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燃料電池與小火車

國立科學工藝博物館為推廣燃料電池新知和環境永續教育,並使燃料電池知識向下扎根於中小學教育,結合了火車行駛的趣味性和燃料電池科技的新奇性,發展出複合式質子交換膜燃料電池動力小火車。
 
 
 
「能源危機」和「環境保護」是本世紀關係人類生存發展的重要議題,為了解決這兩大難題,各國政府和研究單位無不投入大量的經費和人力進行技術研發,希望能夠催生各種潔淨的新能源。

燃料電池(fuel cell)是火力、核能、風力、水力、太陽能等發電技術以外的一種發電技術,它不像傳統二次電池只能充當電能的儲存單位,也不是如內燃機燃燒燃料而產生熱來做功。它是利用電化學的原理,直接把燃料中的化學能轉化為電能,並釋放出熱能的裝置。因此燃料電池本身是一種發電裝置,若裝設在車輛上,搭配馬達和傳動系統,就成為電動交通工具,而且有優異的環保效益。

近期燃料電池的發展,是以氫氣為燃料的低溫型質子交換膜燃料電池為主。它的作用原理是以氫為燃料,經過和氧的電化學反應後,不需燃燒就可以把反應的化學能轉為電能。它是一種直接式的能量轉換器,不但發電效率高,而且最終的產品只有熱能和純水,可視為一種綠色環保發電機,是推廣清潔能源和動力科技的未來趨勢之一。

燃料電池是有潛力的綠色發電器具,廣受各國重視,尤其在地狹人稠、能源短缺的臺灣,更應該加強這項能源的研究。國立科學工藝博物館(工博館)為推廣燃料電池新知和環境永續教育,使燃料電池知識向下扎根於中小學教育,結合了火車行駛的趣味性和燃料電池科技的新奇性,發展出複合式質子交換膜燃料電池動力小火車(可乘坐 9 ~ 12 人),在戶外園區 18.4 公分寬、212 公尺長的小火車軌道上運行。

藉由小火車實際行駛的過程,吸引民眾觀賞搭乘,以體驗燃料電池科技和它的環保效益,並進一步引導民眾了解燃料電池的基本概念和未來能源發展的趨勢,加深民眾對能源的認識和重視。透過這項活動,得以讓大家確切地體認能源的重要性和地球暖化的影響,達到「珍惜能源、愛護環境」的教育目的。

未來氫能和燃料電池的社會裡,必然需要建構如加油站般的氫能供應體系,因此儲氫裝置和充氫設備是氫能和燃料電池時代不可或缺的環節。在園區內也建置了一個低壓充氫站,不僅可以供應燃料電池小火車使用,也可做為氫能供應和充氫站方面的教育示範及推廣手段,提供民眾一個完整的氫能應用實例。

燃料電池小火車

第 1 代燃料電池小火車是把燃料電池供電系統單獨設計外掛在車頭後,於 2006 年 1 月完成並開始運轉,在假日固定行駛供觀眾乘坐體驗,把氫能燃料電池這項新的能源科技介紹給一般大眾。

經過 1 年的實際運行、系統測試改進後,2007 年 2 月,工博館斥資重新設計第 2 代燃料電池小火車,把燃料電池供電系統和動力車頭整合成一體,包覆在流線型的車頭內。

工博館的燃料電池小火車採用結合燃料電池和鎳氫電池的複合動力系統,系統內主要組件是氣冷式的質子交換膜燃料電池組、外接式加溼器、4 支低壓金屬儲氫罐組成的供氫模組、空氣供應模組及電控模組等。此外,也內含許多系統安全裝置和安全顯示燈號,以確保系統運作的安全。

關鍵組件技術

燃料電池小火車的技術可分成:燃料電池組、燃料供應模組(也就是供氫與供氣模組)、加溼器、冷卻散熱模組和控制器 5 大主要部分。

燃料電池組

燃料電池和內燃機、發電機一樣,屬於開放系統,在運作的同時,有質量、能量及動量的進出,以維持能源轉換。當燃料電池做功時,須有燃料和氧氣供應,產生電力、水和熱。為了持續穩定產生電力,系統除了能穩定地供應燃料和空氣外,還要能有效排放出水和廢熱。因此燃料電池系統除燃料電池組本體外,還要有燃料和空氣供應、水分及生成熱的平衡控制、電力轉換等各次系統的搭配,才能維持燃料電池系統的正常運作。

燃料電池的運作方式是,氫氣來自低壓金屬儲氫罐,先以壓力調節閥把壓力調整到約 0.7 大氣壓,再調整到燃料電池反應所需的流量後進入燃料電池。空氣則來自鼓風機,空氣在進入燃料電池組前會先進行加溼操作。

在燃料電池組內,氫氣和空氣會起電化學反應,氫分子在陽極氧化成氫離子(H2 → 2H+ + 2e),產生的電子流出至燃料電池外部電路,做功之後自陰極流入燃料電池,氫離子則移動至薄膜另一側的陰極。氧分子在陰極還原成氧離子,並和移動過來的氫離子與從燃料電池外部電路流入的電子結合形成水分子(1/2 O2 + 2H+ + 2e → H2O)。這時在陰極會產生水,同時由於逆滲透的關係,陽極也會累積多餘的水,都可藉由燃料的吹動和自動洩氣予以排除。

燃料電池組是由多個單一燃料電池(單電池)堆疊串聯組合而成的,所需要的單電池數量則視所要求的電壓而定。這特性使燃料電池組非常容易製造,並且可以模組化。燃料電池所供應的電壓取決於單電池堆疊的數量,電流則取決於單電池的反應面積,若陰/陽極進料供應無缺,就可供應穩定持續的直流電源。因此,根據不同的需求會有不同的電池組設計。

本系統所使用的燃料電池組是根據小火車的運轉需求,估算所需的堆疊數和反應面積,再透過實測修改設計,以滿足小火車的動力需求。系統的燃料電池組是由 41 片單一質子交換膜燃料電池(反應面積 40 cm2)堆疊組合而成,實體尺寸大小是長 × 寬 × 高=137 × 138 × 314 mm3,輸出電力是 24 V、250 W。系統構造和一般燃料電池系統大同小異,但因為本系統中尚有鎳氫蓄電池做為輔助動力,因此屬於燃料電池和鎳氫蓄電池的複合式質子交換膜燃料電池動力系統。

燃料電池小火車的運作方式非常簡單,只要打開主電源開關,系統內的供氫模組和空氣供應模組就會立刻啟動,瞬間把氫氣和空氣送到電池組內產生電化學反應並輸出電力。電力傳送到馬達後,便會帶動燃料電池小火車上的傳動系統使小火車運行,整個流程只要幾秒鐘。

燃料電池小火車平時運轉所需的功率約 250 瓦,全數由燃料電池提供。在小火車起動、急加速或爬坡時,有時也需要約 700 瓦左右的功率輸出,這時就會利用系統內的二次電池(鎳氫電池)來提供不足的 450 瓦電力。

小火車內的燃料電池和鎳氫電池複合動力系統的最大功率可擴充至 1,000 瓦,且最大功率輸出可持續 30 分鐘以上。因此,未來可應用於功率需求較大的火車或其他交通工具和發電設備上。

燃料供應模組

燃料電池系統的核心組件是電池組,另一項重要的組件是燃料供應裝置,藉由這裝置才能長時間供應可靠的電力。目前在世界各地試驗或展示的燃料電池電動車,燃料大多採用氫氣。其中,巴士和汽車使用高壓儲氫瓶(儲氫鋼瓶的壓力大多在 200 個大氣壓以上),可以行駛較長的距離;至於機車和自行車,則採用低壓合金儲氫罐(10 個大氣壓以下)。

根據美國能源部的研究指出,合金儲氫是現行最安全的氫氣儲存方式。小型車輛使用合金儲氫罐主要是由於安全性的考量,高壓鋼瓶只要發生洩漏,瞬間就會釋出大量的氫氣,而合金儲氫罐的洩漏速率緩慢較無危險性。

本系統的燃料供應因考慮教學安全、攜帶方便、使用時間不長等因素,採取亞太燃料電池科技公司開發的機車用低壓金屬罐來儲存和供應氫氣。低壓金屬罐在系統中扮演一個很重要的角色,儲氫罐內含金屬儲氫粉末,利用金屬儲氫粉末的特性,以低壓的方式把氫氣儲存在鋁罐內。

本系統的低壓金屬儲氫罐有下列特色:操作壓力低(<10大氣壓);充放氫速率由壓力或溫度的調整來控制;儲氫合金體積儲能密度高;儲氫合金可純化氫氣,提供高純度(99.999%)的氫氣,而氫氣純度高可以提升燃料電池的性能;儲氫合金在吸氫時會放熱,放氫時吸熱,可以適時提供及帶走熱量。

金屬儲氫罐充滿氫氣的重量是 4,338.9 g,放氫後的重量是 4,294.1 g,儲放氫量是 44.8 g,可用氫氣比率是 93%。以攝氏 30 度、8.2 slpm 定流量放氫為基準,在 1 大氣壓的放氫條件下,持續放氫時間可達 55 分鐘。

加溼器

質子交換膜燃料電池內部所使用的電解質是導氫離子的固態高分子電解質,需要適度的水來潤溼化學結構中的磺酸根以傳導氫離子。因此反應時需要適度地對反應氣體增溼,以確保燃料電池能正常運作,且相對溼度愈高,發電效率愈高,也愈能確保燃料電池組的壽命。本系統結合加溼器和燃料電池組,利用回收燃料電池所產生的水來加溼進口空氣,可使進料乾空氣升溫至比電池操作溫度低攝氏 5 ~ 10 度,相對溼度達 90 ~ 100%,使燃料利用達到最佳化。

冷卻散熱模組

當質子交換膜燃料電池的操作溫度提升到攝氏 60 度以上時,電池內電解質膜的水分蒸發速率會加快,當蒸發的速率大於反應產生水的速率時,膜內的溼度會逐漸降低,發電性能隨著下降。因此,必須針對系統特性設計冷卻散熱模組,才能有效冷卻電池內部和提升電池的發電效率。

燃料電池的散熱方式一般可分為水冷式和氣冷式兩大類。水冷式燃料電池是把水導入燃料電池內部做為冷媒,並在外部利用熱交換器降低水溫。氣冷式燃料電池是利用風扇把外部較冷的空氣導入燃料電池以帶出熱量。本系統利用氣冷方式降低燃料電池的溫度。

控制器

當燃料電池放電時,放電電壓隨著電流增大而降低,當外部負載增加時,電壓會降低。然而過低的燃料電池電壓會導致燃料電池損壞,因此整個控制系統會保護燃料電池的電壓,當電壓低於設定值時,警示燈就會亮起來並自動切斷系統。

燃料電池的性能也會隨著操作溫度不同而有差異,溫度過低會導致性能不佳,若溫度過高,也會使燃料電池損壞。一般而言,低溫型燃料電池的操作溫度範圍在攝氏 50 ~ 70 度,當溫度高於額定溫度上限時,警示燈會亮起並自動切斷系統。

小火車的特色

經一年多的實際行駛、測試(於周六、日和國定假期在工博館戶外公園辦理搭乘科教活動),可歸納出燃料電池小火車具有下列特色。

零汙染—因為燃料電池的排放只有「熱」和 「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。

低噪音—因只透過質子交換膜燃料電池的電化學反應產生動力,沒有一般車輛引擎發動時的燃燒、爆炸吵雜噪音。

續航力長—使用4支低壓金屬儲氫罐,可以在園區軌道連續運轉 12 小時以上。

不用充電—只要能持續供應燃料,就能不間斷地發電,就像汽車,只要有汽油,引擎就能持續運轉一樣。也就是說,只要在低壓金屬儲氫罐內的氫氣用完時更換儲氫罐,就可以立刻繼續運轉。

安全性高—用儲氫合金(貯氫合金)儲存和運輸氫氣是目前極力開發的新技術,因為金屬材料對氫氣具有選擇性,可以大量吸附氫,除了能量密度高、攜帶方便、易控制外,也比高壓和液化供氫方式安全。

反應溫度低—質子交換膜燃料電池的觸媒反應溫度在攝氏 60 ~ 80 度之間,有啟動容易的優勢。

從開始運轉以來,參觀高雄工博館的民眾不分老少,都非常注意和喜愛燃料電池小火車。截至 2008 年 2 月 15 日止,已運轉超過 1,000 小時,累計乘坐人數超過 36,000 人。
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