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高碳燃料重組產氫技術
  • 發布年度:2019
  • 主要類別:環保能源
  • 次要類別:電子報
  • 車輛中心 技術服務處 林克衛

    由於溫室氣體排放如二氧化碳、甲烷,產生了溫室效應造成全球性極端氣候頻率日益漸增,各國皆啟動再生與潔淨燃料的開發計畫,以減少二氧化碳排放。其中燃料電池的技術發展與應用已成為重要的發展趨勢項目之一。而燃料電池應用牽涉氫能產製、儲存、運輸與供應等面向的技術。

    氫氣的產製技術相當多元,除了熟知的水電解產氫外,傳統化工製程考量能耗及成本因素,主要以碳氫燃料重組方式獲取氫氣。所謂的重組產氫就是利用觸媒以化學方式將燃料中之氫原子取出產生氫氣。可作為重組產氫之燃料極為多元,如天然氣、石油氣、氨氣等氣態燃料,另外如醇類、汽油、柴油等高熱值之液態燃料亦可做為產氫原料。由於液態燃料含碳量高,分子量大,能量密度高,因此適合應用於車輛或移動式載具,做為提供燃料電池之燃料來源。重組後產出的氫氣導入燃料電池如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)與空氣進行反應而產出電力。因此,近年來國際上針對高碳燃料產氫技術也持續的發展中。

    各燃料重組技術比較請參考表1,國內外重組技術多著重於天然氣重組,需要有儲氣系統或天然氣管線等基礎建設、且有能量密度較低等缺點。另外,低碳液態燃料如甲醇雖技術成熟,但燃料具有毒性且能量密度低是其缺點。為解決低碳燃料應用缺點,高碳燃料重組技術發展逐漸受到重視,其系統具有可不受基礎設施限制、燃料取得容易及能量密度高(相同輸出功率下體積最小)等優點,可應用於各種使用情境如:小型移動式發電系統、輔助電力單元(Auxiliary power unit, APU)等,如圖1所示。

    表1. 各燃料重組技術比較

    圖1. 車載型高碳燃料重組產氫與SOFC APU系統
    資料來源:www.eberspaecher.com

    高碳燃料重組技術重點包括重組器設計、觸媒等方面。重組器設計優劣直接影響重組反應產物、效率與耐久性能等,因此重組器包含進料霧化/混合、反應物滯留時間與熱管理設計。另外,觸媒也是重組產氫單元另一項關鍵,在觸媒選擇上必須考慮耐久性(Durability)、氫選擇性(Selectivity)、耐受性(Tolerance)等。如何搭配重組器設計選擇適合之觸媒都是技術的展現。一般而言,高碳燃料重組產氫多以貴金屬觸媒(如鉑、鈀、銠、釕)為主。

    國際上為了提供駕駛於惰轉、停車與臥鋪期間之電力需求,減少引擎惰轉時造成之噪音與排氣污染,已經有不少團隊針對車載高碳燃料產氫技術與SOFC整合系統進行研發,其中包括美國的Delphi,歐盟DESTA、SAFARI、SAPIENS以及跨國合作案如Mestrex(AVL)、FFI project等等。以FFI計畫而言,以柴油做為產氫料源整合SOFC系統,其發電目標為3kW,發電效率最高達74%,成本目標為每kW低於500歐元。

    我國在氫能與燃料電池領域已有眾多廠商與法人投入研究與開發,其中在高碳燃料重組產氫技術方面,車輛中心(ARTC)也於近年開始投入相關研究並獲得初步成果,其中包括建立高碳燃料理論化學分析、CAD/CAE重組器設計技術、重組器整合驗證技術等,並完成開發一套熱值10kW級高碳燃料重組器雛型1件,其最高氫氣濃度達31.4%,最高重組效率可達75.4%,而碳轉化率可達89.4%,ARTC所開發之高碳燃料重組器與驗證平台如圖2,希望藉由高碳燃料重組產氫技術,彌補國內偏重天然氣與甲醇產氫之技術缺口,未來與國內自主開發之SOFC燃料電池整合,可做為車輛或移動載具之電力來源。

    圖 2. ARTC高碳燃料重組器與驗證平台

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