行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
多電極型固體薄膜氫氣產生器研發與系統整合
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2212-E-002-102- 執行期間： 92 年 11 月 01 日至 93 年 10 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學機械工程學系暨研究所 計畫主持人： 郭景宗 計畫參與人員： 王宗源 周保志 許盈盈 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 12 月 1 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
多電極型固體薄膜氫氣產生器研發與系統整合
Development of Multi-electrode SPE-type Hydrogen Generator
and System Integration
計畫編號：NSC 92-2212-E-002-102
執行期限：92 年 11 月 1 日至 93 年 10 月 31 日
主持人：郭景宗
計畫參與人員：王宗源
周保志
許盈盈
執行單位：國立臺灣大學機械工程學系暨研究所
一、中文摘要 本計劃所研發的小型實驗室規模氫氣 產生器，其主要用途為搭配太陽能及燃料 電池之獨立發電系統，也可以產生醫院或 實驗室等等所用之高純度氫氣。相關設計 經驗參數包括流道的設計、電解器電池封 裝技術、電池堆的設計、氣體純化元件、 反應用膜的研選。在效能的增進方面，流 道設計對於效能的改變有著不小的影響， 主要是因為不良的流道設計容易造成氣泡 的堆積，進而造成壓力的失衡及效能的低 落，經過計算流體軟體 Fluent 計算出流場 及壓力分佈以後，設計三種流道，以透明 壓克力版為背版作效能實驗藉以比較流道 設計之優劣並進一步觀測流場的分佈，一 方面驗證 fluent 中流場分佈之正確性，同 時也作為流道設計的參考。 最後以設計性能較佳之流道形狀組成 一產氫八電池組，採用電解液流道外置的 方式，利於氣體的收集及收集較高純度的 氫氣，並測量多電池下效能的優劣性以及 流場的流動，了解多電池組合與單電池間 的差異性。其在 132mA/cm2下其產氫量可 達 54L/hr，電解效率約在 50﹪上下。 關鍵詞：電解器、產氫技術、流道設計 AbstractThe Lab-scale hydrogen generator is mainly used to integrated with PV-stand alone system, or used to generate high purity hydrogen gas for Lab or medical purpose. The key parameters of design are flow
pattern, cell configuration, gas purify component and type of PEM (proton exchange membrane). Based on the experiment results, the difference of flow pattern affects the electrolysis efficiency a lot. In order to get best flow pattern design, CFD software (ex. Fluent) is used to estimate the velocity and pressure distribution inside the flow manifold. The simulation results was compared with experiment data for three different kinds of flow pattern, and had good similarity.
The better flow pattern was used in the 8-cells elecrolyzer stack. The hydrogen production rate can reach 54L/hr when operating current density is 132mA/cm2, and the electrolysis efficiency is around 50%.
Keywords: electrolyzer, hydrogen production,
flow pattern design
二、研究動機 我國天然資源匱乏，重要能源均仰賴 進口，造成發電成本上相對地提高。伴隨 著傳統石化能源嚴重消耗的同時，亦對生 態造成嚴重的影響。而具有無污染、獨立 性的太陽電池及燃料電池，便是能有效解 決上述問題的新興能源。由於我國位處於 低緯度地區，日照量充足，因此相當適合 發展太陽能發電系統，作為獨立發電之 用，加上太陽能電池的技術目前在歐、美、 日等先進國家的積極研究下，蓬勃的發 展。加上我國在電子與半導體產業迅速的 發展，使得太陽能電池的發展將更具潛力。 雖然太陽能是取之不盡、用之不竭的
再生能源；但受限於天氣氣候等因素，太 陽能發電系統的穩定度並不足夠，系統的 效率受到天文氣候的影響，有相當的限 制。因此太陽能電池在應用上的最大挑 戰，在於如何將能量作有效的儲存。過去 的太陽能發電系統大都是搭配鉛酸電池的 獨立系統(Stand-alone)或並聯市電 （Grid-connected）使用。鉛酸電池的儲能 及能量轉換效率雖然很高，但卻相當不利 於長時間儲存。對於偏遠地區，市電不易 傳輸。或是因地理、氣候條件造成太陽光 不足或是陰雨天數持續數天等情況下，傳 統搭配鉛酸電池的太陽能發電系統，顯然 不夠實用。與市電並聯的系統，則較不具 獨立的特性，一旦發生市電斷電時，亦將 產生前述問題。 由於氫能同樣具有能量轉換效率高， 並可作長期儲存的特性，恰可彌補鉛酸電 池的不足。因此若能適當利用太陽能所產 生的電能，直接用於水的電解來產生氫 氣，便能將太陽能轉換成氫氣型態儲存下 來。待夜晚或陰雨天，太陽能不足時，便 可以透過燃料電池來提供電力，可完全達 到獨立發電的目的。 因此，有鑑於此，本計劃成功研製一 「太陽能氫氣產生器」，達成將太陽能等 無污染之新式能源轉換成氫能的目標。期 發展出能與太陽能板等直流電源匹配之氫 氣產生器，以產生的氫氣搭配燃料電池發 電所用，以建立一套新型完全獨立的氫燃 料供應系統。並期望能對其中產氫元件內 部的流道形狀作探討，從而找出最佳的設 計形狀。 三、實驗方法 太陽能氫氣產生器，係利用電解方式 產生氫氣的原理，構想是以太陽能作為直 流電源，透過通電的方式，將水直接分解 成氫氣及氧氣。由電化學及熱力學可知， 正、負兩極反應方程式，在常溫常壓條件 下分別為： e H O O H Anode H e H Cathode aq g l g aq 4 4 2 : 2 2 : ) ( ) ( 2 ) ( 2 ) ( 2 ) ( 其總反應為：H2O(l) 2H2 O2 ) ( 571 mole Kg KJ H 化學自由能與反應生成焓之間的關係為： S T H G 將理論反應生成焓之高熱值(HHV, 285.84KJ/mole) 代入，則可分別求出電解 所需理論分解電壓： 1.48V(HHV) 2 g E F 然而在實際的操作上，操作溫度、壓 力、流量以及流道設計皆會影響電解效 率；流道設計良劣與否直接影響到產生氣 體是否能順利排出，或是在流道中堆積阻 礙反應產生。因此以計算流力軟體模擬電 解液在流道內的流動情形，並進一步以實 驗印證，以求得最佳的流道形狀設計。 本計畫中分別以三種不同的流道外形 設計作測試，分別為(1)長方形流道(2)纇橢 圓形流道(3)圓形流道。其模擬結果分別如 下圖一、二、三所示。 圖一. 長方形流道 (a)流速分佈 (b)壓力分布 圖二. 纇橢圓形流道 (a)流速分佈 (b)壓力分布 圖二. 圓形流道 (a)流速分佈 (b)壓力分布
Back slab membrane Metal net Flow region Dyeing electrolyte silicon in out 圖四. 單電池組裝示意圖 為驗證以上模擬結果是否合理，也以 相同流道形狀的單電池組作電解產氫的測 試，測試單電池組裝方式如圖四所示，其 結果如圖五所示。 除了外形設計以外，操作流速的改變 也會影響到排氣的順暢與否。一般來說在 電解液循環流速低的時候，氣泡的浮力直 接影響氣體排出的情況；在流速高的情況 下，氣泡運動比較接近流場模擬的結果。 單電池組測試時配合外形以及流速的因素 作比較，發現越接近圓形時，提高流速幫 助氣體排出的效果越好；因此以圓形流道 作基本設計，進一步作多電池組的組裝及 測試。 圖六. 多電池組組裝圖 圖七. 多電池組系統測試 四、結果與討論 (1)流道設計與模擬 以計算流力軟體針對不同流道外形所 做的模擬結果顯示，越趨圓滑的設計越能 順暢的導出氣泡，減少迴流。這一點在未 來設計及改良流道形式的時候將是重要的 依據及參考。此外以單電池組流場觀測驗 證模擬結果，兩者之間的流場分布顯示了 相當高的一致性。在流速低的時候氣泡受 到浮力的影響，與模擬結果相差較多；提 高流速後流場的分佈即和模擬結果一致。 (2)單電池組測試 分別比較不同流道形狀的單電池組在 不同操作流速下的電解效率差異；電壓效 率如圖八、九、十所示。 0.5 0.6 0.7 0.8 0 50 100 150 200 電流密度(mA/cm^2) ef fi ci en cy 3.75Lp erMin 2.035L perMi n 1.692L perMi n 圖八. 長方形流道電壓效率 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0 50 100 150 200 電流密度(mA/cm^2) ef fi ci en cy 3.75 Lper Min 2.035 Lper Min 1.692 Lper (a) (b) (c) 圖五. 各種流道外形測試(a)長方形 (b)纇橢圓形 (c)圓形 圖九. 類橢圓形流道電壓效率
0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0 50 100 150 200 電流密度 ef fi ci en cy 3.75L /min 2.035 L/min 1.692 L/min 比較如下圖十一、十二、十三所示。 0.81 0.82 0.83 0.84 0 50 100 150 200 電流密度 ef fi ci en cy 3.75Lp erMin 2.035L perMin 1.692L perMin 0.825 0.83 0.835 0.84 0.845 0.85 0 50 100 150 200 current density ef fi ci en cy 3.75Lp erMin 2.035L perMin 1.692L perMin 0.84 0.845 0.85 0.855 0.86 0 50 100 150 200 電流密度 ef fi ci en cy 3.75L/ min 2.035L/ min 1.692L/ min 因氫氣產量與電流量成正比關係，從 以上對電流效率的比較更能清楚發現改變 流道形狀設計以及提高流速來改善氣體移 除的狀況，對於電解器的產氣效率有極大 的影響。 (3)多電池組測試 綜合以上對單電池組所做的測試結 果，設計一包含八個電池組的電池堆（cell stack ） 配合後端的氣體純化元件一起操 作，測試產氣性能。其電壓及電流效率分 別如下圖十四、十五所示。 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0 50 100 150 電流密度 ef fi ci en cy 3.75 L/mi n 2.035 L/mi n 1.692 L/mi n 0.8 0.82 0.84 0.86 0.88 0.9 0 50 100 150 電流密度 ef fi ci en cy 3.75L/ min 2.035 L/min 1.692 L/min 圖十.圓形流道電壓效率 由上面的結果可以發現，以熱力學理 論定義的電壓效率而言，不同的流道形狀 以及流速對效率雖有影響但差別不大。實 際上與氫產量有直接關係的 Faraday efficiency（電流效率）反而是在比較電解 器效率時更具指標性的數值。電流效率的 圖十一.長方形流道 Faraday 效率關係圖 圖十二.類橢圓形流道 Faraday 效率關係圖 圖十三.圓形流道 Faraday 效率關係圖 圖十四.八電池組電壓效率關係圖 圖十五.八電池組電流效率關係圖
由以上多電池組實驗所得的結果和單 電池組的結果作比較，可以觀察到以下幾 種現象：1.多電池組的電壓效率降低。電壓 效率降低表示電池組中每個單電池的操作 電壓較單電池測試時低，此點可由分析電 解時主要的阻抗得到解釋；電解阻抗主要 可分成歐姆阻抗（ohmic loss）與極化現象 （polarization）所造成的損失，由於多電池 組組裝時結構上可能的絕緣缺陷造成旁通 電流（bypass current），使得歐姆阻抗大幅 增加。依實驗結果顯示，電池組的阻抗值 和單電池片數 n 呈線性正比增加，同時發 現電解時歐姆阻抗極大於極化損失。2.增加 流量可提高電解效率。這點和單電池實驗 得到的結論一致，同時並發現流量改變對 多電池組的性能改善更為明顯；這顯示在 多電池組更形複雜的流動狀況中，有效的 移除氣體更加重要。3.產氫量和電池片數呈 線性增加。這點和法拉第公式所預測的結 果吻合。 本研究所設計的幾種流道，在實驗上 已經有了充分的效率比較，而自製的氫氣 產生器在加溫方面及補水系統等也修改的 更為完善。根據目前進行相關測試後的結 果，目前最佳的操作流道形狀為圓形，經 封裝為 8 片電池組合。根據目前進行相關 測試後的結果，目前在不考慮溫度的效應 下，流速為 3 .75L/min 的操作條件下，產 氫 元 件 的 產 氫 量 在 16A ， 電 流 密 度 132mA/cm2為 54 L /hr。平均效率隨著電流 密度從 35%~54.9%。 五、參考文獻
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