第一章 緒論
1.3 燃料電池的應用
燃料電池的開發，最初是以運用於大型集中式發電裝置為主要重 點，但目前現場型、家用型發電機組之實用化與商業化，有後來居上 的傾向。適合裝設此種發電機組之場所，舉例而言，如一般住宅、旅 館、醫院、商店、辦公大樓、公寓、工廠等等，以供應全部或特定電 力需求。家用型燃料電池機組可以替代或補充一般電網提供之電力，
適合一般住宅、小型商用設備（譬如：冷凍櫃）及工業設施（譬如：
臨時工程用電）。一般而言，家用型燃料電池機組包括三部分如圖 1-2；第一部分是燃料處理器（Fuel processor），內含燃料電池重組器
（Fuel reformer）和一氧化碳清理器，燃料可用天然氣、甲醇等含氫 氣成份較高之燃料，經過重組後產生氫氣。一氧化碳清理器則是減低 一氧化碳之濃度（降至50ppm 以下），防止白金觸媒(Platinum catalyst ) 產生中毒現象。第二部分是質子交換模燃料電池組，主要是利用電化 學原理產生電力。第三部份是電力整流裝置（Power conditioner），即 將燃料電池產生之低電壓直流電轉換成高電壓交流電，方便電力之使 用。
1.3.1 燃料種類
燃料電池以氫作為燃料，其來源包含從水之電解取得，以及可從 甲醇、乙醇、天然氣、汽油、柴油、煤油、煤等含氫能源，利用「燃 料重組器」來分離出氫氣，因此現有燃料電池之燃料來源非常多樣，
甚至還有用生物能或垃圾掩埋場、廢水處理場產生的沼氣（甲烷）來 重組氫。
用水電解取氫的方法大都是先利用太陽能、風力或其他可再生能
源來發電，再用其電能來電解水。此種方法從純粹的能源利用觀點來 看，雖然不具任何效益，不過在沙漠、離島等偏遠地區為儲存光能、
風力，還是有其一定的作用。以下介紹各種燃料的特性如表1-1：
氫：平常為無色無味無臭的氣體，質氫、能源密度小，儲存、運 送不便，且具爆炸的危險性，不需重組器就可和空氣直接進行發電反 應。甲醇（Methanol）：有機，有毒，可燃性無色液體，沸點64.5℃，
溶於水或酒精等，化學式為 CH3OH，石化業的中游原料，可用天然 氣為原料所產生的 CO 和由 H2 構成的合成氣體在觸媒的觸發作用 下，精製而成。戴姆勒和福特汽車等公司看好這種燃料，不過需要加 300℃以上的水蒸氣來使其產生反應，所以裝置就很難縮小。且具毒 性與腐蝕性，搬運與保管需要小心等缺點。汽油：揮發性的可燃性液 體，由含C5~C10的碳化氫組成。Royal Dutch Shell 與美國 Exxon Mobil 等石油公司主張採用此一燃料，因為可以利用現有供應設施，不過要 從其中取出氫比甲醇更為困難，一般需要900℃的水蒸氣，因此加溫 到能讓車子開始走動需要花十分鐘的時間。GM 嘗試以此為燃料，正 研究設法降低啟動速度，又豐田、日產與雷諾等也加重這方面的研 究。甲烷（Methane）：有機，無臭無味無色氣體，較空氣輕，化學 式為CH4。天然氣中含有大量此物質，天然氣從採取到液化的過程，
必須先除去塵埃、硫磺、碳酸氣和水分等雜質，因此 LPG 要比汽、
煤油乾淨。從甲烷取出氫和汽油一樣困難，故家庭或辦公室的自備發 電機雖可利用現有的天然氣供應網，但用在汽車就有困難了。環己 烷：芳香族碳氫化合物，不用水蒸氣就可以用較低溫度取出氫，可利 用和汽油一樣的供應設備，不過具毒性。
1.3.2 燃料電池的關鍵技術
燃料電池的關鍵技術有：燃料儲存技術、燃料重組器、電解質材 料、觸媒技術、隔離版、反相器、起動技術（起動時間從一小時到半 小時縮短為一分鐘）、防凍技術、系統控制、熱交換系統、溫溼度控 制、空壓器、燃料多樣與廢熱利用等。
（一） 燃料儲存技術
燃料電池若要使用純氫時，雖然可不需燃料重組，但卻需考慮氫 氣的的供給方式。目前已知的氫氣儲存方式有高壓氫筒、液化氫和儲 氫合金等。
高壓氫筒普通使用150 氣壓，儲存同量的氫氣容積要較其他方式 大上許多，重量同時也隨之增加，若提高氣壓以增加儲存量，危險性 則又跟著提升。液化氫的儲氫量雖較高壓氫筒大上六倍，但溫度需降 到負253℃，並需要花費能源與隔熱、冷卻容器，不適用於一般家庭 與車輛，且具爆炸性。
儲氫合金是用鑭、鈰、釔、鋰、鈦、鋯、鎂等稀有吸氫金屬和鐵、
鈷、鎳、鋁、銅、錳等幾乎不吸氫金屬構成，儲氫量介於前兩者之間，
使用的氣壓低，安全性也就提高。問題是成本高、重量重，儲氫量達 不到理想標準，因此各國的科學家都在積極開發新配方，以提高氫的 重量儲存比。
此外新的儲氫材料開發方向，目前正朝石墨與碳奈米材料發展，
此外，含氫溶液的新研發最近也有大突破，以日本工學院大學須田精 二郎教授為首的集團開發出氟化氫溶液，含氫量高達10﹪左右，不 僅容易分離出氫，且可重複使用。
（二） 燃料重組技術：
從天然氣或其他油品重組氫需經脫硫、重組、CO 轉換、CO 去 除等手續才能取得純淨的氫、重組的方式有水蒸氣重組法（Steam reformer）、部分氧化法（Partial oxidation reactor）等。
水蒸氣重組法由將水和燃料蒸發的氧化器、執行重組的重組器、
供應熱能給氧化器和重組器的觸媒燃燒器，以及在轉換反應時降低 CO 濃度的 CO 選擇氧化器等構成，其開發重點在簡單、耐用、小型 與低成本化等，而關鍵技術在觸媒的開發與系統的整合。大阪瓦斯是 這方面的技術領導者，其開發的觸媒去硫技術能降到現有的千分之一 左右，達十億分之一（1ppb）以下。
部分氧化法由美國業者所開發，方式是一面燃燒甲醇，一面重組 氫，熱效率較前法差，且溫度高達800℃，所以不能採用輕質的鋁材 料。不過直接燃燒甲醇的發熱和重組吸熱能夠平衡運作，因此具有能 迅速因應起動和負載變化的優點。
（三） 電解質材料技術
電解質是左右燃料電池性能的關鍵材料，最接近實用化的固體高 分子燃料電池所用的離子交換膜，目前是以杜邦開發的磺酸類氟膜
（Nafion 膜）為主，供應商有杜邦、W.L. Gore Associates、旭化成和 旭硝子等。離子交換膜主要注重的是使用強度，燃料電池用的交換膜 為增加離子的傳導性，除注重強度外，更注意膜厚，各家業者都正試 製更薄的產品，目前Core 開發的新產品有 10~20 微米厚的膜。另外，
Nafion 膜使用溫度限制在 80~90℃，耐溫性差、壽命短，發電效率無 法大幅提高，因此許多研究機構正研發高溫用替代薄膜。日本積水化 學 與 產 業 技 術 總 研 等 已 開 發 出 以 辛 烷 和 己 烷 為 原 料 的 耐 熱 膜
（350℃），若能商品化，不僅可提升發電效率與廢熱的使用，而且可 直接燃燒分離氫時產生的 CO，減少觸媒的中毒。另外以陶瓷或玻璃
薄膜取代高分子薄膜的下一代技術也正由西門子西屋、BMW 和日本 學者分別開發中，加熱溫度需達 1000℃，發電效率雖高達 60%，但 需採用昂貴的耐熱材料。若能降低加熱溫度到600℃左右，則商業化 的可能性將大幅提高。