特殊燃料電池

目前燃料電池科技已由多種技術所組成的領域。燃料電池可依 據電解質及燃料分類的不同而加以區分燃料電池的類型。

2.4.1

鋅空氣燃料電池 (Zinc-Air Fuel Cells)

鋅-空氣燃料電池，簡稱 ZAFC，是所有燃料電池中真正像電池的，

因為它有個充電過程。ZAFC 含有一個鋅質陽極、一個稱為氣體擴散 電極(gas diffusion electrode, GDE)的陰極，彼此之間由電解質來 區隔；鋅金屬其實是燃料，空氣中的氧氣仍是氧化劑。

GDE 是一種隔膜，其作用是只讓空氣中的氧氣透析過去。當氧與 水在陰極形成氫氧基離子(OH-)後，OH 離子便可經由電解質游向鋅質 陽極，並與鋅發生氧化反應，形成氧化鋅及水，反應式如下。這種過 程可產生電動勢(電壓)，數個 ZAFC 串接在一起便能產生電力。

陰極 1/2O² + H²O + 2e– → 2OH–

陽極 Zn + 2OH– → ZnO + H²O + 2e–

雖然 ZAFC 的反應過程與鹼性燃料電池類似，但燃料的使用方法 確是迥異，表現出電池的特色。燃料鋅金屬一般以顆粒體儲存於「燃

料槽」中，並作為陽極。ZAFC 還有一個鋅再生機，自動地將氧化鋅 還原為鋅。在這個閉迴路系統中，當鋅發生氧化反應時，ZAFC 可輸 出電能；當鋅耗盡時，系統可設計成自動連接至外部電路，將反應逆 轉，把氧化鋅再生成鋅金屬顆粒。再將反應逆轉便可重新提供電力，

其過程即類似電池須再充電的作法。

另一方面 ZAFC 具有高比能量(specific energy)的特點，表示其 單位重量所能提供的電能高於一般的充電電池。ZAFC 用於電動車輛，

在市場上已證明確比配備充電電池的同重量車輛具有更長的續航力。

2.4.2

再生式燃料電池 (Regenerative Fuel Cells)

再生性燃料電池是一種新奇的閉迴路循環的發電裝置。將水電解 技術(電能+2H2O→2H2+O2)與氫氧燃料電池技術(2H2+O2→H20+電能) 相結合。利用太陽能或風力等自然能量所產生的電能將水予以電解，

產生氫氣與氧氣。氫與氧再輸送至燃料電池，便可產生電能、熱能及 水；水可再重新循環至電解機中，產生氫燃料，周而復始。

水電解效率與燃料電池性能的優劣決定於氧氣電極中的觸媒組 成，僅需低耗能即可將水電解成氧與氫，又兼具高效率地將氧氣轉化 為電能的雙重角色。目前該技術承襲傳統燃料電池與水電解的電極，

採用白金與氧化銥（IrO²）而構成的複合材料 Pt/ IrO² ，因材料昂貴 而使得整體造價不斐。

2.4.3

質子性陶瓷燃料電池 (Protonic Ceramic Fuel Cells)

PCFC 是一種新型的燃料電池，以採用具有質子傳導性的陶瓷材 料為電解質，如 BaCeO3 等固態電解質。這種陶瓷材料在高溫下便能 展現良好的質子傳導率。如同融熔碳酸鹽型及固態氧化物型燃料電 池，操作溫度一般在 700℃左右。它既分享了高操作溫度之熱力學及 動力學方面的優勢，又同時擁有質子交換聚合物電解質(PEM)及磷酸 電解質(PAFC)等質子性傳導的優點。

高溫條件對於碳氫類燃料而言，是使它們能產出較高電能轉換效 率的必要條件。PCFC 在高溫下可將化石燃料以電化學作用直接在陽 極氧化，如此省卻了費用高昂的萃取氫氣之轉化製程。其反應方式類 似於直接甲醇燃料電池：碳氫燃料分子與水蒸汽被吸附於陽極表面 後，氫原子迅速被萃出並解離成質子及電子，亦生成二氧化碳；質子 經陶瓷電解質輸送至陰極與氧及電子結合生成水，電子流經外部電路 便產生電力。由於陶瓷電解質為固體，故沒有 PEM 電解質須濕潤及 PAFC 怕漏酸的問題。

2.4.4

氫燃料電池

太空任務中使用的發電裝置，是一種能源直接轉換裝置，將化石燃料 中的碳氫化合物化學能，經由觸媒及電催化的反應機制，直接轉換成 電能。它是未來最優越的發電技術之一，不僅發電效率高，對環境的 污染亦相當輕微。

第三章 燃料電池應用與發展