移動式電源中山大學物理系　物理週演示實驗

移動式電源

年度	小組組成
2018	10級陳信儒 11級陳首明 11級顏志齊 10級吳卓穎
2017	09級楊承序 09級徐筱媜 10級陳信儒 10級董傑倫
2016	08級曾賢正 08級謝秉宏 09級楊承序 09級李知亭
2015	07級周晶瑩 08級周筠翔 08級林峻瑋 08級謝秉宏
2014	06級王柏馨 06級方俊皓 07級劉家昇 07級張家豪
2013	05級黃子星 05級黃彥誠 06級陳俊安 06級陳冠宇
2012	04級朱誌源 04級徐靖展 05級梁爾介 05級林冠廷
2011	03級簡士豪 03級陳昇群 04級陳敬捷 04級詹詠翔
2010	02級余定閎 02級廖啟勛 03級謝政軒 03級孫茂國
2009	01級吳軒毅 01級蔡宗裔 01級李璿 02級余定閎
2008	徐詩雅　吳雨衡

中山大學物理系　物理週演示實驗

　 1 簡介

　 2 原理

　 3 實驗說明

　 4 影片連結

　 5 家中小實驗

　 6 問題與討論

　 7 新同學創意實驗

　 8 歷年解說影片

　 9 英文單字與字彙

　10 參考資料:

11 其它

一簡介:

氫能源是將來取代石油的重要能源之一。燃料電池與一般熟知的電池有相似之處 ─ 同樣都是將化學能直接轉換成電能，但其最大的不同點是一般電池電會用完（或必須再充電後才能使用），而燃料電池只要持續不斷的供應燃料(大多是氫氣,也可以是甲醇、乙醇或是石化燃料)便能持續發電，因此燃料電池其實是一種發電裝置，而不是我們所熟悉的電池。而其所發出的電是高品質的直流電。

在資訊與控制科技發達的世界裡，3C產品、家電產品、甚至電動汽車都是以鋰電池為動力，但鋰電池無法持久，因此持久且免充電的燃料電池具有的潛在影響重大深遠。燃料電池另一個引起社會大眾注意的因素是環保，因為燃料主要是氫氣，發電後主要副產物只有水，對解決都市地區的空氣污染（主要來自如汽、機車等移動污染源）將有莫大的貢獻。
Hydrogen is an important energy-resources to replace oil. A fuel cell produces electricity cleanly by combining hydrogen and oxygen electrochemically rather than through combustion. when Hydrogen molecules enter the anode, they split into protons and electrons. The protons pass through to the cathode and combined with oxygen. The electrons are directed to relate external circuit which creates electrical current. The fuel cell can convert chemical energy into electrical energy, as long as the fuel can be continuously supplied to generate electricity.
Now widely used in portable devices almost are lithium batteries. However, lithium batteries can not be sustained. In this regard, the charge-free and long-lasting fuel cell has a potentially significant influence. In the other hand, the product of the fuel cell is water. It can solve the environmental problems of air pollution.

　

二原理:

氫氣由燃料電池的陽極進入，氧氣則由陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用，使得陽極的氫原子分解成兩個氫質子與兩個電子，其中質子被氧『吸引』到薄膜的另一邊，電子則經由外電路形成電流。而氫離子、氧離子，發生反應形成水分子，因此水可說是燃料電池唯一的排放物，其反應式如下:

陽極: H₂ --->2H⁺+2e^-_E^o_=0.00

陰極: 1/2 O₂ + 2H⁺+2e^---->H₂O　 _E^o_=1.23

總反應式: H₂+ O₂--->H₂O

↑燃料電池示意圖

燃料電池的優缺點

優點:

燃料電池可以不斷的提供燃料來維持它的運作,並將化學能直接轉為電能,好處是不需要經過多次能量的轉換,可以減少轉換過程中能量的散失,燃料方面也有多種選擇,比起一般的發電方式潔淨得多,如果使用的燃料是氫,產生的廢棄物是乾淨的水,在效率與環保方面都優於以石化能源為動力的發電裝置。

缺點:

燃料電池在相關科技、成本與安全性仍不到令人們滿意的地步,如果使用的是氫氣,在儲存上會面臨許多問題,氫氣亦會加速一般鋼鐵材質的腐蝕,也增加維護的成本,這使得氫能源在台灣始終無法普及化。

燃料的來源

燃料電池所使用的燃料可以來自所有的碳氫化合物，如天然氣、甲醇、乙醇、沼氣等；

製造氫氣的技術有三大類：電解(太陽能、地熱、風力...)、甲醇電漿重組製造氫、微藻製氫。

甲醇電漿重組製造氫：

一種自發性高溫之重組器，藉著將微米、奈米顆粒大小的甲醇與微米、奈米顆粒大小的水蒸氣混合之超微粒子直接噴入火花電漿加熱器加熱，微米、奈米顆粒大小的超微粒子可以使化學反應接觸面積加大幾十倍以上，反應速度非常快，火花電漿除了加熱的功能以外，電漿能量移轉產生的離子、電子、中子、自由基，可以加快甲醇及水分子分解的反應，並經部分氧氣燃燒及觸媒反應器反應成為氫氣與二氧化碳的混合氣體,再經氫氣分離單元將氫氣分離出來。

微藻製氫：

利用某些藻類在無氧狀態下行光合作用分離出氫氣，成本低廉，但生產速度緩慢。

儲存氫氣

氣態儲存:

使用排水集氣法或高壓鋼瓶儲存，前者簡易方便，但儲存量少，水也會大幅增加整體重量；後者運送方便，儲存量較高，可是容易爆炸具危險性。

液態儲存:

使用高壓鋼瓶儲存，儲存量比氣態高，缺點是需要在高壓低溫下才能達成，消耗較多能源，有比較多的限制。

固態儲存:

使用電力丸儲存，固態儲氫並不是把氫氣結成冰，而是運用稀土族元素和氫氣的親和力強，可以吸附氫氣，也可以穩定的釋放。液態的儲氫罐重達三公斤，卻只能攜帶30克的氫氣；僅僅一克的電力丸可以儲存0.2克的氫氣，也就是是說電力丸可以攜帶的氫氣是儲氫罐的20倍。
電力丸攜帶方便、成本低廉，以應用於部分3C產品，可惜尚未量產。使用過的電力丸無法重複使用，如何回收是另一個待解決問題。

鋰電池

鋰電池分成兩大類：不可充電的及可充電的兩類。不可充電的電池稱為一次性電池，它只能將化學能一次性地轉化為電能。而可充電的電池稱為二次性電池。它能將電能轉變成化學能儲存起來，在使用時，再將化學能轉換成電能。

一次性鋰電池:

一次性鋰電池以金屬鋰為陽極，碘為陰極，碘化鋰為電解質。鋰電池早期用於心律調整器，可維持十幾年的壽命，也應用於掌上電腦、PDA、通信設備、照相機、衛星、儀器等。該電池的主要特點是電池電壓高，額定電壓為3V、比能量大、放電電壓穩定、有較好的儲存性能、自放電率低等。

化學反應式：

陽極反應：2Li_(s) + 2I^－_(aq)→2LiI_(s) + 2e^－
陰極反應：I_2(l)+ 2Li_(aq) + 2e^－→2LiI_(s)
總反應：2Li_(s) + I_2(l)→2LiI_(s)

充電型鋰電池:

充電型鋰電池分為鋰離子電池與鋰高分子二次電池兩種，區別於前者以鋰鹽有機溶液當電解液，後者以高分子取代原有電極，或是利用高分子電解質取代電解液，電壓有3.6V以上。

化學反應式：

    陽極反應：Li_xC_6(s)→ x Li⁺_(os) + C_6(s) + x e^－
    陰極反應：Li_1-xCoO_2(s) + x Li_(os) + x e^－→ LiCoO_2(s)
    總反應：Li_xC_6(s) + Li_1-xCoO_2(s) →C_6(s) + LiCoO_2(s)

鋰離子電池的優缺點：

優點:電壓高、比能量大、循環壽命長(可達到500次以上，甚至1000次以上)、無公害、無記憶效應、工作範圍高(-25~45°C)。

缺點:是鋰離子電池的容量會緩慢衰退(跟溫度有關)、不耐受過度充電或放電、需多重防護機制等。

鉛蓄電池

蓄電池的一種，由正極板、負極板、隔板、電池槽、電解液和接線端子等部分組成。正極板為二氧化鉛板(PbO₂)，負極板為鉛板(Pb)。

放電化學反應：

電池中的正極活性物質（二氧化鉛）與負極活性物質（海綿鉛）和電解液（稀硫酸溶液），反應生成硫酸鉛和水。

化學方程式為：

PbO_2(s) + Pb_(s) + 2H₂SO_4(aq)→ 2PbSO_4(s) + 2H₂O_(l)

負極反應：

Pb + SO₄^－→ PbSO₄ + 2e^－

正極反應：

PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2－ + 2e^－→ 2H₂O + PbSO₄

　

充電化學反應：

硫酸鉛和水轉化為二氧化鉛、海綿鉛與稀硫酸的過程。

化學方程式為：

2PbSO_4(s) + 2H₂O_(l)→ PbO_2(s) + Pb_(s) + 2H₂SO_4(aq)

　

鉛蓄電池的優缺點：

優點:
放電時電動勢較穩定，工作電壓平穩、使用溫度及使用電流範圍寬、能充放電數百個循環、貯存性能好、造價較低，因而應用廣泛。

缺點:
比能量小、十分笨重，如果處裡不當會對環境產生污染。

鎳氫電池

鎳氫電池的設計源於鎳鎘電池，其主要的改變，在以儲氫合金取代負極的鎘，相同價格提供比鎳鎘電池更高的電容量以及低的環境污染(不含有毒的鎘)。其回收再用的效率比鋰離子電池好，被稱為是最環保的電池。具低記憶效應與高自放電特性，可進行500次至1000次的充放電循環。主要應用於手機、筆電、數位相機等等電子產品

化學方程式為：

     陽極反應： MH_(s) + OH^－_(aq)→H₂O_(l) + M_(s) + e^－
     陰極反應： NiO(OH)_(s) + H₂O_(l) + e^－→ Ni(OH)_2(s) + OH^－_(aq)
     總反應：MH_(s) + NiO(OH)_(s) → M_(s) + Ni(OH)₂_(s)

(M：儲氫合金 MH：金屬氫化物)

鎳氫電池的優缺點：

優點:
有能快速充電(約1hr)、較高的能量密度、壽命長、安全無公害、可在低溫(-20°C)下運作。

缺點:
自放電率高、有記憶性效應、高溫特性差。

儲氫合金

其具有很強的捕捉氫的能力，在一定的溫度和壓力下，氫分子在合金中分解成原子，而氫原子進入合金原子之間的縫隙中，並與合金進行化學反應生成金屬氫化物（metal hydrides），外在表現為大量「吸收」氫氣

自放電

是電池一陣子不用時，因空氣中微量導電因子（如水+二氧化碳）造成電池電力的流失。鎳氫電池的自放電率為30%，電池充得越滿，自放電速率就越高。

鋰電池VS鎳氫電池

	鋰電池	鎳氫電池
電流	小	大
記憶效應	無	輕微
重量	輕	重
壽命	長	短
成本	高	低
能量密度	高	低

錯誤觀念：

消費者對於鎳氫電池的觀念有落伍傾向，其實鋰電池使用在手機上是比鎳氫電池適合，但在數位相機上，其對於電流量的需求相當大，加上耗電量也較手機大很多，在大電流輸出這部分鎳氫電池是略勝一籌，加上鎳氫電池可使用一般市售鹼性電池應急，鋰電池除NIKON 、EN-EL1外大多沒有這項福利，所以在選擇數位相機時就不用一昧傾向鋰電池的機種。

燃料電池
燃料電池是一種主要透過氧或其他氧化劑進行氧化還原反應，把燃料中的化學能轉換成電能的電池。而最常見的燃料為氫，一些碳氫化合物例如天然氣、醇、和甲烷等有時亦會作燃料使用。
燃料電池產電後會產生水與熱，基於不同的燃料使用，有可能產生極少量二氧化氮和其他物質，對環境的污染比原電池少，是一種綠色能源。燃料電池的能量效率通常為40-60％之間；如果廢熱被捕獲使用，其熱電聯產的能量效率可高達85％。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)
氫氣由燃料電池的陽極進入，氧氣則由陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用，使得陽極的氫原子分解成兩個氫質子與兩個電子，其中質子被氧『吸引』到薄膜的另一邊，電子則經由外電路形成電流。而氫離子、氧離子，發生反應形成水分子，因此水可說是燃料電池唯一的排放物，其反應式如下:

陽極: H₂ --->2H⁺+2e^-_E^o_=0.00

陰極: 1/2 O₂ + 2H⁺+2e^---->H₂O　 _E^o_=1.23

總反應式: H₂+ O₂--->H₂O

固體氧化物燃料電池(SOFC)
固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，縮寫：SOFC）由用氧化釔穩定氧化鋯（YSZ，<15μm）那樣的陶瓷給氧離子通電的電解質和由多孔質給電子通電的燃料和空氣極構成。空氣中的氧在空氣極/電解質界面被還原形成氧離子，在空氣燃料之間氧的分差作用下，在電解質中向燃料極側移動，在燃料極電解質界面和燃料中的氫或一氧化碳的中間氧化產物反應，生成水蒸氣或二氧化碳，放出電子。電子通過外部迴路，再次返回空氣極，此時產生電能。

SOFC的特點如下：
由於是高溫運作（800-1000℃），通過設置底面循環，可以獲得超過60%效率的高效發電，使用壽命預期可以超過40000~80000小時。
由於氧離子是在電解質中移動，所以也可以用CO、天然氣、煤氣化的氣體作為燃料。

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)
熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell, 縮寫：MCFC）要求650 °C（1,200 °F）高溫，類似於SOFC。MCFC以熔融鹼金屬碳酸鹽作電解質，並在高溫下，這種鹽變為熔化態允許電荷（負碳酸根離子）的在電池中移動。用於熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）系統中的化學反應可表示如下：

如同固體氧化物燃料電池(SOFC)，熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)的缺點包括緩慢的啟動時間，是因為它們的運行溫度高。這使熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)系統不適合移動應用。熔融碳酸鹽燃料電池的壽命短。高溫和碳酸鹽電解質導致在陽極和陰極的腐蝕。這些因素加速MCFC元件的分解，從而降低耐久性和電池壽命。

鹼性燃料電池(AFC)
鹼性燃料電池,以碳為電極,並使用氫氧化鉀為電解質,操作溫度約為攝氏100~250度（最新的鹼性燃料電池操作溫度約為攝氏23~70度）。AFC的電能轉換效率為所有燃料電池中最高的, 最高可達70%。

DMFC

DMFC是一種以甲醇為燃料的燃料電池。將甲醇和水的混合物送至DMFC陽極，甲醇水溶液將發生電催化氧化反應，生成CO2，並釋放出電子和氫離子。陽極產生的氫離子穿過電解質遷移至陰極與氧氣反應生成水，電子從陽極經外電路轉移至陰極形成直流電。甲醇在陽極直接電氧化反應式：
CH3OH + H2O → CO2 + 6H⁺ + 6e^-

來自空氣中的氧氣在陰極的還原反應式：

3/2 O2 + 6H⁺+ 6e^-→ 3H2O

電池總反應式：

CH3OH + 3/2 O2 +H2O →CO2 + 3H2O

三實驗說明:

《氫燃料汽車》

這個簡易的氫燃料汽車是由一氫燃料電池以及一簡單的外接線路(有LED燈和馬達)所組成的，而這氫燃料汽車的氫燃料電池結構和上面所提到我們的氫燃料電池的實驗裝置的結構是一樣的。它一樣有兩個燃料儲存槽，氫燃料電池除了當電池之外一樣有附帶電解水的功能。

首先接上外加電源(太陽能板或電池組，若陽光夠強就用太陽能板，若是陽光不足的話就用電池組)電解水收集氫氣和氧氣。等到氫氣和氧氣收集到一定的量的時候，就可以拔除外加電源然後接上汽車的驅動線路，燃料汽車就會開始移動，LED燈也會發亮。

(1) 特斯拉(TESLA)純電動跑車
TESLA是專門製造純電動跑車的公司，首部推出的電動跑車為Roadster，是世界上第一輛使用鋰離子電池技術的電動車，也是第一輛充電能行駛超過200英里的電動汽車，之後又陸續推出Tesla Model S和Tesla Model X。
特斯拉Model S提供三種不同容量的電池供選擇，分別為40、60和85kWh，這三種不同容量電池單次充電將可分別為車輛提供256、370和480km的行駛距離。

(a) 2013 Tesla Model S：

2013 Tesla Model S影片連結：

(b) Tesla Model X：

充電方式有插座充電和充電站充電，充電站充電20分鐘就可將電池充滿50%
特斯拉Model S還支持太陽能充電，對於容量為85kWh的電池，僅需一小時就可將電量充滿。

Tesla Model X影片：

(2) 納智捷(LUXGEN)純電動車
150kW電動感應馬達輸出高達201馬力與220N-m扭力，最高車速可達140km/h。
電能動力控制模組：具有電力再生系統，能將車子的煞車慣性動能和下坡位能回收轉換成電能再利用，除了可以減少煞車系統的使用頻度外，更提高煞車系統的壽命。
鋰離子電池組：總共6000顆電池組成50個模組，在220V/80A的充電環境下僅需80分鐘即可充80%電量。
有家用和營業用充電站，充滿電需兩小時。

LUXGEN EV+ 電動車:

(3) 油電混合動力車
將燃油和蓄電池作為能源，通過發動機和電動機可轉換為動能而產生驅動力。因可視不同需求而將兩種能源配合使用，而稱為混合動力。可有效節省燃料使用和降低廢氣排放率。
發動機：高轉速下有高效率；電動機：低轉速下有大扭矩。
油電混合車基本運作：

1.啟動：僅用蓄電池供電給電動機驅動，此時發動機關閉。
2.一般行駛：主要使用發動機驅動，一部分動力給發電機，驅動電動機輔助行駛。
3.高速行駛：蓄電池供電給電動機，與燃油發動機動力共同驅動以提高效率。
4.減速：摩擦熱轉變為電能儲存到蓄電池中，無需充電。
5.停止：電動機、發動機和發電機會自動關閉，避免浪費。

油電混合動力車

(4) ZERO MOTORCYCLES
ZERO MOTORCYCLES為美國一家專門製作電動車的品牌。目前有ZERO FX、ZERO DS、ZERO S和ZERO SR四種車款，其中ZERO SR為最新車款。

ZERO MOTORCYCLES 電池

2013 Zero DS：

ZERO DS Electric Motorcycle Review影片：

2014 Zero FX：

2014 Zero FX影片：

2014 Zero SR：

Zero SR - Road Test Review影片連結：

在2015年後所有ZERO S和ZEOR SR的車款Z-Force POWER TANK將增加2.8kWh的容量，最大將可達到15.3 kWh.的容量。

(5) Formula E 電動方程式賽車
Formula E所使用的電動方程式賽車，自從法國Formulec廠家在2010年9月發表EF 01電動賽車之後，由Spark Racing設計的電動賽車，其深度整合了Williams Advanced Engineering、McLaren、Renault及Dallara等世界知名大廠的技術，在2013年6月弗雷德裡克·瓦索的Spark公司正式成為國際汽聯的Formula e電動方程式的賽車供應商，推出了比賽所用的SRT_01E的Formula e賽車。

Formula E 電動方程式賽車影片：

而根據高通所提供的資料顯示，從第二屆比賽開始，連比賽用車都將可能使用 Qualcomm Halo 電動汽車無線充電技術。Qualcomm Halo 電動汽車無線充電技術使用了磁共振感應，實現地面充電板與電動車充電板之間的能量傳輸，使電動車充電更加方便、有效率並且環保。而目前 Formula E 賽程中確定使用 Halo 技術的安全領航車採用 BMW i8，至於醫療車與服務車等其他賽事工作用車則為 BMW i3。

BMW i8 Formula E 安全車：

BMW i8

2014-2015年賽程表

(6) E Fan
E-Fan 2.0 有兩具電動馬達帶動兩組可變頻渦扇推進器，總耗電為 60 千瓦，內建 12 cell 的鋰聚合物電池，電池以被動式氣冷散熱，此外機輪也有動力馬達，在起飛時，可先由機輪如電動車一般加速，到時速 60 公里時，才改用渦扇推進器推進，可大幅減少起飛過程所需的能量，全機重量 500 公斤，可搭乘 2 人，但是航空展所展出的原型機版本仍然非實用版本，因為一次升空只能飛上 1 個小時，再加上 15 分鐘的安全保留時間。

空中巴士表示，將於 2017年推出實用版本，主打飛行訓練市場，目前的原型機駕駛座兩人是前後座，但實用版本將改為左右座，而空中巴士還將推出 4 人座電動飛機 E-Fan 4.0 以主攻載客航空市場。
空中巴士認為日後將能打造全電動直升機，以及全電動或油電混合的 90 人座客機。

E-Fan 2.0：

E-Fan 4.0：

E-Fan影片連結：

(7) 電動巴士

華德純電動大巴RACE150

台灣首輛取得交通部合格證明的純電動巴士，已在台北客運、新竹客運、高雄客運掛牌運行。

RACE150電動大巴影片連結：

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四影片連結:

氫能源車模型

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五家中小實驗:

2011家中小實驗-氫氣槍製作　製作者：陳敬捷

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六問題與討論:

一、燃料電池有什麼優點？
二、氫燃料電池的反應物、生成物的比例是？
三、要怎麼獲得氫氣？
四、燃料電池應用在何處？
五、燃料電池與一般火力發電的能量轉換率何者較高？為什麼？
六、我們的氫能源車如何儲存氫氣？
七、為何氫燃料電池的電壓穩定？
八、除了燃料電池還有什麼替代能源？
九、電極所用的鉑金屬有什麼作用？

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七新同學創意實驗:

　

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八歷年解說影片:

2014-中文

2014-英文

2013-中文

2013-英文

2012-中文

2012-英文

2009
http://www.youtube.com/watch?v=Mec5jqCoWPQ

2010
http://www.youtube.com/watch?v=E4CMpFWzcG4

2011-中文
http://www.youtube.com/watch?v=OYbykTTMms4
2011-英文
http://www.youtube.com/watch?v=s95PkyBOplI

　

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九英文單字與字彙:

英文單字:

鎳氫電池: Nickel-metal hydride battery

鎳鎘電池: Nickel-cadmium batteries

儲氫合金: Hydrogen storage metal

自放電: Self-discharge

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十參考資料:

10-1文獻資料

資料一

資料二

10-2歷年看板

          102年演示看板 101年演示看板

100年演示看板 98年演示看板

10-3歷年人氣選票

102年演示選票 101年演示選票
100年演示選票   99年人氣選票

 98年人氣選票

　

　
　

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十一其它:

常見單字

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