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停電新法寶!「硼氫化鈉」讓你擺脫沒電用的窘境

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/03/17 ・1681字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 459 ・五年級

文\王昱夫

颳著大風的夜晚,我們幾個人窩在一塊兒,電視機裡不斷放送著強颱的訊息,像是提醒著我們處境的艱難。孤單的山中小屋,忽然間!喀嚓一聲,一片漆黑,我們知道停電了,可能是電線被扯斷!?可能是電塔倒塌!?原本,我們該一片慌張像熱鍋上的螞蟻,是的,「原本」,不過不用擔心,我們走向放在牆角準備好的一包硼氫化鈉,把白色粉末溶於水後倒進自動化燃料電池發電系統裡,幾分鐘內,整個空間又再度充滿了光亮~(覺得幸福)

這正是中科院材料暨光電研究所開發「3kW級化學氫燃料電池系統」的願景啊!說到燃料電池,最重要的就是要有足夠的原料,也就是氫氣和氧氣供應,經由這兩種氣體反應,電池才能持續產電;然而,目前燃料電池的氫氣供應源大多是高壓氫氣鋼瓶,不但較佔空間,在運輸過程中若發生意外也較危險、難處理。有沒有更好的氫氣來源呢?這個想法逐漸從研究人員的心中萌芽,經過6年的努力探尋,終於,他們完成了以「硼氫化鈉」為原料,搭配產氫觸媒流床與自動化模組的「3kW級化學氫燃料電池系統」!

李俊毅研究員。
李俊毅研究員。

由中科院研發的這個氫燃料電池,其關鍵的技術在於使用了硼氫化鈉(NaBH4)這種白色固體作為產氫原料,並研發了低成本的「鐵鈷複合鎳觸媒」來進行催化,使硼氫化鈉加水產生氫氣的反應加速!經過模組自動化後,便可以根據所需功率自動調整產氫量和燃料電池發電量。

硼氫化鈉這種原料,比起傳統的氫氣鋼瓶有諸多優點,一是它在一般環境下是穩定的白色固體,不會引起劇烈反應,若在運送或儲藏過程中發生洩漏意外,頂多也只需要「把它掃起來」,但今天若是氫氣鋼瓶運送或儲藏中發生洩漏,那可就不是這麼容易處理的了!再來是硼氫化鈉的儲氫量,近乎是高壓氫氣鋼瓶的兩倍,在空間上更加節省!考量到安全性與便利性兩大因素,硼氫化鈉絕對比直接使用高壓氫氣鋼瓶來得好。

接著,針對反應觸媒來說,雖然使用觸媒來催化硼氫化鈉水溶液產氫早已不是新聞,但以往常用的觸媒都是成本較高的貴金屬提高了量產化的門檻,中科院材料暨光電所團隊研發的鐵鈷複合鎳觸媒則有效地降低了材料成本。有了好的觸媒後,研究團隊進一步發展出將其奈米化的技術,在塗布於基材上的同時維持其分散性,避免奈米顆粒聚集,有效提升了反應活性!達到快速產氫的目的!

鐵鈷複合鎳觸媒。
鐵鈷複合鎳觸媒。

硼氫化鈉水溶液流經觸媒流床所快速產生的氫氣,會進一步被導入燃料電池中產生電力,而自動化模組的設計在於可以根據所需的輸出功率,調整硼氫化鈉水溶液通過觸媒流床的流量,相當於控制了氫氣的生成量,從而達到穩定功率的效果。舉例來說,若系統輸出比較大的功率時,系統會自動增加硼氫化鈉溶液流入反應槽的進料時間,增加反應物反應量;反之,若現在系統的輸出過高,而將功率調低的情況下,系統就會自動減少硼氫化鈉水溶液的流速進料時間,讓反應的物質變少,產氫量隨即下降到最適宜的值。

在硼氫化鈉水溶液中放入鐵鈷複合鎳觸媒便會劇烈產生氫氣。
在硼氫化鈉水溶液中放入鐵鈷複合鎳觸媒便會劇烈產生氫氣。

「這套自動化燃料電池,比起過去的燃料電池,最優勢的地方就在於使用了固態的產氫原料搭配低成本觸媒,強調『氫氣即產即用』!」接受訪問的李俊毅研究員說道,整個系統擁有極高的潛力可以作為工廠、大型設施的預備電源使用:平時預備幾包容易存放的硼氫化鈉,遇到臨時斷電,只要快速加水溶解,注入至電池系統馬上就能快速產生電力,維持機器運作。目前,這項計畫已與電信業者合作準備開始進行試運,期待不遠的將來,就有機會帶給大家更便利的生活!

想像有ㄧ天,颱風來襲前,當大家出門採購物資,除了泡麵、沙包,你還會看到,每個人肩上都扛了一袋硼氫化鈉粉末(應該就不用買蠟燭了拉),陪我們度過ㄧ個「不斷電」的夜晚!

將硼氫化鈉水溶液倒入3kW級化學氫燃料電池系統。
將硼氫化鈉水溶液倒入3kW級化學氫燃料電池系統。

更多資訊請參考解密科技寶藏

相關標籤: 氫燃料電池
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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。
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