Chapter 1 緒論
1.2 燃料電池
1.2.1 發展
燃料電池的理論發展，至今已有相當長的時間了。英國科學家 格魯夫 (William Robert Grove，1811-1896) 於 1839 年時，證明了電解反應作逆向操作可 產生電能的理論，並將之發表在英國最著名的科學雜誌之一《Philosophical Magazine》1，並於 1842 年刊登燃料電池設計草圖，此裝置當時稱叫做「氣體伏 特電池(gas voltaic battery)」，此即燃料電池最早的濫觴，開啟了燃料電池發展史，
而格魯夫也因此被後世稱為「燃料電池之父(Father of the Fuel Cell)」。1889 年蒙 德(Ludwig Mond，1839-1909)和蘭格(Charles Langer)以工業煤氣為反應物，嘗試 發展燃料電池的雛形，且首次將此反應裝置命名為「Fuel Cell」，即燃料電池之意。
1960 年代，燃料電池被作為太空任務的動力來源，加上其產生的副產物為水，更 可解決太空飲水問題，更是展現出燃料電池的實用性。
3
以燃料電池做為傳統發電方式之替代方案，有許多優勢，主要有四項特質：
「高轉換效率」、「低汙染」、「攜帶性」、「小型發電裝置」，如下：
(1) 高轉換效率：因為燃料電池直接將燃料中的化學能轉換成電能，不受熱力學 上卡諾定理(Carnot's theorem)的限制。如氫氣燃料電池，其轉換效率高達 83%，
具有相當高的能量轉化效率，跟傳統發電裝置兩相比較，轉換步驟上避免許 多損失能量的情況。
(2) 低汙染：燃料電池使用的燃料相當多樣，大多為地球上常見之物，包括氫氣、
甲醇、甲烷、天然氣等，這些燃料轉換後，幾乎不產生任何汙染物。如以氫 氣為燃料，其反應後的副產物為水；而若用碳氫化合物為燃料，雖然會產生 溫室效應氣體二氧化碳(CO2)，但相對於其他高發電效率裝置，仍屬於低汙染 發電裝置。
(3) 攜帶性：燃料電池具備高轉換效率，亦即代表攜帶少許燃料，即可維持相當 長的供電時間，再加上不產生廢熱能常保低溫的特性，尤其適合作為移動式 電源。
(4) 小型發電裝置：燃料電池另一大特色是，其為免充電電池，不需要充能時間，
僅需不斷添加燃料即可持續產生電力，使其更類似於「發電裝置」，而非是「電 池裝置」。一般電池將電能儲存在儲能元件中，需要使用時再釋放出電能，會 隨著使用時間延長而不斷流逝電力，電力耗竭後，必須充電方能再度使用；
相反地，燃料電池是藉由燃料提供化學能，不用儲存於裝置中，只要持續不 斷地提供燃料，即可持續地供應電力。
4
1.2.2 種類
燃料電池依電解質不同和操作溫度來分類，可分為幾種：
(1) 固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell；SOFC) (2) 熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell；MCFC) (3) 磷酸性燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell；PAFC)
(4) 鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell；AFC)
(5) 質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC) 根據上述幾種燃料電池的種類及特徵，整理如下表 1-1
5
其中，質子交換膜燃料電池擁有操作溫度低、功率密度高等優點，逐漸成 為燃料發的重點之一。
質子交換膜燃料電池(PEMFC)
鹼性條件下，質子交換膜燃料電池的半透膜藉傳遞氫氧根陰離子從陽極到 陰極反應。在陽極部分，氫氣與氫氧根離子發生氧化作用；陰極部分，氧氣發 生還原，半反應如下所示：
Anode： H2 + 2 OH-→ 2 H2O + 2e- Eo = -0.828 V vs. SHE Cathode：1
2 O2 + H2O + 2 e- → 2 OH- Eo = 0.401 V vs. SHE 電池全反應是藉由轉換氫氣和氧氣形成熱、水分子和電能。
Overall： H2 + 1
2 O2 → H2O Ecell = 1.23 V
圖 1-1 鹼性條件下質子交換膜燃料電池的工作原理4
6
質子交換膜燃料電池以離子交換膜作為電解質，唯一的液體為水，使腐蝕 問題降低，且操作溫度約在 60 ℃到 80 ℃，所以電池啟動時間短，適合車輛動 力、移動電源等用途。但由於氫氣燃料儲存不易與運送的安全性上的疑慮，以氫 氣作為燃料的質子交換膜燃料電池開始發展衍生出應用其他燃料的種類，如直接 醇類燃料電池便是改善儲存及攜帶性的研究結果。
直接甲醇燃料電池
直接甲醇燃料電池屬於質子交換膜燃料電池的一種，其原理為半透膜藉傳 遞氫氧根陰離子從陽極到陰極反應。在陽極部分，甲醇與氫氧根離子發生氧化作 用；陰極部分，氧氣發生還原，半反應如下所示：
Anode：CH3OH + 6 OH-→ CO2 + 5 H2O + 6 e- Eo = -0.809 V vs.
SHE
Cathode：3
2 O2 + 3 H2O + 6 e-→ 6 OH- Eo = 0.401 V vs. SHE 電池全反應藉由轉換甲醇和氧氣形成熱、水分子和電能。
Overall： CH3OH + 3
2 O2 → CO2 + 2 H2O Ecell = 1.21 V
7
圖 1-2 直接甲醇燃料電池 工作原理5
在陽極，甲醇會在觸媒表面形成 COad、COHad、COOHad等吸附，進一步 完全氧化成二氧化碳為主要產物，其副產物有甲醛和甲酸。甲醇相較於氫氣燃 料，方便攜帶與儲存，具有較高的安全性，使直接甲醇燃料電池廣泛應用在攜 帶式裝置。不過甲醇因毒性高，易造成環境問題，且分子過小會滲透交換膜 (crossover)造成電位下降，故直接乙醇燃料電池(DEFC)逐漸受到研究重視。