燃料電池之工作原理

進狀況。

2.1.1 燃料電池發展歷史

燃料電池是在 1839 年由英國人 William Grove 發明之技術，其透過水的電解 過程逆轉，進而發現了燃料電池的原理，當時稱之為「氣體電池」，但因當時氫 原料取得與技術障礙不易克服，使此一技術漸被世人所淡視。“燃料電池＂一詞 是由 Ludwig Mond 和 Charles Langer 二位化學家所創，他們當時試圖利用空氣和 工業用煤氣製造第一個實用化的燃料電池裝置，但未能成功。1932 年，劍橋大 學 Francis Thomas Bacon 博士多次修改 Mond 和 Langer 之發明裝置，且經過二十 多年之努力，直至 1959 年始開發出 5kW 的氫-氧燃料電池，並應用於拖曳機、

堆高機等車載用能源，此時，燃料電池技術始在應用領域嶄露頭角。1960 年代，

由於太空及國防的需要，美國 NASA 開始資助一系列的研究計劃，從事開發實 用化的燃料電池設計。1970 與 1980 年代相繼發生石油危機及環保意識高漲，先 進各國致力開發與利用新潔淨能源，而至 1990 年代全球氣候變遷的暖化效應，

更直接推動燃料電池的發展與應用。

2.1.2 燃料電池之工作原理

燃料電池是一種能源直接轉換裝置，把化學反應之化學能直接轉化為電能，

為一種潔淨的發電裝置，它不像傳統電池只能充當電能的儲存單位，亦非如內燃 機利用燃料燃燒產生的熱來做功。將其與火力發電相比，關鍵在於燃料電池之能 量轉換過程是直接的方式，如圖 2-1 所示。而其原理係利用氫氣與氧氣產生電化

學反應的原理，透過氫與氧之結合，將化學能直接轉變為電能且排放出水氣，也 就是水電解過程之逆向反應，其不但不會對環境造成污染，反而可循環再利用。

燃料電池之基本設計包括陽極板、陰極板、電解質與外部電路，其工作原理是氫 氣通過導氣板到達陽極，在陽極催化劑之作用下，一個氫分子分解為兩個氫質子 (Proton)和兩個電子(Electron)，即下式(2-1)之反應式

− ++

→ H e

H₂ 2 2 (2-1) 在電池之另一端，氧氣(或空氣)通過導氣板到達陰極，在此同時，氫質子穿過電 解質到達陰極，電子則經外電路到達陰極，形成電流。在陰極催化劑之作用下，

氧與氫質子和電子發生反應並生成水，如下式(2-2)之反應式所示 O

H e O

H ₂ 2 ₂

2 ⁺+21 + ⁻ →

(2-2) 整個反應過程如圖 2-2 所示。

化學能 電能

傳統技術

熱能 動能

燃料電池

[資料來源：李瑛等（2000）]

圖 2-1 燃料電池直接發電與傳統間接發電的比較

陽極

電解質

陰極 2 e 2 H

H

²

→ + + −

H O e

H

12

O

^{2 2 2}

2 ⁺ + + ⁻ →

O H O

H

² + 12 ² → ²

氫

催化劑

氧(空氣)

陽 極 排 放

外 電 路

e

⁻

e

⁻

陰 極 排 放

[資料來源：黃倬等（2000）] 圖2-2 燃料電池基本反應圖 2.1.3燃料電池之種類

如前所述，燃料電池是一種能源直接轉換裝置，不須經過燃燒過程，而以化 學反應之方式將化學能直接轉變為電能。燃料電池主要之燃料為氫氣，來源種類 繁多，如煤、石油、甲醇、天然氣等，經重組(Reforming)反應後，可擷取出大量 之氫氣，以做為燃料電池之燃料填充劑。而燃料電池依電解質之不同可區分為鹼 性型(AFC)、磷酸型(PAFC) 、熔融碳酸鹽型(MCFC)、固態氧化物型(SOFC)、質 子交換膜型(PEMFC)與直接甲醇型(DMFC)等，茲分別將各種類之燃料電池特性 說明如下：

(1) 鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell；AFC)

AFC使用鹼性溶液做為電解質，其工作溫度與質子交換膜燃料電池 溫度相似，但其電力卻比質子交換膜燃料電池低甚多，故不適合用於汽 車動力系統。鹼性燃料電池為技術發展最快，生產成本最低的一種燃料 電池，主要應用於航空電力與水的供應系統。

(2) 磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell；PAFC)

PAFC 使用液體磷酸做為電解質，其工作溫度較質子交換膜燃料電 池溫度略高，其具有構造簡單、穩定等優點，但其效率較其他燃料電池

低，可做為定置型發電等用途，此類燃料電池為當前商業化發展最快的 燃料電池。

(3) 熔融碳酸研燃料電池(Molten Carbon Fuel Cell；MCFC)

主要是使用鋰鉀碳酸鹽或鋰納碳酸鹽做為電解質，故與其他燃料電 池差異較大，且由於其操作溫度較高，故不適用於交通運輸及家庭用電，

但有利於大規模工業加工及發電。

(4) 固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell；SOFC)

具有高效率、壽命長的優點，主要使用氧化釔等固態氧化金屬為電 解質，故比 MCFC 電池更穩定，但其電解質材料脆性較大且承受高溫之 建造材料成本較高，主要應用於定置型發電。

(5) 質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC) 使用之電解質為離子交換膜，具有構造簡單、啟動快、電力密度高 等工作優點，故成為汽車與家庭用電應用之理想能源，為近年來研究最 為廣泛、技術發展最為快速之燃料電池。

(6) 直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell；DMFC)

以甲醇為燃料，不須重組器，操作溫度與 PEMFC 相似，但甲醇穿 越(cross over)問題仍待解決，其為近幾年許多 3C 廠商積極投入研究之 類型，且被視為未來及具潛力之可攜式電源之一。

各類型燃料電池之特性與優缺點整理如表 2-1。

表 2-1 各類型燃料電池之特性與優缺點 工作溫度 90-100℃ 160-190℃ 600-700℃ 900-1,000℃ 30-80℃ 40-80℃

發電效率 ~60﹪ 40-50﹪ 50-60﹪ 45-55﹪ 40-50﹪ ~20﹪

2.1.4 燃料電池之應用

燃料電池應用範圍甚廣，歸納起來大致可分為三類：(一)定置型發電、(二) 車輛動力系統、(三)可攜式電力，茲分別說明如下：

在定置型發電方面，燃料電池除了可以與現有之發電系統進行連結，以提供 電力或作為主要區域的緊急備用電源外，亦可獨立安置在特定地點。以目前發展 階段而言，燃料電池發電系統為各應用領域中投入最多研發資源，現今全球至少 安置約有 200 座以上的燃料電池發電機組，為目前唯一接近商業化階段之應用，

但儘管其發電技術與成本均已改善甚多，但其發電成本相較於其他替代性競爭產 品而言仍過高，致使目前仍然無法大量取代傳統發電。以未來較長遠之眼光觀 之，短期而言，燃料電池發電潛在之應用市場為提供穩定之電力來源、商業大樓 等電力供應系統，中長期而言，潛在之應用市場為工業設備、住宅建築與混合動 力系統等。

在車輛動力系統方面，燃料電池應用於車輛動力之商業化時程較預期落後，

其主要原因為(一)生產成本較傳統內燃機引擎車高出甚多，導致不具價格競爭優 勢；(二)相關配套技術之問題仍有改善空間，如儲氫技術、相關基礎設施、燃料 重組器等。而在各種燃料電池系統中，PEMFC 因使用離子交換膜或固態高分子 電解質，具有免於液體電解質溢散之問題，加上世界各國汽車大廠紛紛致力於 PEMFC 電動車之研發，在相關技術上已逐漸進步，故未來在燃料電池車之應用 方面，應以 PEMFC 為主，其他如 SOFC 主要是應用於大貨車之預備電源和非道 路用車。

在可攜式電力方面，由於近年來個人行動資訊之普及與可攜式電子產品不斷 推陳出新的情況下，消費者對於穩定、可靠、持久性電源之需求日益迫切，然目 前市面上發展之一次或二次電池在使用的壽命與持久性上，已漸趨無法完全滿足 消費者之需求。而燃料電池由於其特殊發電原理之特性，在面臨電能趨於耗盡之 際，只需不斷補充燃料即可使其繼續發電，完全不需經過充電的過程，加以其具 有高能量、高密度與高效率之優點，更使其具有取代傳統一次或二次電池之優 勢，因此，全球有關 3C 可攜式產品之廠商正致力於此應用領域之研發工作，預 計未來若可成功取代一次或二次電池，將可佔據龐大的潛在市場。由於可攜式電 源必須滿足啟動快速、低溫操作、系統簡單、無安全顧慮等因素，故未來應用虞 可攜式電源之燃料電池技術將以 DMFC、PEMFC、AFC 等為主。

2.1.5 燃料電池發展現況與市場演進狀況

燃料電池發展迄今已有一百多年的歷史，但由於技術未臻成熟且發電成本過 高，加以使用材料以及組件規格不明之狀況下，目前市場仍屬萌芽測試階段，距 離真正商業普及化仍需一段時間。燃料電池初期之研究多著重在定置型發電與車 輛用電源市場，但由於車用燃料電池仍存有技術性問題，加上外在替代燃料運具

競爭之威脅，故預期燃料電池車輛市場商業普及化之時程會比定置型發電之應用 落後。近年來，由於個人行動資訊產品的普及，造成消費者對穩定、持久性之可 攜式電源之需求與日俱增，故近年來已有多家電子設備製造商投入大量資源在 3C 相關產品應用的研究，預計未來可攜式燃料電池將是最早達到普及化的商業 應用。雖然燃料電池技術現今仍未完全成熟，但以燃料電池於生活面應用之廣度 而言，不久的將來將是燃料電池能源科技的新世代。世界燃料電池技術發展趨勢 將以固態氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池與直接甲醇燃料電池為主；固態 氧化物燃料電池發展目標以分散式大型發電機為主，質子交換膜燃料電池由於體 積小、重量輕、厚度薄等因素，較易串聯成燃料電池堆(Stacks)以增加電池功率，

是現今所有燃料電池中最是核應用在可攜式發電機上；至於直接甲醇燃料電池則 以小型攜帶式電子產品的電力系統為目標。圖 2-3 為燃料電池演進階段。

2000 2003 2005 2010

小型家用及工業用汽電共生系統

燃料電池車

可攜式電源應用

測試銷售 實用化 普及化

開始銷售 實用化 普及化

開始銷售 商業化銷售

應用於手機

普及化

[資料來源：工研院經資中心（2002）] 圖2-3 燃料電池演進階段

小結

在低污染公車相關文獻方面，交通部運輸研究所(民 87)調查國內外電動公車 技術，並以多評準評估方法(Multiple Attribute Decision Method, MADA)評估其在 國內做為都市運具之可行性。首先針對電動公車之特性與國外相關發展做分析，

並探討國外電動公車之運行現況，進而對電動公車做整體性之效益分析，以做為 評估國內適合之公車類型與行駛路線之依據。技術調查結果顯示，電動車之技術 仍有相當之瓶頸待突破，如蓄電池電力、充電時間、續航力等；使用電動公車對 環境之影響方面，在測量相關污染時，主要考慮公車尾管排放所造成之污染以及

並探討國外電動公車之運行現況，進而對電動公車做整體性之效益分析，以做為 評估國內適合之公車類型與行駛路線之依據。技術調查結果顯示，電動車之技術 仍有相當之瓶頸待突破，如蓄電池電力、充電時間、續航力等；使用電動公車對 環境之影響方面，在測量相關污染時，主要考慮公車尾管排放所造成之污染以及

在文檔中 燃料電池公車成本結構與市場潛力分析之研究 (頁 26-0)