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燃料電池與木車馬

104/09/03 瀏覽次數 3096
在面臨溫室效應、全球暖化、能源需求日益增加、環境惡化等情境下,為了改善能源需求及解決日益嚴重的環境汙染問題,世界各國無不竭盡所能研發綠色能源。其中,氫能與燃料電池就是重要的選項,因為氫不僅可以直接燃燒產生熱能利用,也可以使它與氧氣結合後的化學能經由燃料電池的電化學反應轉換為電能使用,且過程中只會排放「熱」與 「水」,並不會造成環境汙染的問題。再加上氫具有可儲存的特性,基於能源安全與環境永續的發展優勢,已被視為新世紀中最有發展潛力的綠能之一。

教具不僅是教學時重要的輔助工具,更能營造學習情境,達到寓教於樂、事半功倍的教育效果。國立科學工藝博物館(以下簡稱科工館)本著推廣大眾科學的教育宗旨,與成功大學中華古機械研究中心合作開發「燃料電池木車馬」,希望藉由古代魯班木車馬機構的復原,結合燃料電池綠能科技做為動力的來源,呈現出傳統與現代、人文與科技的整合。

此外,藉由趣味及互動性頗高的可載人式燃料電池木車馬教具,實際行走吸引民眾觀賞乘坐體驗燃料電池科技及它的環保效益,以推廣節能減碳教育,達到「減緩全球暖化及環境保護」的教育目的。

現代木車馬

魯班,本姓公輸,名般,是春秋時魯國巧匠,也是一位傑出的發明家。相傳魯班為了不讓年邁的母親外出行走時過於勞累,發明了令人稱奇能自動行走又不需人控制的木車馬。然而沒想到木車馬一經驅動後,就一直往前走而沒有回來過,魯班也因此失去了他的母親。根據古書記載:「木車馬原由木頭人駕馭即可在無動力裝置下行走。」依當時的年代,木車馬的製作材料應當是木材,但由於木料容易腐壞,這項古中國的重要機械發明可能因此就此失傳了。

為能使節能減碳的觀念向下扎根於中小學,並落實於日常生活,科工館以成功大學中華古機械研究中心研究群研發的八連桿木車馬為基礎,研發從無動力運用慣性行走的桌上型模型木車馬,到可讓觀眾乘坐的大型仿生機器木車馬,並呈現為一系列的教具,讓參觀民眾能了解木車馬的歷史淵源、發展歷程、結構原理,並進行「節能減碳」教育。

為了呈現史書中所記載魯班的木車馬,成功大學顏鴻森教授帶領了研究團隊,以當代的工藝技術水準,並利用現代機械設計的理論,成功地復原了具有文獻資料上所記載仿真馬步態行走功能的木車馬。在多年來不斷地系統化研究下,陸續分析了四連桿、六連桿、八連桿等腿部結構在不同桿數下的功能。其中,以八連桿組的表現最為優越,因此科工館以八連桿的金屬機械結構再現木車馬。

科工館第一代可載人式木車馬製作時,是把成功大學中華古機械研究中心研究群的研發成果—八連桿木車馬,仿照真實馬匹的外形與行走方式,應用腿部的連桿機構,及搭配鉛酸蓄電池為動力來源,設計成大型可乘坐式的仿生機器馬。讓參觀民眾藉由乘坐的趣味互動中,了解它的機械原理,並達到結合機械、仿生,以及歷史的教育目的。

燃料電池木車馬

科工館製作第一代可載人式木車馬時,是以木車馬復原的機構形式為主要展演重點,以及凸顯連桿運作在機械構造中的重要性,因此採用最簡單且最容易取得的鉛酸蓄電池為動力來源。由於鉛酸電池在耗損後本身會成為汙染源,為了配合環保理念並推廣綠色能源及節能減碳教育,因此尋求潔淨的替代能源便成為最大的目標。最適合使用在交通工具上且最具未來性的燃料電池,自然就成為第二代可載人式木車馬動力來源的首選。

燃料電池原理 燃料電池是一部發電機,以氫為燃料,經過與氧的電化學反應後,不需燃燒反應就可以把燃料的化學能轉為電能。只要持續不斷供應燃料,就可源源不斷產生電力,是一種直接式的能量轉換器,且是發電效率很高的發電機構,而且最終的副產品只有熱能與水,不會汙染環境,是環保發電機。

目前發展中的燃料電池,依所使用電解質層的不同,大致可分為鹼性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池等。其中質子交換膜燃料電池主要應用於運輸動力與小型分散型發電機組,具啟動快、反應溫度低等特性,因此燃料電池木車馬的動力機構採用質子交換膜燃料電池。

質子交換膜燃料電池的發電原理是氫氣經由流場板至陽極,透過擴散層與觸媒層中的白金觸媒作用後,氧化為氫離子並釋出電子(H2 → 2H+2e)。這時,電子因電位差的緣故,經由導電層在外電路形成電流作功後輸送至陰極。氫離子和電子以及由陰極氣體流道輸送來的氧氣,藉由陰極觸媒層的白金催化進行電化學反應而產生水(2H+0.5O2+2e→ H2O)及一些熱能。

特色 燃料電池木車馬是結合燃料電池與鋰鐵電池的複合動力系統,這系統內的主要組件是氣冷式的質子交換膜燃料電池組、加溼器、供氫模組、空氣供應模組、電控模組等。

燃料電池木車馬的運作方式非常簡單,只要打開主電源開關,系統內的供氫模組及空氣供應模組就會立刻啟動,使低壓金屬儲氫罐的氫氣先經壓力調節閥把壓力調整到約0.7大氣壓,再調整燃料電池反應所需的氫氣流量後進入燃料電池,並與加溼後由鼓風機送進燃料電池組內的空氣產生電化學反應並輸出電力。電力傳送到馬達後,使馬腿八連桿機構作動以驅動木車馬運行,整個流程只要幾秒鐘。它的特色是:
  1. 操作溫度及壓力低—質子交換膜型燃料電池的觸媒反應溫度是攝氏60度至80度,操作壓力也小於10大氣壓,具有啟動容易及安全性高的優勢。
  2. 可瞬間啟動—只要打開主電源開關,系統內的供氫模組及空氣供應模組就會立刻啟動,瞬間把氫氣及空氣送到電池組內產生電化學反應並輸出電力。
  3. 零汙染—因為燃料電池的排放只有「熱」與「水」,所以沒有傳統二次電池的重金屬汙染以及引擎車輛的溫室氣體排放所造成的環境汙染問題。
  4. 低噪音—燃料電池是以電化學反應產生電力,不像車輛引擎有燃燒、爆炸的吵雜過程。
  5. 不需充電—燃料電池木車馬在平時運轉時,由燃料電池系統供給所需的電力,同時對系統內的鋰鐵電池充電,不需要再額外對系統內的鋰鐵電池充電。
  6. 續航力很長—使用四支低壓金屬儲氫罐,可連續運轉10小時以上。
  7. 安全性高—低壓金屬儲氫罐供氫比高壓及液化供氫方式安全,且攜帶方便,氫氣用完後也容易充填。

燃料電池木車馬製作完成後,就投入科工館內外推廣各項節能減碳活動的行列。由於可乘坐,因此與觀眾互動性高,演示效果也顯著,且具有傳統與現代科技結合的教育意義,相當吸引觀眾的注意,成為活動的焦點。例如98年度教育部資訊展活動和103年嘉義市「創意諸羅城科學168」科學及創造力博覽會中,就以木車馬為行銷重點,同時讓民眾試乘,成為節能減碳推廣系列活動的最佳賣點。
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