燃料電池簡介

在 21 世紀，環保與能源的問題受到世界各國所重視，而燃料電池是受矚目的 環保能源之一。燃料電池的運作原理是利用氫氣與氧氣的電化學反應，產生電力 與熱能，因為是直接從化學能轉換成電能，過程簡單，所以發電效率高，電能生 成過程比較如圖 1 所示。而且燃料電池在化學反應過程中，噪音低且不會產生有 毒物質，僅有少量的二氧化碳會被排出。所以燃料電池是屬於既環保且發電效率 高的能源裝置。

圖 1 火力、核能與燃料電池發電之電能生成過程比較

2.1.1 燃料電池的種類

燃料電池的種類有很多種，常用的分類是依電解質的性質加以區分，如鹼性 燃料電池、磷酸燃料電池、質子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態氧 化物燃料電池等五種[1,2,23,24]。而分類上，又能以運作的溫度範圍來分類，像鹼 性燃料電池、質子交換膜燃料電池與直接甲醇燃料電池就可以歸為低溫型燃料電 池，磷酸燃電池歸為中溫型燃料電池，而熔融碳酸鹽燃料電池與固態氧化物燃料 電池可歸為高溫型燃料電池。燃料電池的電化學反應，依不同的燃料與操作溫度，

來決定使用的觸煤種類，而不同的燃料電池，在燃料的處理上也會有所不同。下 面將對鹼性燃料電池、磷酸燃料電池、質子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電 池、固態氧化物燃料電池做簡單的介紹。而本研究的實驗是以質子交換膜燃料電 池為主，所以關於質子交換膜燃料電池的介紹會較為詳細。

1. 鹼性燃料電池(Alkaline fuel cells)

2. 磷酸燃料電池(Phosphoric acid fuel cells)

PAFC 使用的電解質為濃度 100%的磷酸，屬於液態電解質的燃料電池。

該燃料電池的操作溫度範圍約在攝氏 160~220℃，因溫度高，所以廢熱可 以回收再利用。PAFC 的電能轉換效率約可達 37~42%，但酸性電解質因 具有腐蝕性，所以會降低燃料電池的使用壽命。至今較常運用於大型發 電機組上。

3. 質子交換膜燃料電池(Polymer electrolyte membrane fuel cells)

PEMFC 使用的電解質為質導度佳的質子交換膜，薄膜的表面塗有加速化 學反應的觸媒，觸媒大部份為白金。此燃料電池的操作溫度在 100℃以下，

因此廢熱利用價值低，然而低溫操作的特性，使得 PEMFC 具有啟動時間 短的優勢。而 PEMFC 的電能轉換效率約在 45~50%，較 PAFC 高，且腐 蝕問題較低，較適合於家庭電源與汽車動力的應用。

4. 熔融碳酸鹽燃料電池(Molten carbonate fuel cells)

MCFC 使用的電解質為鋁酸鋰的鹼性碳酸鹽，屬於液態電解質的燃料電

2.1.2 質子交換膜燃料電池的運作原理

質子交換膜燃料電池(PEMFC)為一化學產電之裝置，透過氫氣與氧氣反應，

主產物為電力，副產物為水和熱。PEMFC 運作時，陽極端需供應氫氣，陰極端需 供應氧氣，二條件必頇同時成立，才能進行反應運作。氫氣在觸媒層進行反應，

分解出氫離子與電子，氫離子經質子交換膜移至陰極端，而電子經由電力線移至 陰極端；而氧氣在陰極端與氫離子、電子結合形成水。其發電原理如圖 2 所示。

陽極、陰極的半反應式與總反應式如(1)、(2)、(3)所示[21, 22,23]。

氫氣 氧氣 水 氫離子

電子 熱

圖 2 PEMFC 的發電原理

陽極端半反應式：

陰極端半反應式：

總反應式：

2.1.3 燃料電池的極化效應

燃料電池發電時，電極上會產生一系列物理與化學過程，這些過程多多少少 會有些阻力，為了使電極上的反應能持續，必頇消耗自身的能量去克服。因此，

電極電位就會與理想電位有所偏離，這樣的現象稱為極化。如圖 3 燃料電池 I-V curve 所示，燃料電池的極化分為活化極化、歐姆極化與濃度極化三個區域[3]。活 化極化是電極電位接近可逆電位時，有時會因反應速率常數太小而無法偵測到電 流，造成這種速率的緩慢現象，歸因於無法克服反應過程中的活化能。歐姆極化 的發生則是由燃料電池電解質內離子流的阻抗，以及電極材料內電子流的阻抗的 加總結果。濃度極化則是當燃料電池處於高電流狀態時，其氧化劑必頇適時地移 動至電極表面，一旦燃料氣體與氧化劑來不及提供，也就無法在電極表面維持足 夠的反應物濃度。燃料電池的發電效率與 I-V curve 有關，當燃料電池的壓力、氣 體濃度與電池堆的溫度處於不同的狀態，其 I-V curve 有會有不同的表現。

圖 3 燃料電池 I-V curve