燃 料 電 池

題 目 : 質子交換膜燃料電池

商品化所面臨之挑戰

4-6

質子交換膜燃料電池商品化所面臨之挑戰

4-6-1 成本議題

4-6-2 燃料供應與基礎設施問題

4-6-1 成本議題 提昇燃料電池性能與降低製造成本是一體兩面的議題，也是燃料電池商品化的關鍵因素。由於質子交換膜燃料電池的市場潛力十分巨大，目前各國政府與大公司均投入巨資展開激烈競爭，技術保密甚為嚴謹。 1980年代以來的燃料電池科技快速進展下，使得在二十一世紀達降低成本所定之目標充滿希望，而完成使 PEMFC 在運輸動力以及發電機的商業化。 PEMFC 商業化進程的近期目標 (2000 年 )為軍事與民生之 100W-1kW 可攜式電力，中程目標 (2010 年 )為應用在 NASA 太空站的再生式燃料電池與 MAR Space Flight ，而 PEMFC 所扮演的長程目標 (2015 年 )為電動車之動力源以及住宅與商業建築之電力。目前燃料電池製造成本已經降低至每千瓦數百美元。如果要進一步降低成本則必須進行大量生產與技術精進。

降低成本挑戰項目如下 : 1. 陽極電催化觸媒能夠容忍 100ppm 的 CO 含量 ( 貴金屬

負載

量低於 0.1mg/cm2)。

2. 開發陰極新觸媒以降低過電位以及增加交換電流密度。

3. 開發低成本的且與現有以 PFSA 離子體有相同導電度之質

子交換膜。

4. 開發不必靠水分子導電之高溫 (150-200℃) 質子交換膜。

5. 低成本之雙極板開發。

6. 開發低成本、體積小之空氣泵浦，以提昇系統性能。

7. 水管理之最佳化。

4-6-2 燃料供應與基礎設施問題建立完整之燃料供應基礎設施是燃料電池電動車商業化之前提。無論汽車製造商在改進燃料電池電動車的各項性能上付出多大努力，如果沒有像目前星羅棋佈的加油站一樣方便的燃料補給點，所有的燃料電池汽車將永遠只能作為概念車在各大車展上出出風頭而已。以目前所投入的資源與努力對燃料電池普遍化所需的大量氫氣供應站而言實屬杯水車薪，整個建設氫氣供應站、切換管線、添置設備及相關的營運費用相當龐大，個別公司是絕對難以負擔的，這種臨門一腳的角色必須有賴各國政府與民間廠商共同來扮演，而這也正是燃料電池電動車商業化所面臨最大考驗。

燃料供應與基礎設施挑戰項目如下 :

1. 燃料的選擇 ( 汽油、甲醇、或氫氣 ) 。

2. 燃料處理效率，包括降低重量、減小體積、以及 CO

含量。

燃料電池電動車燃料供應說明 供 應 方 式 現 況 備 註

純氫直接供 應

壓縮氫氣、液氫、儲氫合金等供應方式。

目前此方式之基礎設施並不完整而且相關技術仍在開發階段。

距離能夠商業化運轉的目標尚有一段距離。

現場製氫供 應

碳氫燃料重整製氫、以及化學還原製清等

方式。

目前已運用在原型車上有戴姆勒克萊斯勒NECAR5 、通用汽車 Chevrolet S-10等。

其中， NECAR5已經符合美國加州的超低排放標準。

氫氣儲存狀態區分 儲 存 狀 態 儲 存 容 器 儲存之重量效率

( 重量分率 %) 儲存之體積效率

(kg/m3)

氣 態 氫 氣

鋼 瓶 (150atm)

1.50 12.10

液 態 氫 氣

鋼 瓶 鋁 瓶

13.00 23.70

46.90 46.90

儲氫合金吸放氣

鋼 瓶 1.045 35.29

微碳管吸放氣

鋼 瓶(113K， 54at

m)

7.22 39.00

燃料電池基礎設施發展與燃料處理技術之關係

氫氣即付系統(HDSTM ， hydrogen on demand system)

簡介 此項系統是由千禧電池公司與戴姆勒克萊斯勒合作開發的現場型化學還原製氫技術。這套系統搭戴在 Chrysler Town ＆ Country 休旅車上，取名為「鈉 (Natrium)」。 HDSTM 是使用一種類似商用硼砂的金屬氫化物 -硼氫化鈉 (sodium borohydride ， NaBH4) 為燃料，將硼氫化鈉與水反應生成氫和硼酸鈉 (硼砂，常用做乾燥劑 ) ，它產生氫氣化學方程式如下 :

NaBH4+2H2O →4H2+NaBO2

氫氣即付系統 HDSTM 具有之特點 :

1. 只生產必要的氫氣，因此安全性高。硼氫化鈉的穩定度也足以儲存在目前一般汽車所使用的標準油箱中，解決重量等複雜問題。

2. 搭配燃料電池使用後，唯一的副產品是無毒的液體硼砂和水，因此，這項技術也具備完全無污染的特性。

3. 製氫反應過程是可逆的，因此，使用過的液體硼砂 (硼酸鈉 ) 可以再次「充氫」變回硼氫化鈉，重複使用。

「氫氣即付系統 HDSTM 」製氫技術流程圖與循環示意圖

以原料的來源區別氫的生產方法分為兩大類 : 1.化石燃料製氫 : 此方法為現階段商業化製氫的主要方法，

例如蒸氣重整法、非完全氧化法、煤氣化法等。

2. 非化石燃料製氫 : 主要製程有水電解法、水光電解法、

實驗室少量製氫法，目前仍以水電解法為主。

儲氫技術慨念 儲 存 系 統 體 積 儲 存

容量 /gH2L-1 質 量 儲 存容量 /gH2kg-1

體 積 能 量密度 /kWh L-1

質 量 能 量密度 /kWhk g-

1 全複合材料高壓氣體容器 (25Mpa)

17.5 64 0.6 2.15

甲 醇～ 95 ～ 120 4 3

金屬儲氫材料 -現行技術 (室溫 )

80 10-15 2.7 0.35

金屬儲氫材料 -預期指標 (室溫 )

>160 20-50 >5 >0.7

＜續下頁＞

液 氫(-253℃/20K)

35 105 1.2 3.5

海 綿 鐵 ～ 65 ～ 35 1.4 0.7

奈米碳管 -摻鉀

奈米碳管 -摻鋰(實驗室量測

值 )

126180

140200

4.26.0

4.666.66

石墨奈米纖維(實驗室量測

值 )

～ 450 ～ 430 ～ 15 ～ 14

P.S: 儲氫技術是發展氫能的關鍵技術，尤其對燃料電池電動車而言。

氫氣車與汽油車燃料洩漏並點燃後之比較圖

The

end