實驗室簡介

目前實驗室成功設計並示範微型電能式推進器，分別有脈衝式電漿推進器(pulsed plasma thruster，簡稱PPT)與陰極電弧推進器(vacuum cathode arc，簡稱VCA)，在微型PPT的推力為3.3μN與脈衝比為400-500μN‧s；關於VCA的部分，其pulse energy為1.74mJ/pulse，相關結果已刊登於ACTA Astronautica 期刊(vol. 172, pp. 33-46, 2020)、Vacuum期刊(vol. 167, pp. 103-112, 2018)與Journal of Aeronautics, Astronautics and Aviation期刊(vol. 51, pp. 31-42, 2018; vol. 53, pp. 353-368, 2021)。此外，本實驗室與太空中心共同研發之VAI-PPT系統，其Impulsed bit可以大於 660 μN-s、Thurst to Power可以達到52 μN-s/J，優於美國LES-8/9的297μN-s、15μN-s/J，以及美國MIT Lab 454μN-s、23μN-s/J，已獲得台灣、美國等國的專利。霍爾推進器(Hall effect thruster)其利用磁場使電子迴旋於推進器通道內與燃料發生碰撞產生離子並利用電場將離子加速射出推進器、產生推力，利用射頻(RF)波段之電磁波產生感應耦合電漿(ICP)並利用加速電網篩選電子、發射離子，在80到120W輸入功率下可提供1200到1633.3秒衝量比和7.6到13.8mN的推力，目前美國Busek研發之BIT-3離子引擎輸入50至80W輸入功率下可提供1200到2100秒衝量比和0.65到1.15mN的推力，相比之下雖然在輸入功率上略高但在推力與尺寸縮小上具有一定優勢。關於電漿量測系統建立部分，利用Langmuir Probes的量測原理，自行製作不同probe type以量測預混甲烷火焰中的電子/離子密度，已成功建置電漿濃度量測系統的探針製作、量測程序，與訊息計算與分析。

關於介觀尺度至微尺度的燃燒器研發方面，本研究團隊提出以分段式觸媒搭配空腔結構於微管道，並探討不同的操作條件如管徑，壁面材質，流速等的效應。觸媒壁對氣相燃燒的影響主要有兩種，一方面會消耗燃料抑制氣相燃燒，另一方面壁面反應所產生的高溫與自由基有助於微管道內氣相燃燒的發生。結合分段式觸媒排列與空腔效應對微管道下甲烷燃燒有明顯的優點，能夠縮短完全反應所需的停滯時間，此一結果已刊登於Chemical Engineering Journal期刊。另外，分段式觸媒結合空腔對H₂/CO、CH₄/CO、H₂/CH₄ blended fuels 也有相當好的效果，相關研究結果已刊登於Combustion and Flame期刊與Proceeding of the Combustion Institute。關於液態燃料在小尺度燃燒器部分，本研究團隊提出中芯多孔油注液態薄膜燃油燃燒器，針對不同孔隙率與材質的多孔油注器作數值分析，並探討液態燃燒的穩焰機制，相關論文發表於Proceeding of the Combustion Institute與Combustion Science and Technology。

本團隊將小型中芯多孔油注液態薄膜燃油燃燒器的燃燒壁面改為碳化矽材質，搭配GaSb光電板陣列，成功產生電力輸出，整體效率為其他文獻上的兩倍以上，近年有多篇這方面文章發表於光電方面最著名的Progress in　Photovoltaics 以及Proceedings of the Combustion Institute 等燃燒與熱學方面的高排名期刊，2011年受邀撰寫微尺度燃燒與微動力【Microscale Combustion and Power Generation】 專書專中的「液態微燃燒」專章。此外，根據熱光電系統元件的特性，提出多項改善幅射器的幅射效率與光電板的光電效率之方法，相關論文亦發表於Proceedings of the Combustion Institute與Energy 期刊，其微熱光電動力系統之相關研究成果與發表論文如下圖顯示。

高能金屬燃料，視為一種潔淨且可回收的能源載體，係具有前瞻的反應材料（reactive materials），可用於未來的低碳經濟。高能量密度的金屬材料是具有發展潛力，得以取代目前能源領域中所使用的化石燃料，以應對迫在眉睫的全球變暖和能源危機問題，除此之外，高能金屬燃料亦被廣泛使用於太空推進系統。本研究的主要目是在於分析和探討純鐵顆粒和混合顆粒（鐵−鋁和鐵−煤）在甲烷−空氣預混火焰中的燃燒行為。混合顆粒是以重量配比為1：1的條件下製備而成。 鐵和鐵−煤的熱重分析顯示，在相對低的溫度範圍內，氧化反應過程相似。然而，鐵−鋁混合物則表現出多級氧化過程。在較小的固態燃料進料速度範圍內，選用微米級固體燃料輸送至化學當量條件下的甲烷−空氣預混火焰進行研究。在提高固態燃料進料速度時，實驗結果顯示會改變預混火焰的鋒面。進行一系列相關實驗探索固體燃料與甲烷−空氣預混火焰之間的相互依賴性以及一些基本燃燒現象的變化，例如燃燒速度，火焰溫度，氣體排放和金屬氧化物產物。本論文最大的貢獻在於，在鐵−煤混於甲烷−空氣預混燃燒中觀察到顆粒微爆炸（particle micro-explosion）現象。推測一氧化碳、氧氣、氮氣等氣體在鐵顆粒層形成微小氣泡(micro bubbles)，在成核(coalescence)過程，一氧化碳與氧氣反應生成羰基鐵（iron carbonyl）的生成。由於羰基鐵為可燃的氣體，在成核的微泡中含有可燃性一氧化碳與羰基鐵誘發微爆炸現象。其論文結果發表於Combustion and Flame (vol. 228, pp. 364-374, 2021)

利用小型熱裂解系統將生質物料裂解成生質燃料，關於生質燃料應用部分，與國立成功大學趙怡欽教授與許紘瑋博士合作，改良一小型氣渦輪引擎，將其燃燒室改成觸媒燃燒室，成功點燃氣渦輪引擎於低熱值生質燃氣供氣條件下的額定運轉，並連接發電設備可產出1KW的電力輸出；或與國立成功大學吳文騰教授合作，將蓖麻油精煉製作成揆二酸；或與國立虎尾大學楊授印教授合作，將生質柴油混化石柴油注入於改裝後貨車，成功完成實際道路測試；或與成功大學林大惠教授與吳明勳教授合作，利用自行設計之10kW_th型粉煤燃燒器系統或成大歸仁校區280kW_th燃燒系統，測試生質燃料與化石燃料的混燒/共燒實驗。