燃料電池 未來或許我們可以 將電廠裝在手提包中隨身攜帶， 只要將「它」連接到任何電器上，一切就搞定了。 「它」就是當前正在積極發展中的燃料電池。

前言

近幾年來，由於燃料電池（Fuel Cell）技術創新突破，再加上環保問題、能源不足等多重壓力下，國際間政府、汽車、電力、能源產業等單位，漸漸重視燃料電池科技發展，而國內也處於相同情況。另外，國內將Fuel Cell譯為「燃料電池」，但其實它並非電池，而是經由電化學反應之發電機，譯為「環保發電機」似乎較為妥適。

燃料電池的演進

燃料電池（fuel cell）是一種將燃料的化學能，透過電化學反應直接轉換成電能的裝置。其發展歷史可追溯至一八三九年，首先由威廉．羅伯特．葛羅夫爵士（Sir William Robert Grove）所發明，該系統是使用稀釋的硫酸當做液態電解質，成功地產生電能。經過不斷的研究，能司特在一八九九年，首度發現固態電解質的導電行為。而第一個陶瓷型燃料電池則在一九三七年，由鮑爾與葡來司首先示範成功。

理論探討

燃料電池的運作原理（如圖1），也就是電池含有陰陽兩個電極，分別充滿電解液，而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構成。氫氣由燃料電池的陽極進入，氧氣（或空氣）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（proton）與兩個電子（electron），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後，到達陰極。在陰極催化劑之作用下，氫質子、氧及電子，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。

燃料電池的種類

以燃料電池之電解質（electrolyte）來區分，它可分為五種。 若以溫度分類 ，可分為三種 高溫型、中溫型、低溫型。

電解質（electrolyte）來區分

（1）鹼性燃料電池（Alkaline Fuel Cell, AFC） （2）質子交換膜燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell, SPEFC; 或Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC） （3）磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC） （4）熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC） （5）固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）

以溫度分類

低溫型 ─ PEMFC(80-100oC) AFC(60-220oC) PAFC(180-200oC) 中溫型 ─ MCFC(650oC) 高溫型 ─ SOFC(1200oC)

質子交換膜燃料電池工作原理

質子交換膜型﹝PEMFC﹞其反應式如下：     陽極  H2 +   →   2H   +   2e-     陰極 1/2   O2   +   2H+   +  2e-   →   H2O     全反應 1/2  O2   +   H2   →  H2O 質子交換膜型﹝PEMFC﹞燃料電池為了加速電極的反應，電極中通常會加入催化劑如鉑﹝白金﹞，但由於PEMFC內需含水分，所以操作溫度必須控制在100℃以下，此時鉑容易產生不完全反應並製造出一氧化碳﹝CO﹞，進而失去催化的效果，因此多加入銠或銥等貴金屬於鉑之中，如此一來成本就向上攀升。

再生氫氧燃料電池工作原理

再生氫氧燃料電池將水電解技術(電能+2H2O→2H2+O2)與氫氧燃料電池技術(2H2+O2→H20+電能)相結合 ,氫氧燃料電池的燃料 H2、氧化劑O2可通過水電解過程得以「再生」, 起到蓄能作用。可以用作空間站電源。

固態氧化物燃料電池工作原理

燃料電池工程中心進行電池材料的制備，研究SOFC的新型結構和組裝技術並進行SOFC的應用基礎研究。已掌握LSM陰極，Ni-YSZ陽極及高溫密封材料的制備工藝。開發出中溫SOFC用大面積Ni-YSZ 多孔陽極基膜和負載YSZ 緻密膜以及電極-膜三合一的制備工藝，制備的負載YSZ 緻密膜厚度小於10μm。中溫SOFC在800℃時的功率密度達到0.15W/cm2。目前正在進行千瓦級電池組的開發。

熔融碳酸鹽燃料電池工作原理

熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構成的燃料電池。其電解質是熔融態碳酸鹽。 反應原理示意圖如下： 陰 極： O2 + 2CO2 + 4e - →2CO32- 陽 極： 2H2 + 2CO32- → 2CO2 + 2H2O + 4e– 總反應： O2 ＋ 2H2 → 2H2O

目前燃料電池應用範圍及產業規模

低溫燃料電池 （60—120℃） 類型 ACF 鹼性燃料電池 PEMFC或SPFC 質子交換膜或固態聚合物燃料電池 應用 太空飛行、國防 汽車、潛水艇、移動電話、筆記本電腦、家庭加熱器、熱電聯產電廠 開發的狀態 在太空飛行中的應用 家庭電源試驗項目、小汽車公共汽車、試驗的熱電聯產電廠 特性 無污染排放 污染排放在0和很低的水平之間 電效率高 低噪音水平 製造費用非常貴 固體電解質適合於大規模生產 不適合於工業應用 與常規技術相比很貴 少維護 電解體 氫氧化鉀溶液 質子可滲透膜 燃料 純氫 氫，甲醇天然氣 日化劑 大氣中的氫氣 系統的電效率 60-90％ 43-58％ 從事燃料電池得研究和開發的公司 美國國際燃料電池公司 加拿大Ballard公司，日本三菱公司 日本松下公司，日本三洋公司 日本東芝公司，美國聯信公司 美國Plug Power公司 美國Analytic Power 公司

中溫燃料電池 (160—220℃) 類型 PAFC 磷酸燃料電池 應用 熱電聯產電廠 開發的狀態 具有200kW功率的電池在工業中的應用(大約160個電廠) 特性 低污染排放   低噪音水平 是熱電聯產電廠的三倍費用 隨著連續運行電效率降低 隨著連續運行電效率的減小 電解體 磷酸 燃料 天然氣，氫 日化劑 大氣中的氫氣 系統的電效率 37-42％ 從事燃料電池得研究和開發的公司 美國Onsi公司 日本宣士電機公司 日本三菱公司 日本三洋公司 日本東芝公司

高溫燃科電池 (600—1000℃) 類型 MCFC 熔融碳酸燃料電池 SOFC 固態氧燃料電池 應用 聯合循環熱電廠、電廠船、鐵路用車   高溫燃科電池 (600—1000℃) 類型 MCFC 熔融碳酸燃料電池 SOFC 固態氧燃料電池 應用 聯合循環熱電廠、電廠船、鐵路用車 電廠、家庭電源傳送 開發的狀態 容量為280kW至2MW的試驗電廠 100kW的試驗電廠 特性 有效利用能源 低噪音水平 沒有外部氣體配置 腐蝕性電解液 對材料的要求非常苛刻 電解體 鋰和碳酸鉀 固體院瓷體 燃料 天然氣．煤氣沼氣 日化劑 大氣中的氧氣 系統的電效率 ＞50% 50-65% 從事燃料電池得研究和開發的公司 美國能源研究公司 日本富士電機公司 德國MTU公司 荷蘭ECN公司 德國西門子公司 美國西屋公司 日本三菱公司

台灣燃料電池研發現況

台灣最早期從事燃料電池研究及推廣單位，是經濟部能源委員會及工研院能資所，但其研究均屬小規模。及至最近3、4年，各單位更擴大投入規模，分述如下。 工研院能資所，規劃在未來4年內，開發3~5kw小型家用PEM燃料電池，包含電池堆、燃料重組器及關鍵材料。 台灣經濟研究院預期將於2002年完成第四代燃料電池，量產應用於電動機車，其機車最終目標為：極速85km/hr、續航力160km、總重量100公斤以下，換氫氣罐時間五分鐘內。

中科院材料之研究領域則包含：電極觸媒、碳材電極、氣體擴展層(gas diffusion layer)、複合石墨雙極板，及電池堆設計開發。 工研院材料所及核能研究所燃材組，也積極從事關鍵材料零組件研發工作，研發目標以應用家電、資訊、通訊(3C)電源供應產品為主。 學術單位方面，則有元智大學投入燃料電池應用領域的研究，其近程目標是PEM 燃料電池的研發；長程目標則是直接式甲醇燃料電池(DMFC)及固態氧化物燃料電池(SOFC)的研發。 能源委員會的燃料電池計畫，目前則先由PEM 燃料電池著手研發。

漸入佳境的燃料電池汽車

1998年3月，美國《財富》雜誌的評論聲稱：「燃料電池將會把那些驅動世界轎車、卡車以及公共汽車的嘈雜而又污染環境的活塞發動機淘汰，就像淘汰蒸汽機那樣。」是否將來真是如此，暫且不論。但近年燃料電池汽車的開發進展之大和商業化步伐之快確是實實在在的，為世人所矚目。隨著各大汽車製造廠家的積極參與、投入的驟增以及技術的進步，幾經沉浮的燃料電池汽車的開發已經駛出實驗室，開始其商業化進程，進入一個富有挑戰與機遇發展階段。

美國巴拉德動力系統公司於1993年首次研製出概念車，1995年又推出新款，1997年該公司的16輛燃料電池公共汽車分別在美國的芝加哥和加拿大的溫哥華試運行。 德國戴姆勒—奔馳公司雖起步較晚，但發展速度驚人，它與巴拉德公司合作，投資約10億美元，3年內推出四種車型，大有後來居上之勢。1994年研製出氫燃料電池驅動多用途車(麵包車)NeCarI。緊接著又推出NeCarII，該車為多用途車，採用25千瓦的質子交換膜燃料電池組，最高時速110英里。1997年5月戴姆勒—奔馳公司的燃料電池公共汽車亮相 。

日本豐田公司於1997年法蘭克福汽車展上展出了RV4A多用途燃料電池汽車，該車採用甲醇燃料電池，具有再生(發電)制動功能。公司總裁聲稱要在市場上擊敗戴姆勒—奔馳。 日本馬自達公司一直在進行燃料電池開發計劃，1997年12月推出它的第一輛燃料電池轎車。該車以Demio多用途車為基礎，設計最高時速為每小時90公里，行程170公里，動力系統由一個20千瓦的燃料電池組、氫吸附金屬氫化物儲氫罐、小空氣壓縮機和20千瓦超級電容器組成。

通用汽車公司的樣車已經推出，該車以Chevy麵包車為基礎，裝50千瓦甲醇燃料電池系統。公司將在2004年之前開發出可投入生產的燃料電池汽車。 福特公司不局限於與巴拉德公司的合作，它還與莫比爾合作，共同開發小型燃料轉化裝置，即從碳氫燃料(如汽油和柴油)中提取燃料電池用氫氣技術。

克萊斯勒公司決定開發汽油燃料電池汽車，計劃1999年推出示範樣車，2005年生產樣型車 　除此之外，菲亞特、雷諾、沃爾沃以及標誌等公司採用意大利迪諾拉的燃料電池，開發出或正在開發燃料電池汽車。大眾、寶馬、日產和三菱都有自己的燃料電池開發計劃。

燃料電池未來可能發展的方向或展望

展望

目前成功的燃料電池應用實例有大型發電機、火箭能源供應器、機動車輛能源供應器等等。近來，將燃料電池微型化，並運用於可攜式電子產品(包括行動電話、手提電腦、數位相機等)，或作為可攜型發電機，更成為新一波的發展趨勢。更加微小的設計則可運用於長放型微感測器、分離式通訊系統上。不論其尺寸大小，燃料電池總有其能源效率高、污染性低之優點，特別是降低大氣污染及減少二氧化碳的排放，將是其發展的優勢。

發展的方向

效率高 傳統內燃機﹝發電機﹞要將例如煤、燃油、瓦斯等物質的化學能轉變為電能的發電過程，是由燃料混合氧、先轉變為熱能、機械能，再轉變為電能的複雜程序，因此一般只有30%左右的效率。 反之，燃料電池的能量轉換效率非常高，它是利用輸入燃料混合氧，不經過轉換機械能便能持續產生熱能及電力，也不須傳統二次電池所需的充放電程序。以氫氣及氧氣為燃料，利用觸媒加速反應速率，燃料電池可直接將化學能轉變為電能，其效率可接近40%，若再包括回收餘熱，效率更可輕易超過65%。而且只要正常使用下，燃料提供無虞，目前依照官方說法並無使用時間上的限制。

乾淨 燃料電池的發電過程幾乎沒有造成任何污染。如果以11百萬瓦燃料電池的發電廠為例，電廠運轉的氮氧化物排放量為1PPM，也沒有硫氧化物及粒狀污染物，比目前最清潔的天然氣發電廠還乾淨，同時具備低噪音、安靜等特色。

零組件化 燃料電池的組成材料簡單，結構模組化，使得應用範圍廣泛。應用領域包含：太空能源、生命維持系、潛水艇動力、公車、汽機車、腳踏車、分散式發電、家用獨立發電、工商業備用發電系統、Notebook、PDA、手機、電器產品攜帶式電源、軍事國防用途之電源設備等。

燃料多樣化 燃料電池所使用的氫可取自天然氣、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。燃料來源的多樣化有利於能源供應安全和利用現有的交通基礎設施(如加油站等)。

結論

化石能源與核能既然都有其缺失，那麼可再生又安全的新能源勢，將在未來能源供給結構中佔有一席之地。這些新能源包括地熱、太陽能、風能、燃料電池及其他等，其中以燃料電池的發展最受人注目。因其在發電過程中並不排放大量的溫室氣體，而且燃料的取得相當容易，所以各國都投入龐大資金進行研究。目前不但在中型或分散式發電機組的運用上已成功地進入商轉階段，在汽車或其他產品的運用上，也熱鬧地進行中。燃料電池如此受青睞，頗有取代燃油引擎或其他發電裝置之可能，使21世紀邁向綠色的氫能時代。 無論從能源或環保的角度來看，燃料電池在未來 都具有舉足輕重的地位，因此燃料電池相當值得關心。

END 南台科技大學鄭英信製作