固態氧化物燃料電池的重要性與產業地位

燃料電池(fuel cell)是不需經過燃燒將化學能轉變為電能的設 備，透過氫氧化成水的化學反應，每個單電池組(single cell)產生 約 1 Volt 電壓，疊合許多單電池的燃料電池組產生足夠的電壓與直 流電流工作。這種產生能源的設備是一種綠色的能源裝置，因為它納 入自然與人的循環環節，是遵守氫循環 (hydrogen cycle) 而非碳循 環(carbon cycle)的方式取得能源[1,2,3,4]。

近年來全球的氣候變遷，特別是溫暖化的問題，氣象學者已不斷 提出警告，海平面上升，太平洋部份島國將首先滅頂，低窪地區如荷 蘭沿海地區將被淹沒，氣旋暴風將更見頻繁，乾旱與澇災將出現在前 所未見的地區。或許警告不會立刻出現明顯徵兆，如好萊塢電影般戲 劇化，但在我們的身邊也不乏例證，2004 年台灣地區也第一次有十 二月冬颱侵襲，連續幾年的暖冬與夏日的颱風，破壞能力愈來愈大。

人類社會體認到我們只有一個地球，但燃燒化石燃料取得能源的方 式，自從工業革命起，已經傾注數以兆噸計的二氧化碳於大氣，這些 人為的二氧化碳改變了地球本身的碳循環，地球逐漸成為溫室，於是 氣候變得狂暴。 此一問題在 1997 年各國代表在日本京都(Kyoto)集

-1-

會，通過「聯合國氣候變化綱要公約」，簽定京都議定書(Kyoto protocol)，對於溫室氣體(主要是二氧化碳)排放，加以限制，雖然 第一任美國布希政府拒絕簽署，連任的布希政府仍拒不簽署，但已有 越來越多國家認識問題的嚴重性，通過此一氣候公約，第二任的布希 政府也增加這方面的研究經費，我國雖然國際地位有爭議，但預期將 不能享有豁免權，反而是最容易受約束的國家之一，因為其它國家都 可名正言順使用貿易權處罰不遵守的國家，對我國這樣依賴外貿的經 濟體，違反此氣候公約，行政院已有評估，損失更大。

如果正視能源在當今社會中的角色，我們不難瞭解為何美國拒絕 簽署(縱使科學家一再忠告)，實在是對民生影響太過深遠，按照熱力 學第一第二定律，我們做任何事都需要消耗能源，先進國家的特徵就 是密集大量消耗能源，所以他們最應為大量排放溫室氣體負責，但他 們也最離開不了密集廉價的能源。

地球其實並不缺乏能源，這是個充滿活力的星球，能源問題在現 代社會中是取得的問題，就是說，需要能量時是否即時、快速、方便 的取得，以目前能量取得的最即時、快速、方便的方式，和我們的人 類遠祖沒有很多不同。燃燒(combustion)化石燃料，是我們文明的生 活方式，開車、燒水、加熱與冷卻房屋、烹調、火力發電，每件事直

接間接都燃燒碳氫化合物。但化石燃料與氧的燃燒反應，不但易污 染，產生噪音，也產生二氧化碳溫室氣體。想改變成以氫氧電化學，

安靜，產生水的直接發電方式，等於改變目前社會的運轉方式，無怪 連諾貝爾化學獎得主 Smalley 也說這是個巨大的工作。

這個巨大工作的核心，除了以氫作為能源儲存媒介之外，就是燃 料電池轉換能量的工具，依照技術本身的關鍵-電解質的種類可以區 分為五大類：

1. 高分子膜燃料電池或質子交換膜燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC;Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）

2. 鹼性燃料電池（Alkaline Fuel Cell, AFC）

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）

以溫度來區分，屬於高溫型的固態氧化物燃料電池（SOFC）約為 700℃~1000℃，中溫型熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)為 500℃~700℃，

屬於低溫型的高分子膜燃料電池(PEFC)約為 70℃~110℃，鹼性燃料 電池（AFC）約為 100℃~250℃，磷酸燃料電池（PAFC）為 150℃~250

℃[5]。

-3-

近年燃料電池技術的發展集中在高溫型 SOFC 與低溫型 PEMFC 兩 種，SOFC 的優點是氣固電化學反應，沒有液相電解質的環境處理問 題，不需要貴金屬觸媒，高能量轉換效率(達 80%以上)，產生高品質 熱，可用較低品級的燃料；SOFC 的缺點，開俥慢，需要較長時間達 到穩態運轉，設備費用高，因為 SOFC 不適合搬動，主要用途設定在 社區固定電源或家庭式的分散型電源。PEMFC 的優點是低溫運作，起 動快，容易與其它設備結合，容許移動，缺點是需要貴金屬觸媒增加 化學反應速率，需要乾淨燃料，PEMFC 已被廣泛用於移動車輛的動力 來源 [6,7,8]。

因此 SOFC 在產業上相當於小型的發電機組，目前發展多以 5-10KW 機組為分散型電源作主流。研究方面也有增加其移動性的研究。