燃料電池的分類

一般燃料電池類型係以不同的電解質來區分，也因電解質材料的 不同，而連帶影響其操作溫度，而分為高溫、中溫、及低溫型的燃料 電池。如下列所示：

2.2.1 高溫型燃料電池: 固態氧化物燃料電池(SOFC)圖 2.3【3】

SOFC 是以氧化鈣、氧化釔、氧化鋯等固體金屬氧化物為 電解質導體的燃料電池，操作溫度約為 500~1200℃，因為

這些金屬氧化物需在如此高溫下才有足夠氧離子的傳導 性，也因為如此使用於此種燃料電池的各項材料也必須具 備耐高溫的穩定性及安定性。此燃料電池的優點是觸媒也 無須採用貴重金屬，發出的餘熱可與蒸汽渦輪發電構成複 合發電系統來提高總發電效率，未來期望用於大型的發電 機廠。

圖 2.3. SOFC 之基本原理。a.內電路，b.電子-離子傳導途 徑，c.陽極，d.電解質，e,陰極【3】。

2.2.2 高溫型燃料電池: 融熔碳酸鹽燃料電池(MCFC)圖 2.4【4】

融熔碳酸鹽燃料電池的原理為使用常溫下的為白色固體電 解質混合碳酸鉀、碳酸鋰等兩種以上碳酸鹽類來降低熔 點。而這些電解質約在 650℃的操作溫度下，會融熔成液

體狀態。而其中的碳酸根離子(CO₃^2-)扮演電荷載體從陰極 (空氣與二氧化碳的混合氣體，反應產生碳酸根離子)移往陽 極(含氫氣的燃料氣體)而在陽極產生二氧化碳與水。故為了 確保電池穩定的工作，必須持續不斷的將陽極產生的二氧 化碳送回陰極。至今為止融熔碳酸鹽燃料電池的製備技術 已趨成熟，也在材料的改進下希望未來可能與其他料電池 發電技術相競爭。

圖 2.4. MOFC 之簡易示意圖【4】。

2.2.3 中溫型燃料電池: 磷酸燃料電池(PAFC)圖 2.5【5】

PAFC 是以採用碳化矽合聚四氟乙烯製備的微孔結構隔膜 浸泡濃硫酸溶液為電解質氫氧電極組合而成的燃料電池，

其操作溫度為 150~200℃。在酸性介質中，酸中的陰離子 吸附現象會影響氧氣在電催化劑上的還原反應速率，故在 相同的電流密度下，酸性電解質中的極化大於鹼性電解質 中的極化，另外抗腐蝕的材料的選用及研究也是重要的課 題之一。不過由於啟動磷酸燃料電池耗時較長，不如可以 隨時啟動的質子交換膜燃料電池便利，而其所操作的溫度 不夠將餘熱轉換其他能源應用，此方面也不及固態氧化物 燃料電池，故在近年的研究以及發展速率上有逐漸緩慢的 趨勢。

圖 2.5. 磷酸燃料電池之簡易示意圖【5】。

2.2.4 低溫型燃料電池：質子交換膜燃料電池(PEMFC)

其電解質為離子交換膜，薄膜的表面塗有可以加速反應之

觸媒(大部分為白金)，薄膜兩側分別供應氫氣及氧氣，氫分 子被分解為兩個質子及兩個電子，質子被氧吸引，而移動 到陰極。再和經由外電路到達此處之電子還原形成水分 子，因此此燃料電池的唯一生成物是水，腐蝕問題相當小，

同時其操作溫度介於 80 至 100℃之間，安全上之顧慮較 低。然而，最大的缺點即為觸媒白金價格昂貴，成本太高。

目前已有利用PEMFC 運用在汽車工業的技術與商品。

圖2.6. 質子交換膜燃料電池之簡易示意圖【6】。

2.2.5 低溫型燃料電池：鹼性燃料電池(AFC)

鹼性燃料電池之陽極為氫氣氣體擴散電極，陰極為氧氣 氣體擴散電極，其電解質為氫氧化鉀鹼性溶液。氧氣的還 原反應速率，比起酸性電解液，在鹼性電解質環境中更為 迅速，另外在鹼性溶液下，金屬的腐蝕速度也較酸性溶液 下大幅降低，因此可以使用非白金系統的觸媒來降低成 本，為其最大的優勢。其操作溫度約70℃，屬於低溫型燃 料電池，而其能量轉換速率也是所有電池中最高的(高達 55~60%)。鹼性燃料電池早期應用在美國、蘇聯等國家的太

空計畫中，且成功完成任務，是燃料電池在發展初期首先 受到注目的研究。

圖2.7. 鹼性燃料電池之簡易示意圖【7】。