漫遊現代科技 — 能源材料

漫遊現代科技—能源材料

東華材料系 -- 張文固

Contents

燃料電池 (Fuel Cell)

太陽能電池 (Solar Cell)

廿一世紀人類面對兩大問題：

能源危機環境污染

能源 – 摘自能源政策白皮書

能源可說是經濟發展及社會進步的原動力工業發展 – 電力、燃料油等交通運輸 – 油品人民生活 – 電力 ( 含家用與攜帶用 )

* 過去 10 年國民生產毛額 (GDP) 平均年增率為 6.7% ，能源消費年增率約 6.2% ，顯示能源消費與經濟成長相關。

當前能源課題 – 摘自能源政策白皮書

能源消費快速增加運輸、住宅與商業部份的能源消費比重增加

環境污染問題日受重視能源使用效率仍有提高空間

電力、生活與環保停電時刻 @ 小型發電機、電池新時代生活 % 手機、隨身電腦等環保議題 – 發電機的噪音與污染電池的重複使用、回

收與丟棄天然資源的快速消耗國際能源科技發展趨勢 * 能源效率提升 * 潔淨能源技術 * 燃料電池與氫能 * 再生性能源

自然資產 - 化石燃料化石燃料 (fossil fuels) 提供 ~85% 全世界使用之能量

天然氣 (natural gas): 主要成份為甲烷 (CH4)

estimated to last ~110 years at current usage rate

石油 (petroleum): 含數千種碳氫化合物之複雜混合物


煤 (coal): 更複雜之碳氫化合物混合物


化石燃料不僅提供能量，亦是工業生產上重要碳氫化合物的主要來源

台灣能源的使用狀況

資料來源 : 經濟部能源局網站

電 – 方便的能源型式

電可由線圈於磁場中轉動產生 ( 電磁感應 - 法拉第定律 )

火力發電水力發電核能發電太陽能發電風力發電地熱發電

………

The efficiency for overall conversion for a fuel into electricity and its distribution to users is ~ 30%.

The efficiency for overall conversion for a fuel into electricity and its distribution to users is ~ 30%.

台灣電力使用狀況

替代化石燃料的能源核能 (Nuclear energy) – nuclear fission, nuclear fusion

1 kg of U-235 = 20,000 tons of TNT

太陽能 (Solar energy) – ~1.7×1017 W received by Earth

Ocean kelp has perhaps the highest utilization of sunlight (2% overall)

生物燃料 (Biofuels) – biomass fuel, such as ethanol

地熱能 (Geothermal energy)

….

能源轉換網路

化學能

輻射能

電能機械能

核能

熱能

動能，位能

太陽能電

燈

化學光

光化學合成

電化學合成

Electrochemical Cells

燃燒器

核子反應

馬達

發電機

燃料電池與電能• 能源替換 – 以氧氣及氫氣 ( 或甲烷、乙醇… )為主 (H2 + ½ O2 H2O + 熱 + 電 )

• 環保 – 排放物為純水 (H2O)

• 高效率 – 單位能源的 CO2排放量較低

與資訊科技、生物科技並列為 21 世紀三大科技

電化學電池 (electrochemical cells)

定義：直接進行“化學能電能”的裝置電池 (Battery) – an energy storage device, 化學能儲存在

cell 內部 ( 電池的電極 ) * 一次電池 (Primary battery) – 不可逆的電化學反應，鹼

性電池。 * 二次電池 (Secondary battery) – 可逆式的電化學反應，

鉛酸池、鎳氫電池、鋰電池等燃料電池 (Fuel Cell) – 發電機 an energy generating device,

化學能儲存在 cell 外部 ( 燃料 ) 燃料電池電池，二者都是電化學電池

化學能電能

燃料電池

電

水

Fuels燃料氫氣

Oxidants( 氧化劑 ) 氧氣空氣

燃料電池為何被視為 21 世紀之新興產業 ?

電力市場持續成長輸配電成本急遽升高，分散式電廠市場將逐步成長

環保意識覺醒，潔淨電力能源成主流無線器材市場快速成長、高能量密度電池之需求日增

擁有鉅大之市場潛力

- 續頁 -

清潔： -- 利用氫能無污染 -- 利用石化燃料降低污染安靜： -- 200 KW (9m, 62DBA) 高效率： -- 固定式 -- 移動式高能量密度電池貯存電力

- 續頁 -

未來 20 年有 3200億美元 / 年之市場

大型基載電廠： 100GW/ 年， ~750億美元 / 年 (300MW 以上 )

分散式電力 (KW ~ 2MW) ：目前 100億美元 / 年，2010 年 1300億美元 ( 社區、工廠、居家 )

移動型電力 (400W~200KW) ： 250億美元 / 年手提式電力匣 (1W~200W) ： 550億美元 / 年

電解質操作溫度低溫型高分子膜燃料電池（ Polymer

Electrolyte Fuel Cell, PEFC ）80～ 100℃動力型、可攜式、固定型

鹼性燃料電池（ Alkaline Fuel Cell, AFC ）

60～ 220℃太空船、固定型、動力型 ( 機場 )

磷酸燃料電池（ Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC ）

180～ 200℃固定型

中溫型熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC ）

650℃固定型

高溫型固態氧化物燃料電池（ Solid Oxide Fuel Cell, SOFC ）

800~1000℃固定型

燃料電池的分類

H2+2OH-

→2H2O+2e-

H2→2H++2e-

H2→2H++2e

H2+CO32-→H2O+CO2

+2e-

CO+ CO32-→2 CO2+2e-

H2+O2-→H2O+2e-

CO+ O2-→CO2+2e-

CH4+4O2-→2H2O+CO2+8e-

←OH—

H+→

H+→

←CO32-

←O2-

O2+2H2O+4e-

→4OH--

O2+4H++4e-

→2H2O

O2+4H++4e-

→2H2O

O2+2 CO2+4e-

→2 CO32-

O2+4e-→2 O2-

鹼性 (Alkaline)

質子交換膜 (Proton Exchange Membrane)

磷酸型 (Phosphoric Acid)

熔融碳酸鹽 (Molten Carbonate)

固態氧化物 (Solid Oxide)

應用範圍及工業交通工具 ( 電動車輛、腳踏車 )家庭小型發電機筆記型電腦、行動電話、士兵通訊電源大型發電機、社區、醫院、發電廠國防、太空工業、潛水艇

• Daimler-Chrysler已接受第一批 Fuel Cell Bus訂單， 2002年將量產 30 輛公車於歐洲九大城市運行。

• 加州環保署空氣資源委員會預計於 2003年前完成 70 輛汽車及公車的路上展示行駛、測試。

• 新加坡政府經濟發展委員會宣布投入數億美元與 Daimler-Chrysler 合作研發 Fuel Cell汽車，建立燃料供給系統。

• Plug/GE公司已於 2000 年製作測試上百個PEM 的小型、安靜、環保發電機，只要接上家用的天然瓦斯，即可以提供住宅戶的用電。

低溫高分子膜燃料電池 (PEFC) 發電原理

H2 2 H+ + 2 e- 2H+ +1/2O2 + 2e- H2O

How.exe

PEFC 製程分析

PEFC

電池材料

陰 / 陽極製造及組合

電池組組件

電池組裝與測試

儲氫材料研製

重組器研製電池組系統設計與製造

低孔隙度碳布Pt/C 或 Pt-Ru/C觸媒質子交換高分子膜 (PEM)

陰極 ( 氫氣極 )製造陽極 ( 空氣極 )製造膜電極組體製造

雙極分隔板設計與製造墊片設計與製造電流收集板設計與製造加溫板設計與製造冷卻板設計與製造

平板型組裝測試溫度管理

活性碳儲氫合金

設計與製作觸媒研製

PEFC 燃料電池關鍵技術及困難

Anode H+ CathodeH2, H2O O2, N2, H2O

Loade-

1.燃料供應 (燃料重組 ) (儲氫技術 )

2.膜電極價格的降低3.Catalyst 觸媒與防 CO毒化方法

4.多孔碳電極的製作技術

5.石墨雙極技術5.石墨雙極技術

6. 排水及水管理系統7.冷卻方式8.整體結構及密封

PEFC 主要關鍵材料石墨雙極分隔板 -- 當作 H2 及 O2/air 氣體分隔板、氣體導流槽、兩極電流傳導、電流收集器 Pt/C 或 Pt-Ru/C 等觸媒 -- Anode H2氧化 (H2 2H++2e-)

-- Cathode O2還原 (O2+4H + +4e - 2H2O) 碳 /石墨氣體擴散層 -- 觸媒支撐層、提供 H2 及 O2均勻擴散到觸媒、當作水氣通路及電子傳導質子交換高分子膜 -- H+質子傳導

質子交換膜 – 高分子聚合物 ( 固體電解質 )利用傳導氫離子來完成反應

F– C – C – C – C – F2 F2 | F2 n O | CF2

| CFCF3

| O k | F2C – CF2 – SO3H

疏水性區域親水性區域

Cathode ： O2+4e-→2O2-

Anode ： H2+O2-→H2O+2e-

Total ： H2+1/2O2→H2O+heat

高溫氧化物燃料電池發電原理

O-

ZrO2 + Y2O3 Zr(Y)O2 + Vo

固態電解質 – 氧化鋯 (ZrO2) 、鑭鎵氧系列 (LaGaO3) 、氧化鉍 (Bi2O5)

AOP 2

COP 2

目前市售 SOFC

電解質： ~200um厚且完全緻密 Yttria-Stabilized ZrO2 (YSZ)

陰極： ~50um具多孔隙添加鍶的錳酸鑭(Sr-doped Lanthanum Manganite LSM)

陽極： ~50um具有多孔隙的鎳 / 氧化鋯 (Ni/YSZ)

SOFC 關鍵技術及困難高溫操作條件使材料選擇不易且影響壽命材料熱膨脹係數考量固態電解質膜厚必須緻密且薄必須為完全離子導電材料電壓提升困難

配合利用汽電共生將廢熱回收，效率可達約 80% 。

貨櫃式行動燃料電池

電動機車 – 亞太燃料電池

ZES III Design Performance SpecificationConditions: 5/05/01

Load 65 kg

Temp Ambient

Specification Items

Max speed @ level 60 km/hr

Max speed @ 8 deg 25 km/hr

Max climb @ 10 km/hr 14 degree

Range @ 30 km/hr 150 km

Weight (empty) 95 kg

Acceleration (0~100m) (Target) 10 sec

Warm up time (max) 10 sec

亞太燃料電池 Asia Pacific Fuel Cell Technologies Confidential Information

電動腳踏車

首次開機 17,May 1995

額定輸出功率 200kW

最高輸出功率 195kW

初期發電效率 36.7%

運轉總時數 16,322 hours

累積發電量 1,168,359 kWh

燃料消耗總量 446,266 SCM

最長連續運轉時數 2,854 hours

可用率 63.4%

容量因素 35.8%

起動次數 35

最短起動時間 3 hour 32 min

2,000 小時保養次數 6

8,000 小時保養次數 2

家庭式燃料電池組合

燃料電池展望公共型電力來源 -- 大尺寸集中型電廠，連續操作，高溫型燃料電池較佳，可

配合廢熱回收提升效率。 -- 中至小尺寸分散型與現場型電廠，非連續操作，低溫型燃

料電池較佳。攜帶型電力設計 -- 輕薄短小，使用方便 -- 持久性或價廉電動汽機車：高分子膜燃料電池 Cost Down: new materials, cheaper catalysts, cheaper

membrane….

太陽能電池 (solar cell)

定義：太陽的輻射能光子通過半導體物質轉變為電能的過程。

是一種物理過程產生的電流沒有物質的消耗，只是能量的轉換。沒有化學腐蝕性沒有噪音沒有空氣污染

光電轉換基本原理

原子核

光

電子

hv

P 型半導體 N 型半導體PN

++

+

+

+

++

++

++

+- -

-

- -

-

--

-

--

-++

+-

-

-

太陽光

反射光

v

穿透光

電極接頭

電極接頭-+

光電轉換示意圖

太陽能電池的種類

矽晶圓太陽能電池 (silicon solar cells)

非晶矽太陽能電池 (amorphous silicon solar cells)

銅銦鎵二硒太陽能電池 (copper indium gallium diselenide solar cells; 含銅銦硒三元素者簡稱 CIS, 含銅銦鎵硒四元素者簡稱 CIGS)

碲化鎘薄膜太陽能電池 (cadmium telluride thin film photovoltaics)

矽薄膜太陽能電池 (thin film silicon solar cells)

染料敏化太陽能電池 (dye-sensitized solar cells, DSSC)

數種光電池之效能比較

資料來源： Grätzel, M. Nature 414, 338 (2001).

傳統概念

真的是缺點嗎 ?

( 因使用色素，所以太陽光吸收效率低 )

( 因使用色素或電解液所致 )

用在那裏 ?

不能直接運送

無效率

對消費者而言，能源是什麼 ?

無形的，只要價廉什麼都可以

但…

外觀相當重要 !

設計是商品之重要功能

色素有顏色

可以加以設計 !!

街道上就有陽光

Courtesy of Prof. Hideki Minoura at Photoenergy Conversion Laboratory, Gifu University, Japan. (http://apchem.gifu-u.ac.jp/~pcl/special/frame1.htm)

矽晶太陽能電池的製程高純度矽原料

99.999%矽片

0.3mm切割 ,研磨 ,拋光

摻雜和高溫擴散硼、磷、鎳、銻

網版印刷銀漿柵線 ( 燒結 )

表面塗抗反射膜太陽能電池板

Substrate

DeviceEpiwafer Back-end

Compound Semiconductor Device Fabrication

電器特性 MSN-2010-0

MSN-2011-0

MSN-3010-0

MSN-3011-0

MSN-6010-0

最大功率 (W) 0.45 0.9 0.33 0.67 1.7

額定電流 (mA) ±5% 150 300 75 150 230

額定電壓 (V) ±5% 3 3 4.5 4.5 7.5

模組尺寸

長 (mm) 50 70 60 80 125

寬 (mm) 115 115 115 115 135

深 (mm) 3 3 3 3 3

矽晶太陽能電池

Tsubomura 等人於 1976 年以微米級 ZnO製備電極，發表最早之 DSSC 研究成果，但效率不佳。

自從 1991 年 Grätzel實驗室發展 TiO2奈米晶多孔膜作為電極應用於光電化學的太陽能電池上，取得突破性進展，發展了一種低價、高效的染料敏化光電池 (Dye-sensitized solar cells, DSSC) ，成為當前新型光電材料研究中的一個新方向。

DSSC中的一個關鍵環節是 TiO2奈米級結晶 (10 ~ 30 nm) 的多孔性 (mesoporous) 半導體電極之製程。

染料敏化太陽能電池 (DSSC)

http://apchem.gifu-u.ac.jp/~pcl/research/research_e.htm

1993 年 , 瑞士 M. Grätzel 實驗室發表 Red-dye, 濕式之 DSSC, 效率 10.0 % (AM 1.5)

1998 年 ,Sommeling et al. 於柔軟基材低溫燒結製作 TiO2 工作電極

1998 年 , 瑞士 M. Grätzel 實驗室發表濕式Black-dye 之 DSSC, 效率 10.4 % (AM 1.5)

2001 年 ,A. Hagfeldt et al. 發表新式低溫製作柔軟 TiO2 多孔膜方法 , 效率達 5.2 % (AM 1.5)2002 年 ,W. Kubo et al. 發表利用離子性液體之擬固態電解質 DSSC, 效率 5.0 % (AM 1.5)日本箕浦秀樹研究團隊自 2002 起比較多種鍍膜法製作之 DSSC, 並以多種染料製作成多彩之“ rainbow cells” 研究

2003 年 , 瑞士 M. Grätzel 實驗室發表N719-dye, 濕式之 DSSC, 效率 10.58 % (AM 1.5)2004 年 , 瑞士 M. Grätzel 實驗室發表新式高效能之 DSSC, 效率 11.04 % (AM 1.5)

1976 年 , 日本 H.Tsubomura, M.Matsumura 等人發表利用多孔性 ZnO 作為電極之 DSSC, 效率 2.5 % (at 563 nm)

1991 年 , 瑞士 M. Grätzel 實驗室發表濕式 ,N3-dye 之 DSSC, 效率 7.1~7.9 % (AM 1.5)

1998 年 ,K. Tennakone 實驗室發表 CuI 全固態 DSSC, 效率 4.5 % (simulated sunlight)2000 年 , 日本東芝固態電解質 DSSC 產品發表 , 效率 7.3 % (AM 1.5)

2001 年 ,K. Hara et al. 發表有機染料“香豆素” (coumarin) 之 DSSC, 效率 5.6 % (AM1.5)2002 年 , 日本產總研發表新型有機染料製作之 DSSC, 效率 7.51 % (AM1.5)

2003 年 , 日本宮坂實驗室利用電化學法製作TiO2 膜 , 效率可達 3 % 以上

2003 年 , 瑞士 M. Grätzel 實驗室發表全離子性液體電解質之 DSSC, 效率 6.6 % (AM 1.5)

各國持續投入 DSSC 研發

DSSC 之重要發展

DSSC 之結構示意圖

工作電極對電極

http://www.bath.ac.uk/~pysabw/research/scell/scells.htm

http://apchem.gifu-u.ac.jp/~pcl/research/DSC/conceptESA.jpg

DSSC 多孔隙 TiO2 工作電極之製備

DSSC 之組裝

TiO2 多孔膜

工作電極

染料浸泡吸附

電解質： organic I–/I3– solution

將工作電極與對電極固定，並於兩電極之間注入適量的電解質溶液，完成三明治結構之 DSSC

對電極： Pt on ITO

Light

DSSC 之工作原理

Characterization of Innovative DSSC

DSSC 的五大組成：

透明導電玻璃電極 (OTE)

多孔性 TiO2 電極 (porous TiO2 electrode)

敏化染料 (sensitization dye)

電解質 (I–/I3– redox electrolyte solution)

對電極 (counter electrode)

此五部份所形成四個界面，對於 DSC 之電子傳導及整體效能 (overall conversion efficiency, ) 均扮演重要角色。

hchthilheietec

DSSC 之發展現況電極部份：

– 開發改良製膜技術 ( 如 : 低溫燒結 )

– 使用非 TiO2 之其他半導體材料 – 使用塑膠基材可撓式太陽能電池

染料部份：– 開發新式染料 ( 有機染料、天然染料、金屬錯

合物 ) 以取代目前常用之有機釕金屬染料 (N3 dye)

電解質部份：– 使用離子性液體或導電高分子 / 固態電解質

圖片來源 ( 左 ) http://apchem.gifu-u.ac.jp/~pcl/index_e.htm

( 右 ) http://apchem.gifu-u.ac.jp/~pcl/special/frame1.htm

Mix-dyes sensitized solar cell

400 nm 800 nm

Wavelength

Work electrode

Counter electrode

Electrolyte

Load

Red

Green

Blue

Mix-dyes利用染料個別對光不同的吸收特性，混合成為對全波長範圍充分運用的理想光譜。

各式 DSSCs 整體效率演進

040301 02009998979694 9591 92 9376

Year

6

10

2

8

4

12

Effi

cien

cy

(%)

Liquid

Solid/gel

Organic dye

Flexible

Ionic liquid

參考資料 http://kuroppe.tagen.tohoku.ac.jp/~dsc/cell-e.htm


符合環保之太陽電池「彩虹電池」

DSSC 之發展方向與前景

提升效率

提升安定性

提升應用性

增加電池壽命

降低成本

………

基礎科學研究


世界將大幅改變 !?依自已喜好選擇各種形狀顏色，而且質輕價廉

玻璃窗太陽電池

太陽電池遮陽板

到處都可取得電源

當然屋頂可以設計自已喜好的顏色

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