第二章 文獻探討
第二節 燃料電池種類和特性
能源是人類日常生活中之所需，更是全世界各種動力與工業經濟的命脈。因此為期 望能留下一個優質環境以供後代子孫生長，在二十一世紀中各國所研發之各項新能源 中，最閃亮的新能源應是屬於燃料電池了。所具備之高效率及低污染之特性，不僅是最 符合時代之所需，也是最具有發展潛力之綠色能源裝置，在未來也是具有能源界舉足輕 重的地位（江文鉅、林永清，2006），我們根據燃料電池的起源、種類說明。
壹、燃料電池起源及應用
燃料電池是一種可以將燃料的化學能，透過電化學反應直接轉換成電能的發電裝 置。其發展的歷史從1839年開始，當時是由英國的一位法官威廉葛洛夫(William Grove) 在一項業餘的瓦斯電池實驗中，對兩個白金電極分別供給氫氣與氧氣，這時卻發現在兩 個電極之間產生了電壓以及電流，因而產生了燃料電池的發電原理，但是當時由於電極 材料不易取得的問題，因而使這項的發明在當時並未受到重視；經過不斷的研究1899年 能司特首度發現固態電解質的導電行為，並於1937年第一個陶瓷型燃料電池並由鮑爾與 葡來司首先示範成功(楊志忠、林頌恩、韋文誠，2003)；到了1959年英國人法蘭西斯培 根(Francis T. Bacon)製作出一個5kW的燃料電池組，其當時已經能夠推動電銲機、電鋸 及堆高機，使得這一項科技技術可以走出實驗室並被應用，而後1960年使用氫氧為燃料 的鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell；AFC)更於美國太空計畫中成功的應用在太空科技 上，成為了太空梭的電力供應系統，並因為燃料電池所產生的排出物是純水，所以也成 為太空人飲用水的維生系統。1970年代由於發生能源危機及1980年代環保意識的高漲，
燃料電池開始再度受到重視與發展，以提升能源的使用效率及減緩環境的負擔為首要。
1985年，歐盟結合歐洲各個國家從事燃料電池技術的開發與研究，而其中以德國最 為積極，除引進磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell；PAFC)試驗機組外，並發展 熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell；MCFC)、固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell；SOFC)、質子交換膜燃料電池等(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；
PEMFC)，尤其BENZ 車廠將燃料電池應用在車輛的動力上，使得燃料電池這項科技的 商業化進展更加的迅速。其他如Ansaldo和Internal Fuel Cells (IFC)公司結盟推廣磷酸型燃 料電池(PAFC)，以及義大利De Nora公司研製車用質子交換膜燃料電池(PEMFC)都已經
有了相當不錯的成績，到了2003 年全世界有總數超過1000家的企業及研究機構參與了 燃料電池的組件及系統的技術研發，2004年日本東芝推出了筆記型電腦用的直接甲醇燃 料電池(Direct Methanol Fuel Cell；DMFC)以作為可攜式的電池，而此型的燃料電池可以 提供比一般的鋰電池高出5倍的電量，如圖2.4。(江文鉅，林永清，2006)。
圖2.4 筆記型電腦用的直接甲醇燃料電池(DMFC) 資料來源：(江文鉅，林永清，2006)
在台灣，亞太公司在2004 Fuel cell seminar 展出4.5代燃料電池機車試乘，如圖2.5。
圖2.5 亞太公司燃料電池機車 資料來源：亞太公司
除了上述的應用之外，林坤讓，王奕仁(2006)提到燃料電池的氫來源廣泛，不僅 可從城市煤氣和天然氣中得到，也可透過太陽能、生物細菌分解農作物秸稈和有機廢 水中得到。燃料電池既適宜用於集中發電，建造大、中型電站和區域性分散電站，也 可用作各種規格的分散電源，其應用範圍依工作溫度及發電功率而不同，一般可分為 以下四種：
一、可攜式電子產品(Portable)：筆記型電腦、數位相機、手機、PDA等。
二、住宅發電(Residential)：住宅或備用電源。
三、運輸交通工具(Transportation)：汽車、巴士等。
四、大型發電(Stationary)：大樓發電、小型及大型發電廠。
功率在100W～10KW的電池偏向民用，是移動基站、分立電源、潛艇、電動自行車、
摩托車、遊艇及場地車等的較佳動力源；10KW~100KW電池是電動汽車的首選動力源，
是目前整個燃料電池產業發展的方向；100KW以上電池是特殊條件下電站動力源，如軍 用、偏遠地區等用途。將上述的應用範圍用圖表示，如圖2.6。
圖2.6 燃料電池應用範圍 資料來源：(張鴻喜，2008)
貳、燃料電池種類
在講燃料電池的種類之前，要先介紹電池的種類。石家瑋(2007)電池的種類繁多，
分別可依形狀、構造、尺寸、電壓、電容量、電解質的種類或供給方式、發電原理及能 不能再充電使用(化學反應是否為可逆)等方式加以分類，目前市場上常依放電後能否再 充電使用將其分為一次電池與二次電池兩大類。一次電池是最早被開發出來且商品化的 電池，唯近幾年來在全球節能與環保(綠色能源)訴求下，應用市場已迅速被小型二次電
池取代，目前主要使用在耗電量較小的可攜式電子產品上；而二次電池(包括鉛酸蓄電
就可源源不斷產生電力。(蕭德仁，2007)。
燃料電池的分類通常是以採用電解質之種類不同來區分，因此目前燃料電池依照其 所採用之電解質型態不同，大致可分為：（江文鉅、林永清，2006）
一、鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell；AFC)
鹼性燃料電池(AFC)以OH¯為導電離子，通常以氫氧化鉀(KOH)為電解質，發電 效率約70%，操作溫度小於100℃，但是鹼性電解質容易和空氣中的二氧化碳結合成 碳酸鹽，導致性能下降，甚至失去功用，所以只能使用純氧來當作氧化劑，而由於這 個限制，因此主要應用在太空科學方面。
二、磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell；PAFC)
磷酸型燃料電池(PAFC)以H為導電離子，通常以濃磷酸(H3PO4)為電解質，穩定 性高，發電效率約40%～45%，操作溫度150～210℃；為最早之商業化燃料電池，磷 酸型燃料電池使用碳化矽吸附高濃度磷酸為電解質並且以Pt/C 為觸媒，所以在電極 設計方面上，必須要防止磷酸洩漏、腐蝕，並且必須對一氧化碳(CO)濃度嚴格控管，
以防止白金觸媒中毒，適用於固定式能源供給系統、小型發電廠。
三、熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell；MCFC)
熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)以CO32¯為導電離子，通常以陶瓷材料吸附熔融態的 鹼金屬碳酸鹽(Li2CO3¯K3CO3)作為電解質，此鹽類在熔融狀態時，具有離子傳導功能，
所以其操作溫度約為600～700℃，是屬於高溫操作之燃料電池，在此高溫之下，即使 不使用昂貴的貴金屬作為觸媒，電極的化學反應仍然可以達到完全轉換，因此燃料的 選擇性多、效率高，發電效率約45%～60%，適用於2MW 以下之分散型電廠與集中 型電廠。
四、固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell；SOFC)
固態氧化物燃料電池(SOFC)是一種全固態結構之電解質的燃料電池，以O2¯為導 電離子，通常以氧化鋯(ZrO2)作為電解質，發電效率約50%～60%，操作溫度約為 1000℃，陽極與陰極之材料分別採用添加鎳－氫化鋯與鍶之鎂酸－氫化鋯之複合材 料。固態氧化物燃料電池的優點與熔融碳酸鹽燃料電池相近，適用於集中型電廠。
五、質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)
質子交換膜燃料電池(PEMFC)以H為導電離子，通常以全氟或部分氯化的磺酸 型質子交換膜作為電解質，又稱為高分子電解質燃料電池或固態高分子聚合物電解質 燃料電池，發電效率約40%～45%，操作溫度小於100℃，因此具有低溫操作、啟動 快速與高功率密度的特性，所以適用於移動式能源供給系統。其主要的架構為質子交 換薄膜與電極的組合，其中水與熱的管理及流道的設計對於質子交換膜燃料電池性能 影響甚鉅，也是開發設計中的關鍵技術；在質子交換薄膜方面，現今已有(DuPont Nafion)、(Dow)、(Asahi Aciplex)等以聚四氟乙烯(Polyterafluoroethylene；PTFE)為基 礎架構而研發出來的薄膜。另外，兩側的電極都是以鉑為主要的觸媒，將鉑分布在具 有導電性與高表面積的碳黑載體上，緊鄰氣體擴散層，該擴散層通常使用經過疏水處 理的碳布或碳紙，以避免反應後水分阻塞燃料或反應氣體的通道，導致降低其輸出性 能。近年來，質子交換膜燃料電池的設計主要應用在車輛運輸工具的電池組中，並且 已經陸續開發出原型機，被視為最具有發展潛力的燃料電池。
六、直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell；DMFC)
直接甲醇燃料電池(DMFC)，是以質子交換膜燃料電池為基礎，以直接供給液態 甲醇做為燃料的質子交換膜類型之燃料電池，兩者之間的差異，主要在於液態甲醇在 陽極進行氧化反應時，會釋出六個電子與氫離子並產生二氧化碳，而在反應的路徑中 亦會常常形成一氧化碳的衍生物，使鉑原子失去了觸媒活性，所以直接甲醇燃料電池 之陽極側使用了鉑釕(Pt-Ru)雙觸媒，以防止鉑觸媒因一氧化碳而毒化。另外，由於陽 極側未反應的液態甲醇易穿透質子交換膜到達陰極而造成燃料電池的性能下降，因此 在質子交換膜材料的選擇上亦有不同之處。直接甲醇燃料電池的優點為能量密度高、
燃料來源廣、安全性高、可長時間的供電以及簡便。因此，對於電子產品設計的限制 將大幅降低，可望成為電子產品的主要電力來源。
早 期 的 燃 料 電 池 其 燃 料 是 直 接 使 用 純 氫(Hydrogen) ， 而 助 燃 物 則 是 採 用 純 氧 (Oxygen)。後來陸續發展出的燃料電池，其燃料亦可直接使用天然氣、汽油、甲醇、柴 油、甲烷及氣化之煤炭氣體等碳氫化合物；而助燃物也可直接採用含氧氣的空氣。燃料 與助燃物皆儲存在燃料電池外部，然後被當成消耗品般地分別注入燃料電池中，以作為 電化學反應之反應物。(司洪濤、李春正、G. L. HUFFMAN)
根據以上的燃料電池分類，將它整理成表如下:
表2.4 各種燃料電池特性及優缺點比較
Pt-Ru/C Ni+10wt%Cr Ni+(ZrY)O2 Pt/C Pt-Ru/C
由於電池種類很多，茲將電池種類相關文獻彙整成表2.5 Methanol Fuel Cell；DMFC)以作為可攜式的電池，而此型的 燃料電池可以提供比一般的鋰電池高出5倍的電量。