燃料電池介紹

燃料電池的歷史起源極早⁵，在西元 1932 年由 Francis Thomas Bacon 所發表 的燃料電池原型「Bacon cell」（Fig. 2-1）首次引起科學界對燃料電池廣大的注意，

被視為重要的里程碑，之後各式燃料電池的研究蓬勃展開⁶，如鹼性燃料電池

（Alkaline fuel cell）；高溫熔融碳酸鹽燃料電池（High-temperature molten

carbonate fuel cell）；高溫固態氧化燃料電池（High–temperature solid–oxide fuel cell）是改進熔融碳酸鹽電池缺點的燃料電池；和磷酸燃料電池（Medium–

temperature phosphoric acid fuel cell）等。但以上燃料電池工作溫度皆在 200℃以 上 ，過大的電池模組尺寸亦造成了設置的不便，加上內部液態電解質也多數具 有腐蝕性，使各種應用發展被侷限住。

質子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）研究的 起端可謂與以上燃料電池同時期，由奇異電力公司的 Thomas Grubb 和 Leonard 外，Du Pont 從 1960 年代開始研發系列高分子質子交換膜–Nafion®漸近成熟、

鉑金屬觸媒層的效率提升皆是其回到研究主流的原因。

4

子傳導膜、觸媒層、和燃料輸送層。燃料電池發電之反應式為：

陽極反應：2H2 4H⁺ ＋ 4e^_ 陰極反應：O₂ ＋ 4H+

2H₂O 總反應： 2H2 ＋O2 2H2O

陽極的氫氣在經過以鉑為主成份之觸媒層時，其可解離出電子，若有一適當 之封閉電路，此電子可經由外部電路至陰極而產生電力，陽極中的質子將經由內 部電路傳遞至陰極，最後產物為水。其理想產出電壓於 Gibbs free energy 計算為 1.229 V，開路電壓所測得之電流依工作溫度和燃料的輸送效率可輸出約 0.9V 至 1V 之間。

但 PEMFC 在燃料方面卻有著極需解決的問題：氫氣的補給、貯存和傳輸。

由於此原因，和 PEMFC 原理相似的直接甲醇燃料電池（Direct methanol fuel cell，

DMFC）開始受到重視。

Fig. 2-1 1960 年正式發表之氫氧燃料電池「Bacon battery」（Alkaline fuel cell ）

5

在 1960 年代，一系列於陽極氧化甲醇的研究開始被專注⁵，甲醇和氧氣(空 氣)的化學反應和應用在電池的研發也漸漸建立起初步的架構。但初期由於純鉑 觸媒層對於甲醇的氧化效率過小，使其發電效率(約 20mW/cm²)一直不被人重視，

直到 1990 年代中期因著 PEMFC 的發展和 PEMFC 自身難以突破的缺陷，DMFC 才開始引人注意。由於 DMFC 的電池模組結構和電化學反應相似於 PEMFC，並 有著 PEMFC 沒有的優勢，如燃料的貯存和體積能量密度，使其可在繼承 PEMFC

Fig. 2-2 質子交換膜燃料電池模組簡示 e ^- e ^-

Anode Cathode

O₂ H2O

Hydrogen fuel cell：H2

DMFC：CH₃OH、H₂O DMFC：CO2

H ⁺

Gas diffusion layer Catalyst layer Polymer electrode membrane

6 水分子形成水合氫離子（hydronium ion）進行輸送，此二種機制分別為 vehicular mechanism 和 Grotthus mechanism⁷。但陽極的燃料甲醇其極性和分子大小相似於 水分子，導致質子交換膜無法有效隔離甲醇到陰極。甲醇流至陰極除了燃料的損