【大 紀元12月4日訊】（大紀元記者陳常鵬綜合報導）近年來油價不斷飆高，全球能源頗有面臨枯竭之憂。另一方面石化燃料燃燒產生之廢氣所致之溫室效應，已在全 球各地屢釀巨禍。世界為達成後京都議定書時代溫室氣體減量的目標，科技大國紛紛尋求潔淨且具經濟效益的替代性能源。以氫氣為燃料的燃料電池（Fuel Cell），具有零污染、高電能轉換效率、低噪音及可再生性等特點，已成為全球寄予厚望的綠色能源。本文先介紹燃料電池的歷史，並剖析其基本原理。
自 汽車問世以來，各國政府對於廢氣排放管制雖越趨嚴格，但溫室氣體已引發全球暖化造成的洪災及嚴寒酷暑。據聯合國環境規劃署表示，未來10年內全球 在攸關氣候變遷、清潔能源等須投資達數兆美元。再者，預期石油短缺每下愈況，汽車業界與各國政府於過去10年間，已投下數百億美元，育成潔淨又能致動車輛 的能源技術，氫燃料電動機已成為取代低效高污染性的內燃機引擎的首選。
燃料電池（Fuel Cell）其實並非電池，或許稱為「燃料發電元」更為貼切。燃料電池組是一種直接將燃料通過電化學作而產生燃燒反應並輸出低電壓直流電的元件所組成的裝 置。相對於其他化學電池來說，燃料電池其實是一種發電裝置。燃料電池別於一般電池之處在於，它所參與電極反應的活性物質並不貯存在電池內部，而是全部由電 池外部提供。它的出現徹底改變了電池不能連續工作的侷限，只要不間斷的輸入反應物，它就可以不停地工作。
燃料電池還具有直接汲取化學能的 優勢，主要的燃料以氫氣為主，氫與氧透過電化學反應發生氧化作用並輸出電能與熱量，但熱量遠低於石油氣之燃燒作用， 故有「冷燃澆」之說法。此種化學能轉換為電動能的過程，節省了轉換為機械能所須浪費的能量損失，故展現出比內燃機頂多30%更高的能量轉換效率。此外，所 生之廢熱若再經回收利用，更可達到高達85%的總體能量利用率，可望成為最具經濟效益的能源。
燃料電池的發展史
早在1839年有燃料電池之父之稱的威廉-葛洛夫爵士(Sir William Grove)便已發現將水的電解反應作逆向操作可產生電能的現象。
但由於自然界中並不沒有富豐的氫氣體，故直到1889年藍吉爾(Charles Langer)與蒙德(Ludwig Mond)兩位研究者仍嘗試使用煤氣與空氣製作第一具實用的燃料電池，當時也才定下了「Fuel Cell」這一名詞，但均未獲得成功。
1866年，西門子(Werner von Siemen)先生發現了機-電效應，揭開了燃油發電機的發展，並使燃料電池技術黯然失色。1900年代初期雖然有後繼的努力嘗試將煤及碳轉變成電力，但內燃引擎的發明突然壓抑了這個剛萌芽的科技。
貝肯(Francis Bacon)後於1932年發展出堪稱世界第一具成功的燃料電池裝置，該電池採用氫氣與氧氣為反應物、鹼性溶液電解質及鎳金屬電極，該設計的突破在於其製作成本遠低於藍吉爾與蒙德當初的設計。
在克服了大量的技術問題後，1959年貝肯及其公司才成功地展示出第一具輸出功率達5仟瓦的實用級燃料電池系統。同年伊律格(Harry Karl Ihrig)也展示出知名的燃料電池驅動的20馬力牽引車。
在1950年代末期，NASA又重新炒熱了燃料電池的應用，開始建造袖珍型的發電機以用於太空任務中。NASA隨即資助了數以百計有關燃料電池科技的研究合同。在1960年代幾次的太空任務中，燃料電池用於驅動登月探險車及供應太空人飲用水，均證明了它的實用性。
近 幾十年來燃料電池的發展，在全球環保意識的推動下已朝向作為替代性能源發展。大至大型的固定式發電機組、發電廠；小至可攜式電子產品的電源供應件 等，皆有各式各樣的燃料電池選擇。燃料電池車輛(fuel cell vehicles, FCV)，更是各大汽車製造商所致力研發的未來綠色主流交通工具。
燃料電池的原理
燃料電池採用的是「冷燃燒」過程，為直接式能量轉換器，將燃料(氫及碳氫化合物等)的化學能轉化爲電與熱。單一發電元的構造如下圖所示。
燃料電池的結構及運作原理示意圖。（取材自http://americanhistory.si.edu/）
單一發電元含有陰陽兩個電極(分別為正、負二極)，化學反應即是在此二極表面發生。所有的燃料電池都須有一種電解質，將帶電的粒子從一個電極輸送至另一電極。電極中還須有催化劑(catalyst)，負責加速氧化還原反應的進行。
現 代的燃料電池依電解質或燃料之別已可區分成八、九種之多。但一般的運作原理是，將氫氣經由管路送達陽極，並在陽極發生氫原子解離成一個質子(即帶 正電之氫離子)與一個電子的反應。帶負電的電子在電動勢的驅使下流向陰極，遂形成供電迴路產生可作功的直流電流；質子則經由電解質流向陰極。
空氣中約21%的氧氣可提供作為燃料電池所需的氧化劑。氧亦經由管道輸送至陰極。如上圖所示的電池類型，其氧原子會在陰極與電子及質子化合形成水。
陽極 H2 -----> 2H+ + 2e-
陰極 2H+ + 2e-+1/2O2 -----> H2O
全反應 H2 + 1/2O2 -----> H2O
另外，某些另類電解質的電池類型則是，氧原子在陰極與電子結合形成氧離子或與水及電子結合形成氫氧離子，再經由電解質游向陽極與質子結合產生水。例如，
陰極 1/2O2 + H2O + e- ----> 2OH-
陽極 H2 + 2OH- ----> 2H2O + e-
全反應 1/2O2 + H2 ---> H2O
氫元素雖是基本的燃料來源，但沒有氧氣發電機制亦無法運作。絕大部份的氫與氧化合後的產物是水— 一種無害的副產物，這就是燃料電池既能發電又不會造成污染的優勢之處。
電解質對於燃料電池而言，亦扮演關鍵角色。它必須具有只能讓特定的離子通過的特性。如果自由電子或其它物質可隨意進入電解質中，則化學反應便會被破壞。不論帶電荷的離子是游向陽極或陰極來進行反應，主要的產物都是水，水將在電極處收集後排出電池體外。
只 要發電元不斷地被供給氫及氧元素，該發電元便會持續產出電能。現代用電需要交流電時，燃料電池的直流電源可經變頻器(inverter)再轉換成 交流電。數個發電元串聯在一起，便形成電池組，使輸出電壓及功率倍增。數個電池組串接，便可形成發電系統，乃至功率高達百萬瓦(MW)的固定式發電廠。
氫氣知識
燃 料電池所需利用的氫，是我們宇宙中最簡單、最豐富的元素。它具有一個電子圍繞一個質子的組態，可惜在地球不是以氣態出現，總是以結合其它元素的化 合物形式存於自然界中。它幾乎可由任何含氫的化合物中萃取出來，是最終的潔淨能源的載體。一份的氫氣所含的能量為同等份量汽油的3倍之多。
如同所有的燃料一樣，氫氣也有安全顧慮。
◎ 由於氫氣內藏高量化學能，有爆炸的危險。如同現今的石油及天燃氣一般，必須有適當的安全操作程序，但並不意味危險性較高，只是安全的重點有所不同而已。
◎ 如「都市氣體(天燃氣，town gas)」等民生常用的燃料亦屬以氫基燃料，目前仍在世界各地使用。
◎ 氫氣的製造、運輸及使用在現今工業環境中，可謂成熟，已具備完善的安全作業標準。美國每年在公路上運送的液化氫氣量可達7000萬加侖，未曾肇出重大災害。
◎ 石化業、煉鋼業長久以來使用氫氣，利用數百英哩的管路輸送氫氣亦已具備相當的安全性。
氫燃料的取得方式亦呈現多樣化。
◎ 傳統式：來自天燃氣、汽油、柴油及丙烷等。
◎ 再生性及替代性來源：甲醇、乙醇、垃圾掩場沼氣、生物分解氣體及甲烷等。
◎ 水中萃取：水經電解作用可得氫氣，電解所需電能多利用太陽能及風力等自然能源。
◎ 創新型：硼氫化鈉水解製氫、海藻及花生殼中萃取等。
樂觀預期下，氫氣以其多樣化資源的特性可望在2040年前實現每日節省1,100萬桶石油的目標。
氫氣索價不斐？
美國能源部的「氫燃料電池及其基礎建設計畫(Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program)」中已定下以下目標：
◎ 2005年以前建立相當於1加侖汽油當量的氫氣值美金3元的技術。
◎ 2008年前驗證上述技術。
◎ 2010年技術精進至每加侖汽油當量之氫氣僅值美金1.5元。
近年來汽油價格屢創新高，最高油價亦在美金3元左右。即使FCV車輛若真能使用到每加侖汽油當量3塊美金的氫氣時，也會為消費者省下大把的鈔票；因為氫燃料車輛的效率仍高於汽車內燃機引擎的效率，1汽油當量的氫氣所跑的里程可超過汽車的一倍以上！
如果上列目標皆實現，氫燃料車輛可望達到每加侖汽油當量僅花費1美元的願景。
(待續)
參考網頁
燃 料電池（Fuel Cell），是一種發電裝置，但不像一般非充電電池一樣用完就丟棄，也不像充電電池一樣，用完須繼續充電，燃料電池正如其名，是繼續添加燃料以維持其電 力，所需的燃料是「氫」，其之所以被歸類為新能源，原因就在此。 燃料電池的運作原理，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。 燃料電池所使用的「氫」燃料可以來自於任何的碳氫化合物，例如天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、水的電解、沼氣…等等。由於燃料電池是經由利用氫及氧的化學反 應，產生電流及水，不但完全無污染，也避免了傳統電池充電耗時的問題，是目前最具發展前景的新能源方式，如能普及的應用在車輛及其他高污染之發電工具上， 將能顯著改善空氣污染及溫室效應。
http://americanhistory.si.edu/fuelcells/basics.htm
http://www.nsc.gov.tw/dept/acro/version01/battery/electric/types/fuel.htm
燃料電池的應用領域非常廣泛，目前主流發展的應用產品，依據燃料電池發電量歸類，可分為可攜式電子產品、各式運輸工具及定置型發電機三大類。
可攜式電子產品
近年來科技進步神速，3C產品種類與功能日新月異，例如手機不再單純只是通訊工具，還具備上網、照相、聽音樂等功能；而筆記型電腦往往搭配強大的影音功能，因此現在的3C產品對電池的續航力與充電的便利性要求都越來越高，是目前鋰電池面臨到的技術瓶頸。
在這種情況下，可預見的是未來3C產品對電力的需求越來越大，現行的鋰電池技術不敷使用，應用燃料電池技術的3C產品將很有可能起而代之，成為下一波的科技創新商品。
由於世界各國的3C大廠相偕投入燃料電池的研發工作已有多年經驗，每年於燃料電池展覽會公佈最新研發進展，包括燃料電池手機、燃料電池筆記型電腦、燃料電池充電機等。
2005年
工業技術研究院能源與資源研究所於燃料電池
成果展展示一台以燃料電池為動力的筆記型電腦
圖片來源：台灣經濟研究院
2005年
元智大學燃料電池國際研討會漢氫科技
(股)公司 展示一個筆記型電腦燃料電池
內鍵卡匣式儲氫器
圖片來源：台灣經濟研究院
各式運輸工具
能源、環保與經濟的平衡發展是全球致力追求的永續發展目標，應用燃料電池技術的運輸工具，不僅兼顧環境保護，也是因應目前高能源價格時代的解決方案。
目前台灣有超過1千3百萬輛的機車市場，製造機車相關零組件能力更是全球首屈一指，因此，發展燃料電池機車是我國的利基產業。
目前全球各大車廠投入燃料電池汽車的研發正如火如荼的進行中，在美國加州已建設一條氫能高速公路，配合周邊的加氫站設施，提供給各大車廠進行燃料電池汽車的示範運行，在歐洲、日本也相繼進入示範運行階段。
由於台灣每年機車產生的空氣汙染約佔我國移動汙染源的20％，在面臨京都議定書生效後的溫室氣體減量壓力，國內業者相繼提出燃料電池運輸工具的研發成果。
ZESIV.5
圖片來源：
亞太燃料電池(股)公司
wheelchair
圖片來源：
亞太燃料電池(股)公司
(APFCT's Fuel Cell System Inside)
D8C Scooter
圖片來源：亞太燃料電池(股)公司(APFCT's Fuel Cell System Inside)
定置型發電機
定置型的燃料電池組依發電量有大型發電廠、家用型（Residential）燃料電池發電機和攜帶型備用電源等。
家用型燃料電池發電機可直接供應一般家庭的電力使用。
在國內家用型（Residential）燃料電池的市場規劃上，可著眼於目前電力網式供電所不及的偏遠地區、社區型住宅或需要高度穩定電力的製造業廠房等，由燃料電池做為這些場所的常備電力，市場的發展潛力無窮。
而燃料電池跟不斷電系統電源供應器做結合，即可具備UPS的功能，又可發揮燃料電池高效率的供電能力。
1kW可攜式燃料電池緊急
發電機
圖片來源：
工業技術研究院
能源與 環境研究所
3kW定置型燃料電池 電熱
共生系統
圖片來源：
工業技術研究院
能源與 環境研究所
目 前燃料電池依照電解質的不同，可分為鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell ；簡稱AFC)、質子交換膜燃料電池或固體高分子型燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；簡稱PEMFC或PEFC)、磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell；簡稱 PAFC)、溶融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell；簡稱MCFC)及固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell；簡稱SOFC)等五種。
鹼性燃料電池(AFC)，一般被運用於人工衛星上，操作時所需溫度並不 高，轉換效率好，可 使用之觸媒種類多價格又便宜，例如銀、鎳等，但是在最近各國燃料電池開發競賽中，卻無法成為主要開發對象，其原因在於電解質必須是液態，燃料也必須是高純 度的氫才可以。此外，鹼性燃料電池的電解質，易與空氣中的二氧化碳結合形成氫氧化鉀，影響電解質的品質，導致發電性能衰退。
質 子交換膜燃 料電池(PEFC)，其電解質為離子交換膜，薄膜的表面塗有可以加速反應之觸媒（大部分為白金），薄膜兩側分別供應氫氣及氧氣，氫原子被分解為兩個質子及 兩個電子，質子被氧吸引，再和經由外電路到達此處之電子形成水分子，因此此燃料電池的唯一液體是水，腐蝕問題相當小，同時其操作溫度介於80至100℃之 間，安全上之顧慮較低。然而，觸媒白金價格昂貴，若減少其使用量，操作溫度勢必會提升。再者，白金容易與一氧化碳反應而發生中毒現象，因此比較不適合用在 大型發電廠，而適合做為汽車動力來源。
磷酸型燃料電池(PAFC)，因其使用之電解質為100﹪濃度之磷酸而得名。操作 溫度大約為150 到220℃之間，因溫度高所以廢熱可回收再利用。其觸媒與前述之質子交換膜燃料電池一樣，同為白金，因此也同樣面臨白金價格昂貴之問題。到目前為止該燃料 電池大都運用在大型發電機組上，而且已商業化生產，技術較不成問題，惟未能迅速普及，成本居高不下就是主要關鍵。
溶融碳 酸鹽燃料電池 (MCFC)，其電解質為碳酸鋰或碳酸鉀等鹼性碳酸鹽。在電極方面，無論是燃料電極或空氣電極，都使用具透氣性之多孔質的鎳。操作溫度約為600至 700℃，因溫度相當高，致使在常溫下呈現白色固體狀的碳酸鹽溶解為透明液體，而發揮電解質之功用。由此可見此類型燃料電池，並不需要貴金屬當觸媒。因為 操作溫度高，廢熱可回收再使用，其發電效率高者可達75到80﹪，非常適合於中央集中型發電廠。
固態氧化物燃料電池(SOFC)，其電解質為氧化鋯，因含有少量的氧化鈣與氧化釔，穩定度較高，不需要觸媒。一般而言，此種燃料電池之操作溫度約為1000℃，廢熱可回收再利用，因此大都使用於中規模發電機組。
各種燃料電池的種類與特性
電池種類 磷 酸
(PAFC)
熔融碳酸鹽(MCFC)
固態氧化物
(SOFC)
鹼 性
(AFC)
質子交換膜
(PEFC)
電解質
H3PO4
Li2CO3-K2CO3
ZrO2
KOH
含氟質子交換膜
陽極
C(含Pt)
Ni(含Cr，Al)
金屬(Ni，Zr)
C(含Pt)
C(含Pt)
陰極
C(含Pt)
NiO
金屬氧化物如LaMnO4
C(含觸煤)
C(含Pt)、鉑黑
流動離子
H+
CO32-
O2-
OH-
H+
操作溫度
180~200℃
~650℃
~1000℃
室溫~100℃
室溫~80℃
操作壓力
<120psia
<120psia
常壓
<60psia
<30psia
可用燃料
天然氣、
甲醇、輕油
天然氣、甲醇
、石油、煤碳
天然氣、甲醇、石油、煤碳
精煉氫氣、
電解副產氫氣
天然氣、甲醇、
汽油
池體材料
石墨
鎳、不鏽鋼
陶瓷
合成樹脂
石墨
特 性
1. 進氣中CO會導致觸媒中毒 2. 廢熱可予利用 1. 不受進氣CO影響 2. 反應時需循環使用CO2 3. 廢熱可利用 1. 不受進氣CO影響 2. 高溫反應，不需依賴觸煤的特殊作用 3. 廢熱可利用 1. 需使用高純度氫氣做為燃料 2. 低腐蝕性及低溫較易選擇材料 1. 功率密度高，體積小，重量輕 2. 低腐蝕性及低溫，較易選擇材料
優 點
1. 對CO2不敏感 1. 可用空氣作氧化劑 2. 可用天然氣或甲烷 作燃料 1. 可用空氣作氧化劑 2. 可用天然氣或甲烷作燃料 1. 啟動快 2. 室溫常壓下工作 1. 壽命長 2. 可用空氣作氧化劑 3. 室溫工作 4. 功率大 5. 啟動迅速 6. 輸出功率可隨意調整
缺 點
1. 對CO敏感 2. 工作溫度高 3. 成本高 4. 低于峰值功率輸出時性能下降
工作溫度較高
工作溫度過高
1. 需以純氧作氧化劑 2. 成本高 1. 對CO非常敏感 2. 反應物需要加濕
電池內重組可能性
可能
非常可能
非常可能
不可能
不可能
系統效率
40%
50%
50%
40%
40%
用 途
． 汽電共生 ． 分散型發電 ． 離島地區發電 ． 移動式電源 ． 運輸工具之電源 ． 汽電共生 ． 分散型發電 ． 取代大規模火力發電
． 汽電共生 ． 分散型發電 ． 取代中規模火力發電
． 太空船 ． 潛水艇
． 小型發電機組 ． 分散型發電 ． 移動式電源 ． 運輸工具之電源
資料來源：
1.鄭耀宗等著，現場型磷酸燃料應用於大用戶之可行性研究，1995年。
2.Fuel Cell Handbook，fifth edition ，2000年。
3.左峻德，燃料電池之特性與運用，2001年。
1KW Methanol FC Power Generator
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圖片來源：
引用出處：
圖片來源：
大同世界科技(股)公司
引用：http://tw.myblog.yahoo.com/jw!EOUWG0WRGBKHrRDl8JmGBC4-/article?mid=4357
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