電化學能量系統 課程2: 電化學能量轉換

伽凡尼單元轉換不同能量的形式(化學燃料、陽光、機械壓力等)為電能及熱。在此課程中,我們將探討伽凡尼電池數例。

energy conversion
圖1 伽凡尼電池的能量轉換

1. 電壓源

1.1 聚合物電解質膜(PEM)燃料電池

PEM(Polymer Electrolyte Membrane)燃料電池運用了聚合物電解質膜來將氫離子陽極移動到陰極圖2展示了氫氣PEM燃料電池的結構,氫氣分子陽極氧化質子電子則經由外部負載移動。質子們因PEM中的電化學梯度擴散陰極氧分子陰極還原且與質子反應而產生。生成物PEM吸收或蒸發於陰陽兩極的氣流。詳細反應如下:

陽極(氧化反應,產生電子)

   H2(g) → 2 H+ + 2 e

陰極(還原反應,消耗電子)

  0.5 O2(g) + 2 H+ + 2e → H2O(l)

淨反應

  H2(g) + 0.5 O2(g) → H2O(l)

氫氣PEM燃料電池
圖2 氫氣PEM燃料電池

PEM燃料電池等效電路如圖3所示。其電阻與電容由不同的效應所產生:

RDa陽極的氣體擴散電阻
RDc陰極的氣體擴散電阻
Ria陽極的介面電荷轉移電阻
Ric陰極的介面電荷轉移電阻
RMPEM的離子傳送電阻
Cia陽極的介面電荷儲存
Cic陰極的介面電荷儲存
PEM燃料電池的等效電路
圖3 PEM燃料電池的等效電路

1.2 固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)

SOFC的特徵為使用固態氧化物作為電解質材料。和經由聚合物電解質膜將帶正電氫離子(質子)從陽極移動到陰極PEM燃料電池不同的是,SOFC將帶負電陰離子(即氧離子),從陰極移往陽極,如圖4所示:

陽極(氧化反應,產生電子)

   H2(g) + O2- → H2O(l) + 2 e

陰極(還原反應,消耗電子)

  0.5 O2(g) + 2e → O2-

淨反應

  H2(g) + 0.5 O2(g) → H2O(l)

固態氧化物燃料電池
圖4 固態氧化物燃料電池

2. 電流源

2.1 矽PN接面太陽能電池

在學習矽太陽能電池前,我們需要先了解半導體物理的基本觀念。

基礎的固態物理表示,在半導體中擁有特定能量的電子只能出現在明顯規範能階中,而能階間無法出現的便稱為能隙。如圖5所示,特定能隙周邊的兩條能帶均有特殊名稱。能隙下方直接緊鄰的能帶稱為價帶(valence band);而上方稱為導帶(conduction band)。在純矽中,價帶的所有位置均被電子佔據,而在0K時所有的導帶均是空的。在高溫時,部分能階可能被電子佔據。這些部分佔住導帶電子,可能因反應外加的電壓場自由移動。除此之外,在價帶中未被電子佔據的能階,可接收額外的電子故稱為「電洞」

能階結構可透過「摻雜(doping)」來改變。摻雜透過外來原子並不巨大地修改晶格結構,但可「供應」或「接受電子。來自週期表五族原子可以貢獻其中一個電子導帶而自身帶正電,稱作「施子(donor)」。摻雜來自週期表五族原子稱作N型半導體。至於來自週期表三族原子則可以「接受」形成連結的電子,而成為帶負電的「受子(acceptor)」。摻雜來自週期表三族原子稱作P型半導體半導體中電子軌域與「施子」或「受子」的關係,可表達成圖6能階關係圖。「施子」的能階禁制區稍低導帶ED處;其原因為只要一些能量便足以使電子離開導帶。同樣地,「受子」的能階也存在於價帶稍高處EA,只需要些許能量便可使電洞脫離價帶

圖5 0K的純矽軌域結構
圖5 0K的純矽軌域結構
圖6 摻雜矽的軌域 (a)N型 (b)P型

一個理想PN接合半導體結構中,代表著摻雜成分瞬間由N型定濃度施子轉變為P型定濃度受子,如圖7所示。在N側電子會傾向流往P側,因為P側相同能量下有較多未被電子占據的軌域;同樣地,電洞則傾向自P側流往N側,因N側相同能量下有較多可以容納電洞的軌域。當熱力學平衡達成且電荷重新分佈停止後,一個電荷偶極便會橫越接合面成立。其效果為N側淨正電荷,而P側淨負電荷,因此PN接合面有一內建電位場

PN接合面吸收一光子hv>Eg,新的電子-電洞對便會形成。內建電位場會驅使電子N側電洞P側。如果我們在PN接合面連接一外部電路,便可在電極上「收割電子-電洞對所產生的電流

PN接合面太陽能電池
圖7 PN接合面太陽能電池

PN接面太陽能電池等效電路圖8(a)所示,由二極體光電流源Ip並聯組成。圖8(b)展示了此二極體電流-電壓曲線。在順向偏壓中,大電流可以輕易地通過;但在逆向偏壓中,只有小的飽和電流Is可通過。

Id表示
PN接面太陽能電池等效電路
圖8 PN接面太陽能電池等效電路

假設Rint=0, 電流-電壓關係為

電流關係

圖9展示了PN接面太陽能電池電壓-電流曲線。當IP=0 (黑暗環境),太陽能電池呈現為一個二極體。當IP>0 (光亮環境),開路電壓

開路電壓
圖9 PN接面太陽能電池的電流-電壓曲線

2.2 葛雷策爾Grätzel電池(染料敏化dye-sensitized太陽能電池)

染料敏化太陽能電池是由光敏陽極電解質之間的半導體所構成,如圖10。此種電池有三個主要構件,頂部是摻氟二氧化錫(SnO2:F)構成的透明陽極,並塗佈於某面板(通常為玻璃)的背面。在導電平面的背後是一薄層的二氧化鈦(TiO2),其巨大的表面積形成高度多孔性結構。二氧化鈦僅吸收一小部分的陽光量子。將此平板浸於光敏釕-多吡啶染料溶劑的混和物內,一層極薄的光敏的釕-多吡啶染料二氧化鈦便形成共價鍵而存在。分離的支撐由撒在導電層上的碘化電解質構成,導電層通常為鉑金屬

陽光穿過透明的摻氟二氧化錫上表面,擊中二氧化矽表面的染料光子以足夠的能量擊中染料,被吸收並使染料軌域成激發狀態。其中使染料電子被直接注入二氧化鈦導帶中,且電子經過擴散(電子濃度梯度的結果)移動並清空頂部的陽極。同時,如果染料損失的電子沒有及時補充,染料分子將會分解染料二氧化鈦底下的電解質取得一個電子,並氧化其成三碘化物。比起自由電子氧化染料重新合成所需的時間,此反應相當快速,並阻止了太陽能電池因此而短路三碘化物透過擴散到另一側電極,並與經過外部電路的重新加入的電子結合。

染料敏化太陽能電池
圖10 染料敏化太陽能電池

圖11展示了染料敏化太陽能電池等效電路。基本概念仍是相通的:「收割」來自吸收光子電子-電洞對

染料敏化太陽能電池的等效電路
圖11 染料敏化太陽能電池的等效電路

2.3 電動力學能量轉換

一股壓力驅動(pressure-driven)的流體攜帶電荷經過微流道,在流道的終點累積電荷便會產生電流電位能。如圖12所示。這些所謂的串流(streaming)電流或串流(streaming)電位能,可以驅動外部負載,也就是代表轉變靜壓液能(hydrostatic energy)為電能(electrical power)。此種具電動力學效應(electro kinetic effect)的能量轉換設備概念,我們稱之為電動力學能量轉換(electro kinetic energy conversion)。電動力學能量轉換的物理模型需要最佳化其特性的指標。我們可以由以下關係公式描述電動力學現象:

電動力學能量轉換

其中P代表壓力Q代表流率V電壓I電流KH多孔性物質水力傳導率(hydrodynamic conductivity)、KE電傳導率(electric conductivity)、而S電動力耦合(electro kinetic coupling)。電動力能量轉換模擬細節會在課程33中討論。

電動力能量轉換
圖12 電動力能量轉換

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