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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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燃料電池電熱共生系統 節能,更貼近你我之間

文/葉芷嫻

隨著石油與天然氣等天然能源快速減少,擴大替代能源的應用範疇已是世界重要發展目標,對於向來被視為重要新能源的燃料電池技術來說,雖名為電池,卻不像一次電池或二次電池,僅為蓄/供電裝置,由於燃料電池可以經過外部系統提供活性物質,持續不斷地產生電力供電,說它是個「發電廠」,一點也不為過。

在現有燃料電池中,依據電解質種類至少可區分為鹼性、磷酸鹽、融熔碳酸鹽、固態氧化物、質子交換膜、直接甲醇、直接碳等七種燃料電池。這些不同的燃料電池,可使用一次能源(例如煤炭、天然氣),也可使用二次能源(瓦斯、甲醇、氫),發電效率各有不同,針對的用途與設備尺寸大小也有差異。對於能源產業來說,不論發展哪一種發電技術,如何在發電過程中降低碳排放,甚至是回收副產物成為再利用的能源,達到真正落實節能減碳的目標,一直是各界努力的方向。

著眼產業效益,切入新研發項目

工研院綠能與環境研究所選擇質子交換膜燃料電池研發,看中的便是這項燃料電池技術以氫為燃料,符合燃料電池「因為只吃氫,可避免排放二氧化碳、降低碳排量」的優點。綠能所正研究員曹芳海博士提到,當時切入這項技術,除了考量世界上多數先進國家均以質子交換膜為重大投入研發項目,主要的著眼點還是在產業發展。

談起發展質子交換膜燃料電池的淵源,曹芳海表示,以最早商業化的磷酸鹽燃料電池來說,其發展雖已完成,但價格高,加上設備體積較大,綠能所雖曾評估發展該系統的可能性,但與質子交換膜燃料電池相比,後者的設備體積可小可大,應用範圍廣,較適合國內產業發展。「事實上,目前看到的車用燃料電池,都是採用質子交換膜燃料電池技術,而小如可攜式燃料電池、大如發電機,也都可以採用此項技術。」曹芳海強調,對於廠商來說,屬於前瞻研發的質子交換膜燃料電池,未來不只限於某些類型的產品使用,廠商承擔的風險不但大為降低,再加上此種燃料電池內部均採用固態材料組成,技術上相對簡單,從未來產業的發展性來看,國內相關業者具有較佳的競爭潛力。

實地運轉,加緊檢測腳步

依據曹芳海的觀察,工研院自2000年開始投入質子交換膜燃料電池研發,十年來的產業規模已有明顯的成長,從早期僅有二、三家廠商,至今累積相關上、中、下游業者已有將近三、四十家左右投入燃料電池領域,「當時要找廠商加入頗不容易,現在不但投入者變多,去年更有廠商進駐工研院育成中心。」

除了研發燃料電池技術外,工研院也和台灣經濟研究院等單位,一同支持產業界組成的「台灣燃料電池夥伴聯盟」。透過此產業界聯盟的運作,工研院可以提供聯盟業者技術面的協助與討論,同時也藉由定期舉辦海外觀摩參訪團,讓國內燃料電池產研機構能與國際趨勢並步而行。

除了聯盟之外,工研院近年也與中華經濟研究院合作輔導國內燃料電池廠商,實際進行燃料電池產品或技術的長期運轉驗證。曹芳海認為,與國際相比,國內產業在真正貼近產品使用狀況下,連續運轉驗證的時間還不夠長,以目前國內產業鏈漸趨完整的態勢來看,「現場做驗證的時刻已經到來。」無論是從材料、零組件、系統運作,都需要更多來自應用端的檢測驗證數據,幫助提升燃料電池產品的品質,協助業者建立更緊密的上中下游合作關係,因此儘管投入驗證的成本極高,目前政府已積極透過補助與研發單位協助的方式,協助燃料電池產品驗證檢測。

值得一提的是,目前國內已有愈來愈多應用端的廠商投入燃料電池運轉的測試,像是電信業者、有線電視業者、電動機車,甚至是國際級展覽,均已在機房或運轉設施中設置燃料電池系統,透過實地驗證的方式,進行產品和技術的運轉驗證,並已逐漸顯現應用驗證的成效。

熱電共生,進駐家庭

扶助產業端之外,下一個目標則是要朝向消費端邁進。以日本為例,由於質子交換膜燃料電池在電熱共生的能源轉換效率很高,日本政府在2003年便開始推動「定置用燃料電池大規模實證計畫」,連續六年補助瓦斯燃料供應業者,協助推廣家用燃料電池熱電共生系統,同時採用這套系統的用戶也可以優惠價格使用瓦斯燃料,透過多管齊下的鼓勵措施,從南到北一共設置了3,300多台。

經過該計畫大規模的實地運轉驗證,結果顯示家用定置燃料電池系統平均可以幫助一個家庭省能16%至24%、減碳28%至38%,除了證實質子交換膜燃料電池的省能效益,也加深了向來仰賴能源進口的日本,積極將燃料電池導入消費端,加速燃料電池產業發展的決心。歐美國家也緊跟日本之後,提出不同輔導措施協助燃料電池熱電共生系統進入市場。

事實上,所謂的熱電共生,指得是燃料電池除了供應電力,還能將發電過程中產生的熱能進行再使用。與國外或國內主要採用的傳統火力發電,其平均發電效率為35%至42%來計算,熱電共生系統平均能源轉換效率已達70%以上,效率十分驚人。透過這項極具環保效益的新能源發電系統,不但可以改善現有火力發電系統中,熱能流失造成環境負擔的問題,也因為燃料電池本身潔淨能源、貼近使用者的特性,使得其應用在家庭或商業用途的潛力倍增。

此外,這項系統,不像一些新科技需要消費者改變行為模式,「只需裝在家中適當場所,就能自然而然地幫助家庭省能,」親眼見識日本家庭使用燃料電池熱電共生系統的曹芳海觀察,日本不但發展電熱共生系統的技術全世界領先,且在推動消費端使用燃料電池的積極做法,也值得台灣借鏡。未來,除了目前主攻的國際市場,曹芳海也希望目前正在成形的備用電源市場能更快速發展,除了協助電信機房發展省能、潔淨的「不斷電」燃料電池系統,也可以讓國內燃料電池業者在搶攻國際市場之外,也能擴大內需市場,讓台灣燃料電池產業快速蓬勃發展。



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