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1-3 燃料電池的發展史
燃料電池的原理是德國的科學家 Christian Friedrich Schonbein 在 1838 年發 現的，並於哲學雜誌”Philosophical Magazine”上公開發表。基於這個基礎上，
在 1839 年有燃料電池之父之稱的威廉-葛洛夫爵士(Sir William Grove)便已發現將 水的電解反應作逆向操作可產生電能的現象[2]。操作方式是將兩條白金分別放入 (KOH)，是為培根電極，即為第一個鹼性燃料電池(alkaline fuel cell)。
到了 1950 年代末期，美國航空太空總署(NASA)為了太空探索任務又重新炒 熱了燃料電池的應用[1]。1955 年，GE(General Electric Company)公司的化學研究 員 W. Thomas Grubb 進一步設計以多苯乙烯的硫酸鹽離子交換膜為燃料電池的 電解質，三年後，GE 的另一位化學研究員 Leonard Niedrach，想出了將白金沉積 在膜上面，白金是氫氣進行氧化反應和氧氣進行還原反應必需的催化劑，這就是 有名的 Grubb-Niedrach 燃料電池。
20 世紀初，飛機製造商惠普(Pratt＆Whitney)公司著手對原來的鹼性電池設 計進行修改，試圖減輕重量，成功的開發出其壽命比 GE 的質子交換膜的壽命大 幅增長了許多，為(NASA)阿波羅太空梭提供這種燃料電池。在 1960 年代幾次的 太空任務中，燃料電池用於驅動登月探險車及供應太空人飲用水，均證明了它的 實用性。
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近年來，由於石化能源的危機與環保意識的抬頭，燃料電池的發展更是如雨 後春筍，不斷發展。例如：研發出第一輛以燃料電池為動力的車輛及多功能休閒 車等。在進入 21 世紀的各國，也積極的投入燃料電池的研究工作，希望能找到 成本低、效率高且環保之材料源。近年來，許多國家紛紛利用燃料電池之技術蓋 了發電廠，安裝了燃料電池在學校、醫院、工廠、大樓甚至住家進行供電或運轉。
由於燃料電池利用氫及氧的化學反應，產生電及水，不但完全無污染，也避免了 傳統電池充電耗時的問題，不但解決了環境汙染、氣候暖化...等問題，進而跳脫 能源的使用枷鎖，使其臻及能源的持續發展及永續經營，是目前本世紀新興的能 源技術之星。
圖 1- 1 Grove’s gaseous voltaic battery[3]
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B. 磷酸燃料電池 (PAFC：Phosphoric Acid Fuel Cell)
使用純磷酸做為電解質傳導陽離子與陰離子，操作溫度大約 160 ~ 220℃，屬 於「中溫型燃料電池」，陽極使用氫氣(H2)或其他含有氫原子的燃料，陰極使用 氧氣，金屬觸媒使用鉑、金、銀等貴重金屬或鎳、鈷、錳等過渡金屬，由於壽命 長、穩定性高，是第一個做為民生用途的燃料電池，但是啟動到穩定發電需要比 較長的時間，所以不適合做為備用發電機，能量轉換效率可達 40~50%。
C. 熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC：Molten Carbonate Fuel Cell)
使用多孔性陶瓷(氧化鋰鋁)做為電解質的載體，熔融狀態的鹼性碳酸鹽做為 電解質傳導陽離子與陰離子，操作溫度大約 600 ~ 800℃，屬於「高溫型燃料電 池」，陽極使用氫氣(H2)或其他含有氫原子的燃料，陰極使用氧氣，由於在高溫 下操作，化學反應可以自然發生，不需要使用貴重的金屬觸媒，所以價格較低，
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E. 質子交換膜燃料電池 (PEMFC：Proton Exchange Membrance Fuel Cell) 使用多孔性的質子交換膜來取代電解質傳導陽離子與陰離子，質子交換膜只含 有水份，由於不含強酸或強鹼所以沒有腐蝕的問題，操作溫度低於 100℃，屬於
「低溫型燃料電池」，陽極使用氫氣(H2)或其他含有氫原子的燃料，陰極使用氧 氣，金屬觸媒使用鉑、金、銀等貴重金屬或鎳、鈷、錳等過渡金屬，由於壽命長、
穩定性高、操作溫度低，可以廣泛應用在各種移動式車輛與電子產品上，能量轉 換效率可達 40~50%。PEMFC 的關鍵材料為質子交換膜，目前市場上效率最好的 質子交換膜是由美國杜邦公司所生產的 Nafion，主要的成份為「聚全氟磺酸」； 此外，日本的 Asahi Chemical 公司、美國的 Dow Chemical 公司也都有類似的產品，
由於質子交換膜的專利權掌握在少數公司手中，再加上貴重金屬觸媒的價格很 高，所以這種燃料電池難以普及。因此，發展非貴重金屬觸媒取代鉑金變成現在 燃料電池中重要課題，這也是本實驗所探討的部分。[1,4]
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1-4-2 燃料電池的特性
A. 低污染：燃料電池比一般發電方式更為清潔，若用氫氣作為燃料，其排放物 是可供飲用的水和可以利用的熱能。製取的過程中二氧化碳的排放量 比熱機過程減少 40%以上，可有效減緩地球的溫室效應。
B. 高效率：因為燃料電池直接將燃料中的化學能轉換成電能，並非產生大量廢 氣與廢熱而影響環境汙染。目前燃料電池實際的電能轉換效率大約在 40% ~ 60%之間；若將電池排放的廢熱回收再利用，則燃料能量的利 用率可達 80%以上。
C. 用途多：燃料電池所能提供的電力範圍廣泛(1W~1000MW)，因此可應用的產 品領域廣泛被使用。
D. 進料廣：對燃料電池而言：只要含有氫原子的化石能源如天然氣、石油、煤 炭等氣化產物，或是沼氣、酒精、甲醇等，都可作為燃料電池的能 源進料。因此，可以減緩能源的耗竭。
E. 免充電：一般電池係將能源貯藏於電池本體中，待用完後即需捨棄或重新充 電，以恢復電力。燃料電池的能源是由燃料中的化學能所提供，不含 在電池本體結構中，因此只要燃料源源不絕的供應，燃料電池便可以 不停的發電。
F. 噪音低：目前普遍採用的發電技術中，如：火力、水力、核能發電，主要裝 置採用大型渦輪機為主，在運轉過程噪音很大。相對低，燃料電池結 構簡單且無運轉機件，可以安靜地將燃料轉化為電能。[5]
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