏公司研製燃料電池發電機。其後,經濟部工業局也協助恩良公司開發複合材料雙極板,亞太燃料電池公司則建立電池試量產線。
2003年起,核研所獲得原子能委員會的五年期專案計畫,從事SOFC與DMFC的產品研發。此外,國科會也非常重視燃料電池的技術研發與人才培育工作,這兩年給予大專院校的相關計畫亦將近50件,就目前的概況而言,政府部門的燃料電池研發經費約為2億5千萬元,而私人公司投入的經費約為1億元,合計為3億5干萬元,同時動員的研發人力日益增加,包括研究機構、學校與產業界等,估計已超過200人。
肆、研究程序與方法
一、研究方法與程序
本研究採用文獻分析與訪談方式,對台灣燃料電池之發展歷程以文獻探討方式進行,在未來燃料電池發展普及化的期待方面,除文獻探討之外,同時針對消費者使用
二、研究樣本與限制
研究對象為個人擁有多項電子
(1)使用者一(A):男性,學歷為師範院校畢業,目前在國中任教,擔任生活科技教師及兼任行政工作,由於工作上的需要及個人對
(2)使用者二(B):男性,學歷為機械專科畢業,目前自行開設一家手機店,經營手機相關商品之販售與維修,由於工作上經常接觸使用
(3)使用者三(C):女性,學歷為師範院校畢業,目前在國小任教,擔任自然科教師及兼任行政工作,家中有許多
三、資料分析方法
本研究以深度訪談來收集資料,先簡述訪談問題,由受訪者自由發表,輔以錄音設備完成訪談資料內容繕打,並加以編碼。本研究之編碼共分
四、研究信效度
研究者對逐字稿的撰寫,完全以受訪者的訪談內容加以陳述,逐字稿完成後再請受訪者親自檢視過目,以確定紀錄內容盡量接近受訪者原意的真實性。
伍、研究結果與分析
一、消費者對燃料電池的認知不甚清楚
大部的使用者對燃料電池的認知,不是那麼的清楚。例如:燃料電池是不是可以像我們手機所使用的鋰電池一樣,可以再進行充電…(#B950801);燃料電池的使用,在填充燃料時,應該注意其安全性…(#C950801);燃料電池這項技術,台灣目前有這方面的能力嗎?…(#A950801)。
二、消費者對覺得台灣不重視新能源的研究
大部的使用者對政府失去信心。例如:…如果政府有心的話,應投入大量的人力、物力,培養燃料電池的研發人才…(#A950802);我們連引擎都無法自行設計生產,更何況是處於落後階段的燃料電池技術,…(#C950802);如果我們重視新能源的使用,政府應有相關的配套措施,如加速立法…減稅,鼓勵大眾使用新能源…(#B950801)。
三、消費者對目前使用高耗電的
大部的使用者認為,隨著
四、消費者均認為燃料電池如要普及化,必須具備成本低、方便取得…等特性
所有的消費者一致認為,燃料電池要受到使用者的廣大喜愛,價格一定要夠便宜、所以必須要降低燃料電池的製造成本,才能普及。而且還必須能快速啟動和反應及耐久性須更長、夠安全、隨時隨地容易取得之便利性為原則。例如:如果燃料電池電力的續航力能夠達到目前鋰電池的5倍效率,我會毫不考慮的使用燃料電池(但是不能太貴),這樣就可供我一天的使用電量…(#C950803);燃料電池要普及,就是當我有需要使用電池時,可以很快的買到,比方,可以在便利超商買的到燃料電池…(#A950803);…家中有許多淘汱不用的手機,其電池也跟著手機被淘汱,如果未來燃料電池的規格也能像現今的乾電池規格一樣,統一標準化…(#B950803)。
陸、結論與建議
一、結論
(1)消費者對燃料電池的認知不甚清楚
由於燃料電池的發展在台灣屬於剛起步的研究階段,進入使用市場的例子不多,所以國人對燃料電池的接觸較少,又加上宣導教育的不足,因此,國人對燃料電池的認知普遍缺乏,不了解燃料電池的特性,甚至質疑燃料電池的安全。
(2)消費者對覺得台灣不重視新能源的研究
雖然台灣在全球的資訊產業中,佔有一席之地,但多年來其實一直處於代工地位,顯少有獨立設計開發的能力,所以國人難免會被舊觀念誤導;但事實不然,其實最近幾年,台灣已有不少廠商以自創品牌,在國際市場已漸漸嶄露頭角、大放異彩。
(3)消費者對目前使用高耗電的
由於科技的發展導致新興的
(4)消費者均認為燃料電池如要普及化,必須具備成本低、方便取得等特性
價錢,是消費者在選購
二、建議
(1)在政府政策方面:
綜合而言,燃料電池科技是21世紀最重要的能源科技,美國、日本及歐洲等先進國家皆投入相當多的人力、經費於燃料電池的相關研究上。台灣雖然落後於先進國的燃料電池科技研發水準,但台灣仍有
(2)在教育整合方面:
台灣燃料電池相關技術人才相當缺乏,國內研發機構、學校、政府單位及產業間應加強交流、溝通的管道,將相關的資訊予以整合運用,積極人材培育及教育推廣。另外,須加強國人對於燃料電池的瞭解,破除國人普遍對燃料電池安全性的質疑,積極宣導清潔能源的重要性
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