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能源與動力技術 1
第二章 新能源技術之開發
21能量與環境
自古以來人類即知道利用人力畜力水力及風力產生
機械力並利用水車或風車進行灌溉排水磨粉等工作除
上述能源外煤石油天然氣等亦逐漸成為能源之主軸早
期煤作為蒸汽車之燃料除作交通運輸外亦曾在田間成為農
業之主要動力現在的煤大部份用作發電提供日常所需之能
源石油則經由內燃機之轉換成為現代車輛之主要動力源天
然氣除作發電用外亦作為居家炊煮的熱源
石油之熱量高容易儲存搬運處理且價格合理是
一種優質能源故超越煤炭之使用但石化能源終屬有限未
來總有耗竭的一天且石化能源之使用對地球環境生態造成
很大的傷害其產生之二氧化碳量逐年增加造成大氣層失去
平衡也產生溫室效應造成地球暖化許多地區更呈現沙漠
化的現象由於硫氧化物及氮氧化合物之大量產生也造成地
區性的酸雨破壞農作物之成長
除水力風力外自然能源尚包括太陽能地熱潮汐能
海浪能海洋溫差能鹽差能及生質能等項目後者則因生物
體之轉化所產生之能量如生質熱酒精沼氣植物油自
然能源多屬太陽能所衍生者
2 生物產業機械學
表 21 世界能源消耗量與二氧化碳產生量 1990-2025
能源消耗量
(Quadrillion Btu)
二氧化碳產生量
(百萬噸等值碳)
地區
1990 2001 2010 2025 1990 2001 2010 2025
工業
化國
家
1828 2115 2401 2883 2844 3179 3572 4346
未開
發地
區
763 533 659 823 1337 856 1038 1267
開發
中國
家
893 1392 1747 2696 1691 2487 3075 4749
亞洲 525 850 1101 1746 1089 1640 2075 3263
中東 131 208 250 360 231 354 420 601
非洲 93 124 144 200 179 230 261 361
中美
及南
美
144 209 252 390 192 263 319 523
總消
耗量 3484 4039 4806 6401 5872 6522 7685 10361
資料來源 1990 and 2001 Energy Information Administration (EIA) International Energy Annual 2001 DOEEIA-0219(2001) (Washington DC February 2003) web site wwweiadoegoviea 2010 and 2025 EIA System for the Analysis of Global Energy Markets (2003)
能源與動力技術 3
圖 21 世界能源消耗比較
圖 22 世界各區域國家消耗能源之變化
4 生物產業機械學
圖 23 世界與二氧化碳發生量分析 (httpwwweiadoegovoiafieoworldhtml)
由於世界人口逐漸增加石油消費量也相當驚人未來石
油之生產將趨耗竭如何尋找替代能源成為當務之急替代能
源可分為自然能源生質能化石能及核能等自然能源屬太
陽能之附產品質言之包括太陽光與熱風力水分地熱
波力潮汐力及海洋溫差等這些能源由於乾淨無污染雖
值得開發但其數量有限尤其容易受到地域的影響
生質能源則屬有機質轉化而成諸如蔗渣澱粉作物油
料作物農產及林產廢棄物畜產排泄物石油植物藻類等
石化能源則包括石油煤等以外副產物如天然氣液化
天然氣液化石油氣液化煤炭氣化煤炭及混合燃料等
6 生物產業機械學
(52000)
能源與動力技術 5
核能為近世紀之新興能源但由於輻射危害之恐懼也引起
相當多的反對意見核能之利用曾經興盛一時但近年來屢遭
挫敗新科技已朝向無污染的氫熔合方式研究其實用性也大
為提高
22太陽能的利用
大部份能源依存於太陽能來自太陽輻射在地球表面太
陽是在其內部連續產生核聚變的反應過程地球上的風能水
能海洋溫差能波浪能和生物質能以及部分潮汐能都是來源
於太陽即使是地球上的化石燃料（如煤石油天然氣等）
從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能所以廣義的太陽
能所包括的範圍非常大狹義的太陽能則限於太陽輻射能的光
熱光電和光化學的直接轉換太陽能既是一次能源又是可
再生能源它資源豐富既可免費使用又無需運輸對環境
無任何污染
圖 24 地球上的能流圖（單位 106MW）
地球軌道上的平均太陽輻射強度為 1367kwm2或稱為太
陽常數以地球赤道的周長 40000km計其能獲得的能量可
達 173000TW在海平面上的標準峰值強度為 1kwm2地球
表面某一點 24h的年平均輻射強度為 020kwm2相當於有
102000TW 的能量人類依賴這些能量維持生存其中包括
所有其他形式的可再生能源（地熱能資源除外）雖然太陽能
資源總量相當於現在人類所利用的能源的一萬多倍但太陽能
的能量密度低而且它因地而異因時而變這是開發利用太
陽能面臨的主要問題太陽能的這些特點會使它在整個綜合能
源體系中的作用受到一定的限制
太陽是一個巨大久遠無盡的能源儘管太陽輻射到地
球大氣層的能量僅為其總輻射能量（約為 375times1026W）的 22億分之一但已高達 173000TW也就是說太陽每秒鐘照射到
地球上的能量就相當於 500 萬噸煤圖 24 是地球上的能流
圖從圖上可以看出地球上的風能水能海洋溫差能波
浪能和生物質能以及部分潮汐能都是來源於太陽
太陽能既是一次能源又是可再生能源它資源豐富既
可免費使用又無需運輸對環境無任何污染但太陽能也有
兩個主要缺點一是能流密度低二是其強度受各種因素（季
節地點氣候等）的影響不能維持常量這兩大缺點大大限
制了太陽能的有效利用
人類對太陽能的利用有著悠久的歷史中國早在兩千多年
前的戰國時期就知道利用鋼制四面鏡聚焦太陽光來點火利用
太陽能來乾燥農副產品發展到現代太陽能的利用已日益廣
泛它包括太陽能的光熱利用太陽能的光電利用和太陽能的
8 生物產業機械學
能源與動力技術 7
光化學利用等 太陽的結構如圖 25 所示在太陽平均半徑 23（023R） 的區域內是太陽的內核其溫度約為 8times106～4times107K密度為
水的 80～100 倍占太陽全部質量的 40總體積的 15
這部分產生的能量占太陽產生總能量的 90 23太陽的構造
與我們每日為伍的太陽其實是一個熾熱的氣態球體其直
徑約為 139times106km質量約為 22timesl027t為地球的 332times105倍體積則比地球大 13times106 倍平均密度為地球的 14其
主要組成氣體為氫（約 80）和氦（約 19）由於太陽內部
持續進行氫聚合成氦的核聚變反應因而不斷釋放出巨大的能
量並以輻射和對流的方式由核心向表面傳遞熱量溫度也從
中心向表面逐漸降低由核聚變可知當氫聚合成氦而釋放巨
大能量之同時每 1g 質量將損耗 000729g但根據目前太陽
產生核能的速率估算其氫的儲量仍足夠維持 600 億年因此
太陽能可以說是用之不竭的
太陽的外部是一個光球層即為肉眼所見到之太陽表面
其溫度為 5762K厚約 500km密度為 10-6gcm3它是由強
烈電離的氣體組成太陽能絕大部分輻射都是由此射向太空
光球外面為透明的太陽大氣稱為「反變層」是由極稀薄的
氣體組成厚達數百公里它能吸收某些可見光的光譜輻射
反變層外面是太陽大氣上層稱為「色球層」厚約 1～
15times104km大部分由氫和氦組成色球層外是伸入太空的銀
白色日冕溫度達 1 百萬度高度有時達幾十個太陽半徑
太陽實際上並不是恒溫黑體而是一個多層而具有不同波
長發射和吸收的輻射體不過在太陽能之利用上通常將它視為
一個溫度為 6000K發射波長為 03～3microm 的黑體
R023R
07R
光球層
日冕
色球層(10000-15000 km T=6000K)
反變層當太陽光抵達地球表面時大氣中的空氣成分包括浮游粒
子等會產生散射吸收其中水蒸氣吸收近紅外線臭氧吸收
紫外線如此會減低其日射量平均為 1 kwm2min全天日
射波長為 015-40μm植物光合作用是利用可見光波長
04-07μm用於熱動力的能量則是屬近紅外光至遠紅外光
之波長
24太陽光能利用技術
如前所述太陽能是許多再生能源中最重要的基本能源
諸如生質能風能太陽能海洋能水能等都來自太陽能
通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成熱能若以熱能進行發電圖 25 太陽的構造
能源與動力技術 9
則稱為太陽能發電也屬於此一技術領域通過轉換裝置把太
陽輻射能轉換成電能此轉換裝置係以半導體光電效應原理進
行因此又稱太陽能光電技術
太陽能利用領域於 20 世紀末出現兩項重大技術突破一
是 1954 年美國貝爾實驗室研製出 6的實用型單晶矽電池
二是 1955 年以色列 Tabor 提出選擇性吸收表面概念和理論並研製成功選擇性太陽吸收塗層這兩項技術奠定太陽能利用之
基礎
7O 年代以來有鑒於常規能源供給的有限性和環保的壓
力許多國家掀起利用太陽能及可再生能源的熱潮1973 年
美國政府訂定陽光發電計畫198O 年又正式將光伏發電列入
公共電力規劃累計投入達 8 億多美元1992 年美國政府
頒佈了新的光電計畫制定其發展的目標日本在 7O 年代制
定了ldquo陽光計畫rdquo1993 年將各種節能及環保等議題合併為「新
陽光計畫」同時期德國等歐洲共同體及一些發展中國家亦
著手制定相應發展計畫90 年代聯合國更召開一系列高峰會
議討論和制定世界太陽能戰略規劃國際太陽能公約設立
國際太陽能基金等推動全球太陽能和可再生能源的開發利
用
25太陽能熱利用技術
開發和利用豐富廣闊的太陽能對環境之污染少既是
近期急需的補充能源又是未來能源結構的基礎國際上太
陽能的使用技術已進入新的發展階段在太陽能熱利用系統
中重要的一個技術關鍵是如何提高太陽能之收集效率並將其
轉變為熱能就其採用之介質而言有以空氣水或砂石或其
他物質為儲熱媒介者國內平板型太陽能集熱器的應用已有顯
10 生物產業機械學
著的成果並有太陽能熱水器上市太陽能熱水器系統中集
熱器為重要的元件其設計必須符合終端使用之需求集熱器
之種類如下
平板型集熱器(Flat-plat collectors) 這是家庭型熱水或暖氣系統典型者為一金屬箱中具玻璃
或透明壓克力板內裝有有黑色之吸熱管可用加熱管內通過
之流體或空氣其溫度在 82C 以內如圖 26 與 27
圖 26 平板式太陽能熱水器
12 生物產業機械學
能源與動力技術 11
圖 28 太陽能空氣加熱器
圖 27 不加透明板之太陽熱水器
真空管集熱器(Evacuated-tube collectors)
游泳池之加熱系統通常使用平板式加熱器因池水均經過
濾可直接將池水通入吸熱管中加熱且由於池水溫度不必太
高為降低成本集熱管均直接曝露在大氣中不另加透明板
若使用於室內游泳池熱水浴或水療館時則需加透明板以提
高其集熱效率集熱管通常採用特殊塑膠材料 (圖 27)
真空管集熱器是由多組透明吸熱圓管組成圓管具多層
最外層為透明材料中層為玻璃材表面塗抹吸熱材料最內
管為銅管管內有吸熱流體在製造時最外層之空氣被抽出
造成真空狀態如此當太陽直射吸熱管時其傳導與對流之熱
損失將大為減少其傳導之溫度與效率均比平板型為高其溫
度範圍可達 70-175C但其價位也高如圖 210
直接以空氣為加熱媒介之太陽能加熱器主要用為空調用
途其吸熱板可為金屬板多層簾或非金屬材料空氣進入加
熱器可藉自然對流或風扇送風由於空氣導熱效率低空氣加
熱器之效率也比其他介質為低 (圖 28)
14 生物產業機械學
能源與動力技術 13
圖 29 真空管集熱器
圖 210 拋物型反射式太陽能集熱器 聚焦型集熱器(Concentrating collectors) 聚焦型集熱器係利用曲面反身鏡將陽光集中在一接收器
上其強度因此可以增加至 60 倍可以產生相當高的溫度
甚至也可以將水轉化為水蒸汽這型式常應用在工業方面屬
高溫集熱器
排氣式集熱器(Transpired air collectors) 排氣式集熱器係以黑色多孔金屬板製成當太陽光加熱金
屬板時利用另一具風扇將外界空氣吹經多孔板空氣因而受
熱這種簡單的加熱器常應用於空氣之預熱或穀物乾燥作業 聚焦型集熱器具拋物線之槽型集熱反射板可將太陽能投
身在一條吸熱管上以加熱管內流體其得到的溫度因此比平
板式或真空管型均高此套設備通常必須配合太陽追縱控制系
統使反射槽能在一天之中一直維持指向太陽的位置接收器
內可提供高溫熱水或水蒸氣作為工商業方面之用途
在建築設計方面很多建築均朝零能源或綠建築方向設
計利用太陽能並節省能源之使用太陽能建築之內容包括
能源與動力技術 15
1 特定環境設計
2 太陽能熱水及冷卻係統之應用(圖 211212)
3 自然採光
4 節能結構
5 節能設備及室內採光
6 太陽能熱利用及發電系統之應用
圖 211 集熱系統之搭配
httpwwwgreenbuildercomsourcebookHeatCoolhtml
16 生物產業機械學
圖 212 具有熱交換裝置之太陽能集熱器
26太陽電池技術(Photovoltaics)
太陽能等新能源為世界 2000 年經濟展望中最具決定性影
響的五大技術領域之一而太陽能光能發電又是其中最受矚目
的專案1994 年世界太陽能電池銷售量已達 64 兆瓦呈現
飛速發展的情勢目前國內太陽能電池銷售已逐漸增加
太陽能發電(Photovoltaic or PV)系統可將太陽能轉換為電
力亦即所謂之太陽電池(Solar cells)或太陽能伏打電池這是
一個能驅動小型電算機或電子手錶之主要元件已經逐漸轉變
為我們日常生活用品比較複雜的太陽電池則應用於抽水驅
動電訊設備或作為住家之照明或電具之電源目前光電產品
主要用於三大方面一是為無電場合提供電源主要為廣大無
電地區居民生活生產提供電力還有微波中繼電源等另外
能源與動力技術 17
還包括一些移動電源和備用電源二是太陽能日用電子產品
如各類太陽能充電器太陽能路燈和太陽能草地廠各種燈具
等三是並網發電這在發達國家已經大面積推廣實施2008年北京擬在其ldquo綠色奧運部分的用電改由太陽能發電和風
力發電提供堪稱壯舉
未來太陽電池應用領域可能擴及農業牧業林業交通
運輸通訊氣象石油管道文化教育等諸多方面光能發
電亦可解決偏僻邊地區之供電
光電原理
圖 213 光電材料之結構層次(wwweereenergygovpvpvmenucgisite=pvampidx=0ampbody=videohtml)
太陽電池由太陽電池板（元件）控制器和逆變器三大部
分組成太陽電池板為半導體層藉其材料結構可以吸收光子
而產生電流其概念如圖 213整個元件由具半導體性質 N-型與 P-型矽晶之材料層疊而成其上有附有一金屬格網其下
則有一電極以收集經過半導體之電子就外部而言即形成一組
18 生物產業機械學
電路可以驅動負載在整個元件之頂層有一玻璃保護層作
成封裝以防腐蝕此外它並能防止光線反射
光電原理如圖 214當光子打擊到半導體上之原子時由
於加諸能量使 N 型矽晶(下層)釋放一電子往上移動P 型
矽晶則產生一電洞往下移動因而在外邊構成電路有電壓與
電流通過時即會產生功率
圖 214 太陽電池之作用原理
httpsciencehowstuffworkscomsolar-cell3htm
20 生物產業機械學
能源與動力技術 19
httpwwwgreenhousegovauindexhtml 超過 25早期之光電材料轉換效率僅及 1-2 現在材質之
改善已可達 7-17 由一個或多個太陽電池片組成的太陽能
電池板稱為光電元件典型之光電晶片每 100 cm2 在全日光
(1000Wm-2)僅能產生 15 瓦特之功率(即 05 VDC 3A)其關係
如圖 216
光電材料
圖 216 不同光強度下之電流與電壓之關係
在應用上其整合系統如圖 217太陽能經數百片之 PV晶板轉換為電力後須經控制面板調整所吸收之功率使其符
合內在之需求另一部份則儲存在電瓶中以供夜間或需求增
加時作為補充來源由於 PV 產生之電源為直流電為配合正
常之交流電力系統需再經過 DCAC 之功率轉換以驅動日
常之電器
圖 215 太陽能集熱板(SOLARAreg M-Series solar panels)
太陽電池（片）有單晶矽多晶矽非晶矽和薄膜電池等
目前單晶和多晶電池用量最大非晶電池用於一些小系統和
計算器輔助電源等PV所得之功率依晶片面積太陽光強度
及波長而定由於近紅外光區無法吸收太陽電池之效率無法 圖 218 為加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模
22 生物產業機械學
能源與動力技術 21
組置於 8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
圖 218 加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模組置於
8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
各國光電之應用
西元 2002 年全球太陽電池組件產量約 600MW其中日本
占 45美國 25歐洲約 22日本是光電產業發展最快
的國家在不到 10 年的時間裏超過了美國2001 年世界十大
太陽電池生產廠日本就有 4 家分別是夏普京都陶瓷三
洋和三菱圖 219 所示為預期價格及裝置費用的變化目前
顯然已經穩定的程度
圖 217 PV 系統之元件組成
(a) PV 晶板由二至數百片組成 (b)控制面板可調整所吸收之功率 (c)電力貯存裝置(電池) (d)DC AC 功率轉換器 (e)備載系統(如柴油發電機)
24 生物產業機械學
能源與動力技術 23
太陽能 PV 板亦可採用聚焦型使其在有限的面積或數量
下可以增加太陽能之強度(圖 220)目前最大的技術限度約可
達 50 個太陽的強度但此種裝置也有其缺點其一必須設法
指向太陽以獲得最佳強度其二必須另外冷卻 PV 板以免其
溫度過份增高而受損
圖 219 PV 價格的變化
圖 220 聚焦型 PV 板之應用
26 生物產業機械學
能源與動力技術 25
家中 27水力發電
發電的方式有堵水為霸者有利用分路導流者亦有抽蓄
發電者前者即為一般之水庫台灣地區的水庫有石門水庫
翡翠水庫曾文水庫等等均有發電的功能(圖 222)分水路
導流者則如圖 223這種情形是否築堤為霸端視地理位置而
定抽蓄發電者其目的在調節發電的供需在用電低峰期間另
行將低水位水抽至高水位池至尖峰時間備用日月潭之抽蓄
發電即屬此類
水的密度為空氣的八百倍在相同的輸出狀況下水車應
比風車小一般水力雖仍受季節性影響但比較上則較為穩
定且可建水庫儲存以有效利用中世紀的水車用於揚水
磨坊的工作近年來則用於水力發電可以補其他電源之不足
水是大氣循環的重要媒介經過湖海蒸發凝結成雲然
後降雨或雪復回歸大海(圖 221)水循環的動力完全來自太
陽其過程中亦可累積發電或作磨坊等所需之機械功
圖 222 水霸的結構 圖 221 水的循環
水力發電設備之規模依發電能力而定大型者以大水庫
之發電為主其出力在 30MW 以上者中型者則在 100KW 以上
30MW 以下小型者則屬 100KW 以內之範圍較偏遠地區多
當流水蓄積發電後其功率可傳送至系統使用其發電之
型式有多種通常均利用水流往下流動時所產生之動能作功
然後利用水輪機及發電機轉換為電力再經由電路傳輸至各住
28 生物產業機械學
能源與動力技術 27
屬小水電其工程簡單建設工期短一次基礎建設之投資小
水庫的淹沒損失移民環境和生態等方面的綜合影響甚小
由於小水電接近用戶故輸變電設備簡單線路輸電損耗小
可適於山區使用
圖 224 小水電發電設備裝設之情形
世界各地的農村和邊遠地區十分需要增加電力供應在發
展中國家居住在這些地區的人中目前只有約 5能用上電
小水電站的發展速度一直很緩慢然而在工業發達國家由
於核電站造成的污染問題以及小水電站建造週期短和開發成
本低等優點再次激起了人們對小水電開發的興趣（圖 224）
圖 223 利用導渠發電 水輪機為利用水力轉換為機械功之機械其內部轉動的部
份稱為渦輪機(Turbine)高壓之水流經由渦輪機產生轉動帶
動連結其上之發電機轉子轉動磁場進行發電(圖 225)
水輪機之型式有三即伯爾頓(Pelton Turbine)輪機(圖226)法蘭西斯(Francis Turbine)輪機(圖 227)及螺旋片式輪機
(Propeller Turbine)伯爾頓輪機係利用數道強力水柱直接衝擊
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 3
圖 21 世界能源消耗比較
圖 22 世界各區域國家消耗能源之變化
4 生物產業機械學
圖 23 世界與二氧化碳發生量分析 (httpwwweiadoegovoiafieoworldhtml)
由於世界人口逐漸增加石油消費量也相當驚人未來石
油之生產將趨耗竭如何尋找替代能源成為當務之急替代能
源可分為自然能源生質能化石能及核能等自然能源屬太
陽能之附產品質言之包括太陽光與熱風力水分地熱
波力潮汐力及海洋溫差等這些能源由於乾淨無污染雖
值得開發但其數量有限尤其容易受到地域的影響
生質能源則屬有機質轉化而成諸如蔗渣澱粉作物油
料作物農產及林產廢棄物畜產排泄物石油植物藻類等
石化能源則包括石油煤等以外副產物如天然氣液化
天然氣液化石油氣液化煤炭氣化煤炭及混合燃料等
6 生物產業機械學
(52000)
能源與動力技術 5
核能為近世紀之新興能源但由於輻射危害之恐懼也引起
相當多的反對意見核能之利用曾經興盛一時但近年來屢遭
挫敗新科技已朝向無污染的氫熔合方式研究其實用性也大
為提高
22太陽能的利用
大部份能源依存於太陽能來自太陽輻射在地球表面太
陽是在其內部連續產生核聚變的反應過程地球上的風能水
能海洋溫差能波浪能和生物質能以及部分潮汐能都是來源
於太陽即使是地球上的化石燃料（如煤石油天然氣等）
從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能所以廣義的太陽
能所包括的範圍非常大狹義的太陽能則限於太陽輻射能的光
熱光電和光化學的直接轉換太陽能既是一次能源又是可
再生能源它資源豐富既可免費使用又無需運輸對環境
無任何污染
圖 24 地球上的能流圖（單位 106MW）
地球軌道上的平均太陽輻射強度為 1367kwm2或稱為太
陽常數以地球赤道的周長 40000km計其能獲得的能量可
達 173000TW在海平面上的標準峰值強度為 1kwm2地球
表面某一點 24h的年平均輻射強度為 020kwm2相當於有
102000TW 的能量人類依賴這些能量維持生存其中包括
所有其他形式的可再生能源（地熱能資源除外）雖然太陽能
資源總量相當於現在人類所利用的能源的一萬多倍但太陽能
的能量密度低而且它因地而異因時而變這是開發利用太
陽能面臨的主要問題太陽能的這些特點會使它在整個綜合能
源體系中的作用受到一定的限制
太陽是一個巨大久遠無盡的能源儘管太陽輻射到地
球大氣層的能量僅為其總輻射能量（約為 375times1026W）的 22億分之一但已高達 173000TW也就是說太陽每秒鐘照射到
地球上的能量就相當於 500 萬噸煤圖 24 是地球上的能流
圖從圖上可以看出地球上的風能水能海洋溫差能波
浪能和生物質能以及部分潮汐能都是來源於太陽
太陽能既是一次能源又是可再生能源它資源豐富既
可免費使用又無需運輸對環境無任何污染但太陽能也有
兩個主要缺點一是能流密度低二是其強度受各種因素（季
節地點氣候等）的影響不能維持常量這兩大缺點大大限
制了太陽能的有效利用
人類對太陽能的利用有著悠久的歷史中國早在兩千多年
前的戰國時期就知道利用鋼制四面鏡聚焦太陽光來點火利用
太陽能來乾燥農副產品發展到現代太陽能的利用已日益廣
泛它包括太陽能的光熱利用太陽能的光電利用和太陽能的
8 生物產業機械學
能源與動力技術 7
光化學利用等 太陽的結構如圖 25 所示在太陽平均半徑 23（023R） 的區域內是太陽的內核其溫度約為 8times106～4times107K密度為
水的 80～100 倍占太陽全部質量的 40總體積的 15
這部分產生的能量占太陽產生總能量的 90 23太陽的構造
與我們每日為伍的太陽其實是一個熾熱的氣態球體其直
徑約為 139times106km質量約為 22timesl027t為地球的 332times105倍體積則比地球大 13times106 倍平均密度為地球的 14其
主要組成氣體為氫（約 80）和氦（約 19）由於太陽內部
持續進行氫聚合成氦的核聚變反應因而不斷釋放出巨大的能
量並以輻射和對流的方式由核心向表面傳遞熱量溫度也從
中心向表面逐漸降低由核聚變可知當氫聚合成氦而釋放巨
大能量之同時每 1g 質量將損耗 000729g但根據目前太陽
產生核能的速率估算其氫的儲量仍足夠維持 600 億年因此
太陽能可以說是用之不竭的
太陽的外部是一個光球層即為肉眼所見到之太陽表面
其溫度為 5762K厚約 500km密度為 10-6gcm3它是由強
烈電離的氣體組成太陽能絕大部分輻射都是由此射向太空
光球外面為透明的太陽大氣稱為「反變層」是由極稀薄的
氣體組成厚達數百公里它能吸收某些可見光的光譜輻射
反變層外面是太陽大氣上層稱為「色球層」厚約 1～
15times104km大部分由氫和氦組成色球層外是伸入太空的銀
白色日冕溫度達 1 百萬度高度有時達幾十個太陽半徑
太陽實際上並不是恒溫黑體而是一個多層而具有不同波
長發射和吸收的輻射體不過在太陽能之利用上通常將它視為
一個溫度為 6000K發射波長為 03～3microm 的黑體
R023R
07R
光球層
日冕
色球層(10000-15000 km T=6000K)
反變層當太陽光抵達地球表面時大氣中的空氣成分包括浮游粒
子等會產生散射吸收其中水蒸氣吸收近紅外線臭氧吸收
紫外線如此會減低其日射量平均為 1 kwm2min全天日
射波長為 015-40μm植物光合作用是利用可見光波長
04-07μm用於熱動力的能量則是屬近紅外光至遠紅外光
之波長
24太陽光能利用技術
如前所述太陽能是許多再生能源中最重要的基本能源
諸如生質能風能太陽能海洋能水能等都來自太陽能
通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成熱能若以熱能進行發電圖 25 太陽的構造
能源與動力技術 9
則稱為太陽能發電也屬於此一技術領域通過轉換裝置把太
陽輻射能轉換成電能此轉換裝置係以半導體光電效應原理進
行因此又稱太陽能光電技術
太陽能利用領域於 20 世紀末出現兩項重大技術突破一
是 1954 年美國貝爾實驗室研製出 6的實用型單晶矽電池
二是 1955 年以色列 Tabor 提出選擇性吸收表面概念和理論並研製成功選擇性太陽吸收塗層這兩項技術奠定太陽能利用之
基礎
7O 年代以來有鑒於常規能源供給的有限性和環保的壓
力許多國家掀起利用太陽能及可再生能源的熱潮1973 年
美國政府訂定陽光發電計畫198O 年又正式將光伏發電列入
公共電力規劃累計投入達 8 億多美元1992 年美國政府
頒佈了新的光電計畫制定其發展的目標日本在 7O 年代制
定了ldquo陽光計畫rdquo1993 年將各種節能及環保等議題合併為「新
陽光計畫」同時期德國等歐洲共同體及一些發展中國家亦
著手制定相應發展計畫90 年代聯合國更召開一系列高峰會
議討論和制定世界太陽能戰略規劃國際太陽能公約設立
國際太陽能基金等推動全球太陽能和可再生能源的開發利
用
25太陽能熱利用技術
開發和利用豐富廣闊的太陽能對環境之污染少既是
近期急需的補充能源又是未來能源結構的基礎國際上太
陽能的使用技術已進入新的發展階段在太陽能熱利用系統
中重要的一個技術關鍵是如何提高太陽能之收集效率並將其
轉變為熱能就其採用之介質而言有以空氣水或砂石或其
他物質為儲熱媒介者國內平板型太陽能集熱器的應用已有顯
10 生物產業機械學
著的成果並有太陽能熱水器上市太陽能熱水器系統中集
熱器為重要的元件其設計必須符合終端使用之需求集熱器
之種類如下
平板型集熱器(Flat-plat collectors) 這是家庭型熱水或暖氣系統典型者為一金屬箱中具玻璃
或透明壓克力板內裝有有黑色之吸熱管可用加熱管內通過
之流體或空氣其溫度在 82C 以內如圖 26 與 27
圖 26 平板式太陽能熱水器
12 生物產業機械學
能源與動力技術 11
圖 28 太陽能空氣加熱器
圖 27 不加透明板之太陽熱水器
真空管集熱器(Evacuated-tube collectors)
游泳池之加熱系統通常使用平板式加熱器因池水均經過
濾可直接將池水通入吸熱管中加熱且由於池水溫度不必太
高為降低成本集熱管均直接曝露在大氣中不另加透明板
若使用於室內游泳池熱水浴或水療館時則需加透明板以提
高其集熱效率集熱管通常採用特殊塑膠材料 (圖 27)
真空管集熱器是由多組透明吸熱圓管組成圓管具多層
最外層為透明材料中層為玻璃材表面塗抹吸熱材料最內
管為銅管管內有吸熱流體在製造時最外層之空氣被抽出
造成真空狀態如此當太陽直射吸熱管時其傳導與對流之熱
損失將大為減少其傳導之溫度與效率均比平板型為高其溫
度範圍可達 70-175C但其價位也高如圖 210
直接以空氣為加熱媒介之太陽能加熱器主要用為空調用
途其吸熱板可為金屬板多層簾或非金屬材料空氣進入加
熱器可藉自然對流或風扇送風由於空氣導熱效率低空氣加
熱器之效率也比其他介質為低 (圖 28)
14 生物產業機械學
能源與動力技術 13
圖 29 真空管集熱器
圖 210 拋物型反射式太陽能集熱器 聚焦型集熱器(Concentrating collectors) 聚焦型集熱器係利用曲面反身鏡將陽光集中在一接收器
上其強度因此可以增加至 60 倍可以產生相當高的溫度
甚至也可以將水轉化為水蒸汽這型式常應用在工業方面屬
高溫集熱器
排氣式集熱器(Transpired air collectors) 排氣式集熱器係以黑色多孔金屬板製成當太陽光加熱金
屬板時利用另一具風扇將外界空氣吹經多孔板空氣因而受
熱這種簡單的加熱器常應用於空氣之預熱或穀物乾燥作業 聚焦型集熱器具拋物線之槽型集熱反射板可將太陽能投
身在一條吸熱管上以加熱管內流體其得到的溫度因此比平
板式或真空管型均高此套設備通常必須配合太陽追縱控制系
統使反射槽能在一天之中一直維持指向太陽的位置接收器
內可提供高溫熱水或水蒸氣作為工商業方面之用途
在建築設計方面很多建築均朝零能源或綠建築方向設
計利用太陽能並節省能源之使用太陽能建築之內容包括
能源與動力技術 15
1 特定環境設計
2 太陽能熱水及冷卻係統之應用(圖 211212)
3 自然採光
4 節能結構
5 節能設備及室內採光
6 太陽能熱利用及發電系統之應用
圖 211 集熱系統之搭配
httpwwwgreenbuildercomsourcebookHeatCoolhtml
16 生物產業機械學
圖 212 具有熱交換裝置之太陽能集熱器
26太陽電池技術(Photovoltaics)
太陽能等新能源為世界 2000 年經濟展望中最具決定性影
響的五大技術領域之一而太陽能光能發電又是其中最受矚目
的專案1994 年世界太陽能電池銷售量已達 64 兆瓦呈現
飛速發展的情勢目前國內太陽能電池銷售已逐漸增加
太陽能發電(Photovoltaic or PV)系統可將太陽能轉換為電
力亦即所謂之太陽電池(Solar cells)或太陽能伏打電池這是
一個能驅動小型電算機或電子手錶之主要元件已經逐漸轉變
為我們日常生活用品比較複雜的太陽電池則應用於抽水驅
動電訊設備或作為住家之照明或電具之電源目前光電產品
主要用於三大方面一是為無電場合提供電源主要為廣大無
電地區居民生活生產提供電力還有微波中繼電源等另外
能源與動力技術 17
還包括一些移動電源和備用電源二是太陽能日用電子產品
如各類太陽能充電器太陽能路燈和太陽能草地廠各種燈具
等三是並網發電這在發達國家已經大面積推廣實施2008年北京擬在其ldquo綠色奧運部分的用電改由太陽能發電和風
力發電提供堪稱壯舉
未來太陽電池應用領域可能擴及農業牧業林業交通
運輸通訊氣象石油管道文化教育等諸多方面光能發
電亦可解決偏僻邊地區之供電
光電原理
圖 213 光電材料之結構層次(wwweereenergygovpvpvmenucgisite=pvampidx=0ampbody=videohtml)
太陽電池由太陽電池板（元件）控制器和逆變器三大部
分組成太陽電池板為半導體層藉其材料結構可以吸收光子
而產生電流其概念如圖 213整個元件由具半導體性質 N-型與 P-型矽晶之材料層疊而成其上有附有一金屬格網其下
則有一電極以收集經過半導體之電子就外部而言即形成一組
18 生物產業機械學
電路可以驅動負載在整個元件之頂層有一玻璃保護層作
成封裝以防腐蝕此外它並能防止光線反射
光電原理如圖 214當光子打擊到半導體上之原子時由
於加諸能量使 N 型矽晶(下層)釋放一電子往上移動P 型
矽晶則產生一電洞往下移動因而在外邊構成電路有電壓與
電流通過時即會產生功率
圖 214 太陽電池之作用原理
httpsciencehowstuffworkscomsolar-cell3htm
20 生物產業機械學
能源與動力技術 19
httpwwwgreenhousegovauindexhtml 超過 25早期之光電材料轉換效率僅及 1-2 現在材質之
改善已可達 7-17 由一個或多個太陽電池片組成的太陽能
電池板稱為光電元件典型之光電晶片每 100 cm2 在全日光
(1000Wm-2)僅能產生 15 瓦特之功率(即 05 VDC 3A)其關係
如圖 216
光電材料
圖 216 不同光強度下之電流與電壓之關係
在應用上其整合系統如圖 217太陽能經數百片之 PV晶板轉換為電力後須經控制面板調整所吸收之功率使其符
合內在之需求另一部份則儲存在電瓶中以供夜間或需求增
加時作為補充來源由於 PV 產生之電源為直流電為配合正
常之交流電力系統需再經過 DCAC 之功率轉換以驅動日
常之電器
圖 215 太陽能集熱板(SOLARAreg M-Series solar panels)
太陽電池（片）有單晶矽多晶矽非晶矽和薄膜電池等
目前單晶和多晶電池用量最大非晶電池用於一些小系統和
計算器輔助電源等PV所得之功率依晶片面積太陽光強度
及波長而定由於近紅外光區無法吸收太陽電池之效率無法 圖 218 為加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模
22 生物產業機械學
能源與動力技術 21
組置於 8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
圖 218 加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模組置於
8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
各國光電之應用
西元 2002 年全球太陽電池組件產量約 600MW其中日本
占 45美國 25歐洲約 22日本是光電產業發展最快
的國家在不到 10 年的時間裏超過了美國2001 年世界十大
太陽電池生產廠日本就有 4 家分別是夏普京都陶瓷三
洋和三菱圖 219 所示為預期價格及裝置費用的變化目前
顯然已經穩定的程度
圖 217 PV 系統之元件組成
(a) PV 晶板由二至數百片組成 (b)控制面板可調整所吸收之功率 (c)電力貯存裝置(電池) (d)DC AC 功率轉換器 (e)備載系統(如柴油發電機)
24 生物產業機械學
能源與動力技術 23
太陽能 PV 板亦可採用聚焦型使其在有限的面積或數量
下可以增加太陽能之強度(圖 220)目前最大的技術限度約可
達 50 個太陽的強度但此種裝置也有其缺點其一必須設法
指向太陽以獲得最佳強度其二必須另外冷卻 PV 板以免其
溫度過份增高而受損
圖 219 PV 價格的變化
圖 220 聚焦型 PV 板之應用
26 生物產業機械學
能源與動力技術 25
家中 27水力發電
發電的方式有堵水為霸者有利用分路導流者亦有抽蓄
發電者前者即為一般之水庫台灣地區的水庫有石門水庫
翡翠水庫曾文水庫等等均有發電的功能(圖 222)分水路
導流者則如圖 223這種情形是否築堤為霸端視地理位置而
定抽蓄發電者其目的在調節發電的供需在用電低峰期間另
行將低水位水抽至高水位池至尖峰時間備用日月潭之抽蓄
發電即屬此類
水的密度為空氣的八百倍在相同的輸出狀況下水車應
比風車小一般水力雖仍受季節性影響但比較上則較為穩
定且可建水庫儲存以有效利用中世紀的水車用於揚水
磨坊的工作近年來則用於水力發電可以補其他電源之不足
水是大氣循環的重要媒介經過湖海蒸發凝結成雲然
後降雨或雪復回歸大海(圖 221)水循環的動力完全來自太
陽其過程中亦可累積發電或作磨坊等所需之機械功
圖 222 水霸的結構 圖 221 水的循環
水力發電設備之規模依發電能力而定大型者以大水庫
之發電為主其出力在 30MW 以上者中型者則在 100KW 以上
30MW 以下小型者則屬 100KW 以內之範圍較偏遠地區多
當流水蓄積發電後其功率可傳送至系統使用其發電之
型式有多種通常均利用水流往下流動時所產生之動能作功
然後利用水輪機及發電機轉換為電力再經由電路傳輸至各住
28 生物產業機械學
能源與動力技術 27
屬小水電其工程簡單建設工期短一次基礎建設之投資小
水庫的淹沒損失移民環境和生態等方面的綜合影響甚小
由於小水電接近用戶故輸變電設備簡單線路輸電損耗小
可適於山區使用
圖 224 小水電發電設備裝設之情形
世界各地的農村和邊遠地區十分需要增加電力供應在發
展中國家居住在這些地區的人中目前只有約 5能用上電
小水電站的發展速度一直很緩慢然而在工業發達國家由
於核電站造成的污染問題以及小水電站建造週期短和開發成
本低等優點再次激起了人們對小水電開發的興趣（圖 224）
圖 223 利用導渠發電 水輪機為利用水力轉換為機械功之機械其內部轉動的部
份稱為渦輪機(Turbine)高壓之水流經由渦輪機產生轉動帶
動連結其上之發電機轉子轉動磁場進行發電(圖 225)
水輪機之型式有三即伯爾頓(Pelton Turbine)輪機(圖226)法蘭西斯(Francis Turbine)輪機(圖 227)及螺旋片式輪機
(Propeller Turbine)伯爾頓輪機係利用數道強力水柱直接衝擊
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
6 生物產業機械學
(52000)
能源與動力技術 5
核能為近世紀之新興能源但由於輻射危害之恐懼也引起
相當多的反對意見核能之利用曾經興盛一時但近年來屢遭
挫敗新科技已朝向無污染的氫熔合方式研究其實用性也大
為提高
22太陽能的利用
大部份能源依存於太陽能來自太陽輻射在地球表面太
陽是在其內部連續產生核聚變的反應過程地球上的風能水
能海洋溫差能波浪能和生物質能以及部分潮汐能都是來源
於太陽即使是地球上的化石燃料（如煤石油天然氣等）
從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能所以廣義的太陽
能所包括的範圍非常大狹義的太陽能則限於太陽輻射能的光
熱光電和光化學的直接轉換太陽能既是一次能源又是可
再生能源它資源豐富既可免費使用又無需運輸對環境
無任何污染
圖 24 地球上的能流圖（單位 106MW）
地球軌道上的平均太陽輻射強度為 1367kwm2或稱為太
陽常數以地球赤道的周長 40000km計其能獲得的能量可
達 173000TW在海平面上的標準峰值強度為 1kwm2地球
表面某一點 24h的年平均輻射強度為 020kwm2相當於有
102000TW 的能量人類依賴這些能量維持生存其中包括
所有其他形式的可再生能源（地熱能資源除外）雖然太陽能
資源總量相當於現在人類所利用的能源的一萬多倍但太陽能
的能量密度低而且它因地而異因時而變這是開發利用太
陽能面臨的主要問題太陽能的這些特點會使它在整個綜合能
源體系中的作用受到一定的限制
太陽是一個巨大久遠無盡的能源儘管太陽輻射到地
球大氣層的能量僅為其總輻射能量（約為 375times1026W）的 22億分之一但已高達 173000TW也就是說太陽每秒鐘照射到
地球上的能量就相當於 500 萬噸煤圖 24 是地球上的能流
圖從圖上可以看出地球上的風能水能海洋溫差能波
浪能和生物質能以及部分潮汐能都是來源於太陽
太陽能既是一次能源又是可再生能源它資源豐富既
可免費使用又無需運輸對環境無任何污染但太陽能也有
兩個主要缺點一是能流密度低二是其強度受各種因素（季
節地點氣候等）的影響不能維持常量這兩大缺點大大限
制了太陽能的有效利用
人類對太陽能的利用有著悠久的歷史中國早在兩千多年
前的戰國時期就知道利用鋼制四面鏡聚焦太陽光來點火利用
太陽能來乾燥農副產品發展到現代太陽能的利用已日益廣
泛它包括太陽能的光熱利用太陽能的光電利用和太陽能的
8 生物產業機械學
能源與動力技術 7
光化學利用等 太陽的結構如圖 25 所示在太陽平均半徑 23（023R） 的區域內是太陽的內核其溫度約為 8times106～4times107K密度為
水的 80～100 倍占太陽全部質量的 40總體積的 15
這部分產生的能量占太陽產生總能量的 90 23太陽的構造
與我們每日為伍的太陽其實是一個熾熱的氣態球體其直
徑約為 139times106km質量約為 22timesl027t為地球的 332times105倍體積則比地球大 13times106 倍平均密度為地球的 14其
主要組成氣體為氫（約 80）和氦（約 19）由於太陽內部
持續進行氫聚合成氦的核聚變反應因而不斷釋放出巨大的能
量並以輻射和對流的方式由核心向表面傳遞熱量溫度也從
中心向表面逐漸降低由核聚變可知當氫聚合成氦而釋放巨
大能量之同時每 1g 質量將損耗 000729g但根據目前太陽
產生核能的速率估算其氫的儲量仍足夠維持 600 億年因此
太陽能可以說是用之不竭的
太陽的外部是一個光球層即為肉眼所見到之太陽表面
其溫度為 5762K厚約 500km密度為 10-6gcm3它是由強
烈電離的氣體組成太陽能絕大部分輻射都是由此射向太空
光球外面為透明的太陽大氣稱為「反變層」是由極稀薄的
氣體組成厚達數百公里它能吸收某些可見光的光譜輻射
反變層外面是太陽大氣上層稱為「色球層」厚約 1～
15times104km大部分由氫和氦組成色球層外是伸入太空的銀
白色日冕溫度達 1 百萬度高度有時達幾十個太陽半徑
太陽實際上並不是恒溫黑體而是一個多層而具有不同波
長發射和吸收的輻射體不過在太陽能之利用上通常將它視為
一個溫度為 6000K發射波長為 03～3microm 的黑體
R023R
07R
光球層
日冕
色球層(10000-15000 km T=6000K)
反變層當太陽光抵達地球表面時大氣中的空氣成分包括浮游粒
子等會產生散射吸收其中水蒸氣吸收近紅外線臭氧吸收
紫外線如此會減低其日射量平均為 1 kwm2min全天日
射波長為 015-40μm植物光合作用是利用可見光波長
04-07μm用於熱動力的能量則是屬近紅外光至遠紅外光
之波長
24太陽光能利用技術
如前所述太陽能是許多再生能源中最重要的基本能源
諸如生質能風能太陽能海洋能水能等都來自太陽能
通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成熱能若以熱能進行發電圖 25 太陽的構造
能源與動力技術 9
則稱為太陽能發電也屬於此一技術領域通過轉換裝置把太
陽輻射能轉換成電能此轉換裝置係以半導體光電效應原理進
行因此又稱太陽能光電技術
太陽能利用領域於 20 世紀末出現兩項重大技術突破一
是 1954 年美國貝爾實驗室研製出 6的實用型單晶矽電池
二是 1955 年以色列 Tabor 提出選擇性吸收表面概念和理論並研製成功選擇性太陽吸收塗層這兩項技術奠定太陽能利用之
基礎
7O 年代以來有鑒於常規能源供給的有限性和環保的壓
力許多國家掀起利用太陽能及可再生能源的熱潮1973 年
美國政府訂定陽光發電計畫198O 年又正式將光伏發電列入
公共電力規劃累計投入達 8 億多美元1992 年美國政府
頒佈了新的光電計畫制定其發展的目標日本在 7O 年代制
定了ldquo陽光計畫rdquo1993 年將各種節能及環保等議題合併為「新
陽光計畫」同時期德國等歐洲共同體及一些發展中國家亦
著手制定相應發展計畫90 年代聯合國更召開一系列高峰會
議討論和制定世界太陽能戰略規劃國際太陽能公約設立
國際太陽能基金等推動全球太陽能和可再生能源的開發利
用
25太陽能熱利用技術
開發和利用豐富廣闊的太陽能對環境之污染少既是
近期急需的補充能源又是未來能源結構的基礎國際上太
陽能的使用技術已進入新的發展階段在太陽能熱利用系統
中重要的一個技術關鍵是如何提高太陽能之收集效率並將其
轉變為熱能就其採用之介質而言有以空氣水或砂石或其
他物質為儲熱媒介者國內平板型太陽能集熱器的應用已有顯
10 生物產業機械學
著的成果並有太陽能熱水器上市太陽能熱水器系統中集
熱器為重要的元件其設計必須符合終端使用之需求集熱器
之種類如下
平板型集熱器(Flat-plat collectors) 這是家庭型熱水或暖氣系統典型者為一金屬箱中具玻璃
或透明壓克力板內裝有有黑色之吸熱管可用加熱管內通過
之流體或空氣其溫度在 82C 以內如圖 26 與 27
圖 26 平板式太陽能熱水器
12 生物產業機械學
能源與動力技術 11
圖 28 太陽能空氣加熱器
圖 27 不加透明板之太陽熱水器
真空管集熱器(Evacuated-tube collectors)
游泳池之加熱系統通常使用平板式加熱器因池水均經過
濾可直接將池水通入吸熱管中加熱且由於池水溫度不必太
高為降低成本集熱管均直接曝露在大氣中不另加透明板
若使用於室內游泳池熱水浴或水療館時則需加透明板以提
高其集熱效率集熱管通常採用特殊塑膠材料 (圖 27)
真空管集熱器是由多組透明吸熱圓管組成圓管具多層
最外層為透明材料中層為玻璃材表面塗抹吸熱材料最內
管為銅管管內有吸熱流體在製造時最外層之空氣被抽出
造成真空狀態如此當太陽直射吸熱管時其傳導與對流之熱
損失將大為減少其傳導之溫度與效率均比平板型為高其溫
度範圍可達 70-175C但其價位也高如圖 210
直接以空氣為加熱媒介之太陽能加熱器主要用為空調用
途其吸熱板可為金屬板多層簾或非金屬材料空氣進入加
熱器可藉自然對流或風扇送風由於空氣導熱效率低空氣加
熱器之效率也比其他介質為低 (圖 28)
14 生物產業機械學
能源與動力技術 13
圖 29 真空管集熱器
圖 210 拋物型反射式太陽能集熱器 聚焦型集熱器(Concentrating collectors) 聚焦型集熱器係利用曲面反身鏡將陽光集中在一接收器
上其強度因此可以增加至 60 倍可以產生相當高的溫度
甚至也可以將水轉化為水蒸汽這型式常應用在工業方面屬
高溫集熱器
排氣式集熱器(Transpired air collectors) 排氣式集熱器係以黑色多孔金屬板製成當太陽光加熱金
屬板時利用另一具風扇將外界空氣吹經多孔板空氣因而受
熱這種簡單的加熱器常應用於空氣之預熱或穀物乾燥作業 聚焦型集熱器具拋物線之槽型集熱反射板可將太陽能投
身在一條吸熱管上以加熱管內流體其得到的溫度因此比平
板式或真空管型均高此套設備通常必須配合太陽追縱控制系
統使反射槽能在一天之中一直維持指向太陽的位置接收器
內可提供高溫熱水或水蒸氣作為工商業方面之用途
在建築設計方面很多建築均朝零能源或綠建築方向設
計利用太陽能並節省能源之使用太陽能建築之內容包括
能源與動力技術 15
1 特定環境設計
2 太陽能熱水及冷卻係統之應用(圖 211212)
3 自然採光
4 節能結構
5 節能設備及室內採光
6 太陽能熱利用及發電系統之應用
圖 211 集熱系統之搭配
httpwwwgreenbuildercomsourcebookHeatCoolhtml
16 生物產業機械學
圖 212 具有熱交換裝置之太陽能集熱器
26太陽電池技術(Photovoltaics)
太陽能等新能源為世界 2000 年經濟展望中最具決定性影
響的五大技術領域之一而太陽能光能發電又是其中最受矚目
的專案1994 年世界太陽能電池銷售量已達 64 兆瓦呈現
飛速發展的情勢目前國內太陽能電池銷售已逐漸增加
太陽能發電(Photovoltaic or PV)系統可將太陽能轉換為電
力亦即所謂之太陽電池(Solar cells)或太陽能伏打電池這是
一個能驅動小型電算機或電子手錶之主要元件已經逐漸轉變
為我們日常生活用品比較複雜的太陽電池則應用於抽水驅
動電訊設備或作為住家之照明或電具之電源目前光電產品
主要用於三大方面一是為無電場合提供電源主要為廣大無
電地區居民生活生產提供電力還有微波中繼電源等另外
能源與動力技術 17
還包括一些移動電源和備用電源二是太陽能日用電子產品
如各類太陽能充電器太陽能路燈和太陽能草地廠各種燈具
等三是並網發電這在發達國家已經大面積推廣實施2008年北京擬在其ldquo綠色奧運部分的用電改由太陽能發電和風
力發電提供堪稱壯舉
未來太陽電池應用領域可能擴及農業牧業林業交通
運輸通訊氣象石油管道文化教育等諸多方面光能發
電亦可解決偏僻邊地區之供電
光電原理
圖 213 光電材料之結構層次(wwweereenergygovpvpvmenucgisite=pvampidx=0ampbody=videohtml)
太陽電池由太陽電池板（元件）控制器和逆變器三大部
分組成太陽電池板為半導體層藉其材料結構可以吸收光子
而產生電流其概念如圖 213整個元件由具半導體性質 N-型與 P-型矽晶之材料層疊而成其上有附有一金屬格網其下
則有一電極以收集經過半導體之電子就外部而言即形成一組
18 生物產業機械學
電路可以驅動負載在整個元件之頂層有一玻璃保護層作
成封裝以防腐蝕此外它並能防止光線反射
光電原理如圖 214當光子打擊到半導體上之原子時由
於加諸能量使 N 型矽晶(下層)釋放一電子往上移動P 型
矽晶則產生一電洞往下移動因而在外邊構成電路有電壓與
電流通過時即會產生功率
圖 214 太陽電池之作用原理
httpsciencehowstuffworkscomsolar-cell3htm
20 生物產業機械學
能源與動力技術 19
httpwwwgreenhousegovauindexhtml 超過 25早期之光電材料轉換效率僅及 1-2 現在材質之
改善已可達 7-17 由一個或多個太陽電池片組成的太陽能
電池板稱為光電元件典型之光電晶片每 100 cm2 在全日光
(1000Wm-2)僅能產生 15 瓦特之功率(即 05 VDC 3A)其關係
如圖 216
光電材料
圖 216 不同光強度下之電流與電壓之關係
在應用上其整合系統如圖 217太陽能經數百片之 PV晶板轉換為電力後須經控制面板調整所吸收之功率使其符
合內在之需求另一部份則儲存在電瓶中以供夜間或需求增
加時作為補充來源由於 PV 產生之電源為直流電為配合正
常之交流電力系統需再經過 DCAC 之功率轉換以驅動日
常之電器
圖 215 太陽能集熱板(SOLARAreg M-Series solar panels)
太陽電池（片）有單晶矽多晶矽非晶矽和薄膜電池等
目前單晶和多晶電池用量最大非晶電池用於一些小系統和
計算器輔助電源等PV所得之功率依晶片面積太陽光強度
及波長而定由於近紅外光區無法吸收太陽電池之效率無法 圖 218 為加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模
22 生物產業機械學
能源與動力技術 21
組置於 8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
圖 218 加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模組置於
8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
各國光電之應用
西元 2002 年全球太陽電池組件產量約 600MW其中日本
占 45美國 25歐洲約 22日本是光電產業發展最快
的國家在不到 10 年的時間裏超過了美國2001 年世界十大
太陽電池生產廠日本就有 4 家分別是夏普京都陶瓷三
洋和三菱圖 219 所示為預期價格及裝置費用的變化目前
顯然已經穩定的程度
圖 217 PV 系統之元件組成
(a) PV 晶板由二至數百片組成 (b)控制面板可調整所吸收之功率 (c)電力貯存裝置(電池) (d)DC AC 功率轉換器 (e)備載系統(如柴油發電機)
24 生物產業機械學
能源與動力技術 23
太陽能 PV 板亦可採用聚焦型使其在有限的面積或數量
下可以增加太陽能之強度(圖 220)目前最大的技術限度約可
達 50 個太陽的強度但此種裝置也有其缺點其一必須設法
指向太陽以獲得最佳強度其二必須另外冷卻 PV 板以免其
溫度過份增高而受損
圖 219 PV 價格的變化
圖 220 聚焦型 PV 板之應用
26 生物產業機械學
能源與動力技術 25
家中 27水力發電
發電的方式有堵水為霸者有利用分路導流者亦有抽蓄
發電者前者即為一般之水庫台灣地區的水庫有石門水庫
翡翠水庫曾文水庫等等均有發電的功能(圖 222)分水路
導流者則如圖 223這種情形是否築堤為霸端視地理位置而
定抽蓄發電者其目的在調節發電的供需在用電低峰期間另
行將低水位水抽至高水位池至尖峰時間備用日月潭之抽蓄
發電即屬此類
水的密度為空氣的八百倍在相同的輸出狀況下水車應
比風車小一般水力雖仍受季節性影響但比較上則較為穩
定且可建水庫儲存以有效利用中世紀的水車用於揚水
磨坊的工作近年來則用於水力發電可以補其他電源之不足
水是大氣循環的重要媒介經過湖海蒸發凝結成雲然
後降雨或雪復回歸大海(圖 221)水循環的動力完全來自太
陽其過程中亦可累積發電或作磨坊等所需之機械功
圖 222 水霸的結構 圖 221 水的循環
水力發電設備之規模依發電能力而定大型者以大水庫
之發電為主其出力在 30MW 以上者中型者則在 100KW 以上
30MW 以下小型者則屬 100KW 以內之範圍較偏遠地區多
當流水蓄積發電後其功率可傳送至系統使用其發電之
型式有多種通常均利用水流往下流動時所產生之動能作功
然後利用水輪機及發電機轉換為電力再經由電路傳輸至各住
28 生物產業機械學
能源與動力技術 27
屬小水電其工程簡單建設工期短一次基礎建設之投資小
水庫的淹沒損失移民環境和生態等方面的綜合影響甚小
由於小水電接近用戶故輸變電設備簡單線路輸電損耗小
可適於山區使用
圖 224 小水電發電設備裝設之情形
世界各地的農村和邊遠地區十分需要增加電力供應在發
展中國家居住在這些地區的人中目前只有約 5能用上電
小水電站的發展速度一直很緩慢然而在工業發達國家由
於核電站造成的污染問題以及小水電站建造週期短和開發成
本低等優點再次激起了人們對小水電開發的興趣（圖 224）
圖 223 利用導渠發電 水輪機為利用水力轉換為機械功之機械其內部轉動的部
份稱為渦輪機(Turbine)高壓之水流經由渦輪機產生轉動帶
動連結其上之發電機轉子轉動磁場進行發電(圖 225)
水輪機之型式有三即伯爾頓(Pelton Turbine)輪機(圖226)法蘭西斯(Francis Turbine)輪機(圖 227)及螺旋片式輪機
(Propeller Turbine)伯爾頓輪機係利用數道強力水柱直接衝擊
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
8 生物產業機械學
能源與動力技術 7
光化學利用等 太陽的結構如圖 25 所示在太陽平均半徑 23（023R） 的區域內是太陽的內核其溫度約為 8times106～4times107K密度為
水的 80～100 倍占太陽全部質量的 40總體積的 15
這部分產生的能量占太陽產生總能量的 90 23太陽的構造
與我們每日為伍的太陽其實是一個熾熱的氣態球體其直
徑約為 139times106km質量約為 22timesl027t為地球的 332times105倍體積則比地球大 13times106 倍平均密度為地球的 14其
主要組成氣體為氫（約 80）和氦（約 19）由於太陽內部
持續進行氫聚合成氦的核聚變反應因而不斷釋放出巨大的能
量並以輻射和對流的方式由核心向表面傳遞熱量溫度也從
中心向表面逐漸降低由核聚變可知當氫聚合成氦而釋放巨
大能量之同時每 1g 質量將損耗 000729g但根據目前太陽
產生核能的速率估算其氫的儲量仍足夠維持 600 億年因此
太陽能可以說是用之不竭的
太陽的外部是一個光球層即為肉眼所見到之太陽表面
其溫度為 5762K厚約 500km密度為 10-6gcm3它是由強
烈電離的氣體組成太陽能絕大部分輻射都是由此射向太空
光球外面為透明的太陽大氣稱為「反變層」是由極稀薄的
氣體組成厚達數百公里它能吸收某些可見光的光譜輻射
反變層外面是太陽大氣上層稱為「色球層」厚約 1～
15times104km大部分由氫和氦組成色球層外是伸入太空的銀
白色日冕溫度達 1 百萬度高度有時達幾十個太陽半徑
太陽實際上並不是恒溫黑體而是一個多層而具有不同波
長發射和吸收的輻射體不過在太陽能之利用上通常將它視為
一個溫度為 6000K發射波長為 03～3microm 的黑體
R023R
07R
光球層
日冕
色球層(10000-15000 km T=6000K)
反變層當太陽光抵達地球表面時大氣中的空氣成分包括浮游粒
子等會產生散射吸收其中水蒸氣吸收近紅外線臭氧吸收
紫外線如此會減低其日射量平均為 1 kwm2min全天日
射波長為 015-40μm植物光合作用是利用可見光波長
04-07μm用於熱動力的能量則是屬近紅外光至遠紅外光
之波長
24太陽光能利用技術
如前所述太陽能是許多再生能源中最重要的基本能源
諸如生質能風能太陽能海洋能水能等都來自太陽能
通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成熱能若以熱能進行發電圖 25 太陽的構造
能源與動力技術 9
則稱為太陽能發電也屬於此一技術領域通過轉換裝置把太
陽輻射能轉換成電能此轉換裝置係以半導體光電效應原理進
行因此又稱太陽能光電技術
太陽能利用領域於 20 世紀末出現兩項重大技術突破一
是 1954 年美國貝爾實驗室研製出 6的實用型單晶矽電池
二是 1955 年以色列 Tabor 提出選擇性吸收表面概念和理論並研製成功選擇性太陽吸收塗層這兩項技術奠定太陽能利用之
基礎
7O 年代以來有鑒於常規能源供給的有限性和環保的壓
力許多國家掀起利用太陽能及可再生能源的熱潮1973 年
美國政府訂定陽光發電計畫198O 年又正式將光伏發電列入
公共電力規劃累計投入達 8 億多美元1992 年美國政府
頒佈了新的光電計畫制定其發展的目標日本在 7O 年代制
定了ldquo陽光計畫rdquo1993 年將各種節能及環保等議題合併為「新
陽光計畫」同時期德國等歐洲共同體及一些發展中國家亦
著手制定相應發展計畫90 年代聯合國更召開一系列高峰會
議討論和制定世界太陽能戰略規劃國際太陽能公約設立
國際太陽能基金等推動全球太陽能和可再生能源的開發利
用
25太陽能熱利用技術
開發和利用豐富廣闊的太陽能對環境之污染少既是
近期急需的補充能源又是未來能源結構的基礎國際上太
陽能的使用技術已進入新的發展階段在太陽能熱利用系統
中重要的一個技術關鍵是如何提高太陽能之收集效率並將其
轉變為熱能就其採用之介質而言有以空氣水或砂石或其
他物質為儲熱媒介者國內平板型太陽能集熱器的應用已有顯
10 生物產業機械學
著的成果並有太陽能熱水器上市太陽能熱水器系統中集
熱器為重要的元件其設計必須符合終端使用之需求集熱器
之種類如下
平板型集熱器(Flat-plat collectors) 這是家庭型熱水或暖氣系統典型者為一金屬箱中具玻璃
或透明壓克力板內裝有有黑色之吸熱管可用加熱管內通過
之流體或空氣其溫度在 82C 以內如圖 26 與 27
圖 26 平板式太陽能熱水器
12 生物產業機械學
能源與動力技術 11
圖 28 太陽能空氣加熱器
圖 27 不加透明板之太陽熱水器
真空管集熱器(Evacuated-tube collectors)
游泳池之加熱系統通常使用平板式加熱器因池水均經過
濾可直接將池水通入吸熱管中加熱且由於池水溫度不必太
高為降低成本集熱管均直接曝露在大氣中不另加透明板
若使用於室內游泳池熱水浴或水療館時則需加透明板以提
高其集熱效率集熱管通常採用特殊塑膠材料 (圖 27)
真空管集熱器是由多組透明吸熱圓管組成圓管具多層
最外層為透明材料中層為玻璃材表面塗抹吸熱材料最內
管為銅管管內有吸熱流體在製造時最外層之空氣被抽出
造成真空狀態如此當太陽直射吸熱管時其傳導與對流之熱
損失將大為減少其傳導之溫度與效率均比平板型為高其溫
度範圍可達 70-175C但其價位也高如圖 210
直接以空氣為加熱媒介之太陽能加熱器主要用為空調用
途其吸熱板可為金屬板多層簾或非金屬材料空氣進入加
熱器可藉自然對流或風扇送風由於空氣導熱效率低空氣加
熱器之效率也比其他介質為低 (圖 28)
14 生物產業機械學
能源與動力技術 13
圖 29 真空管集熱器
圖 210 拋物型反射式太陽能集熱器 聚焦型集熱器(Concentrating collectors) 聚焦型集熱器係利用曲面反身鏡將陽光集中在一接收器
上其強度因此可以增加至 60 倍可以產生相當高的溫度
甚至也可以將水轉化為水蒸汽這型式常應用在工業方面屬
高溫集熱器
排氣式集熱器(Transpired air collectors) 排氣式集熱器係以黑色多孔金屬板製成當太陽光加熱金
屬板時利用另一具風扇將外界空氣吹經多孔板空氣因而受
熱這種簡單的加熱器常應用於空氣之預熱或穀物乾燥作業 聚焦型集熱器具拋物線之槽型集熱反射板可將太陽能投
身在一條吸熱管上以加熱管內流體其得到的溫度因此比平
板式或真空管型均高此套設備通常必須配合太陽追縱控制系
統使反射槽能在一天之中一直維持指向太陽的位置接收器
內可提供高溫熱水或水蒸氣作為工商業方面之用途
在建築設計方面很多建築均朝零能源或綠建築方向設
計利用太陽能並節省能源之使用太陽能建築之內容包括
能源與動力技術 15
1 特定環境設計
2 太陽能熱水及冷卻係統之應用(圖 211212)
3 自然採光
4 節能結構
5 節能設備及室內採光
6 太陽能熱利用及發電系統之應用
圖 211 集熱系統之搭配
httpwwwgreenbuildercomsourcebookHeatCoolhtml
16 生物產業機械學
圖 212 具有熱交換裝置之太陽能集熱器
26太陽電池技術(Photovoltaics)
太陽能等新能源為世界 2000 年經濟展望中最具決定性影
響的五大技術領域之一而太陽能光能發電又是其中最受矚目
的專案1994 年世界太陽能電池銷售量已達 64 兆瓦呈現
飛速發展的情勢目前國內太陽能電池銷售已逐漸增加
太陽能發電(Photovoltaic or PV)系統可將太陽能轉換為電
力亦即所謂之太陽電池(Solar cells)或太陽能伏打電池這是
一個能驅動小型電算機或電子手錶之主要元件已經逐漸轉變
為我們日常生活用品比較複雜的太陽電池則應用於抽水驅
動電訊設備或作為住家之照明或電具之電源目前光電產品
主要用於三大方面一是為無電場合提供電源主要為廣大無
電地區居民生活生產提供電力還有微波中繼電源等另外
能源與動力技術 17
還包括一些移動電源和備用電源二是太陽能日用電子產品
如各類太陽能充電器太陽能路燈和太陽能草地廠各種燈具
等三是並網發電這在發達國家已經大面積推廣實施2008年北京擬在其ldquo綠色奧運部分的用電改由太陽能發電和風
力發電提供堪稱壯舉
未來太陽電池應用領域可能擴及農業牧業林業交通
運輸通訊氣象石油管道文化教育等諸多方面光能發
電亦可解決偏僻邊地區之供電
光電原理
圖 213 光電材料之結構層次(wwweereenergygovpvpvmenucgisite=pvampidx=0ampbody=videohtml)
太陽電池由太陽電池板（元件）控制器和逆變器三大部
分組成太陽電池板為半導體層藉其材料結構可以吸收光子
而產生電流其概念如圖 213整個元件由具半導體性質 N-型與 P-型矽晶之材料層疊而成其上有附有一金屬格網其下
則有一電極以收集經過半導體之電子就外部而言即形成一組
18 生物產業機械學
電路可以驅動負載在整個元件之頂層有一玻璃保護層作
成封裝以防腐蝕此外它並能防止光線反射
光電原理如圖 214當光子打擊到半導體上之原子時由
於加諸能量使 N 型矽晶(下層)釋放一電子往上移動P 型
矽晶則產生一電洞往下移動因而在外邊構成電路有電壓與
電流通過時即會產生功率
圖 214 太陽電池之作用原理
httpsciencehowstuffworkscomsolar-cell3htm
20 生物產業機械學
能源與動力技術 19
httpwwwgreenhousegovauindexhtml 超過 25早期之光電材料轉換效率僅及 1-2 現在材質之
改善已可達 7-17 由一個或多個太陽電池片組成的太陽能
電池板稱為光電元件典型之光電晶片每 100 cm2 在全日光
(1000Wm-2)僅能產生 15 瓦特之功率(即 05 VDC 3A)其關係
如圖 216
光電材料
圖 216 不同光強度下之電流與電壓之關係
在應用上其整合系統如圖 217太陽能經數百片之 PV晶板轉換為電力後須經控制面板調整所吸收之功率使其符
合內在之需求另一部份則儲存在電瓶中以供夜間或需求增
加時作為補充來源由於 PV 產生之電源為直流電為配合正
常之交流電力系統需再經過 DCAC 之功率轉換以驅動日
常之電器
圖 215 太陽能集熱板(SOLARAreg M-Series solar panels)
太陽電池（片）有單晶矽多晶矽非晶矽和薄膜電池等
目前單晶和多晶電池用量最大非晶電池用於一些小系統和
計算器輔助電源等PV所得之功率依晶片面積太陽光強度
及波長而定由於近紅外光區無法吸收太陽電池之效率無法 圖 218 為加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模
22 生物產業機械學
能源與動力技術 21
組置於 8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
圖 218 加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模組置於
8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
各國光電之應用
西元 2002 年全球太陽電池組件產量約 600MW其中日本
占 45美國 25歐洲約 22日本是光電產業發展最快
的國家在不到 10 年的時間裏超過了美國2001 年世界十大
太陽電池生產廠日本就有 4 家分別是夏普京都陶瓷三
洋和三菱圖 219 所示為預期價格及裝置費用的變化目前
顯然已經穩定的程度
圖 217 PV 系統之元件組成
(a) PV 晶板由二至數百片組成 (b)控制面板可調整所吸收之功率 (c)電力貯存裝置(電池) (d)DC AC 功率轉換器 (e)備載系統(如柴油發電機)
24 生物產業機械學
能源與動力技術 23
太陽能 PV 板亦可採用聚焦型使其在有限的面積或數量
下可以增加太陽能之強度(圖 220)目前最大的技術限度約可
達 50 個太陽的強度但此種裝置也有其缺點其一必須設法
指向太陽以獲得最佳強度其二必須另外冷卻 PV 板以免其
溫度過份增高而受損
圖 219 PV 價格的變化
圖 220 聚焦型 PV 板之應用
26 生物產業機械學
能源與動力技術 25
家中 27水力發電
發電的方式有堵水為霸者有利用分路導流者亦有抽蓄
發電者前者即為一般之水庫台灣地區的水庫有石門水庫
翡翠水庫曾文水庫等等均有發電的功能(圖 222)分水路
導流者則如圖 223這種情形是否築堤為霸端視地理位置而
定抽蓄發電者其目的在調節發電的供需在用電低峰期間另
行將低水位水抽至高水位池至尖峰時間備用日月潭之抽蓄
發電即屬此類
水的密度為空氣的八百倍在相同的輸出狀況下水車應
比風車小一般水力雖仍受季節性影響但比較上則較為穩
定且可建水庫儲存以有效利用中世紀的水車用於揚水
磨坊的工作近年來則用於水力發電可以補其他電源之不足
水是大氣循環的重要媒介經過湖海蒸發凝結成雲然
後降雨或雪復回歸大海(圖 221)水循環的動力完全來自太
陽其過程中亦可累積發電或作磨坊等所需之機械功
圖 222 水霸的結構 圖 221 水的循環
水力發電設備之規模依發電能力而定大型者以大水庫
之發電為主其出力在 30MW 以上者中型者則在 100KW 以上
30MW 以下小型者則屬 100KW 以內之範圍較偏遠地區多
當流水蓄積發電後其功率可傳送至系統使用其發電之
型式有多種通常均利用水流往下流動時所產生之動能作功
然後利用水輪機及發電機轉換為電力再經由電路傳輸至各住
28 生物產業機械學
能源與動力技術 27
屬小水電其工程簡單建設工期短一次基礎建設之投資小
水庫的淹沒損失移民環境和生態等方面的綜合影響甚小
由於小水電接近用戶故輸變電設備簡單線路輸電損耗小
可適於山區使用
圖 224 小水電發電設備裝設之情形
世界各地的農村和邊遠地區十分需要增加電力供應在發
展中國家居住在這些地區的人中目前只有約 5能用上電
小水電站的發展速度一直很緩慢然而在工業發達國家由
於核電站造成的污染問題以及小水電站建造週期短和開發成
本低等優點再次激起了人們對小水電開發的興趣（圖 224）
圖 223 利用導渠發電 水輪機為利用水力轉換為機械功之機械其內部轉動的部
份稱為渦輪機(Turbine)高壓之水流經由渦輪機產生轉動帶
動連結其上之發電機轉子轉動磁場進行發電(圖 225)
水輪機之型式有三即伯爾頓(Pelton Turbine)輪機(圖226)法蘭西斯(Francis Turbine)輪機(圖 227)及螺旋片式輪機
(Propeller Turbine)伯爾頓輪機係利用數道強力水柱直接衝擊
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 9
則稱為太陽能發電也屬於此一技術領域通過轉換裝置把太
陽輻射能轉換成電能此轉換裝置係以半導體光電效應原理進
行因此又稱太陽能光電技術
太陽能利用領域於 20 世紀末出現兩項重大技術突破一
是 1954 年美國貝爾實驗室研製出 6的實用型單晶矽電池
二是 1955 年以色列 Tabor 提出選擇性吸收表面概念和理論並研製成功選擇性太陽吸收塗層這兩項技術奠定太陽能利用之
基礎
7O 年代以來有鑒於常規能源供給的有限性和環保的壓
力許多國家掀起利用太陽能及可再生能源的熱潮1973 年
美國政府訂定陽光發電計畫198O 年又正式將光伏發電列入
公共電力規劃累計投入達 8 億多美元1992 年美國政府
頒佈了新的光電計畫制定其發展的目標日本在 7O 年代制
定了ldquo陽光計畫rdquo1993 年將各種節能及環保等議題合併為「新
陽光計畫」同時期德國等歐洲共同體及一些發展中國家亦
著手制定相應發展計畫90 年代聯合國更召開一系列高峰會
議討論和制定世界太陽能戰略規劃國際太陽能公約設立
國際太陽能基金等推動全球太陽能和可再生能源的開發利
用
25太陽能熱利用技術
開發和利用豐富廣闊的太陽能對環境之污染少既是
近期急需的補充能源又是未來能源結構的基礎國際上太
陽能的使用技術已進入新的發展階段在太陽能熱利用系統
中重要的一個技術關鍵是如何提高太陽能之收集效率並將其
轉變為熱能就其採用之介質而言有以空氣水或砂石或其
他物質為儲熱媒介者國內平板型太陽能集熱器的應用已有顯
10 生物產業機械學
著的成果並有太陽能熱水器上市太陽能熱水器系統中集
熱器為重要的元件其設計必須符合終端使用之需求集熱器
之種類如下
平板型集熱器(Flat-plat collectors) 這是家庭型熱水或暖氣系統典型者為一金屬箱中具玻璃
或透明壓克力板內裝有有黑色之吸熱管可用加熱管內通過
之流體或空氣其溫度在 82C 以內如圖 26 與 27
圖 26 平板式太陽能熱水器
12 生物產業機械學
能源與動力技術 11
圖 28 太陽能空氣加熱器
圖 27 不加透明板之太陽熱水器
真空管集熱器(Evacuated-tube collectors)
游泳池之加熱系統通常使用平板式加熱器因池水均經過
濾可直接將池水通入吸熱管中加熱且由於池水溫度不必太
高為降低成本集熱管均直接曝露在大氣中不另加透明板
若使用於室內游泳池熱水浴或水療館時則需加透明板以提
高其集熱效率集熱管通常採用特殊塑膠材料 (圖 27)
真空管集熱器是由多組透明吸熱圓管組成圓管具多層
最外層為透明材料中層為玻璃材表面塗抹吸熱材料最內
管為銅管管內有吸熱流體在製造時最外層之空氣被抽出
造成真空狀態如此當太陽直射吸熱管時其傳導與對流之熱
損失將大為減少其傳導之溫度與效率均比平板型為高其溫
度範圍可達 70-175C但其價位也高如圖 210
直接以空氣為加熱媒介之太陽能加熱器主要用為空調用
途其吸熱板可為金屬板多層簾或非金屬材料空氣進入加
熱器可藉自然對流或風扇送風由於空氣導熱效率低空氣加
熱器之效率也比其他介質為低 (圖 28)
14 生物產業機械學
能源與動力技術 13
圖 29 真空管集熱器
圖 210 拋物型反射式太陽能集熱器 聚焦型集熱器(Concentrating collectors) 聚焦型集熱器係利用曲面反身鏡將陽光集中在一接收器
上其強度因此可以增加至 60 倍可以產生相當高的溫度
甚至也可以將水轉化為水蒸汽這型式常應用在工業方面屬
高溫集熱器
排氣式集熱器(Transpired air collectors) 排氣式集熱器係以黑色多孔金屬板製成當太陽光加熱金
屬板時利用另一具風扇將外界空氣吹經多孔板空氣因而受
熱這種簡單的加熱器常應用於空氣之預熱或穀物乾燥作業 聚焦型集熱器具拋物線之槽型集熱反射板可將太陽能投
身在一條吸熱管上以加熱管內流體其得到的溫度因此比平
板式或真空管型均高此套設備通常必須配合太陽追縱控制系
統使反射槽能在一天之中一直維持指向太陽的位置接收器
內可提供高溫熱水或水蒸氣作為工商業方面之用途
在建築設計方面很多建築均朝零能源或綠建築方向設
計利用太陽能並節省能源之使用太陽能建築之內容包括
能源與動力技術 15
1 特定環境設計
2 太陽能熱水及冷卻係統之應用(圖 211212)
3 自然採光
4 節能結構
5 節能設備及室內採光
6 太陽能熱利用及發電系統之應用
圖 211 集熱系統之搭配
httpwwwgreenbuildercomsourcebookHeatCoolhtml
16 生物產業機械學
圖 212 具有熱交換裝置之太陽能集熱器
26太陽電池技術(Photovoltaics)
太陽能等新能源為世界 2000 年經濟展望中最具決定性影
響的五大技術領域之一而太陽能光能發電又是其中最受矚目
的專案1994 年世界太陽能電池銷售量已達 64 兆瓦呈現
飛速發展的情勢目前國內太陽能電池銷售已逐漸增加
太陽能發電(Photovoltaic or PV)系統可將太陽能轉換為電
力亦即所謂之太陽電池(Solar cells)或太陽能伏打電池這是
一個能驅動小型電算機或電子手錶之主要元件已經逐漸轉變
為我們日常生活用品比較複雜的太陽電池則應用於抽水驅
動電訊設備或作為住家之照明或電具之電源目前光電產品
主要用於三大方面一是為無電場合提供電源主要為廣大無
電地區居民生活生產提供電力還有微波中繼電源等另外
能源與動力技術 17
還包括一些移動電源和備用電源二是太陽能日用電子產品
如各類太陽能充電器太陽能路燈和太陽能草地廠各種燈具
等三是並網發電這在發達國家已經大面積推廣實施2008年北京擬在其ldquo綠色奧運部分的用電改由太陽能發電和風
力發電提供堪稱壯舉
未來太陽電池應用領域可能擴及農業牧業林業交通
運輸通訊氣象石油管道文化教育等諸多方面光能發
電亦可解決偏僻邊地區之供電
光電原理
圖 213 光電材料之結構層次(wwweereenergygovpvpvmenucgisite=pvampidx=0ampbody=videohtml)
太陽電池由太陽電池板（元件）控制器和逆變器三大部
分組成太陽電池板為半導體層藉其材料結構可以吸收光子
而產生電流其概念如圖 213整個元件由具半導體性質 N-型與 P-型矽晶之材料層疊而成其上有附有一金屬格網其下
則有一電極以收集經過半導體之電子就外部而言即形成一組
18 生物產業機械學
電路可以驅動負載在整個元件之頂層有一玻璃保護層作
成封裝以防腐蝕此外它並能防止光線反射
光電原理如圖 214當光子打擊到半導體上之原子時由
於加諸能量使 N 型矽晶(下層)釋放一電子往上移動P 型
矽晶則產生一電洞往下移動因而在外邊構成電路有電壓與
電流通過時即會產生功率
圖 214 太陽電池之作用原理
httpsciencehowstuffworkscomsolar-cell3htm
20 生物產業機械學
能源與動力技術 19
httpwwwgreenhousegovauindexhtml 超過 25早期之光電材料轉換效率僅及 1-2 現在材質之
改善已可達 7-17 由一個或多個太陽電池片組成的太陽能
電池板稱為光電元件典型之光電晶片每 100 cm2 在全日光
(1000Wm-2)僅能產生 15 瓦特之功率(即 05 VDC 3A)其關係
如圖 216
光電材料
圖 216 不同光強度下之電流與電壓之關係
在應用上其整合系統如圖 217太陽能經數百片之 PV晶板轉換為電力後須經控制面板調整所吸收之功率使其符
合內在之需求另一部份則儲存在電瓶中以供夜間或需求增
加時作為補充來源由於 PV 產生之電源為直流電為配合正
常之交流電力系統需再經過 DCAC 之功率轉換以驅動日
常之電器
圖 215 太陽能集熱板(SOLARAreg M-Series solar panels)
太陽電池（片）有單晶矽多晶矽非晶矽和薄膜電池等
目前單晶和多晶電池用量最大非晶電池用於一些小系統和
計算器輔助電源等PV所得之功率依晶片面積太陽光強度
及波長而定由於近紅外光區無法吸收太陽電池之效率無法 圖 218 為加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模
22 生物產業機械學
能源與動力技術 21
組置於 8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
圖 218 加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模組置於
8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
各國光電之應用
西元 2002 年全球太陽電池組件產量約 600MW其中日本
占 45美國 25歐洲約 22日本是光電產業發展最快
的國家在不到 10 年的時間裏超過了美國2001 年世界十大
太陽電池生產廠日本就有 4 家分別是夏普京都陶瓷三
洋和三菱圖 219 所示為預期價格及裝置費用的變化目前
顯然已經穩定的程度
圖 217 PV 系統之元件組成
(a) PV 晶板由二至數百片組成 (b)控制面板可調整所吸收之功率 (c)電力貯存裝置(電池) (d)DC AC 功率轉換器 (e)備載系統(如柴油發電機)
24 生物產業機械學
能源與動力技術 23
太陽能 PV 板亦可採用聚焦型使其在有限的面積或數量
下可以增加太陽能之強度(圖 220)目前最大的技術限度約可
達 50 個太陽的強度但此種裝置也有其缺點其一必須設法
指向太陽以獲得最佳強度其二必須另外冷卻 PV 板以免其
溫度過份增高而受損
圖 219 PV 價格的變化
圖 220 聚焦型 PV 板之應用
26 生物產業機械學
能源與動力技術 25
家中 27水力發電
發電的方式有堵水為霸者有利用分路導流者亦有抽蓄
發電者前者即為一般之水庫台灣地區的水庫有石門水庫
翡翠水庫曾文水庫等等均有發電的功能(圖 222)分水路
導流者則如圖 223這種情形是否築堤為霸端視地理位置而
定抽蓄發電者其目的在調節發電的供需在用電低峰期間另
行將低水位水抽至高水位池至尖峰時間備用日月潭之抽蓄
發電即屬此類
水的密度為空氣的八百倍在相同的輸出狀況下水車應
比風車小一般水力雖仍受季節性影響但比較上則較為穩
定且可建水庫儲存以有效利用中世紀的水車用於揚水
磨坊的工作近年來則用於水力發電可以補其他電源之不足
水是大氣循環的重要媒介經過湖海蒸發凝結成雲然
後降雨或雪復回歸大海(圖 221)水循環的動力完全來自太
陽其過程中亦可累積發電或作磨坊等所需之機械功
圖 222 水霸的結構 圖 221 水的循環
水力發電設備之規模依發電能力而定大型者以大水庫
之發電為主其出力在 30MW 以上者中型者則在 100KW 以上
30MW 以下小型者則屬 100KW 以內之範圍較偏遠地區多
當流水蓄積發電後其功率可傳送至系統使用其發電之
型式有多種通常均利用水流往下流動時所產生之動能作功
然後利用水輪機及發電機轉換為電力再經由電路傳輸至各住
28 生物產業機械學
能源與動力技術 27
屬小水電其工程簡單建設工期短一次基礎建設之投資小
水庫的淹沒損失移民環境和生態等方面的綜合影響甚小
由於小水電接近用戶故輸變電設備簡單線路輸電損耗小
可適於山區使用
圖 224 小水電發電設備裝設之情形
世界各地的農村和邊遠地區十分需要增加電力供應在發
展中國家居住在這些地區的人中目前只有約 5能用上電
小水電站的發展速度一直很緩慢然而在工業發達國家由
於核電站造成的污染問題以及小水電站建造週期短和開發成
本低等優點再次激起了人們對小水電開發的興趣（圖 224）
圖 223 利用導渠發電 水輪機為利用水力轉換為機械功之機械其內部轉動的部
份稱為渦輪機(Turbine)高壓之水流經由渦輪機產生轉動帶
動連結其上之發電機轉子轉動磁場進行發電(圖 225)
水輪機之型式有三即伯爾頓(Pelton Turbine)輪機(圖226)法蘭西斯(Francis Turbine)輪機(圖 227)及螺旋片式輪機
(Propeller Turbine)伯爾頓輪機係利用數道強力水柱直接衝擊
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
12 生物產業機械學
能源與動力技術 11
圖 28 太陽能空氣加熱器
圖 27 不加透明板之太陽熱水器
真空管集熱器(Evacuated-tube collectors)
游泳池之加熱系統通常使用平板式加熱器因池水均經過
濾可直接將池水通入吸熱管中加熱且由於池水溫度不必太
高為降低成本集熱管均直接曝露在大氣中不另加透明板
若使用於室內游泳池熱水浴或水療館時則需加透明板以提
高其集熱效率集熱管通常採用特殊塑膠材料 (圖 27)
真空管集熱器是由多組透明吸熱圓管組成圓管具多層
最外層為透明材料中層為玻璃材表面塗抹吸熱材料最內
管為銅管管內有吸熱流體在製造時最外層之空氣被抽出
造成真空狀態如此當太陽直射吸熱管時其傳導與對流之熱
損失將大為減少其傳導之溫度與效率均比平板型為高其溫
度範圍可達 70-175C但其價位也高如圖 210
直接以空氣為加熱媒介之太陽能加熱器主要用為空調用
途其吸熱板可為金屬板多層簾或非金屬材料空氣進入加
熱器可藉自然對流或風扇送風由於空氣導熱效率低空氣加
熱器之效率也比其他介質為低 (圖 28)
14 生物產業機械學
能源與動力技術 13
圖 29 真空管集熱器
圖 210 拋物型反射式太陽能集熱器 聚焦型集熱器(Concentrating collectors) 聚焦型集熱器係利用曲面反身鏡將陽光集中在一接收器
上其強度因此可以增加至 60 倍可以產生相當高的溫度
甚至也可以將水轉化為水蒸汽這型式常應用在工業方面屬
高溫集熱器
排氣式集熱器(Transpired air collectors) 排氣式集熱器係以黑色多孔金屬板製成當太陽光加熱金
屬板時利用另一具風扇將外界空氣吹經多孔板空氣因而受
熱這種簡單的加熱器常應用於空氣之預熱或穀物乾燥作業 聚焦型集熱器具拋物線之槽型集熱反射板可將太陽能投
身在一條吸熱管上以加熱管內流體其得到的溫度因此比平
板式或真空管型均高此套設備通常必須配合太陽追縱控制系
統使反射槽能在一天之中一直維持指向太陽的位置接收器
內可提供高溫熱水或水蒸氣作為工商業方面之用途
在建築設計方面很多建築均朝零能源或綠建築方向設
計利用太陽能並節省能源之使用太陽能建築之內容包括
能源與動力技術 15
1 特定環境設計
2 太陽能熱水及冷卻係統之應用(圖 211212)
3 自然採光
4 節能結構
5 節能設備及室內採光
6 太陽能熱利用及發電系統之應用
圖 211 集熱系統之搭配
httpwwwgreenbuildercomsourcebookHeatCoolhtml
16 生物產業機械學
圖 212 具有熱交換裝置之太陽能集熱器
26太陽電池技術(Photovoltaics)
太陽能等新能源為世界 2000 年經濟展望中最具決定性影
響的五大技術領域之一而太陽能光能發電又是其中最受矚目
的專案1994 年世界太陽能電池銷售量已達 64 兆瓦呈現
飛速發展的情勢目前國內太陽能電池銷售已逐漸增加
太陽能發電(Photovoltaic or PV)系統可將太陽能轉換為電
力亦即所謂之太陽電池(Solar cells)或太陽能伏打電池這是
一個能驅動小型電算機或電子手錶之主要元件已經逐漸轉變
為我們日常生活用品比較複雜的太陽電池則應用於抽水驅
動電訊設備或作為住家之照明或電具之電源目前光電產品
主要用於三大方面一是為無電場合提供電源主要為廣大無
電地區居民生活生產提供電力還有微波中繼電源等另外
能源與動力技術 17
還包括一些移動電源和備用電源二是太陽能日用電子產品
如各類太陽能充電器太陽能路燈和太陽能草地廠各種燈具
等三是並網發電這在發達國家已經大面積推廣實施2008年北京擬在其ldquo綠色奧運部分的用電改由太陽能發電和風
力發電提供堪稱壯舉
未來太陽電池應用領域可能擴及農業牧業林業交通
運輸通訊氣象石油管道文化教育等諸多方面光能發
電亦可解決偏僻邊地區之供電
光電原理
圖 213 光電材料之結構層次(wwweereenergygovpvpvmenucgisite=pvampidx=0ampbody=videohtml)
太陽電池由太陽電池板（元件）控制器和逆變器三大部
分組成太陽電池板為半導體層藉其材料結構可以吸收光子
而產生電流其概念如圖 213整個元件由具半導體性質 N-型與 P-型矽晶之材料層疊而成其上有附有一金屬格網其下
則有一電極以收集經過半導體之電子就外部而言即形成一組
18 生物產業機械學
電路可以驅動負載在整個元件之頂層有一玻璃保護層作
成封裝以防腐蝕此外它並能防止光線反射
光電原理如圖 214當光子打擊到半導體上之原子時由
於加諸能量使 N 型矽晶(下層)釋放一電子往上移動P 型
矽晶則產生一電洞往下移動因而在外邊構成電路有電壓與
電流通過時即會產生功率
圖 214 太陽電池之作用原理
httpsciencehowstuffworkscomsolar-cell3htm
20 生物產業機械學
能源與動力技術 19
httpwwwgreenhousegovauindexhtml 超過 25早期之光電材料轉換效率僅及 1-2 現在材質之
改善已可達 7-17 由一個或多個太陽電池片組成的太陽能
電池板稱為光電元件典型之光電晶片每 100 cm2 在全日光
(1000Wm-2)僅能產生 15 瓦特之功率(即 05 VDC 3A)其關係
如圖 216
光電材料
圖 216 不同光強度下之電流與電壓之關係
在應用上其整合系統如圖 217太陽能經數百片之 PV晶板轉換為電力後須經控制面板調整所吸收之功率使其符
合內在之需求另一部份則儲存在電瓶中以供夜間或需求增
加時作為補充來源由於 PV 產生之電源為直流電為配合正
常之交流電力系統需再經過 DCAC 之功率轉換以驅動日
常之電器
圖 215 太陽能集熱板(SOLARAreg M-Series solar panels)
太陽電池（片）有單晶矽多晶矽非晶矽和薄膜電池等
目前單晶和多晶電池用量最大非晶電池用於一些小系統和
計算器輔助電源等PV所得之功率依晶片面積太陽光強度
及波長而定由於近紅外光區無法吸收太陽電池之效率無法 圖 218 為加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模
22 生物產業機械學
能源與動力技術 21
組置於 8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
圖 218 加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模組置於
8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
各國光電之應用
西元 2002 年全球太陽電池組件產量約 600MW其中日本
占 45美國 25歐洲約 22日本是光電產業發展最快
的國家在不到 10 年的時間裏超過了美國2001 年世界十大
太陽電池生產廠日本就有 4 家分別是夏普京都陶瓷三
洋和三菱圖 219 所示為預期價格及裝置費用的變化目前
顯然已經穩定的程度
圖 217 PV 系統之元件組成
(a) PV 晶板由二至數百片組成 (b)控制面板可調整所吸收之功率 (c)電力貯存裝置(電池) (d)DC AC 功率轉換器 (e)備載系統(如柴油發電機)
24 生物產業機械學
能源與動力技術 23
太陽能 PV 板亦可採用聚焦型使其在有限的面積或數量
下可以增加太陽能之強度(圖 220)目前最大的技術限度約可
達 50 個太陽的強度但此種裝置也有其缺點其一必須設法
指向太陽以獲得最佳強度其二必須另外冷卻 PV 板以免其
溫度過份增高而受損
圖 219 PV 價格的變化
圖 220 聚焦型 PV 板之應用
26 生物產業機械學
能源與動力技術 25
家中 27水力發電
發電的方式有堵水為霸者有利用分路導流者亦有抽蓄
發電者前者即為一般之水庫台灣地區的水庫有石門水庫
翡翠水庫曾文水庫等等均有發電的功能(圖 222)分水路
導流者則如圖 223這種情形是否築堤為霸端視地理位置而
定抽蓄發電者其目的在調節發電的供需在用電低峰期間另
行將低水位水抽至高水位池至尖峰時間備用日月潭之抽蓄
發電即屬此類
水的密度為空氣的八百倍在相同的輸出狀況下水車應
比風車小一般水力雖仍受季節性影響但比較上則較為穩
定且可建水庫儲存以有效利用中世紀的水車用於揚水
磨坊的工作近年來則用於水力發電可以補其他電源之不足
水是大氣循環的重要媒介經過湖海蒸發凝結成雲然
後降雨或雪復回歸大海(圖 221)水循環的動力完全來自太
陽其過程中亦可累積發電或作磨坊等所需之機械功
圖 222 水霸的結構 圖 221 水的循環
水力發電設備之規模依發電能力而定大型者以大水庫
之發電為主其出力在 30MW 以上者中型者則在 100KW 以上
30MW 以下小型者則屬 100KW 以內之範圍較偏遠地區多
當流水蓄積發電後其功率可傳送至系統使用其發電之
型式有多種通常均利用水流往下流動時所產生之動能作功
然後利用水輪機及發電機轉換為電力再經由電路傳輸至各住
28 生物產業機械學
能源與動力技術 27
屬小水電其工程簡單建設工期短一次基礎建設之投資小
水庫的淹沒損失移民環境和生態等方面的綜合影響甚小
由於小水電接近用戶故輸變電設備簡單線路輸電損耗小
可適於山區使用
圖 224 小水電發電設備裝設之情形
世界各地的農村和邊遠地區十分需要增加電力供應在發
展中國家居住在這些地區的人中目前只有約 5能用上電
小水電站的發展速度一直很緩慢然而在工業發達國家由
於核電站造成的污染問題以及小水電站建造週期短和開發成
本低等優點再次激起了人們對小水電開發的興趣（圖 224）
圖 223 利用導渠發電 水輪機為利用水力轉換為機械功之機械其內部轉動的部
份稱為渦輪機(Turbine)高壓之水流經由渦輪機產生轉動帶
動連結其上之發電機轉子轉動磁場進行發電(圖 225)
水輪機之型式有三即伯爾頓(Pelton Turbine)輪機(圖226)法蘭西斯(Francis Turbine)輪機(圖 227)及螺旋片式輪機
(Propeller Turbine)伯爾頓輪機係利用數道強力水柱直接衝擊
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
14 生物產業機械學
能源與動力技術 13
圖 29 真空管集熱器
圖 210 拋物型反射式太陽能集熱器 聚焦型集熱器(Concentrating collectors) 聚焦型集熱器係利用曲面反身鏡將陽光集中在一接收器
上其強度因此可以增加至 60 倍可以產生相當高的溫度
甚至也可以將水轉化為水蒸汽這型式常應用在工業方面屬
高溫集熱器
排氣式集熱器(Transpired air collectors) 排氣式集熱器係以黑色多孔金屬板製成當太陽光加熱金
屬板時利用另一具風扇將外界空氣吹經多孔板空氣因而受
熱這種簡單的加熱器常應用於空氣之預熱或穀物乾燥作業 聚焦型集熱器具拋物線之槽型集熱反射板可將太陽能投
身在一條吸熱管上以加熱管內流體其得到的溫度因此比平
板式或真空管型均高此套設備通常必須配合太陽追縱控制系
統使反射槽能在一天之中一直維持指向太陽的位置接收器
內可提供高溫熱水或水蒸氣作為工商業方面之用途
在建築設計方面很多建築均朝零能源或綠建築方向設
計利用太陽能並節省能源之使用太陽能建築之內容包括
能源與動力技術 15
1 特定環境設計
2 太陽能熱水及冷卻係統之應用(圖 211212)
3 自然採光
4 節能結構
5 節能設備及室內採光
6 太陽能熱利用及發電系統之應用
圖 211 集熱系統之搭配
httpwwwgreenbuildercomsourcebookHeatCoolhtml
16 生物產業機械學
圖 212 具有熱交換裝置之太陽能集熱器
26太陽電池技術(Photovoltaics)
太陽能等新能源為世界 2000 年經濟展望中最具決定性影
響的五大技術領域之一而太陽能光能發電又是其中最受矚目
的專案1994 年世界太陽能電池銷售量已達 64 兆瓦呈現
飛速發展的情勢目前國內太陽能電池銷售已逐漸增加
太陽能發電(Photovoltaic or PV)系統可將太陽能轉換為電
力亦即所謂之太陽電池(Solar cells)或太陽能伏打電池這是
一個能驅動小型電算機或電子手錶之主要元件已經逐漸轉變
為我們日常生活用品比較複雜的太陽電池則應用於抽水驅
動電訊設備或作為住家之照明或電具之電源目前光電產品
主要用於三大方面一是為無電場合提供電源主要為廣大無
電地區居民生活生產提供電力還有微波中繼電源等另外
能源與動力技術 17
還包括一些移動電源和備用電源二是太陽能日用電子產品
如各類太陽能充電器太陽能路燈和太陽能草地廠各種燈具
等三是並網發電這在發達國家已經大面積推廣實施2008年北京擬在其ldquo綠色奧運部分的用電改由太陽能發電和風
力發電提供堪稱壯舉
未來太陽電池應用領域可能擴及農業牧業林業交通
運輸通訊氣象石油管道文化教育等諸多方面光能發
電亦可解決偏僻邊地區之供電
光電原理
圖 213 光電材料之結構層次(wwweereenergygovpvpvmenucgisite=pvampidx=0ampbody=videohtml)
太陽電池由太陽電池板（元件）控制器和逆變器三大部
分組成太陽電池板為半導體層藉其材料結構可以吸收光子
而產生電流其概念如圖 213整個元件由具半導體性質 N-型與 P-型矽晶之材料層疊而成其上有附有一金屬格網其下
則有一電極以收集經過半導體之電子就外部而言即形成一組
18 生物產業機械學
電路可以驅動負載在整個元件之頂層有一玻璃保護層作
成封裝以防腐蝕此外它並能防止光線反射
光電原理如圖 214當光子打擊到半導體上之原子時由
於加諸能量使 N 型矽晶(下層)釋放一電子往上移動P 型
矽晶則產生一電洞往下移動因而在外邊構成電路有電壓與
電流通過時即會產生功率
圖 214 太陽電池之作用原理
httpsciencehowstuffworkscomsolar-cell3htm
20 生物產業機械學
能源與動力技術 19
httpwwwgreenhousegovauindexhtml 超過 25早期之光電材料轉換效率僅及 1-2 現在材質之
改善已可達 7-17 由一個或多個太陽電池片組成的太陽能
電池板稱為光電元件典型之光電晶片每 100 cm2 在全日光
(1000Wm-2)僅能產生 15 瓦特之功率(即 05 VDC 3A)其關係
如圖 216
光電材料
圖 216 不同光強度下之電流與電壓之關係
在應用上其整合系統如圖 217太陽能經數百片之 PV晶板轉換為電力後須經控制面板調整所吸收之功率使其符
合內在之需求另一部份則儲存在電瓶中以供夜間或需求增
加時作為補充來源由於 PV 產生之電源為直流電為配合正
常之交流電力系統需再經過 DCAC 之功率轉換以驅動日
常之電器
圖 215 太陽能集熱板(SOLARAreg M-Series solar panels)
太陽電池（片）有單晶矽多晶矽非晶矽和薄膜電池等
目前單晶和多晶電池用量最大非晶電池用於一些小系統和
計算器輔助電源等PV所得之功率依晶片面積太陽光強度
及波長而定由於近紅外光區無法吸收太陽電池之效率無法 圖 218 為加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模
22 生物產業機械學
能源與動力技術 21
組置於 8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
圖 218 加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模組置於
8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
各國光電之應用
西元 2002 年全球太陽電池組件產量約 600MW其中日本
占 45美國 25歐洲約 22日本是光電產業發展最快
的國家在不到 10 年的時間裏超過了美國2001 年世界十大
太陽電池生產廠日本就有 4 家分別是夏普京都陶瓷三
洋和三菱圖 219 所示為預期價格及裝置費用的變化目前
顯然已經穩定的程度
圖 217 PV 系統之元件組成
(a) PV 晶板由二至數百片組成 (b)控制面板可調整所吸收之功率 (c)電力貯存裝置(電池) (d)DC AC 功率轉換器 (e)備載系統(如柴油發電機)
24 生物產業機械學
能源與動力技術 23
太陽能 PV 板亦可採用聚焦型使其在有限的面積或數量
下可以增加太陽能之強度(圖 220)目前最大的技術限度約可
達 50 個太陽的強度但此種裝置也有其缺點其一必須設法
指向太陽以獲得最佳強度其二必須另外冷卻 PV 板以免其
溫度過份增高而受損
圖 219 PV 價格的變化
圖 220 聚焦型 PV 板之應用
26 生物產業機械學
能源與動力技術 25
家中 27水力發電
發電的方式有堵水為霸者有利用分路導流者亦有抽蓄
發電者前者即為一般之水庫台灣地區的水庫有石門水庫
翡翠水庫曾文水庫等等均有發電的功能(圖 222)分水路
導流者則如圖 223這種情形是否築堤為霸端視地理位置而
定抽蓄發電者其目的在調節發電的供需在用電低峰期間另
行將低水位水抽至高水位池至尖峰時間備用日月潭之抽蓄
發電即屬此類
水的密度為空氣的八百倍在相同的輸出狀況下水車應
比風車小一般水力雖仍受季節性影響但比較上則較為穩
定且可建水庫儲存以有效利用中世紀的水車用於揚水
磨坊的工作近年來則用於水力發電可以補其他電源之不足
水是大氣循環的重要媒介經過湖海蒸發凝結成雲然
後降雨或雪復回歸大海(圖 221)水循環的動力完全來自太
陽其過程中亦可累積發電或作磨坊等所需之機械功
圖 222 水霸的結構 圖 221 水的循環
水力發電設備之規模依發電能力而定大型者以大水庫
之發電為主其出力在 30MW 以上者中型者則在 100KW 以上
30MW 以下小型者則屬 100KW 以內之範圍較偏遠地區多
當流水蓄積發電後其功率可傳送至系統使用其發電之
型式有多種通常均利用水流往下流動時所產生之動能作功
然後利用水輪機及發電機轉換為電力再經由電路傳輸至各住
28 生物產業機械學
能源與動力技術 27
屬小水電其工程簡單建設工期短一次基礎建設之投資小
水庫的淹沒損失移民環境和生態等方面的綜合影響甚小
由於小水電接近用戶故輸變電設備簡單線路輸電損耗小
可適於山區使用
圖 224 小水電發電設備裝設之情形
世界各地的農村和邊遠地區十分需要增加電力供應在發
展中國家居住在這些地區的人中目前只有約 5能用上電
小水電站的發展速度一直很緩慢然而在工業發達國家由
於核電站造成的污染問題以及小水電站建造週期短和開發成
本低等優點再次激起了人們對小水電開發的興趣（圖 224）
圖 223 利用導渠發電 水輪機為利用水力轉換為機械功之機械其內部轉動的部
份稱為渦輪機(Turbine)高壓之水流經由渦輪機產生轉動帶
動連結其上之發電機轉子轉動磁場進行發電(圖 225)
水輪機之型式有三即伯爾頓(Pelton Turbine)輪機(圖226)法蘭西斯(Francis Turbine)輪機(圖 227)及螺旋片式輪機
(Propeller Turbine)伯爾頓輪機係利用數道強力水柱直接衝擊
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 15
1 特定環境設計
2 太陽能熱水及冷卻係統之應用(圖 211212)
3 自然採光
4 節能結構
5 節能設備及室內採光
6 太陽能熱利用及發電系統之應用
圖 211 集熱系統之搭配
httpwwwgreenbuildercomsourcebookHeatCoolhtml
16 生物產業機械學
圖 212 具有熱交換裝置之太陽能集熱器
26太陽電池技術(Photovoltaics)
太陽能等新能源為世界 2000 年經濟展望中最具決定性影
響的五大技術領域之一而太陽能光能發電又是其中最受矚目
的專案1994 年世界太陽能電池銷售量已達 64 兆瓦呈現
飛速發展的情勢目前國內太陽能電池銷售已逐漸增加
太陽能發電(Photovoltaic or PV)系統可將太陽能轉換為電
力亦即所謂之太陽電池(Solar cells)或太陽能伏打電池這是
一個能驅動小型電算機或電子手錶之主要元件已經逐漸轉變
為我們日常生活用品比較複雜的太陽電池則應用於抽水驅
動電訊設備或作為住家之照明或電具之電源目前光電產品
主要用於三大方面一是為無電場合提供電源主要為廣大無
電地區居民生活生產提供電力還有微波中繼電源等另外
能源與動力技術 17
還包括一些移動電源和備用電源二是太陽能日用電子產品
如各類太陽能充電器太陽能路燈和太陽能草地廠各種燈具
等三是並網發電這在發達國家已經大面積推廣實施2008年北京擬在其ldquo綠色奧運部分的用電改由太陽能發電和風
力發電提供堪稱壯舉
未來太陽電池應用領域可能擴及農業牧業林業交通
運輸通訊氣象石油管道文化教育等諸多方面光能發
電亦可解決偏僻邊地區之供電
光電原理
圖 213 光電材料之結構層次(wwweereenergygovpvpvmenucgisite=pvampidx=0ampbody=videohtml)
太陽電池由太陽電池板（元件）控制器和逆變器三大部
分組成太陽電池板為半導體層藉其材料結構可以吸收光子
而產生電流其概念如圖 213整個元件由具半導體性質 N-型與 P-型矽晶之材料層疊而成其上有附有一金屬格網其下
則有一電極以收集經過半導體之電子就外部而言即形成一組
18 生物產業機械學
電路可以驅動負載在整個元件之頂層有一玻璃保護層作
成封裝以防腐蝕此外它並能防止光線反射
光電原理如圖 214當光子打擊到半導體上之原子時由
於加諸能量使 N 型矽晶(下層)釋放一電子往上移動P 型
矽晶則產生一電洞往下移動因而在外邊構成電路有電壓與
電流通過時即會產生功率
圖 214 太陽電池之作用原理
httpsciencehowstuffworkscomsolar-cell3htm
20 生物產業機械學
能源與動力技術 19
httpwwwgreenhousegovauindexhtml 超過 25早期之光電材料轉換效率僅及 1-2 現在材質之
改善已可達 7-17 由一個或多個太陽電池片組成的太陽能
電池板稱為光電元件典型之光電晶片每 100 cm2 在全日光
(1000Wm-2)僅能產生 15 瓦特之功率(即 05 VDC 3A)其關係
如圖 216
光電材料
圖 216 不同光強度下之電流與電壓之關係
在應用上其整合系統如圖 217太陽能經數百片之 PV晶板轉換為電力後須經控制面板調整所吸收之功率使其符
合內在之需求另一部份則儲存在電瓶中以供夜間或需求增
加時作為補充來源由於 PV 產生之電源為直流電為配合正
常之交流電力系統需再經過 DCAC 之功率轉換以驅動日
常之電器
圖 215 太陽能集熱板(SOLARAreg M-Series solar panels)
太陽電池（片）有單晶矽多晶矽非晶矽和薄膜電池等
目前單晶和多晶電池用量最大非晶電池用於一些小系統和
計算器輔助電源等PV所得之功率依晶片面積太陽光強度
及波長而定由於近紅外光區無法吸收太陽電池之效率無法 圖 218 為加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模
22 生物產業機械學
能源與動力技術 21
組置於 8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
圖 218 加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模組置於
8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
各國光電之應用
西元 2002 年全球太陽電池組件產量約 600MW其中日本
占 45美國 25歐洲約 22日本是光電產業發展最快
的國家在不到 10 年的時間裏超過了美國2001 年世界十大
太陽電池生產廠日本就有 4 家分別是夏普京都陶瓷三
洋和三菱圖 219 所示為預期價格及裝置費用的變化目前
顯然已經穩定的程度
圖 217 PV 系統之元件組成
(a) PV 晶板由二至數百片組成 (b)控制面板可調整所吸收之功率 (c)電力貯存裝置(電池) (d)DC AC 功率轉換器 (e)備載系統(如柴油發電機)
24 生物產業機械學
能源與動力技術 23
太陽能 PV 板亦可採用聚焦型使其在有限的面積或數量
下可以增加太陽能之強度(圖 220)目前最大的技術限度約可
達 50 個太陽的強度但此種裝置也有其缺點其一必須設法
指向太陽以獲得最佳強度其二必須另外冷卻 PV 板以免其
溫度過份增高而受損
圖 219 PV 價格的變化
圖 220 聚焦型 PV 板之應用
26 生物產業機械學
能源與動力技術 25
家中 27水力發電
發電的方式有堵水為霸者有利用分路導流者亦有抽蓄
發電者前者即為一般之水庫台灣地區的水庫有石門水庫
翡翠水庫曾文水庫等等均有發電的功能(圖 222)分水路
導流者則如圖 223這種情形是否築堤為霸端視地理位置而
定抽蓄發電者其目的在調節發電的供需在用電低峰期間另
行將低水位水抽至高水位池至尖峰時間備用日月潭之抽蓄
發電即屬此類
水的密度為空氣的八百倍在相同的輸出狀況下水車應
比風車小一般水力雖仍受季節性影響但比較上則較為穩
定且可建水庫儲存以有效利用中世紀的水車用於揚水
磨坊的工作近年來則用於水力發電可以補其他電源之不足
水是大氣循環的重要媒介經過湖海蒸發凝結成雲然
後降雨或雪復回歸大海(圖 221)水循環的動力完全來自太
陽其過程中亦可累積發電或作磨坊等所需之機械功
圖 222 水霸的結構 圖 221 水的循環
水力發電設備之規模依發電能力而定大型者以大水庫
之發電為主其出力在 30MW 以上者中型者則在 100KW 以上
30MW 以下小型者則屬 100KW 以內之範圍較偏遠地區多
當流水蓄積發電後其功率可傳送至系統使用其發電之
型式有多種通常均利用水流往下流動時所產生之動能作功
然後利用水輪機及發電機轉換為電力再經由電路傳輸至各住
28 生物產業機械學
能源與動力技術 27
屬小水電其工程簡單建設工期短一次基礎建設之投資小
水庫的淹沒損失移民環境和生態等方面的綜合影響甚小
由於小水電接近用戶故輸變電設備簡單線路輸電損耗小
可適於山區使用
圖 224 小水電發電設備裝設之情形
世界各地的農村和邊遠地區十分需要增加電力供應在發
展中國家居住在這些地區的人中目前只有約 5能用上電
小水電站的發展速度一直很緩慢然而在工業發達國家由
於核電站造成的污染問題以及小水電站建造週期短和開發成
本低等優點再次激起了人們對小水電開發的興趣（圖 224）
圖 223 利用導渠發電 水輪機為利用水力轉換為機械功之機械其內部轉動的部
份稱為渦輪機(Turbine)高壓之水流經由渦輪機產生轉動帶
動連結其上之發電機轉子轉動磁場進行發電(圖 225)
水輪機之型式有三即伯爾頓(Pelton Turbine)輪機(圖226)法蘭西斯(Francis Turbine)輪機(圖 227)及螺旋片式輪機
(Propeller Turbine)伯爾頓輪機係利用數道強力水柱直接衝擊
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 17
還包括一些移動電源和備用電源二是太陽能日用電子產品
如各類太陽能充電器太陽能路燈和太陽能草地廠各種燈具
等三是並網發電這在發達國家已經大面積推廣實施2008年北京擬在其ldquo綠色奧運部分的用電改由太陽能發電和風
力發電提供堪稱壯舉
未來太陽電池應用領域可能擴及農業牧業林業交通
運輸通訊氣象石油管道文化教育等諸多方面光能發
電亦可解決偏僻邊地區之供電
光電原理
圖 213 光電材料之結構層次(wwweereenergygovpvpvmenucgisite=pvampidx=0ampbody=videohtml)
太陽電池由太陽電池板（元件）控制器和逆變器三大部
分組成太陽電池板為半導體層藉其材料結構可以吸收光子
而產生電流其概念如圖 213整個元件由具半導體性質 N-型與 P-型矽晶之材料層疊而成其上有附有一金屬格網其下
則有一電極以收集經過半導體之電子就外部而言即形成一組
18 生物產業機械學
電路可以驅動負載在整個元件之頂層有一玻璃保護層作
成封裝以防腐蝕此外它並能防止光線反射
光電原理如圖 214當光子打擊到半導體上之原子時由
於加諸能量使 N 型矽晶(下層)釋放一電子往上移動P 型
矽晶則產生一電洞往下移動因而在外邊構成電路有電壓與
電流通過時即會產生功率
圖 214 太陽電池之作用原理
httpsciencehowstuffworkscomsolar-cell3htm
20 生物產業機械學
能源與動力技術 19
httpwwwgreenhousegovauindexhtml 超過 25早期之光電材料轉換效率僅及 1-2 現在材質之
改善已可達 7-17 由一個或多個太陽電池片組成的太陽能
電池板稱為光電元件典型之光電晶片每 100 cm2 在全日光
(1000Wm-2)僅能產生 15 瓦特之功率(即 05 VDC 3A)其關係
如圖 216
光電材料
圖 216 不同光強度下之電流與電壓之關係
在應用上其整合系統如圖 217太陽能經數百片之 PV晶板轉換為電力後須經控制面板調整所吸收之功率使其符
合內在之需求另一部份則儲存在電瓶中以供夜間或需求增
加時作為補充來源由於 PV 產生之電源為直流電為配合正
常之交流電力系統需再經過 DCAC 之功率轉換以驅動日
常之電器
圖 215 太陽能集熱板(SOLARAreg M-Series solar panels)
太陽電池（片）有單晶矽多晶矽非晶矽和薄膜電池等
目前單晶和多晶電池用量最大非晶電池用於一些小系統和
計算器輔助電源等PV所得之功率依晶片面積太陽光強度
及波長而定由於近紅外光區無法吸收太陽電池之效率無法 圖 218 為加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模
22 生物產業機械學
能源與動力技術 21
組置於 8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
圖 218 加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模組置於
8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
各國光電之應用
西元 2002 年全球太陽電池組件產量約 600MW其中日本
占 45美國 25歐洲約 22日本是光電產業發展最快
的國家在不到 10 年的時間裏超過了美國2001 年世界十大
太陽電池生產廠日本就有 4 家分別是夏普京都陶瓷三
洋和三菱圖 219 所示為預期價格及裝置費用的變化目前
顯然已經穩定的程度
圖 217 PV 系統之元件組成
(a) PV 晶板由二至數百片組成 (b)控制面板可調整所吸收之功率 (c)電力貯存裝置(電池) (d)DC AC 功率轉換器 (e)備載系統(如柴油發電機)
24 生物產業機械學
能源與動力技術 23
太陽能 PV 板亦可採用聚焦型使其在有限的面積或數量
下可以增加太陽能之強度(圖 220)目前最大的技術限度約可
達 50 個太陽的強度但此種裝置也有其缺點其一必須設法
指向太陽以獲得最佳強度其二必須另外冷卻 PV 板以免其
溫度過份增高而受損
圖 219 PV 價格的變化
圖 220 聚焦型 PV 板之應用
26 生物產業機械學
能源與動力技術 25
家中 27水力發電
發電的方式有堵水為霸者有利用分路導流者亦有抽蓄
發電者前者即為一般之水庫台灣地區的水庫有石門水庫
翡翠水庫曾文水庫等等均有發電的功能(圖 222)分水路
導流者則如圖 223這種情形是否築堤為霸端視地理位置而
定抽蓄發電者其目的在調節發電的供需在用電低峰期間另
行將低水位水抽至高水位池至尖峰時間備用日月潭之抽蓄
發電即屬此類
水的密度為空氣的八百倍在相同的輸出狀況下水車應
比風車小一般水力雖仍受季節性影響但比較上則較為穩
定且可建水庫儲存以有效利用中世紀的水車用於揚水
磨坊的工作近年來則用於水力發電可以補其他電源之不足
水是大氣循環的重要媒介經過湖海蒸發凝結成雲然
後降雨或雪復回歸大海(圖 221)水循環的動力完全來自太
陽其過程中亦可累積發電或作磨坊等所需之機械功
圖 222 水霸的結構 圖 221 水的循環
水力發電設備之規模依發電能力而定大型者以大水庫
之發電為主其出力在 30MW 以上者中型者則在 100KW 以上
30MW 以下小型者則屬 100KW 以內之範圍較偏遠地區多
當流水蓄積發電後其功率可傳送至系統使用其發電之
型式有多種通常均利用水流往下流動時所產生之動能作功
然後利用水輪機及發電機轉換為電力再經由電路傳輸至各住
28 生物產業機械學
能源與動力技術 27
屬小水電其工程簡單建設工期短一次基礎建設之投資小
水庫的淹沒損失移民環境和生態等方面的綜合影響甚小
由於小水電接近用戶故輸變電設備簡單線路輸電損耗小
可適於山區使用
圖 224 小水電發電設備裝設之情形
世界各地的農村和邊遠地區十分需要增加電力供應在發
展中國家居住在這些地區的人中目前只有約 5能用上電
小水電站的發展速度一直很緩慢然而在工業發達國家由
於核電站造成的污染問題以及小水電站建造週期短和開發成
本低等優點再次激起了人們對小水電開發的興趣（圖 224）
圖 223 利用導渠發電 水輪機為利用水力轉換為機械功之機械其內部轉動的部
份稱為渦輪機(Turbine)高壓之水流經由渦輪機產生轉動帶
動連結其上之發電機轉子轉動磁場進行發電(圖 225)
水輪機之型式有三即伯爾頓(Pelton Turbine)輪機(圖226)法蘭西斯(Francis Turbine)輪機(圖 227)及螺旋片式輪機
(Propeller Turbine)伯爾頓輪機係利用數道強力水柱直接衝擊
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
20 生物產業機械學
能源與動力技術 19
httpwwwgreenhousegovauindexhtml 超過 25早期之光電材料轉換效率僅及 1-2 現在材質之
改善已可達 7-17 由一個或多個太陽電池片組成的太陽能
電池板稱為光電元件典型之光電晶片每 100 cm2 在全日光
(1000Wm-2)僅能產生 15 瓦特之功率(即 05 VDC 3A)其關係
如圖 216
光電材料
圖 216 不同光強度下之電流與電壓之關係
在應用上其整合系統如圖 217太陽能經數百片之 PV晶板轉換為電力後須經控制面板調整所吸收之功率使其符
合內在之需求另一部份則儲存在電瓶中以供夜間或需求增
加時作為補充來源由於 PV 產生之電源為直流電為配合正
常之交流電力系統需再經過 DCAC 之功率轉換以驅動日
常之電器
圖 215 太陽能集熱板(SOLARAreg M-Series solar panels)
太陽電池（片）有單晶矽多晶矽非晶矽和薄膜電池等
目前單晶和多晶電池用量最大非晶電池用於一些小系統和
計算器輔助電源等PV所得之功率依晶片面積太陽光強度
及波長而定由於近紅外光區無法吸收太陽電池之效率無法 圖 218 為加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模
22 生物產業機械學
能源與動力技術 21
組置於 8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
圖 218 加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模組置於
8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
各國光電之應用
西元 2002 年全球太陽電池組件產量約 600MW其中日本
占 45美國 25歐洲約 22日本是光電產業發展最快
的國家在不到 10 年的時間裏超過了美國2001 年世界十大
太陽電池生產廠日本就有 4 家分別是夏普京都陶瓷三
洋和三菱圖 219 所示為預期價格及裝置費用的變化目前
顯然已經穩定的程度
圖 217 PV 系統之元件組成
(a) PV 晶板由二至數百片組成 (b)控制面板可調整所吸收之功率 (c)電力貯存裝置(電池) (d)DC AC 功率轉換器 (e)備載系統(如柴油發電機)
24 生物產業機械學
能源與動力技術 23
太陽能 PV 板亦可採用聚焦型使其在有限的面積或數量
下可以增加太陽能之強度(圖 220)目前最大的技術限度約可
達 50 個太陽的強度但此種裝置也有其缺點其一必須設法
指向太陽以獲得最佳強度其二必須另外冷卻 PV 板以免其
溫度過份增高而受損
圖 219 PV 價格的變化
圖 220 聚焦型 PV 板之應用
26 生物產業機械學
能源與動力技術 25
家中 27水力發電
發電的方式有堵水為霸者有利用分路導流者亦有抽蓄
發電者前者即為一般之水庫台灣地區的水庫有石門水庫
翡翠水庫曾文水庫等等均有發電的功能(圖 222)分水路
導流者則如圖 223這種情形是否築堤為霸端視地理位置而
定抽蓄發電者其目的在調節發電的供需在用電低峰期間另
行將低水位水抽至高水位池至尖峰時間備用日月潭之抽蓄
發電即屬此類
水的密度為空氣的八百倍在相同的輸出狀況下水車應
比風車小一般水力雖仍受季節性影響但比較上則較為穩
定且可建水庫儲存以有效利用中世紀的水車用於揚水
磨坊的工作近年來則用於水力發電可以補其他電源之不足
水是大氣循環的重要媒介經過湖海蒸發凝結成雲然
後降雨或雪復回歸大海(圖 221)水循環的動力完全來自太
陽其過程中亦可累積發電或作磨坊等所需之機械功
圖 222 水霸的結構 圖 221 水的循環
水力發電設備之規模依發電能力而定大型者以大水庫
之發電為主其出力在 30MW 以上者中型者則在 100KW 以上
30MW 以下小型者則屬 100KW 以內之範圍較偏遠地區多
當流水蓄積發電後其功率可傳送至系統使用其發電之
型式有多種通常均利用水流往下流動時所產生之動能作功
然後利用水輪機及發電機轉換為電力再經由電路傳輸至各住
28 生物產業機械學
能源與動力技術 27
屬小水電其工程簡單建設工期短一次基礎建設之投資小
水庫的淹沒損失移民環境和生態等方面的綜合影響甚小
由於小水電接近用戶故輸變電設備簡單線路輸電損耗小
可適於山區使用
圖 224 小水電發電設備裝設之情形
世界各地的農村和邊遠地區十分需要增加電力供應在發
展中國家居住在這些地區的人中目前只有約 5能用上電
小水電站的發展速度一直很緩慢然而在工業發達國家由
於核電站造成的污染問題以及小水電站建造週期短和開發成
本低等優點再次激起了人們對小水電開發的興趣（圖 224）
圖 223 利用導渠發電 水輪機為利用水力轉換為機械功之機械其內部轉動的部
份稱為渦輪機(Turbine)高壓之水流經由渦輪機產生轉動帶
動連結其上之發電機轉子轉動磁場進行發電(圖 225)
水輪機之型式有三即伯爾頓(Pelton Turbine)輪機(圖226)法蘭西斯(Francis Turbine)輪機(圖 227)及螺旋片式輪機
(Propeller Turbine)伯爾頓輪機係利用數道強力水柱直接衝擊
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
22 生物產業機械學
能源與動力技術 21
組置於 8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
圖 218 加州市區所設 2-MW 光電廠利用 1600 個模組置於
8094 平方米的地區可提供 660 住家用電
各國光電之應用
西元 2002 年全球太陽電池組件產量約 600MW其中日本
占 45美國 25歐洲約 22日本是光電產業發展最快
的國家在不到 10 年的時間裏超過了美國2001 年世界十大
太陽電池生產廠日本就有 4 家分別是夏普京都陶瓷三
洋和三菱圖 219 所示為預期價格及裝置費用的變化目前
顯然已經穩定的程度
圖 217 PV 系統之元件組成
(a) PV 晶板由二至數百片組成 (b)控制面板可調整所吸收之功率 (c)電力貯存裝置(電池) (d)DC AC 功率轉換器 (e)備載系統(如柴油發電機)
24 生物產業機械學
能源與動力技術 23
太陽能 PV 板亦可採用聚焦型使其在有限的面積或數量
下可以增加太陽能之強度(圖 220)目前最大的技術限度約可
達 50 個太陽的強度但此種裝置也有其缺點其一必須設法
指向太陽以獲得最佳強度其二必須另外冷卻 PV 板以免其
溫度過份增高而受損
圖 219 PV 價格的變化
圖 220 聚焦型 PV 板之應用
26 生物產業機械學
能源與動力技術 25
家中 27水力發電
發電的方式有堵水為霸者有利用分路導流者亦有抽蓄
發電者前者即為一般之水庫台灣地區的水庫有石門水庫
翡翠水庫曾文水庫等等均有發電的功能(圖 222)分水路
導流者則如圖 223這種情形是否築堤為霸端視地理位置而
定抽蓄發電者其目的在調節發電的供需在用電低峰期間另
行將低水位水抽至高水位池至尖峰時間備用日月潭之抽蓄
發電即屬此類
水的密度為空氣的八百倍在相同的輸出狀況下水車應
比風車小一般水力雖仍受季節性影響但比較上則較為穩
定且可建水庫儲存以有效利用中世紀的水車用於揚水
磨坊的工作近年來則用於水力發電可以補其他電源之不足
水是大氣循環的重要媒介經過湖海蒸發凝結成雲然
後降雨或雪復回歸大海(圖 221)水循環的動力完全來自太
陽其過程中亦可累積發電或作磨坊等所需之機械功
圖 222 水霸的結構 圖 221 水的循環
水力發電設備之規模依發電能力而定大型者以大水庫
之發電為主其出力在 30MW 以上者中型者則在 100KW 以上
30MW 以下小型者則屬 100KW 以內之範圍較偏遠地區多
當流水蓄積發電後其功率可傳送至系統使用其發電之
型式有多種通常均利用水流往下流動時所產生之動能作功
然後利用水輪機及發電機轉換為電力再經由電路傳輸至各住
28 生物產業機械學
能源與動力技術 27
屬小水電其工程簡單建設工期短一次基礎建設之投資小
水庫的淹沒損失移民環境和生態等方面的綜合影響甚小
由於小水電接近用戶故輸變電設備簡單線路輸電損耗小
可適於山區使用
圖 224 小水電發電設備裝設之情形
世界各地的農村和邊遠地區十分需要增加電力供應在發
展中國家居住在這些地區的人中目前只有約 5能用上電
小水電站的發展速度一直很緩慢然而在工業發達國家由
於核電站造成的污染問題以及小水電站建造週期短和開發成
本低等優點再次激起了人們對小水電開發的興趣（圖 224）
圖 223 利用導渠發電 水輪機為利用水力轉換為機械功之機械其內部轉動的部
份稱為渦輪機(Turbine)高壓之水流經由渦輪機產生轉動帶
動連結其上之發電機轉子轉動磁場進行發電(圖 225)
水輪機之型式有三即伯爾頓(Pelton Turbine)輪機(圖226)法蘭西斯(Francis Turbine)輪機(圖 227)及螺旋片式輪機
(Propeller Turbine)伯爾頓輪機係利用數道強力水柱直接衝擊
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
24 生物產業機械學
能源與動力技術 23
太陽能 PV 板亦可採用聚焦型使其在有限的面積或數量
下可以增加太陽能之強度(圖 220)目前最大的技術限度約可
達 50 個太陽的強度但此種裝置也有其缺點其一必須設法
指向太陽以獲得最佳強度其二必須另外冷卻 PV 板以免其
溫度過份增高而受損
圖 219 PV 價格的變化
圖 220 聚焦型 PV 板之應用
26 生物產業機械學
能源與動力技術 25
家中 27水力發電
發電的方式有堵水為霸者有利用分路導流者亦有抽蓄
發電者前者即為一般之水庫台灣地區的水庫有石門水庫
翡翠水庫曾文水庫等等均有發電的功能(圖 222)分水路
導流者則如圖 223這種情形是否築堤為霸端視地理位置而
定抽蓄發電者其目的在調節發電的供需在用電低峰期間另
行將低水位水抽至高水位池至尖峰時間備用日月潭之抽蓄
發電即屬此類
水的密度為空氣的八百倍在相同的輸出狀況下水車應
比風車小一般水力雖仍受季節性影響但比較上則較為穩
定且可建水庫儲存以有效利用中世紀的水車用於揚水
磨坊的工作近年來則用於水力發電可以補其他電源之不足
水是大氣循環的重要媒介經過湖海蒸發凝結成雲然
後降雨或雪復回歸大海(圖 221)水循環的動力完全來自太
陽其過程中亦可累積發電或作磨坊等所需之機械功
圖 222 水霸的結構 圖 221 水的循環
水力發電設備之規模依發電能力而定大型者以大水庫
之發電為主其出力在 30MW 以上者中型者則在 100KW 以上
30MW 以下小型者則屬 100KW 以內之範圍較偏遠地區多
當流水蓄積發電後其功率可傳送至系統使用其發電之
型式有多種通常均利用水流往下流動時所產生之動能作功
然後利用水輪機及發電機轉換為電力再經由電路傳輸至各住
28 生物產業機械學
能源與動力技術 27
屬小水電其工程簡單建設工期短一次基礎建設之投資小
水庫的淹沒損失移民環境和生態等方面的綜合影響甚小
由於小水電接近用戶故輸變電設備簡單線路輸電損耗小
可適於山區使用
圖 224 小水電發電設備裝設之情形
世界各地的農村和邊遠地區十分需要增加電力供應在發
展中國家居住在這些地區的人中目前只有約 5能用上電
小水電站的發展速度一直很緩慢然而在工業發達國家由
於核電站造成的污染問題以及小水電站建造週期短和開發成
本低等優點再次激起了人們對小水電開發的興趣（圖 224）
圖 223 利用導渠發電 水輪機為利用水力轉換為機械功之機械其內部轉動的部
份稱為渦輪機(Turbine)高壓之水流經由渦輪機產生轉動帶
動連結其上之發電機轉子轉動磁場進行發電(圖 225)
水輪機之型式有三即伯爾頓(Pelton Turbine)輪機(圖226)法蘭西斯(Francis Turbine)輪機(圖 227)及螺旋片式輪機
(Propeller Turbine)伯爾頓輪機係利用數道強力水柱直接衝擊
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
26 生物產業機械學
能源與動力技術 25
家中 27水力發電
發電的方式有堵水為霸者有利用分路導流者亦有抽蓄
發電者前者即為一般之水庫台灣地區的水庫有石門水庫
翡翠水庫曾文水庫等等均有發電的功能(圖 222)分水路
導流者則如圖 223這種情形是否築堤為霸端視地理位置而
定抽蓄發電者其目的在調節發電的供需在用電低峰期間另
行將低水位水抽至高水位池至尖峰時間備用日月潭之抽蓄
發電即屬此類
水的密度為空氣的八百倍在相同的輸出狀況下水車應
比風車小一般水力雖仍受季節性影響但比較上則較為穩
定且可建水庫儲存以有效利用中世紀的水車用於揚水
磨坊的工作近年來則用於水力發電可以補其他電源之不足
水是大氣循環的重要媒介經過湖海蒸發凝結成雲然
後降雨或雪復回歸大海(圖 221)水循環的動力完全來自太
陽其過程中亦可累積發電或作磨坊等所需之機械功
圖 222 水霸的結構 圖 221 水的循環
水力發電設備之規模依發電能力而定大型者以大水庫
之發電為主其出力在 30MW 以上者中型者則在 100KW 以上
30MW 以下小型者則屬 100KW 以內之範圍較偏遠地區多
當流水蓄積發電後其功率可傳送至系統使用其發電之
型式有多種通常均利用水流往下流動時所產生之動能作功
然後利用水輪機及發電機轉換為電力再經由電路傳輸至各住
28 生物產業機械學
能源與動力技術 27
屬小水電其工程簡單建設工期短一次基礎建設之投資小
水庫的淹沒損失移民環境和生態等方面的綜合影響甚小
由於小水電接近用戶故輸變電設備簡單線路輸電損耗小
可適於山區使用
圖 224 小水電發電設備裝設之情形
世界各地的農村和邊遠地區十分需要增加電力供應在發
展中國家居住在這些地區的人中目前只有約 5能用上電
小水電站的發展速度一直很緩慢然而在工業發達國家由
於核電站造成的污染問題以及小水電站建造週期短和開發成
本低等優點再次激起了人們對小水電開發的興趣（圖 224）
圖 223 利用導渠發電 水輪機為利用水力轉換為機械功之機械其內部轉動的部
份稱為渦輪機(Turbine)高壓之水流經由渦輪機產生轉動帶
動連結其上之發電機轉子轉動磁場進行發電(圖 225)
水輪機之型式有三即伯爾頓(Pelton Turbine)輪機(圖226)法蘭西斯(Francis Turbine)輪機(圖 227)及螺旋片式輪機
(Propeller Turbine)伯爾頓輪機係利用數道強力水柱直接衝擊
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
28 生物產業機械學
能源與動力技術 27
屬小水電其工程簡單建設工期短一次基礎建設之投資小
水庫的淹沒損失移民環境和生態等方面的綜合影響甚小
由於小水電接近用戶故輸變電設備簡單線路輸電損耗小
可適於山區使用
圖 224 小水電發電設備裝設之情形
世界各地的農村和邊遠地區十分需要增加電力供應在發
展中國家居住在這些地區的人中目前只有約 5能用上電
小水電站的發展速度一直很緩慢然而在工業發達國家由
於核電站造成的污染問題以及小水電站建造週期短和開發成
本低等優點再次激起了人們對小水電開發的興趣（圖 224）
圖 223 利用導渠發電 水輪機為利用水力轉換為機械功之機械其內部轉動的部
份稱為渦輪機(Turbine)高壓之水流經由渦輪機產生轉動帶
動連結其上之發電機轉子轉動磁場進行發電(圖 225)
水輪機之型式有三即伯爾頓(Pelton Turbine)輪機(圖226)法蘭西斯(Francis Turbine)輪機(圖 227)及螺旋片式輪機
(Propeller Turbine)伯爾頓輪機係利用數道強力水柱直接衝擊
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
30 生物產業機械學
能源與動力技術 29
轉子上之水杯故轉子極為類似一付水輪伯爾頓輪機應用於
高水頭地區範圍由 15M 至 1800M其功率可達 200MW
圖 225 柏爾頓型水力發電機配置
圖 226 伯爾頓水輪機
圖 225 水輪機之剖面圖
法蘭西斯水輪之轉子則有固定葉片數目在九片以上驅
動時水自輻射方向進入經過葉片後沿中心軸向流出這種水
輪機所應用之水頭在 3M 至 600M 之間其功率最大為
800MW
圖 227 法蘭西斯水輪
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
32 生物產業機械學
能源與動力技術 31
地球上可開發利用的水能總量還要大 10 倍
人類利用風能的歷史可以追溯到紀元前帆船是以風為動
力在海上航行至今仍有以帆船作為戶外運動的項目但數千
年來風能之技術發展仍然緩慢1973 年世界發生石油危機
風能遂又一躍成為新能源之一與水力一樣風能同為無污染
的再生能源其發展潛力甚大特別是對沿海島嶼或交通不便
的邊遠山區地廣人稀的草原牧場以及遠離電網和近期內電
網還難以達到的農村邊疆等風能是解決生產和生活的可靠
途徑
風的變化
圖 228 開普蘭葉輪式水輪機 風向和風速是兩個描述風的重要參數風向是指風吹來的
方向如果風是從東北方吹來就稱為東北風風速是表示風移
動的速度即單位時間內空氣流動所經過的距離顯然風向和
風速這兩個參數都是在變化的
螺旋葉片式輪機之轉子則具有三至六個固定葉片類似船
之推進器水流經轉子並驅動葉片螺旋葉式輪機常應用於低
水頭之場合其範圍在 3M 至 90M 之間功率可達 100MW
開普蘭輪機(Kaplan turbine)則是螺旋葉輪機之改良型因為其
葉片之節矩可以改變可調節其作業性能(圖 228)其功率可
達 400MW比螺旋葉式高
風隨時間的變化包括每日的變化和季節的變化通常一
天之中風的強弱在某種程度上可以看作是週期性的如地面上
夜間風弱白天風強高空中正相反是夜裏風強白天風弱
這個逆轉的臨界高度約為 100～150m圖 229 是為城市地區
城市近郊及平原或海岸等地區之風速分佈圖顯然地面高度也
會影響其分佈梯度地面愈粗糙其風速分佈較為和緩在平
原地區風速之上下分佈則較為均勻在相同之風速下（例如
45ms）其高度在平原區會愈低在高樓區則同風速之高度會
愈高以台北 101 大樓為例其樓高 528 公尺其頂頂之風速
應在 45ms 左右
28風力發電技術
風是地球上的一種自然現象它是由太陽輻射熱引起的
也與地球自轉有關太陽照射到地球表面時因各處受熱不同
產生溫差從而引起大氣的對流形成風據估計太陽能抵達地
球的部份雖然僅約 2轉化為風能但其總量已然可觀全球
的風能約達 274x109MW其中可利用的部份為 2x107MW比
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
34 生物產業機械學
能源與動力技術 33
40ms
45ms
20ms 30ms
40ms
45ms
45ms
30ms
35ms
20ms
大城市中心
500m
400m
300m
200m
100m
平原海岸
地面
高度
Ｍ
城市近郊村庄
從空氣運動的角度通常將不同高度的大氣層分為三個
區域離地面 2m 以內的區域稱為底層2-100m 的區域稱為下
部摩擦層二者總稱為地面境界層從 100-1000m 的區段稱為
上部摩擦層以上三區域總稱為摩擦層摩擦層之上是自由大
氣
30ms
40ms
對於地面境界層風速隨高度的變化則主要取決於地面
粗糙度不同地面情況的地面粗糙度 α 如表 22 所示此時計
算近地面不同高度的風速時可依地面粗糙度決定
風力等級 世界氣象組織將風力分為 13 個等級如下表所示在沒
有風速計時可以根據它來粗略估計風速
表 23 氣象風力等級表 圖 229 不同高度處風速的變化
級
別 風速 [ms]
陸地 浪高
[m] 0 小於 03 靜煙直上 1 03-06 煙能表示風向但
風標不能轉動 出現魚鱗似的微波但
不構成浪 01
2 16-34 人的臉部感到有
風樹葉微響風
標能轉動
小波浪清晰出現浪
花但並 不翻滾 02
3 34-55 樹葉和細樹枝搖動
不息旌旗展開 小波浪增大浪花開始
翻滾 水泡透明象玻
璃並且到處出現白浪
06
4 55-80 沙塵風揚紙片飄
起小樹枝搖動 小波浪增長白浪增多 1
5 80-108 有樹葉的灌木搖
動池塘內的水面
起小波浪
波浪中等浪延伸更清
楚白 浪更多（有時
出現飛沫）
2
表 22 大地的粗糙度
地面情況 粗糙度 α
光滑地面硬地面海洋 010
草地 014
城市平地有較高草地樹木極少 016
高的農作物籬笆樹木少 020
樹木多建築物極少 022-024
森林村莊 028-030
城市有高層建築 040
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
36 生物產業機械學
能源與動力技術 35
6 108-139 大樹枝搖動電線
發出響聲舉傘困
難
開始產生大的波浪到
處呈現 白沫浪花的
範圍更大（飛沫更多）
3
7 139-172 整個樹木搖動人
迎風行走不便 浪大浪翻滾白沫象
帶子一 樣隨風飄動 4
8 172-208 小的樹枝折斷迎
風行走很困難 波浪加大變長浪花頂
端出現 水霧泡沫象
帶子一樣清楚地隨風
飄動
55
成功開發 1002002000250062007200kw之六種風力
機組目前美國已成為世界上風力機裝機容量最多的國家超
過 2X104MW每年還以 10的速度增長
現今世界上最大的新型風力發電機組已在夏威夷島建成
運行其風力機葉片直徑為 975m重 144t風輪迎風角的調
整和機組的運行都由電腦控制年發電量達一千萬 kwmiddoth根
據美國能源部的統計至 1990 年美國風力發電已占總發電量的
1 9 208-245 建築物有輕微損壞
（如煙囪倒塌瓦
片飛出）
出現大的波浪泡沫呈
粗的帶 子隨風對動
浪前傾翻滾倒卷
飛沫擋住視線
7
10 245-285 陸上少見可使樹
木連根拔起或將建
築物嚴重損壞
浪變長形成更大的波
浪大 塊的泡沫象白
色帶子隨風飄動整個
海面呈白色波浪翻滾
9
11 285-327 陸上很少見有則
必引起嚴重破壞 浪大高如山（中小船舶
有時被波浪擋住而看
不見）海面全被隨風
流動的泡沫覆蓋浪花
頂端刮起水霧視線受
到阻擋
115
12 327 以
上 空氣裏充滿水泡和飛
沫變成一片白色影響
視線
14
在瑞典荷蘭英國丹麥德國日本西班牙也根
據各自國家的情況制定了相應的風力發電計畫如瑞典 1990年風力機的裝機容量已達 350MW年發電 10 億 kwmiddoth丹麥
在 1978 年即建成了日德蘭風力發電站裝機容量 2000kw三
片風葉的掃掠直徑為 54m混凝土塔高 58m預計到 2005 年
電力需求量的 10將來自風能德國於 1980 年在易北河口建
造一座風力電站裝機容量為 3000kw到本世紀末風力發電
也將占總發電量的 8
英倫三島瀕臨海洋風能十分豐富英國政府對風能開發
也十分重視到 1990 年風力發電已占英國總發電量的 2
日本於 1991 年 10 月建造輕津海峽青森縣的日本最大的風力發
電站並開始運轉五台風力發電機可為 700 戶家庭提供電力
風能之利用 除發電外風力在農業上可用為灌溉排水榖類脫粒
粉碎攪拌池塘或河川曝氣等機械性動力以及如誘蛾燈電
照栽培飼育乾燥換氣照明等的電氣動力設施方面則如
溫室畜舍的冷暖氣雞糞乾燥等所需之熱能
美國在 1974 年開始實行聯邦風能計畫目的在評估國家
的風能資源及研究風能開發中的社會和環境問題計畫之內容
除致力改進風力機的性能降低造價外尚針對農業和其他用
戶用的小於 100kw的風力機進行研究協助電力公司及工業用
戶開發兆瓦級的風力發電機組至八十年代美國藉此計畫已
傳統風車以最大扭矩為主以發電為目的之風車則以最大
能量進行設計後者之葉片成細長高轉速揚力抗力比高
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
38 生物產業機械學
能源與動力技術 37
的翼形在設計的過程中常需考慮下列因素 倍
1 風向的變動追蹤以求輸出與負載之平衡 風能與其他能源相比既有其明顯的優點又有其突出的
局限性風能具有四大優點和三大弱點 2 需具備暴風中對風車之保護措施
3 需考慮建置成本以輕薄之材質為主並能克服潮濕
氣候的侵蝕 四大優點是
1 蘊量巨大 4 須降低噪音以避免影響環境或牲畜之安寧 2 可以再生 5 顧及景觀需能與自然取得協調 3 分佈廣泛
4 沒有污染
風能之特點 其三大弱點是
風能就是空氣流動所產生的動能大風所具有的能量相當
大風速 9～10ms 的 5 級風吹到物體表面上的力每平方
米面積上約有 10kg風速 20ms 的 9 級風吹到物體表面上
的力每平方米面積可達 50kg 左右颱風的風速可達 50～
60ms它對每平方米物體表面上的壓力則高達 200kg海
面洶湧的海浪是因風而起其對海岸的衝擊力有時可達每平
方米 20～30t最大時甚至可達 60t是相當驚人的破壞力道
1 密度低
這是風能的一個重要缺陷由於風能來源於空氣的流動
而由於空氣密度小導致風力的能量密度也低約僅為水力的
1816其能流密度比較如表 24
表 24 能量密度比較 風不僅具有很大的能量而且在自然界中也會造成不同的
效應嚴重如侵蝕山岩造成沙漠形成風海流一般者如輸
送地面水分水汽雲霧從而影響氣候造成雨季和旱季
能源類
別
風能 （3ms）
水能流
速
(3ms）
波浪能
（波高
2m）
潮汐能
（潮差
10m）
太陽能平均
能流密
度
[kwm2]
002 20 30 100 晴
天
10
晝夜
016
合理利用風能既可減少環境污染又可減輕能源短缺的
壓力據專家估計風中縕含之能量比人類迄今為止所能控
制的能量高得多全世界每年燃燒煤炭得到的能量還不到風
力在同一時間內所提供給我們的能量的 1可見風能是地
球上重要的能源之一據世界氣象組織估計整個地球上可以
利用的風能為 2X107MW為地球上可資利用的水能總量的 102 不穩定
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
40 生物產業機械學
能源與動力技術 39
由於氣流瞬息萬變因此風的脈動日變化季變化以至
年際的變化都十分明顯波動很大極不穩定
(a)螺旋槳風車 有配重兩翼或三翼式風車
(b)荷蘭式風車 以格板形成葉片通常為四
片
(c)多翼形風車 轉速低高扭力用途
(d)帆翼形風車 早期應用於地中海地區
3 地區差異大
由於地形的影響風力的地區差異非常明顯一個鄰近的
區域有利地形下的風力往往是不利地形下的幾倍甚至幾十
倍所以海邊的風比其他地區大這也是為什麼很多風車均沿
著海岸設置的原因
風車的種類 風車依轉軸方向可分為水平軸型及垂直軸型在各類型中
又可分為揚力型及抵抗型抵抗型之圓周速度不能超過風速
揚力型則可能超過風速水平型必須有風向追蹤機構以保持
其逆風狀態其中屬揚力型者如螺旋槳式帆翼式荷蘭式及
多翼式等(圖 230)垂直型者則不必有風追蹤機構可以接受
任何方向的風能其中屬揚力型者有達留斯式陀羅式等而
抗力型者則有杯式沙伯紐式或葉輪型(圖 231)
圖 230 水平軸型風車
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarcolumn-1html
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
42 生物產業機械學
能源與動力技術 41
(a)杯式風車常用於風速計 依其轉速決定風速
(b)沙泊紐斯型風車無風向
性迴轉速度低起動扭力大
(c)葉輪型風車依葉片之形狀
產生扭力低速抽氣用 (d)陀螺型風車葉片垂直可依 風力轉變角度
(e)達留斯型風車葉片薄窄並
呈彎曲狀可高速運轉 (f)振動型風車利用風吹動翼皮
帶動機械之型式
風車之性能 探討風車之理論可利用柏努利定理當空氣通過風車的
過程中其動能位能及壓能之和為常數
圖 232 風車葉片前後之風速及壓力關係
設上游之風壓及風速分別為P0及V0至葉片前處之風壓及
風速為P1及V1葉片後之對應風壓及風速則分別為P1rsquo及V1rsquo而下游之風壓及風速為P2及V2(如圖 232)若空氣之流體屬理
圖 231 垂直軸風車之種類
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
44 生物產業機械學
能源與動力技術 43
想氣體具有連續性則依柏努利定理可得下列常式
若以減速比為橫軸可以得到其相對應之風車效率而其
最大效率應發生在 α=13 處其效率值為 60 (圖 233)而其
理論之最大輸出應為
整理上兩式風車之前後壓差應為
3 2max 0(2 3)L AVρ=
功率係數 Cp 之定義為ＬLmax或 設風車所受之力為 F 時則依其等於動量變化量
max max max
16 059327L
L L LCL L L
= = = 為簡化計算設葉片處之風速為上下游處風速之平均
值則
由上二次可以因此計算風車之理論功率
則上式可變更為
風車之理論効率則為
圖 233 理論功率值
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 45
對於垂直風車而言設其受風面積同為A承受之風速為
V0若風車葉片之周速為V則其相對速度為V0-V其輸出功
率L應為
20( )2
DC V V VL ρ minus=
式中CD為抗力係數其值依風車迎風面之形狀尺寸而
定同理其最大輸出Lmax為
30
max2
27DC AVL ρ
=
顯然抗力型的效率比揚力型低設 T 為扭矩R 為轉子半
徑則其扭矩係數為
2
2t
TC0AV Rρ
=
46 生物產業機械學
圖 234 各型風車之功率係數變化
有關各型風車之功率係數變化如圖 234而扭拒係數之
變化則如圖 235
圖 235 各型風車之扭矩係數變化
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 47
210生物質能技術
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體但不包括化
石燃料生物能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能
量形式一種以生物質為載體的能量它可直接或間接產生
熱作為燃料或發電木材早在數千年以前就用來燃燒取暖
但實際上生質能源仍有許多型式如木材植物農業或林業
之殘留物工業或都市的廢棄物等這些均可以作為再生能源
在各種可再生能源中生物質是獨特的它貯存太陽能
也是一種唯一可再生的能源可轉化成常規的固態液態和氣
態燃料以配合運搬的需要生物能是第四大能源而且遍佈
世界各地其蘊藏量極大據估計地球上每年植物光合作用固
定的碳達 2x1011t含能量達 3x1021J因此每年通過光合作用
貯存在植物的枝莖葉中的太陽能相當於全世界每年耗能
量的 10 倍或相當於世界現有人口食物能量的 160 倍雖然
不同國家單位面積生物質的產量差異很大但地球上每個國家
都有某種形式的生物質生物質能是熱能的來源為人類提供
了基本燃料
生物質是指由光合作用產生的有機體光合作用是利用空
氣中的二氧化碳和土壤中的水將吸收的太陽能轉化為碳水化
合物和氧氣的過程它是生命活動中的關鍵過程植物光合作
用的簡單過程如下
48 生物產業機械學
生物質所含能量的多寡與品種生長週期繁殖與種值方
法收穫方法抗病抗災性能日照的時間與強度環境的溫
度與濕度雨量及土壤條件有關光合作用的轉化率約為
05-5是一般太陽能直接轉換的各種過程最低的數值溫帶
地區之植物光合作用轉化率全年約為 05-25但整個生物圈
的平均轉化率可達 3-5玉米之轉化率則達 4自然生態系
則較低陸地為 03海洋為 006世界上約有廿五萬種生
物理想的環境與條件下其總光合效率可達 8-15一般平
均則為 05左右
生質能之優劣點 生物能具備下列優點
1 是太陽能最佳的轉換型式及能量儲存系統
2 不含硫故比化石燃料乾淨有利於環境
3 可用於加熱動力發電提供廉價能源(在特定條
件下)
4 是一套可再生而具永續性的溫和能量循環系統將
有機物轉化成固體液體及氣體性的燃料可減少
環境公害(例如垃圾燃料)
5 與其他非傳統性能源相比較技術上的難題較少
缺點
6 發熱量低僅能小規模利用
7 植物僅能將極少量的太陽能轉化成有機物
8 單位土地面的有機物能量偏低
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
50 生物產業機械學
能源與動力技術 49
9 缺乏適合栽種植物的土地 表 25 能源作物之分類
10 有機物的水分偏多(50～95) 種類 代表例
農業殘留 (田間)稻草榖殼蔗渣蔬菜廢棄物 (畜產)豬糞尿雞糞 (林產)鋸木屑木材殘角材 (食品業)果皮加工殘渣廢液
油料作物 玉米菜籽紅花大豆花生胡麻蓖麻
亞麻大麻棉橄欖椰子油椰桐油向
日葵 糖料作物 甘蔗甜菜甜玉米甜楓甜椰
澱粉作物 甘藷馬鈴薯玉米
石油植物 藍珊瑚薄荷油加利葡萄牙草
11 其性質形狀大小等不均勻體積膨鬆其收集
堆積及搬運等作業均有困難
生物質之種類 生物質資源種類繁多如薪柴農林作物及其殘留物食
品加工和林產品加工的下腳料城市固體廢棄物生活污水和
水生植物等等尤其是為了生產能源而種植的能源作物諸如
成長迅速的樹木（如銀河歡）及雜草這些有時稱為生質能源
之原料(Bioenergy feedstock)
嚴格而言生物質大致可以分為兩類mdash即傳統的和現代
的傳統生物質主要限於發展中國家它包括所有小規模使用
的生物能但有時也進入市場第三世界農村燒飯用的薪柴便
是其中的典型例子傳統生物質包括
表 26 油料作物之能源含量 1 家庭使用的薪柴和木炭
油料作物 油含量
Canola 404 GJt
Safflower 397 GJt
Sunflower 397 GJt
Diesel 385 GJt
2 稻草也包括稻殼
3 其他的植物性廢棄物
4 動物的糞便
現代生物能是指那些可以大規模用於代替常規能源亦即
礦物類固體液體和氣體燃料的各種生物能巴西瑞典美
國的生物能計畫便是這類生物能的例子現代生物質包括木
質廢棄物（工業性的）甘蔗渣（工業性的）城市廢物生物
燃料（包括沼氣和能源型作物）其分類如表 25
除廢棄物外大部份之農作物均可提取油料這些大部份
作為食品如沙拉油花生油芥子油等但需要的話仍可進
一步作為油料來源表 26 所示即為這些大宗作物之含油量
製糖作物方面對具有廣大未利用土地的國家而言如將製糖
作物轉化成乙醇將可成為一種極富潛力的生物能其最大的優
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
52 生物產業機械學
能源與動力技術 51
點在於可直接發酵變成乙醇至於農作物殘渣除直接遺留於
耕地上作為水土保持與土壤肥力固化的介質外有時經由堆肥
醱酵亦可回收部份能源
物包括快速成長作物樹木糖與澱粉作物（供製造乙醇）
含有碳氧化的合作物草本作物水生植物
未來的應用方式以生物燃料(Biofuels)為主可分為兩類 即生物柴油(Biodiesel)與乙醇 (Ethanol)前者為一種酯類可
利用蔬菜油動物脂肪藻類或廚餘油脂等提煉可為柴油添
加劑以減少排氣污染後者則為酒精以高碳水化合物之生
物質如玉米類進行醱酵其過程與啤酒製程相同（表 27）
畜產方面牲畜的糞便經乾燥可直接燃燒供應熱能但目
前之處理均將糞便經過厭氧處理會產生甲烷和可供肥料使用
之淤渣若用小型厭氧消化糟僅需三至四頭牲畜之的糞便即
能滿足發展中國家中小家庭每天能量的需要
一般水生植物如水生藻類主要包括海洋生的馬尾藻
巨藻海帶等淡水生的布袋草浮萍小球藻等均可作為燃
料或製成堆肥光合成微生物如硫細菌非硫細菌等等則
可利用光合作用大量轉化能量
圖 27 碳化物作物之含量
城市垃圾方面將城市垃圾直接燃燒可產生熱能或是經
過熱解體處理而製成燃料使用一般城市污水約含有 002～
003固體與 99以上的水分而下水道污泥也有望成為厭氧
消化槽的主要原料
生物能的開發和利用 對於生物能之開發或利用通常可藉下面的技術手段來達
成
1 燃燒
燃燒生物質可產生熱能蒸汽或轉換為電能其熱能可直
接利用於暖房乾燥等動力方面則可驅動汽油引擎柴油引
擎斯特林引擎等產生有效功
2 生產液體燃料
利用能源作物生產液體燃料目前具有發展潛力的能源作
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
54 生物產業機械學
能源與動力技術 53
能源植物是指能生產「綠色石油」的各類植物其品種繁
多資源豐富在國內分佈很廣如大戟科植物樹脂海桐
油棕桐樹及油桐樹等歐洲以菜籽油等為石油替代燃料政府
也獎勵種植這些石油植物含有豐富的碳化氫可以溶劑(丙酮苯)粹取碳化氫成分如加利油薄荷油的發熱量辛烷
值均高可直接作為燃料或與汽油混合使用對汽油引擎的適
應性高以螺旋壓榨器從油料作物壓榨粹取之油亦可作為內燃
機之燃料雖然其粘度高低溫時不易起動但仍可甲酯化後
應用然而為將生物量變換為易用型態其所需之轉換能量反
而更大成本也高未來期望能開發更高效率之轉換技術
製造沼氣的流程如圖 236
3 氣化燃料
甲烷發酵是典型的例子藉分解細菌將糞尿中之有機物轉
換為甲烷氣又稱為沼氣甲烷氣含約 60甲烷可與都市瓦
斯產生等值之熱量沼氣每立方米為 5500-5800 大卡其成份
除甲烷外尚有二氣氧化碳沼氣可以用於炊事點燈發電及
鍋爐蒸氣沼氣形成之條件有
圖 236 雞場沼氣工程及後處理之工程流程
4 熱化學變換
以榖殼木材殘材等為對象用堆積型或流動層型等燃燒
爐燃燒生產木炭和炭並以熱交換器回收發生熱再利用或將
之氣化而作為內燃機之燃料生物質（熱解）氣化後用於電力
生產如集成式生物質氣化器和噴氣式蒸汽燃氣輪機
（BIGSTIG）聯合發電裝置圖 237 為一利用垃圾掩埋場產生
之沼氣及固態廢棄物焚化處理後之熱來發電之實際流程圖
238 則為大型鋸木屑工廠回數廢熱之流程圖 239 則為都市
垃圾焚化處理產生熱解之過程這些廢棄物處理均必須在大規
模的作業下才能符合其經濟效益
1 足够的沼氣發酵原料
2 有一定量的厭氧活性污泥
3 適宜的溫度
4 合適的酸鹼度（PH 值和鹼度）
5 發酵原料要有微生物生長所必需的營養質
6 適當的攪拌
7 防止毒性物質抑制沼氣發酵過程
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
56 生物產業機械學
能源與動力技術 55
圖 239 都市廢棄物之焚化爐
圖 237 沼氣及固態廢棄物 5 堆肥製作
對農業廢棄物糞便污水或城市固體廢物除進行厭氧消
化產生沼氣外固體堆肥之應用對生態之影響也很大其次對
自然農法之推廣也具不可磨滅的貢獻並保護週圍之環境
生物質堆肥化過程中可以降低有機物中含碳率避免直接
施用有機物而在土壤中發酵產生有害氣體危害植物堆肥
化過程中高溫可殺死有害病菌雜草種子堆肥化後產品質地
均勻搬運方便沒有骯髒感施用堆肥可提供植物養分及改
進土壤物理性等
堆肥發酵的條件有養分微生物氧氣水分溫度時
間等發酵過程中有中溫菌（包括細菌絲狀菌）高溫菌（包
括細菌絲狀菌及放線菌）參與有機物的分解但是一般有機 圖 238 大型鋸木屑轉熱工廠之作業
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
58 生物產業機械學
能源與動力技術 57
物堆肥原料中含充分的微生物不須特別添加微生物對發酵
不會產生問題若有微生物不足之虞則可在堆肥原料中混入
腐熟堆肥然而堆肥原料碳氮比調整為約 20 比 1水份調
整為 65左右又需供給充分的氧氣以維持好氣狀態其
中水分調整尤其重要水分太高易呈厭氣狀態不利發酵作
用水分太低則無法提供微生物足夠水分維持生長以分解
有機物堆肥發酵初期為中溫期中期為高溫期控制在良好
的發酵條件下發酵溫度可升達 60～70以上末期則降至
中溫最後回到常溫
沸點-16149甲烷幾乎不溶於水可溶於醇乙醚烴
油性穩定與硫酸硝酸鹼及鹽類不起作用但在光照射
下能與氯氣及溴氣反應(直射日照會爆炸)燃燒時呈青白色火
焰其燃燒方程式如下
CH4+2O2 rarr CO2+2H2O H=-890 KJmol
沼氣含甲烷約在 5575之間甲烷濃度達 70時其熱
值為 5300 2 mKcal 已超過政府頒佈的煤氣瓦斯熱值標準
（4500 2 mKcal ）目前國內外之乾燥機的主要熱源來自汽油
與柴油其燃燒熱值比較如表 28其中等效值係指其他燃料
所產生之熱值等於一立方公尺沼氣所產生之熱值所需單位
數
堆肥發酵到完全腐熟時間因堆肥材料而異所謂「腐熟」
是有機質原料藉微生物分解作用將具易分解性有機質分解或
對生育有害的物質加以分解而趨穩定化腐熟度判定方法甚為
複雜如理化性狀分析中還原糖率判定法CO2產生量CN
比例陽離子交換容量(CEC)硝酸氮檢出等
汽油與柴油雖有較高之燃燒熱值但需要付出額外的能源
成本相較於沼氣其本身來自於畜牧場之廢棄物為天然資
源因此使用沼氣作為熱能來源不但可以減少其他能源的支
出亦使能源的運用回歸於畜牧場 從 1973 年石油危機以來國際上日益重視能源植物及其
燃料的研究1978 年國際能源機構（IEA）發起能源植物國際
間的合作研究首先以開發森林中的能源植物為主題其後不
斷擴大領域改良現有品種培育新品種並大規模地種植能
源植物包括既有木本能源植物及草本能源植物
表 28 沼氣與其他主要能源之燃燒熱值比較
種類 燃燒熱值（k cal） 等效值 沼氣（立方公尺） 5300 1000
汽油（公升） 7990 0663柴油（公升） 8860 0598
天然氣（立方公尺） 8990 0596
以畜牧場廢棄物而言每頭 60 公斤之豬隻每日之排泄
物約可產生 02 立方公尺之沼氣沼氣因常從沼澤底部發生而
得名主要成份為甲烷為無色無味無臭可燃氣體較空氣輕
可溶於乙醇乙醚稍溶於水及發煙硫酸沼氣為天然煤氣中
之主要成份可用為燃料及發光氣並作為合成化學之原料
甲烷(CH4)之分子量為 1604是飽和脂肪烴中第一個化合物
常存於天然氣或沼氣中亦為煤氣之主成分其性狀為無色易
燃氣體無臭無味較空氣為輕比重 0554凝固點-18248
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
60 生物產業機械學
能源與動力技術 59
地球形成之初本屬一團高熱火球經四五十億年以後表面逐
漸冷卻形成地殼地球內部的熱不斷向太空釋放在地球物
理中稱為大地熱流由於地球的表面積大因而其單位面積內
放出的熱量極為微小所以這種大地熱流量並不大憑感官很
難查覺但其總量仍然相當巨大且因地區而異故地熱之利
用也因地而不同
211地熱能技術
人類很早以前就開始利用地熱能例如利用溫泉沐浴醫
療利用地下熱水取暖建造農作物溫室水產養殖及烘乾穀
物等但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始
於 20 世紀中葉地熱能是來自地球深處的可再生熱能它起
源於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變其縕藏量比目前人
們所利用的總量多很多倍而且集中分佈在構造板塊邊緣一
帶或火山和地震多發區
地下熱水和地熱蒸汽主要是地底深處之熱岩體加熱大氣
降水所形成地殼中的地熱則靠傳導傳輸釋放內部熱量但
地殼岩石的比熱低無法流動很難直接開發利用必須透過
某種集熱作用例如鹽丘集熱其導熱率常比一般沈積岩高 2～3 倍
地熱能的利用可分為地熱發電和直接利用兩大類後者常
是溫泉鄉之所在如果熱量提取的速度不超過補充的速度其
實地熱能是可再生的地熱能在世界很多地區應用相當廣泛
但其分佈相對而言比較分散開發難度大 大盆地中地下水層也可大量集熱每當鑽探打到這種
含水層就會產出高溫熱水成為可利用之資源若經由岩漿
侵入地殼淺處形成地殼內最強的熱傳導形式這種局部高強
度熱源是為開發地熱能相當有利條件 地熱能的來源 地球的內部是一個高溫高壓的巨大的「熱庫」蘊藏著無
比巨大的熱能假定地球的平均溫度為 2000地球的質量
為 6x1024kg地球內部的比熱為 1045Jgmiddot則整個地球內
部的熱含量約為 125X1031J在地球表層 10km厚的區域其所
貯存的熱量亦有 1025J這些熱量會藉火山爆發間歇噴泉和
溫泉等方式釋放部份能量據估計全世界地熱資源的總量大
約為 145X1025J相當於 4948 X1012t標準煤燃燒時所放出的熱
量以地球上貯存的煤炭燃燒總熱值為基礎作比較石油的貯
量熱值約為煤炭的 8目前可利用的核燃料的貯熱值約為煤
炭的 15而地熱能的總貯量則為煤炭的 17000 萬倍可見
其發展之潛力
地熱的分佈可分為三種類別即變溫帶恆溫帶和增
溫帶變溫度帶係受太陽輻射的影響其溫度因晝夜季節
年份呈週期性變化其厚度為 15～20m恆溫帶之溫度變化很
小深度約 20～30m增溫帶則在恆溫帶以下溫度隨深度增
加而升高其熱量的主要來源是地球內部的熱能其地溫梯度
平均每加深 100m溫度升高 8按照正常的地熱增溫率來
推算80的地下熱水大致是埋藏在 2000～2500m 左右的
地下故若要獲得高溫地下熱水或蒸汽就須尋找一些異常地
熱區主要位於現代火山區和近代岩漿活動區
地熱能的利用 除作為溫泉用途外地熱能可以提供發電一般是利用地球內部熱源可能來自放射性同位素的熱核反應或由於
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
62 生物產業機械學
能源與動力技術 61
其蒸汽驅動輪機如圖 240就發電技術而言溫度 150C 以
下時無法驅動蒸汽輪機為此亦產生兩種發電方式即蒸汽發
電與二元(Binary)發電
蒸汽發電是利用高於 150C 之地熱蒸汽及熱水驅動渦輪
機並驅動發電機高壓熱水經減壓後亦可將高溫蒸汽部份分
離再將多餘熱水送回地層再生
圖 241 以地熱蒸氣透平發電
圖 240 地熱發電之原理
httpwwwnrelgovgeothermalgeoelectricityhtml
圖 242 地熱發電之一例
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 63
二元發電則處理低於 150C 之熱水的資源利用熱交換器
的功能將其熱能轉換至二次流體中這種二次流體屬低沸點的
碳氫化合物如異丁烷(isobutane)這種流體蒸發後即可驅動渦
輪機及發電機(圖 241)而原熱源仍然回歸地層形成一個良
好的循環沒有任何逸出或殘留二元發電變成相當低成本的
地熱利用方式
除供發電外地熱能在世界很多地區應用相當廣泛如圖
242所示為一組地熱發電之設備其他應用諸如低溫地熱資
源用於浴池空間供熱及特定地區的融雪用途近來還應用於
溫室設施以栽培種苗蔬菜水果及草花甚至養魚等工業
方面則可應用於熱力泵斯特林(Stirling )引擎等某些熱處理
過程的供熱老的技術現在依然富有生命力利用地熱之新技術
業已成熟並且在不斷地完善 從長遠觀點來看研究從乾
燥的岩石中和從地熱增壓資源及岩漿資源中提取有用能的有
效方法可進一步增加地熱能的應用潛力
64 生物產業機械學
212海洋能技術
地球表面積約為 51x108km其中陸地表面積為
149x108km占 29海洋面積達 361x108km占 71以
海平面計全部陸地的平均海拔約為 840m而海洋的平均深
度卻為 380m整個海水的容積多達 137x109km3一望無際的
汪洋大海不僅為人類提供航運水產和豐富的礦藏而且還
蘊藏著巨大的能量通常海洋能是指依附在海水中的可再生能
源包括潮汐能波浪能海洋溫差能海洋鹽差能和海流
能等廣義的海洋能源還包括海洋上空的風能海洋表面的太
陽能以及海洋生物質能等全球海洋能的可再生量很大上述
五種海洋能理論上可再生的總量為 766 億KW雖然海洋能的
強度較常規能源為低但在可再生能源中海洋能仍具有可觀
的能流密度近年來世界潮汐能的開發利用有了較大的發
展僅法國前蘇聯加拿大和韓國已經或即將建成的潮汐電
站即達 66 多萬KW目前世界潮汐能開發的趨勢是偏向大型
化如法國西部沿海建造的朗斯洛潮汐電站年發電量為 544億度俄國基斯洛潮汐電站裝置容量 800KW年發電量 230萬度美國塞文電站為 720 萬KW印度坎貝灣電站為 736 萬
KW
潮汐能 潮汐能是以位能形態出現的海洋能是指海水潮漲和潮落
形成的水的勢能據估計世界海洋潮汐能蘊藏量約為 27 億
KW若全部發電年發電量可達 12 億度
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動及其間相互作
用而引起的在海洋中月球的引力使地球的向月面和背月面
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
66 生物產業機械學
能源與動力技術 65
的水位升高(圖 243)由於地球的旋轉這種水位的上升以週
期為 12h25min 和振幅小於 1m 的深海波浪形式由東向西傳播 離地球或因質量太小所產生的引潮力很小就萬有引力計
算月球之最大引潮力可使海水面升高 0563m太陽的引潮
力則達 0246m但實際的潮差卻比上述計算值大得多如大
陸杭州灣的錢塘江口最大潮差達 893m加拿大芬地灣最大潮
差更達 196m這種差異目前尚無確切的解釋一般認為是當
海洋潮汐波衝擊大陸架和海岸線時通過上升收聚和共振等
運動使潮差增大
潮汐的能量與潮量和潮差成正比或者說與潮差的平方
和水庫的面積成正比與水力發電相比潮汐能的能量密度很
低僅及於低水頭發電的水準世界上潮差的較大值約為 13～15m但一般說來平均潮差在 3m 以上就有實際應用價值
由於潮水的流動與河水不同其方向不斷變換因此潮汐
發電具不同的型式例如
① 單庫單向型只能在落潮時發電
② 單庫雙向型在漲落潮時都能發電
圖 243 太陽影響潮汐的情形 ③ 雙庫雙向型可以連續發電但經濟上不合算未見
實際應用 太陽引力的作用與此相似但是作用力小些其週期為
12h當太陽月球和地球在一條直線上時就產生大潮當
它們成直角時就產生小潮除了半日週期潮和月週期潮的變
化外地球和月球的旋轉運動還產生許多其他的週期性迴圈
其週期可以從幾天到數年同時地表的海水又受到地球運動離
心力的作用月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引
潮力
最簡單的潮汐發電系統包括在海口建一座水霸閘門(圖244)當漲潮時海水經由閘門進入貯水池退潮時貯水池之
海水往外流經水輪機以行發電漲潮時雖亦可用以發電但
實際上乃較少使用故仍屬單庫單向型
除月球太陽外其他天體對地球同樣會產生引潮力雖
然太陽的質量比月球大得多但太陽與地球的距離也比月球與
地球之間遠故其引潮力還不及月球的一半其他天體或因遠
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 67
圖 244 退潮發電之配置
水輪機的型式則與一般水力發電水輪略有不同在法國西
北部不列搭尼區之聖馬羅處所設置的潮汐水輪機屬球型(圖245)海水流經水輪時可使水輪轉動但必須防止整個水輪反
向
圖 245 球形水輪機(Copyright Boyle 1996)
環水輪(圖 246)是另一種水輪型式應用於加拿大之蘇格
68 生物產業機械學
夏發電機之機體固定於霸體內與水輪機之葉片成直角只是
這樣的安排不容易調整水輪機之出力性能亦不適用於抽水的
反功能
管水輪(圖 247)最先應用於英國其葉輪連接一長軸且
因呈傾斜狀態故發電機可以安放在壩內
圖 246 環型水輪機(Copyright Boyle 1996)
圖 247 管型水輪機
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 69
圖 248 軸流型海流水輪機
1970 年提出之潮汐水輪機如圖 248其出力為 15KW類
似風車的功能這種水輪機比其他型式較佳且其對環境的影
響也較小這種水輪機在水流 2-3ms(4-6 節)的範圍時可以
發電 4-13 kWm2流速太高會損及整個機體之結構太小則不
經濟
雖然潮汐發電具有優點諸如交通簡化減少溫室效應
等但仍有可能改變當地之水文及生態且築堤後其結果也
難預測也可能影響潮汐的水位而其他諸如航運及遊樂均會
受到影響生態方面更會威脅動植物之生存
70 生物產業機械學
205P T=
波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能其能量與
波高的平方波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比波浪
能是海洋能源中能量最不穩定的一種能源其產生係因風將能
量傳遞給海洋或由海水吸收風能形成其傳遞速率不但與風速
有關而且與風水間相互作用的距離（即風區）有關風相
對於海平面發生位移時使波浪具有勢能而水質點的運動則
使波浪具有動能貯存的能量通過摩擦和流動而消散其消散
速度的大小取決於波浪特徵和水深深水海區大浪的能量消散
速度很慢從而導致了波浪系統的複雜性使它常常伴有局地
風和幾天前在遠處產生的風暴的影響
波浪可以用波高波長（相鄰的兩個波峰間的距離）和波
週期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特徵來描述波浪能的
大小可以用海水起伏勢能的變化進行估算即
H
式中P 為單位波前寬度上的波浪功率單位 kwm T為波浪週期單位 s H 為波高單位 m
實際上波浪功率的大小還與風速風向連續吹風的時
間流速等諸多因素有關因此波浪能的能級一般以 kwm表示代表能量通過一條平行於波前的 1m 長的線的速率
南半球和北半球 40deg～60deg緯度間的風力最強信風區（赤
道兩側 30deg之內）的低速風也會產生很有吸引力的波候因為
這裏的低速風比較有規律在盛風區和長風區的沿海波浪能
的密度一般都很高例如英國沿海美國西部沿海和新西蘭
南部沿海等都是風區有著特別好的波候
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 71
雖然大洋中的波浪能是難以提取的因此可供利用的波浪
能資源僅局限於靠近海岸線的地方但即使如此在條件比較
好的沿海區的波浪能資源貯量大概也超過 2TW據估計全世
界可開發利用的波浪能達 25TW大陸沿海有效波高約為 2～
3m週期為 9s 的波列波浪功率可達 17～39kwm渤海灣
更高達 42kwm
波浪之發電 1970 年英國及日本開始體認波浪發電之實用性並開始
研究大體上波浪發電有兩種型式即固定式與浮動式
(1)固定型發電裝置
固定發電裝置常固定於海床或海岸就維護觀點而言比浮
動型佳可惜的是能夠適合設置者仍屬有限
(2) 擺動式水柱洞(圖 249)
擺動式水柱洞之發電方式有兩步驟當波浪進入水柱筒時
會往上衝並經過一水輪機使柱洞內之壓力增加當浪退去時洞
內空氣被抽出並經過水輪機之葉片使水輪機獲得動力各國
目前對選點之研究不遺餘力也有許多計畫正在進行在不久
的將來應有良好的成果
72 生物產業機械學
圖 249 往復式水柱發電的構圖
錐渠道系統 錐渠道系統由一錐狀渠道組成渠道鉗入一水庫並構成一
懸崖(如圖 250)狹窄的渠道部份會導致波浪衝向岩岸之波輻
增加因此會濺出渠道之邊牆並進入水庫水庫的水位因而會
比海平面為高出數米進入水庫之海水等於將海浪之動能轉為
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 73
位能並可用來驅動開普蘭水輪機
圖 250 錐渠道系統之應用
錐渠道系統之觀念是適合傳統水力發電的方式累積海水
並加以儲存然後使之通過水輪機流出這種系統之動件很
少而且全在發電系統內其維護成本低而可靠度也相當提
高由於水庫可以儲存甚久故用電時可等到真正需要時才發
電
這種渠道系統並不適合所有的海岸而合適的地點亦必須
具有連續的海浪其能量密度相差不能太大且潮汐高度不能
高於一米此外合適的地區之海水深度亦必須合乎條件並
須有地方建造小水庫
74 生物產業機械學
浮動裝置
圖 251 水鴨型波能轉換裝置 (Copyright Ramage 1996)
浮動裝置顧名思義它是在海面上漂流之型式利用水面波
動之落差進行發電雖然如此仍然必須利用繩索固定於海床
浮動裝置有水鴨型(Salter Duck)蛤蜊型阿基米德型擺動裝
置及其他浮動波能裝置等均可經過其裝置之韻律性擺動進行
發電其與固定型不同點在於水輪機不固定而裝置之上上下
下係依波浪之運動因而產生電力
水鴨型可以很有效地產生能量（圖 251）但其發展在 80年代一直受限只因為其能源之生產成本計算錯誤直到最近
此項計算經獲重新評估而獲得修正
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 75
溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的熱
能海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器由太陽投
射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收使海洋表層水溫升
高赤道附近太陽直射多其海域的表層溫度可達 25～28
波斯灣和紅海由於被炎熱的陸地包圍其海面水溫可達 35
而在海洋深處 500～1000m 處海水溫度卻只有 3～6這個垂
直的溫差就是一個可供利用的巨大能源
圖 252 海洋之表面及次表面溫度分佈
利用海洋溫差發電是 1881 年法人達松爾(Jacques DArsonval)之構想但到 1930 年才實現雖然理論效率不及
2但由於海洋廣大取之不盡據估計全世界應有 107MW之潛力在大部分熱帶和亞熱帶海區表層水溫和 1000m深處
的水溫相差 20以上這是熱能轉換所需的最小溫差據估
計如果利用這一溫差發電其功率可達 2TW這種利用溫
差之發電技術又稱海洋熱能轉換技術(OTEC Ocean Thermal Energy Conversion)主要係利用深海層間之溫差發電
76 生物產業機械學
圖 253 OTEC 之閉路循環
圖 253 為閉路型循環溫差發電之概念流程這是第一台
正在實驗中之機型稱為 Mini-OTEC出力 50KW設置於夏
威夷整廠用 52KW 功力但淨功率僅 15KW其實用性在於
熱交換器之金屬材料1980 年美國能源署利用報廢的船鑑建
造另一座閉路型 OTEC證明可以在緩慢的行船中進行溫差發
電
開放型之流程則如圖 254是松達爾學生克勞(Georges Claude)於 1930 年設置於古巴此裝置可將溫海水在半真空狀
態下蒸發產生低壓之水蒸氣以驅動汽輪機水蒸氣經第二個
熱交換器再以冷的海水冷卻或與深海水混合1983 年曾針
對這個模式進行試驗可發電 22KW並可產生淡化海水同
樣的機型在巴西亦建造一套可惜兩座後來均遭海浪破壞
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 77
圖 254 OTEC 開放型裝置
圖 255 新開放循環之 OTEC 外觀及內部
78 生物產業機械學
圖 256 溫差發電技術之應用
1993 年美國能源研究室在夏威夷基荷點(Keyhole Point)設置另一座開放型 OTEC 廠是最先進的一型可以產生 50KW電力比日本在 1982 設置之系統能量高目前科學家仍在研
究屬本機型之高效能設備圖 255 為其外觀
海洋溫差發電系統具有多種應用它可以用來發電淡化
海水支援海洋農場提供對漁產冷凍與空調的動力及海洋礦
物之粹取等技術其構想圖如圖 256
鹽差能 鹽差能是以化學能形態出現的海洋能 地球上的水分
為兩大類淡水和醎水全世界水的總儲量為 14x109km3其
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
80 生物產業機械學
能源與動力技術 79
中 972為分佈在大洋和淺海中的醎水在陸地水中215
為位於兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水餘下的 065才是
可供人類直接利用的淡水海洋的醎水中含有各種礦物和大量
的食鹽1 km3的海水裏即含有 3600 萬t食鹽
發電其法是令水蒸發為水蒸氣並在鹽水中冷凝然後令蒸
氣流經渦輪機此過程與開放式海洋熱能轉換之方式相同故
其所需的機械設備也與後者相類似惟這種方法有其缺點因
為其過程中會消耗淡水而海洋熱能轉換電站則生產淡水比
較之下後者似乎更值得開發 在淡水與海水之間有著很大的滲透壓力差（相當於 240m的水頭）從理論上講如果這個壓力差能利用起來從河流
流入海中的每立方米的淡水可發 23 kwmiddoth的電一條流量為
1m3s的河流的發電輸出功率可達 2340 kw就原理而言讓
淡水流經一個半滲透膜後再進入一個鹽水水池如此可以獲得
理論水頭在過程中若鹽度維持相同則其間之滲透壓可產生
等同將水池水面提高 240m之水頭如此水位差可讓其流經水
輪機從而提取能量就理論言全世界若能以有效的裝置來
充分利用所有河流的這種能量則其總能量可達 26TW的電
力此外有些鹽礦蘊藏地區更具此發展的潛力在死海淡
水與醎水間的滲透壓力相當於 5000m的水頭而大洋海水只有
240m的水頭可見鹽礦中的大量幹鹽擁有更密集的能量
據估計世界各河口區的鹽差能達 30TW可能利用的有
26TW大陸之鹽差能估計為 11x108kW主要集中在各大江
河的出海處同時青海省等地還有不少內陸鹽湖可以利用
海流能 海流能是另一種以動能形態出現的海洋能一般海流是指
海底水道和海峽中較為穩定的流動以及由於潮汐導致的具規
律性海水流動若有大量的海水從一個海域長距離地流向另一
個海域或稱為海水環流海水環流之產生有兩種原因一是
因季節風帶動因海面有方向不變的風如赤道南側常年吹東
南風北側吹東北風風吹動海水使水表面運動並傳遞至
海水深處一般言之在低緯度和中緯度海域風是形成海流
的主要動力海底水流特性仍然相當複雜有時會隨著深度增
加海流速度會降低有時流動方向也會隨著深度增加而改
變產生上下層水流方向不同之現象太平洋和大西洋的南北
兩半部以及印度洋的南半部因而產生反時鐘方向旋轉的海水
環流
利用大海與陸地河口交界水域的鹽度差所潛藏的巨大能
量一直是科學家的理想在 70 年代各國開始尋求提取鹽差
能的方法但這種技術之難度很大前例中實際上淡水進入醎
水域後會沖淡鹽水因此為保持鹽度梯度尚需不斷加鹽於水
池中使其水面高出海平面 240m在這種水頭下需要很大
的功率來泵取鹹海水
環流產生之第二原因是因不同海域的海水溫度和含鹽度
常常不同它們會影響海水的密度海水溫度越高含鹽量越
低海水密度就越小這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造
成海水環流
目前研究中之鹽差能應用系統均甚昂貴其原理係利用反
電解工藝（即鹽電池）由醎水中提取能量據估計其投資成本
約為 50000 美元kw若利用反滲透方法使水位升高然後讓
水流經渦輪機其發電成本則高達 10～14 美元kwh 此外
另一種新技術則是根據淡水和醎水所具有之不同蒸氣壓力差 海水流動會產生巨大能量據估計全球海流能高達 5TW
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
82 生物產業機械學
能源與動力技術 81
海流能的能量與流速的平方和流量成正比相對波浪而言海
流能的變化較為平穩而且有規律潮流能隨潮汐的漲落每天 2次改變大小和方向一般來說最大流速在 2ms 以上的水道
其海流能均有實際開發的價值
213氫能技術
1839 年英國的 Sir William Grove 發明燃料電池並用以鉑
黑為電極催化劑置於硫酸溶液中構成簡單的氫氧燃料電池
(如圖 257)雖然其雛型機之性能無法得到一致的性能但至
少點出了三態接觸(即氣體電解質及白金固態)配合可能發電
之事實
全世界海流能的理論估算值約為 108kW量級大陸沿海
據統計年功率理論值約達 14x107kW臺灣沿海的海流也甚為
豐富不少水道的能量密度為 15～30Kwm2具有良好的開發
價值
圖 257 燃料電池之原理
1889 年Mood和Langer首先採用了燃料電池這一名稱並
獲得 200mAm2電流密度惟由於材料技術一直無法突破燃
料電池的研究在 50 年代才有實質的進展英國劍橋大學的
Bacon用高壓氫氧製成了具有實用功率水平的燃料電池60 年
代這種電池成功地應用於阿波羅(Appollo)登月太空船從此
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
84 生物產業機械學
能源與動力技術 83
氫氧燃料電池廣泛應用於太空領域同時兆瓦級的磷酸燃料
電池也研製成功80 年代開始各種小功率電池在軍事交
通資訊等各個領域中亦相繼獲得應用
物鉛化物和粉塵顆粒等對環境有害的污染物質其
少量的氮化氫經過適當處理也不會污染環境而且燃
燒生成的水還可循環使用繼續提煉氫
（7）氫能利用形式多除燃燒可產生熱能並以熱力發
動機產生機械功外又可以作為燃料電池之材料產
生電力或可轉換成固態氫用作結構材料用氫代替
煤和石油不需對現有的技術裝備作重大的改造現
在的內燃機稍加改裝即可使用
如前所述煤炭石油天然氣太陽能風能水力
潮汐能地熱能核燃料等均可生產電能或稱為一次能源
而汽油柴油及氫等則是由石化能源再提煉而成故稱為二次
能源隨著化石燃料耗量的日益增加其儲量有限終有一天
會用馨替代性的新能源變成當今研發的重點氫正是一種目
前期待甚殷的二次能源 （8）氫可為氣態液態或固態的金屬氫化物能適應貯
運及各種應用環境的不同要求 氫元素屬週期表之首其原子序數為 1在常溫常壓下為
氣態在超低溫高壓下又可成為液態氫能源有以下特點 由以上特點可以看出氫是一種理想的新能源目前液態氫
雖已廣泛作為太空動力燃料其在大規模的商業應用則仍有待
解決之問題 （l）氫的重量元素中最輕在標準狀態下密度為
00899gl在零下 2527degC 時可成為液體在數百
個大氣壓下則可變為金屬氫具有塑造用途 (1) 製氫技術成本高氫是一種二次能源其提煉過程不
但需要消耗巨大能量而且製氫之效率亦很低故如
何降低提煉成本是世界各國科學家共同關心的問題 （2）氫為導熱性最好的氣體高於其他氣體 10 倍可成
為極佳之熱導體 (2) 需要安全可靠的貯氫和輸氫方法由於氫易氣化著
火爆炸因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸已
成為開發氫能的關鍵
（3）氫是自然界中最普遍的元素佔有宇宙總質量之 75空氣中含有部份氫氣但大部份以化合物的形態
存於水若自海水中提煉所有之氫其總熱值將高於
地球石化燃料之總和之 9000 倍 自然界中氫已和氧結合成水成為最安定的狀態要提取
氫氣必須用熱分解或電分解的方法從水中分離此時若利用石
化能源製氫其效率顯然不高但若能善用太陽能製氫則其
能源應是無窮無盡由此獲得乾淨的二次能源其意義重大
利用太陽能分解水製氫的方法有多種多在試驗過程中其中
包括太陽能熱分解太陽能發電後電解水製氫陽光催化光
解水製氫太陽能生物製氫等這些方法與技術大部份仍存在
理論和工程技術試驗階段有諸多困難待解世界各國對此研
（4）氫之熱值達 142351kJkg除核燃料外是所有石化燃
料中最高的是汽油熱值之三倍
（5）氫燃燒性能好點燃快與空氣混合時有廣泛的可
燃範圍而且燃點高燃燒速度快
（6）氫本身無毒燃燒時最清潔其殘留物為純水及少
量氮化氫不會產生一氧化碳二氧化碳碳氫化合
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
86 生物產業機械學
能源與動力技術 85
發也極為重視爭相投入不少的人力財力物力並且業已
取得了多方面的進展 多年來燃料電池之性能一直因電解質之不同而進行分
類就工作溫度而言可分低溫燃料電池如鹼性型（AFC Alkaline fuel cells 工作溫度 100）質子膜型（PEMFC Proton Exchange Membrane fuel cells工作溫度為 100以
內）和磷酸型（PAFCPhosphoric-acid fuel cells PAFCs 工作溫度為 200）高溫則如熔融碳酸鹽型（MCFCMolten carbonate fuel cell 工作溫度為 650）和固體氧化型
（SOFCsSolid Oxide 工作溫度為 1000）工作溫度愈高可
以加速反應其電流效率也高（表 210）
燃料電池的分類 燃料電池是一種將燃料和氧化劑進行結合利用其化學能
轉化為電能的裝置這種轉化過程並不需要燃燒也沒有轉動
部件或卡諾循環限制其理論能量轉換率為 100而實際發
電效率則在 40～60之間其所產生之電力可以就地直接供
應工商業飯店賓館家庭之電源因此輸配電熱損失大為
減少其綜合能源效率因而可達 80
綜而言之燃料電池之電源潔淨無污染雜訊低模組
結構積木性強比功率高既可以集中供電也適合分散供
電具相當大的彈性與優點在應用上其容量可小到只為手
機或電腦供電中至一般汽車的動力大則可比美目前的火力
發電廠靈活度高其污染程度與一般火力發電之比較如表
29
表 210 燃料電池的分類
類型 磷酸型
（PAFC）
熔融碳酸
鹽型
（MCFC）
固體氧化物型
（SOFC）
質子交換膜
型（PEMFC）
燃料
煤氣天
然氣甲
醇等
煤氣天然
氣甲醇等
煤氣天然氣
甲醇等
純 H2天然氣
電解
質
磷酸水溶
液
KliCO3 溶鹽 ZrO2-Y2O3(YS
Z)
離子(Na 離子)
陽
極
多孔質石
墨
(Pt 催化
劑)
多孔質鎳
(無 Pt 催化
劑)
Ni-ZrO2 金屬陶
瓷
(不要 Pt 催化
劑)
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
電
極 陰
極
含 Pt 催化
劑+多孔
質石墨
+Tefion
多孔 NiO（摻
鋰）
LaXSr1-XMn(C
o)O3
多孔質石墨
或 Ni(Pt 催化
劑)
工作
溫度
~200 ~650 800~1000 ~100
表 29 燃料電池與火力發電的大氣污染比較
(單位kg10-6(KWh)-1)
污染成分 天然氣火
力發電
重油火力
發電
煤火力發
電
燃料電池
SO2 25-230 4550 8200 0-012
NOx 1800 3200 3200 63-107
烴類 20-1270 135-5000 30-104 14-102
塵末 0-90 45-320 365-680 0-014
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
88 生物產業機械學
能源與動力技術 87
過去廿年以來燃料電池之發展歷經鹼性磷酸熔融碳
酸鹽和固體氧化物等幾種類型的階段目前之研究和應用正快
速發展依其開發之順序分類一般將 PAFC 歸納為第一代燃
料電池MCFC 為第二代SOFC 為第三代這些電池均需用
可燃氣體作為其發電用的燃料(表 210)AFC 已在航太領域廣
泛應用PEMFC 則廣泛作為交通動力和小型電源PAFC 作
為中型電源應用且已進入商業化階段其他小型燃料電池也
已在膝上電腦及攜帶型電器上應用（表 211）
可避免轉換損失提高發電效率技術上其特點如下
bull 無論是滿負荷或輕負荷狀態均能維持高發電效率
bull 無論裝置之規模大小均能保持高發電效率
bull 具有超強之過載能力
bull 通過與燃料供給裝置組合可適用不同之燃料
bull 發電出力由電池堆的出力和組數決定機組的容量調
度自由度大 表 211 燃料電池在攜帶型電器上之應用
攜帶型烯
料電池
Warsitz 製作的攜帶型燃料民池電源
替代電池
用的燃料
電池
Ballard 的燃料電池膝上電腦
An H Power 燃料電池電源公司提供的美國新澤西州高
速公路廣告牌
An H Power 燃料電池電源公司提供的職業電神攝像機
Fraunise ISE 發展的峰窩電話用微型燃料電池
教學用烯
料電池
美國木醇研究所提供的教學用木醇燃料電池
Ecosoul 提供的再生燃料電池教學用具
H-Tec 提供的教學用太陽能-氫燃料電池
bull 電池本體的負荷回應性好用於電網調峰優於其他發
電方式
bull 用天然氣和煤氣等為燃料時NOX 及 SOX 等排出量
少環境相容性優
燃料電池是一種電化學裝置其組成與一般電池相同每
單位電池是具有正負兩電極及電解質組成其負極為燃料電
極正極為氧化劑電極一般電池的活性物質貯存在電池內
部電池容量因此受限制燃料電池的正負極則不包含活性
物質只是純催化轉換元件因此燃料電池是名符其實的把化
學能轉化為電能的能量轉換器當燃料電池運作時燃料和氧
化劑由外部供給兩者在電極間進行反應然後排出原則上
只要反應物不斷輸入反應產物不斷排除燃料電池就能連續
發電
在大規模之應用上美日等國已相繼建立了一些磷酸燃料
電池電廠熔融碳酸鹽燃料電池電廠質子交換膜燃料電池電
廠作為示範日本已開發了數種燃料電池發電裝置供公共電力
部門使用其中磷酸燃料電池（PAFC）已達到「電站」階段
並已建成兆瓦級燃料電池示範電站進行試驗期望應用於城市
能源中心或熱電聯供系統
燃料電池的特點與原理 由於燃料電池係將燃料的化學能直接轉化為電能其過程
無傳統之鍋爐汽輪機發電機等硬體設備亦無轉動件故
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
90 生物產業機械學
能源與動力技術 89
反應劑供給系統排熱系統排水系統電性能控制系統及安
全裝置等
圖 259 氫氧燃料電池反應循環
圖 258 燃料電池之組成
由圖 259 所示燃料電池通常由形成離子導電體的電解
質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）及兩側
氣體流路構成氣體通路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑
氣體）能在流路中通過
圖 258 與 259 所示為氫氧燃料電池組織構件及化學反應
原理兩極間之反應實際是電解水的逆過程電極反應式分別
為
負極 H2 + 2 OH- rarr2 H2O + 2e- (1)
在反應過程中電解質不同經過電解質與反應相關的離子
種類也會不同在 PAFC 和 PEMFC 類型之反應中由於與氫
離子（H+）相關故發生的反應變為 正極 frac12 O2 + H2O + 2e- rarr2 OH- (2)
電池反應H2 + frac12 O2==H2O (3) 燃料極H2 =2H+ + 2e- (4)
氫氣進入負極與氫氧離子結合成水並釋放兩個電子氧
氣則進入正極與水及兩毎個電子結合形成兩個氫氧離子整個
電池之反應為氫與氧結合成水並產生電子流動實際上僅有
燃料電池本體仍不能運作必須有一套相應的輔助系統包括
空氣極2H+ + 12O2 +2e-= H2O (5)
全體H2+12O2 = H2O (6)
上式分解程式與電解水之逆反應不同在燃料極中供給
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
92 生物產業機械學
能源與動力技術 91
的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- H+ 移動到電解質中與空
氣極側供給的O2發生反應e- 經由外部的負荷回路再回到空
氣極參與空氣極的反應一系列的反應促成電子e- 不間斷經
由外部負載構成回路形成電路由上述之反應式(3)(6)可以看出H2 和O2 生成H2O而已沒有其他的產物而H2 所具
有的化學能卻轉變成電能當然在電極中仍存在一定的電阻
因而會產生熱屬於損耗實際的電能將會減少
體為了促進反應以 Pt 為觸媒燃料氣體中的 CO 會造成
中毒並降低電極性能為此在 PAFC 和 PEMFC 應用中必
須限制燃料氣體中之 CO 含量尤其後者屬於低溫工作必須嚴
加限制
引起反應的一組電池稱為元件產生的電壓通常低於一
伏為獲得較大的出力則需串聯多組元件PAFC 和 PEMFC的隔板均由碳材料組成其出力由總電壓和電流的乘積決定
電流則與電池中的反應面積成比（圖 260）
圖 261 磷酸型燃料電池基本組成和反應原理
由於燃料為甲烷故磷酸燃料電池運作時必須先將燃料氣
體添加水蒸氣後送到轉質器把燃料轉化成H2CO和水蒸氣
的混合物
4 2 23CH H O CO H+ rarr +
2 2 2CO H O CO H
CO和水進入移位反應器中經觸媒劑轉化成H2和CO2
+ rarr + 圖 260 單電極組裝示意圖
經過如此處理後的燃料氣體進入燃料堆的負極(燃料極)同時將氧輸送到燃料堆的正極(空氣極)進行化學反應借助觸
媒劑的作用迅速產生電能和熱能 如表 210 中所列磷酸型燃料電池 PAFC 所用之燃料包括煤
氣天然氣甲醇等其內仍然有 CO 含量這種型式之燃料
電池所用之電解質為濃磷酸水溶液而 PEMFC 電解質為質子
導電性聚合物系的膜其構造如圖 261電極均採用碳的多孔高溫型燃料電池 MCFC 和 SOFC 則不要觸媒以 CO 為主
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
94 生物產業機械學
能源與動力技術 93
要成份的煤氣化氣體可以直接作為燃料應用反應後且具有高
質量排氣的效能容易設計為聯合循環發電的型式 如此安排可避免電池因形狀之不同電解質之間熱膨脹造成裂
紋電池形狀除平板型外亦有成圓筒型以避免應力集中
SOFC的反應式如下 MCFC 之組成為電極板（燃料極與空氣極）電極外側流
通氣室電極夾等介於二塊電極板之間之電解質為 Li 與 K混合的碳酸鹽其工作溫度為 600~700 之間此時會呈熔
融液體形成離子導電體電極為鎳系的多孔質體氣室則以
抗蝕金屬製成
燃料極H2 + O2- = H2O + 2e- (10)
空氣極12 O2 + 2e- =O2- (11)
全 體H2 + frac12 O2 =H2O (12)
高溫型燃料電池（MCFC）之原理是以空氣極的O2（空氣）
CO2 與電子相結合生成CO33- （碳酸離子）電解質將CO23-移到燃料極與供給的燃料H+ 相結合放出e-同時生成H2O和CO2 化學反應式如下
空氣極CO2 + 12O2 +2e-=CO33- (7)
燃料極H2 + CO33- = H2O+2e- + CO2 (8)
全體反應H2 + 12O2 =H2O (9)
在這一反應中電子e- 同在PAFC的情況一樣從燃料極
釋放通過外部的電路回到空氣極其間電子e- 在外部回路
中通負載發電MCFC最大特點是在反應過程產生CO33-離子因此供給的氧化劑氣體中必須含有碳酸氣體由於電池
內部充填觸媒使天然氣主成份的CH4 在電池內部轉化產生氫
氣若燃料為煤氣其主成份CO 和H2O反應生成H2因此
可以等價地將CO作為燃料來利用為了獲得更大的出力隔
板通常採用Ni和不銹鋼製作
圖 262 燃料電池工作原理
燃料極H2 經電解質往前移動與O2- 反應生成H2O和電
子e-空氣極由O2和電子e- 生成O2-全體的反應則同其他燃
料電池一樣由H2 和O2 生成H2OSOFC屬高溫工作型因此
可在無其他觸媒的作用下直接將天然氣主成份CH4 轉化為H2 加以利用而其中煤氣的主要成份CO亦可以直接作為燃料
圖 262 及表 212 綜合不同類型之電極反應及其離子之移動方
SOFC是以陶瓷材料構成電解質為ZrO2 (氧化鋯)可構
成O2- 的導電體Y 2O3 （氧化釔）或稱為穩定化氧化鋯
（YSZ）電池中燃料極為Ni與YSZ複合而成之多孔金屬陶
瓷空氣極為LaMnO3 (氧化鑭錳)隔板為LaCrO3 (氧化鑭鉻)
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 95
向可以相互比較圖 263 則為典型之燃料電池之外觀
表 212 燃料電池的分類及技術比較
燃料
電池
電解質 工作溫度 電化學反應式
PEMFC 固體有機膜 60-100
80
陽極H2rarr2H+ + 2e
陰極12O2+2H+ +2e
rarrH2O
PAFC H3PO4 175-200
40
陽極H2rarr2H+ +2e
陰極12O2+ 2H+
+2erarrH2O
MCFC （LiNaK）
2CO3
600-1000
50
陽極H2+CO32－
rarrH2O+CO2+2e
陰極12O2+
CO2+2erarrCO32－
SOFC YSZ（用Y2O3
穩定的ZrO2）
600-1000
50
陽極H2+O2－rarrH2O+2e
陰極12O2+2erarrO2－
96 生物產業機械學
圖 263 燃料電池之外觀
燃料電池發電系統
天然氣的發電系統
MCFC需要供給的燃料氣體是H2它可由天然氣中的CH4 轉化而成其反應在轉化器中進行轉化器出口的溫度為
600符合MCFC的工作溫度可以直接輸至燃料極使用
來自空氣極的排氣為高溫可送入最終的膨脹式透平進行
動力回收作為空氣壓縮動力用剩餘的動力由發電機發電
回收從而可提高整套系統的效率另外天然氣轉化時所需
的H2O（水蒸汽）可從燃料極排出的部份H2O回收供給
這種系統的效率可達 55~60在整套出力中MCFC發電
量份額占 90若考慮到排氣形成的動力回收和附加發電廣
義上也可以稱為聯合發電SOFC能和較高溫度的排氣體構成
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 97
附加發電系統由於SOFC不需要CO2 的再循環結構較為簡
單其發電效率可達 50~60
在使用 PAFC 的情況下若採用天然氣時其構造類似
MCFC 機組由於 PAFC 排出氣體溫度較低不利附加發電
煤炭的發電系統
煤炭需經過煤氣轉化及純化才能產生的CO及H2等可用燃
料這種精製煤氣所需之壓力通常高於MCFC的工作壓力故
可在進入MCFC前先以膨脹式渦輪機回收其動力渦輪機出口
氣體可與部分來自燃料極（陽極）排出的高溫氣體（約 700）
混合調整為電池的適宜溫度（約 600）該陽極氣體中仍
會排出未反應的燃料成分可以收回再利用藉以提高燃料的
利用率空氣極所供給的O2和CO2是透過空氣壓縮機輸出的空
氣與排出燃料氣體混合而成在觸媒轉化器中則使用碳酸氣將
未燃的H2 及CO轉換成H2O和CO2
這種機組的發電效率因煤氣化和煤氣精製過程有相當差
異利用煤系統之 SOFC其構造相當複雜但若改用管道氣
則會較簡化其效率為 45~55
國外燃料電池發展 燃料電池的發展締造另一新紀元如電腦的發明普及取代
人力的運算繪圖及文書處理一樣繼資訊革命進入另一領域
燃料電池的高效率無污染建設週期短易維護以及低成本
的潛能將引爆新能源與環保的綠色革命如今在北美日本
和歐洲燃料電池發電正以急起直追的勢頭快步進入工業化規
模應用的階段將成為 21 世紀繼火電水電核電後的第四
98 生物產業機械學
代發電方式目前 2MW45MW11MW 成套燃料電池發電
設備已進入商業化生產各等級的燃料電池發電廠亦相繼在各
國建造圖 264 為一套商業化之燃料電池發電設備外觀
圖 264 燃料電池發電設備
磷酸型燃料電池(PAFC)
世界約有 60 台 PAFC 發電設備在運轉總輸出功率約為
41 萬 KW其中日本為 29 萬 KW美國 8000KW歐洲 3000KW
亞洲 900KW日本自實施月光計畫以來已有 5000KW 級加壓
型和 1000KW 級常壓型磷酸型燃料電池電廠實際運行目前之
發電效率為 30～40綜合效率可達 60～80表 213為目前各國發展 PAFC 燃料電池的情況
PAFC 作為一種中低溫型（工作溫度 180-210）燃料電
池不但具有發電效率高清潔無噪音等特點而且還可以
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 99
熱水形式回收大部分熱量圖 265 為 ONSI 公司設置之 PC25C型 200kW PAFC 發電站最初開發 PAFC 是為了控制發電廠的
峰谷用電平衡近來則側重於公寓購物中心醫院賓館等
地方之供電
表 213 目前世界使用 PAFC 燃料電池的情況
容量 台
數
累計運行
時間
最長累
計
最長
連續
gt1
萬 h
gt2
萬 h
gt3
萬 h
50kW 66 1018411 33655 7098 54 15 4
100kW 19 274051 35607 6926 11 4 3
500kW 3 43437 16910 4214 3 0 0
圖 265 日本東芝 ONSI PC25C 型電站
PAFC 用於發電廠有兩種情形分散型發電廠容量在
10-20MW 之間安裝在配電站中心電站型發電廠容量在
100MW 以上可以作為中等規模熱電廠PAFC 電廠比起一
100 生物產業機械學
般電廠具有如下優點即使在發電負荷比較低時依然保持高
的發電效率由於採用模組結構現場安裝簡單省時並且
電廠擴容容易
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解
質無電解質腐蝕問題能量轉換效率高無污染可室溫快
速啟動質子交換膜燃料電池在固定電站電動車軍用特種
電源可移動電源等方面都有廣闊的應用前景尤其是電動車
的最佳驅動電源
圖 266 安裝在柏林的 250kW PEMFC 燃料電池電站
加拿大 Ballard 公司在 PEMFC 技術上全球領先現在它的
應用領域從交通工具到固定電站在開發生產和市場化零排
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 101
放質子交換膜燃料電池上處於世界領先地位該公司最初產品
是 250kW 燃料電池電站其基本構件是 Ballard 燃料電池利
用氫氣（由甲醇天然氣或石油得到）氧氣（由空氣得到）
不燃燒地發電其第一座 250kW 發電廠於 1997 年 8 月成功發
電其後又在柏林安裝一套 250kW 功率之電站(圖 266)
美國的 Plug Power 公司亦從事質子交換膜燃料電池之開
發其目標在開發及製造適合居民和汽車用之經濟型燃料電池
系統1997 年該公司組合第一台燃料發電機成功地將汽
油轉變為電力可以持續提供 7KW 的電力
PEMFC是一種新型的燃料電池經過近 20 年的發展質
子交換膜燃料電池技術上有很大的突破其中膜電極PEMFC的電化學心臟就是關鍵80 年代後期美國Los Alamos 國
家實驗室（LANL）提出新方法採用Nafion質子交換聚合物
溶液浸漬PtC多孔氣體擴散電極再熱壓到質子交換膜上形成
膜電極Pt的利用率因而大為提高其載鉑量可降到
04mgcm2新的技術甚至降到 005mgcm2燃料電池的成本
也大為降低
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
MCFC 與其他燃料電池比有著獨特優點
1 發電效率比 PAFC 高
2 不需要昂貴的白金作催化劑製造成本低
3 可以用 CO 作燃料
4 由於 MCFC 工作溫度 600-1000排出的氣體可用來
取暖也可與汽輪機聯合發電若熱電聯產效率可
提高到 80
102 生物產業機械學
5 中小規模經濟性與幾種發電方式比較當負載指數大於
45時MCFC 發電系統成本最低與 PAFC 相比
雖然 MCFC 初期投資高但 PAFC 的燃料費遠比
MCFC 高當發電系統為中小規模分散型時MCFC的經濟性更為突出
6 MCFC 的結構比 PAFC 簡單
50 年代初熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）由於具有可作
為民用發電裝置的願景而引起各國的重視其後MCFC 發展
迅速相關技術也有很的進步惟目前為止此類電池之工作
壽命不長但八十年代後則已被列為第二代燃料電池近期
內並可實現兆瓦級商品化的目標
日本對 MCFC 發電系統的技術開發始於 1981 年1986 年
日立東芝富士電機三菱電機IHI 分別對 10KW 級機組
進行試驗其後研發 1000KW 級其燃料利用率為 80千小
時電池的劣化率小於 1
美國 ERC（Energy Research Corporation現為 Fuel Cell Energy Inc）和 M-C Power 公司合作建造 MCFC 堆ERC 的
MCFC 燃料電池在電池內部進行無燃氣的轉化無需設置轉化
器目前已可生產 250kW 單電池堆故一座 3MW 的 MCFC之空間僅需 01 英畝投資成本大為降低
其他國家如荷蘭義大利德國丹麥西班牙及韓國也
對 MCFC 進行研究德國 MBB 公司於 1992 年完成 10kW 級
外部轉化技術之研發於 1992 年-1994 年進行 100kW 級與
250kW 級電池堆的製造與運轉現在 MBB 公司可說擁有世界
上最大的 280kW 電池組體
固體氧化物燃料電池(SOFC)
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
104 生物產業機械學
能源與動力技術 103
SOFC 的特點如下
bull 由於是高溫動作（600-1000）通過再循環系統可
以獲得超過 60效率的高效發電也可以進行甲烷等
內部轉化
bull 由於氧離子在電解質中移動所以也可以用 CO煤氣
化的氣體作為燃料
bull 由於電池本體的構成材料全部是固體所以沒有電解
質的蒸發流動另外燃料極與空氣極也沒有腐蝕
bull 與其他燃料電池比發電系統簡單可以期望從容量
比較小的設備發展到大規模設備具有廣泛用途
研究 SOFC日美德等國已有 30 多年的開發史美國
西屋公司從 1960 年開發 SOFC1987 年該公司與日本東京煤
氣大阪煤氣共同開發出 3KW 熱自立型電池模組在國內外掀
起了開發 SOFC 的高潮1998 年並與荷蘭丹麥共同進行 100KW
級模組運轉且同時開發濕式電池製造技術以降低生產成
本在歐洲德國西門子公司在開發採用合金系列分離器的平
板型 SOFC1995 年開發出 10KW(利用氧化劑中的氧若在空
氣中則為 5KW)
在固定電站領域SOFC 明顯比 PEMFC 具有優勢SOFC很少需要對燃料處理內部重整內部熱集成內部集合管使
系統設計更為簡單而且SOFC 與燃氣輪機及其他設備也很
容易進行高效熱電聯產圖 267 為西門子-西屋公司開發世界
第一台 SOFC 和燃氣輪機混合發電站2000 年安裝在美國加
州大學功率 220kW發電效率 58未來的 SOFC燃氣輪
機發電效率將達到 60-70
圖 267 為西門子-西屋公司開發第一台 SOFC 和燃氣輪機混合
發電站
固體高分子型燃料電池(PEFC)
PEFC 主要之用途以汽車動力為目的但在汽車上燃料的
搭載方式各式各樣有高壓氫液化氫和甲醇等這些燃料各
具長短目前還未能確定最適方式
在供電及餘熱供暖系統方面PEFC 排熱溫度較低為 70
左右在熱利用上有所限制與其他類型燃料電池相比目前
只開發小型系統
在多家廠商的帶動下許多汽車製造商開始參加燃料電池
車輛的研發行列其中包括克萊斯勒(Chrysler)福特 (Ford)通用 (GM)本田(Honda)日產(Nissan)福斯(Volkswagen)
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
能源與動力技術 105
和富豪 (Volvo)等大部份所使用的燃料電池都是 Ballard 公司
生產同時也將大量資金投入燃料電池之研製1997 年本
田生產 RAV4 型帶有甲醇重整器的跑車由一個 25kW 的燃料
電池和輔助乾電池提供全部 50kW 的能量最高時速可達 125kmh行程達 500 公里
燃料電池汽車技術與傳統汽車純電動汽車技術相比具
有下面的優勢
1 效率高燃料電池是化學能轉化為電能的過程不受卡
諾循環的限制能量轉換效率較高1999 年戴姆勒一
克萊斯勒推出的燃料電池概念車 NECAR 4 從油箱到
車輪的能量效率為 377而高效汽油機和柴油機汽
車整車效率分別為 16-18和 22-24
2 續駛里程長採用燃料電池系統為能源克服純電動汽
車續駛里程短的缺點其長途行駛能力及動力性已經
接近於傳統汽車
3 綠色環保燃料電池沒有燃燒過程以純氫作燃料生
成物只有水屬於零排放採用其他富氫有機化合物
燃料生產物除水之外還可能有少量的CO2接近零
排放
4 超載能力強 燃料電池除在較寬的工作範圍內具有較
高的工作效率外其短時超載能力可達額定功率的
200或更大
5 低噪音 燃料電池屬於靜態能量轉換裝置除空氣壓
縮機和冷卻系統以外無其他運動部件因此與內燃機
汽車相比運行過程中噪音和振動都較小
6 設計方便靈活 燃料電池汽車可以按照 X-By-Wire 的
思路進行汽車設計改變傳統的汽車設計概念可以
106 生物產業機械學
在空間和重量等問題上進行靈活的配置
燃料電池之展望
(1) 燃料電池發電的經濟性
以往大容量高參數機組發電超高壓大電網遠距離送
電的集中供電是一些工業發達國家走過的歷程目前由於技術
進步能源之選擇也較為寬廣傳統的觀念已到必須修正的地
步隨著小型分散的熱電廠燃料電池發電等技術之革新當
今的電力系統將發生很大的轉變超大型的電站與分散微型電
站的結合可以減少在輸配電線路上的投資會使得電力系統更
安全更經濟一個擁有 50 個發電廠的電力公司在未來若干
年內會有幾千個甚至幾萬個微型電站與之相連這種電力網絡
類似於目前的電腦網路少數的幾台主機與眾多的 PC 機相連
將來的電網系統可能是現有的大電網和中小燃料電池共
存狀態大電網有其優越性但也有缺陷如高電壓長距離輸
電將有 6-8的損失而分散的中小型燃料電池電站可以在許
多地點建立可以減少送電損失（輸氫能量損失一般僅為
3）同時也為電網調峰做出了貢獻大型電力也有集中之風
險戰爭或天災均會造成整個系統癱瘓反之中小型分散式
電力系統將靈活地適應季節性和地域性的電力需求變化據估
計一條直徑為 091 米的輸氫管道用於 950-1600 公里輸氫作
業其所輸能量約相當於 50 萬伏高壓輸電線路輸送能量的的
10 倍以上而輸氫管道所需的建設費用僅為建設高壓輸電線
路的 12-14日常運行維護也比輸電線路低得多在美國這樣
的電力工業已很發達的國家將來對燃料電池的市場需要約為
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
httpwwwchina5ecomgasturbine
108 生物產業機械學
能源與動力技術 107
17000 兆瓦以上即中小型分散配置有其獨特的優越性 次能源革命發生在 19 世紀第一次產業革命以後由於蒸汽機
的大量應用傳統的能源--柴薪已不能滿足工業生產的需要
於是各國的能源需求開始轉向以煤炭為主第二次能源革命是
在 20 世紀初開始的當時不斷發展的電力鋼鐵工業帶動了
內燃機技術的推廣此時石油逐漸取代了煤炭的地位第三次
能源革命在 20 世紀 70 年代初開始的石油危機它推動了新能
源的發展和節能技術的發展專家認為能源革命時間正在縮
短新的能源結構革命正在悄悄地來臨其動力來自於目前的
能源利用方式與環境已產生甚大之衝突而傳統的能源利用方
式與能源資源量的矛盾日益尖銳新的能源資源在當前已佔有
相當的份量（世界範圍內石油占總能源消費的 36天然氣已
占到 23）高效潔淨便捷的能源利用方式--燃料電池開
始進入商業化階段
(2) 對電力系統的影響展望
燃料電池之利用效率可達 80不排放有害氣體（PAFC不排放任何氣體）容量可根據需要而定所以受到各方面的
極大關注在近年來首先應用為交通工具之動力如汽車艦
船等PAFC 發電裝置且已有數萬套進入賓館家庭運行PAFC已有了 4 萬多小時的運行記錄
這些電力裝置可以獨立發電也可與電力網相連為了獲
得氫燃料目前在非純氫燃料電池前均加了燃料轉化器由於
碳納米管儲氫技術已獲得突破未來隨著商業的發展實行家
庭發電將像用煤氣灶與煤氣罐配合使用一樣方便購一罐氫氣
可以發電數月（3kg 氫氣能量可以使一般轎車行駛 500km）
在有煤氣或天然氣管道的地方打開氣閥就可以發電和供熱
水
早在第二次世界大戰期間氫即用作A-2 火箭發動機的液
體推進劑1960 年液氫首次用作航太動力燃料1970 年美國
發射的「阿波羅」登月飛船使用的起飛火箭也是用液氫作燃
料現在氫已是火箭領域的常用燃料了對現代太空梭而言
減輕燃料自重增加有效載荷變得更為重要氫的能量密度很
高是普通汽油的 3 倍這意味著燃料的自重可減輕 23這
對太空梭無疑是極為有利的今天的太空梭以氫作為發動機的
推進劑以純氧作為氧化劑液氫就裝在外部推進劑桶內每
次發射需用 1450 m3重約 100t
可以使用天然氣煤氣為燃料的 MCFCSOFC 發電能力
為數千 kW 發電裝置將座落於較大的公用場所用管道向燃料
電池提供燃氣為附近的用戶提供電力和熱能使城市的發電不
再污染環境成千上萬的燃料電池發電裝置服役必將使得電
網的調峰能力大大增強常規的火電廠由於存在有較大污
染因此讓其遠離城區帶基本負荷在缺乏調峰手段和缺乏調
峰電量的電力網可以加大燃料電池的入網量必將大大地提高
未來電網的調峰能力 現在科學家們正在研究一種「固態氫」的太空船固態氫
既作為飛船的結構材料又作為飛船的動力燃料在飛行期
間飛船上所有的非重要零件都可以轉作能源而「消耗掉」
這樣飛船在宇宙中就能飛行更長的時間 (3) 展望燃料電池的未來
人類自從 19 世紀以來經歷了三次能源結構革命第一 在超音速飛機和遠端洲際客機上以氫作動力燃料的研究
110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
httpwwwchina5ecomgasturbine
摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
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110 生物產業機械學
能源與動力技術 109
已進行多年目前已進人試驗機試飛階段 在交通運輸方面
美德法日等汽車大國早已推出以氫作燃料的示範汽車
並進行了幾十萬公里的道路運行試驗其中美德法等國是
採用氫化金屬貯氫而日本則採用液氫試驗證明以氫作燃
料的汽車在經濟性適應性和安全性三方面均有良好的前景
但目前仍存在貯氫密度小和成本高兩大障礙前者使汽車連續
行駛的路程受限制後者主要是由於液氫供應系統費用過高造
成的美國和加拿大已聯手合作擬在鐵路機車上採用液氫作燃
料
燃料电池mdashmdash能源转换的新来源
ALSTOM 公司输配电部 Annette WilleNorbert Ber
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摘自《太陽能學報》特刊mdashmdash20 世紀太陽能科技發展的回顧與展望
李錦堂
httpwwweereenergygovwindandhydrohydro_howhtml氫不但是一種優質燃料還是石油化工化肥和冶金工
業中的重要原料和物料石油和其他化石燃料的精煉需要氫
如烴的增氫煤的氣化重油的精煉等化工中製氨製甲醇
也需要氫氫還用來還原鐵礦石用氫製成燃料電池可直接發
電採用燃料電池和氫氣-蒸汽聯合循環發電其能量轉換效
率將遠高於現有的火力電廠隨著製氫技術的進步和儲氫手段
的完善氫能將在 21 世紀的能源舞臺上大展風采
httpwwwnewenergyorgcnenergywindindexasp
httpwwwrmkouboumceuecacjpcontentsReportwindcarindexhtml
燃料電池可在一秒鐘之內迅速提供滿負荷動力並可承受
短時過負荷（幾秒鐘）其特性很適合作為備用電源或安全保
證電源為實現這些動態特性在供電側必須有獨立的氫氣來
源除了將 PEMFC 用於空間飛行移動式和固定式設備外
開發小型化的 PEMFC 系統的工作也正在開展作為攜帶型電
源系統用於筆記本電腦和攝影機等裝置
參考資料
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![八版20171205 - rb.bjrb.cnrb.bjrb.cn/resfile/2017-12-05/08/08.pdf · 游 字 填 戏 竖向 ： 老汉粘蝉 [原文] 人一能之，己百之；人十能 之，己千之。 [译文]](https://img.pdfslide.us/doc/110x75/5dd1307cd6be591ccb64a67a/c20171205-rbbjrbcnrbbjrbcnresfile2017-12-050808pdf-.jpg)
