能源新利用

能源新利用技術在運用創新的科技，將初級能源轉換達成高效率、低污染之能源。藉由能源新 利用的技術可提高能源供應及使用系統的可靠度(reliability)、安全性(Security)和效率(Efficiency)。創 新技術研發目前多由工業技術研究院及核能研究所投入較多，業界近年來在定置型燃料電池與電動 車電池亦開始有部分產品開發【174】。

能源新利用的領域，分為燃料電池、氫能源、電動車輛（含儲能電池）等三主題。燃料電池，

規劃從發展質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池與固態氧化物燃料電池積極切入，以利在國際 競爭中占有一席重要地位。氫能的技術發展以氫氣的生產及儲存技術為重點，預計在 2015 年內完 成開發與產品上市，以開啟氫能產業。電動車輛則依序從油電混合車(鎳氫電池)H E V、油電混合車 (鋰電池)H E V、插電式油電混合車 PHEV，往純電動車 PEV 發展；在儲能電池方面，技術發展策略 將以開發低成本、高功率及高安全性的鋰離子電池電極材料為手段，加速發展高性能電池的應用特 性，並配合電池模組化之系統發展，開發電動車用高能量、高安全方型鋰離子動力電池【174】。

1. 燃料電池

燃料電池的發電原理是氫氣與氧氣藉電化學的方式結合，產生水、熱與電，陽極側是燃料端，

可以使用氫氣或天然氣、甲醇等含有較高氫分子的化石燃料或是經由重組產生富氫氣體燃料，亦可 由再生能源經轉換成為氫氣燃料使用【91】。

燃料電池依據使用的電解質種類可以區分為六種類型：鹼性(alkaline fuel cell；AFC)、質子交換 膜(proton exchange membrane fuelcell；PEMFC)、磷酸(phosphoric acid fuel cell；PAFC)、熔融碳酸鹽 (moltencarbonate fuel cell；MCFC)、固態氧化物(solid oxide fuel cell；SOFC)與直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell；DMFC)，而國內以質子交換膜、固態氧化物與直接甲醇燃料電池為主要得走向

【90】，未來發展的規劃詳如下圖所示。

圖24. 國內外質子交換膜燃料電池發展時程圖

資料來源：工研院與經濟部整理

圖25. 國內固態氧化物燃料電池發展時程圖

資料來源：工研院與經濟部整理

圖26. 直接甲醇燃料電池(DMFC)技術發展時程圖

資料來源：工研院與經濟部整理

2. 氫能源

氫能源基礎設施技術可分類為產氫與儲氫二大類，在燃料電池車輛的應用方面，目前主要技術 困難是產氫與儲氫成本高，車載儲氫系統儲氫量不足，同時氫能生產轉換效率偏低。氫能基礎設施 技術在定置型應用主要有重組產氫器以及化學儲氫與金屬儲氫罐等(備用電力或堆高機儲氫)；同樣 地，降低成本與提高產氫轉換效率是最重要的課題。部分氫能基礎設施技術近年來出現長足進步，

也逐漸接近商業實用化，但是要全面建設氫能基礎設施，實現氫能經濟，仍然有許多重大技術障礙 必須克服【217】。

在能源效益方面，主要是因為氫能源來源多樣化，不必過於依賴單一來源，可減少能源安全的 風險，且由再生能源製備氫氣時，在使用時只排放水，減少溫室氣體與空氣污染排放。而氫氣透過 燃料電池發電，包含熱回收的整體能源效率可達 70％以上，高出傳統的能源使用效率約 20~30%，

而掌握了氫能技術，則可使目前高達 98％的能源依賴進口的我國，有效提高能源自主，並且提升國 防安全【174】。

在產業效益方面，氫能生產可搭配國內現有再生能源產業，進而提升台灣能源產業的版圖；而 在產氫、儲氫和氫能應用商品的開發上，可結合台灣目前既有的 3C 與 I T 產業基礎，引導台灣製造 業往高附加價值的能源產業升級，氫能的開發與利用，對我國帶來的效益可分為能源效益與產業效 益，如下圖所示。

圖27. 我國進行氫能開發與利用的效益圖

資料來源：經濟部

2.1 氫能源與燃料電池相關文獻 2.1.1 氫能源與燃料電池簡介

全球生態氣候變遷的問題及世界各國對石油儲量有限和能源安全等問題的高度關注，除了再生 能源是重點產業之外，氫能源的開發與使用即是世界各國關注的焦點並且投資龐大資源研發，才能 在第一時間掌握開創知識經濟的先機(王智薇，2007)，這項全球性的問題也應當影響到我國經濟發 展指標，早期我國燃料電池研究計畫的規模與人數都有相當大的限制因素，只著重於瞭解國外先進 強國技術的發展動態以及培養基礎技術能力和人才(王智薇，2006)，西元2000年開始，擴展燃料電 池研發的規模成為能源委員會最大的課題之一，工研院及我國大學也開始研究及開發相關材料與基 礎技術(王智薇，2006)。不過我國的能源相關議題仍面臨許多挑戰，例如未來是否能使用氫氣做為 能源開發、氫能源是否影響我國能源安全、空氣品質和溫室氣體排放廢氣等問題，不過氫能源還是 具有許多優點，因此積極開發氫能源對我國而言在能源安全的指標有非常重大意義，如下表(王智 薇，2006)。

表25. 氫能源發展指標表

氫能源優點 我國氫能源發展指標

石化能源、核能及再生能源都可取得氫氣 增加能源選擇機會，減少能源供應中斷的不確定 性

氫能源可以產生幾乎沒有污染排放的電力 利用氫氣來源取得的廣泛性來達成能源在國內各 區域自給自足的目標

核能、再生能源產氫時幾乎完全沒有溫室氣體排 放等問題

氫能源供應效率高並且對生態環境良好，提供電 力時尚可以維持空氣品質

氫能源可應用於現有經濟體系之產業，涵蓋建 築、工業、電力與運輸等

改變過去能源需求97%以上來自口，建立新市場 加強台灣產業的競爭力

資料來源:王智薇，2006

燃料電池(fuel cell)是種使燃料的化學能量經過電化學反應後轉換成電能的裝置(楊志忠等，

燃料電池發展起源追溯至西元1839年，其原理首先由德國科學家尚(Christian Friedrich Schönbein) 在當年發表於一篇期刊文章中(Wand,2006)，同年由威廉．羅伯特．葛羅夫爵(SirWilliam Robert Grove) 發明，稀釋的硫酸當做液態電解質為該系統操作核心，成功產生電能(Grove,1842)，隨之各國開始紛

4甲醇進料燃料電池(direct methanol fuel cell, DMFC)結構可分成三個基本構件，陽極；甲醇由此區進入電池，陰極;空氣 由此區進入電池，及介於陰陽電極間做為傳導質子的電解質膜層。電池的氧化還原反應及反應物與生成物的傳輸發生在 陰、陽電極區域，甲醇與水混合成的甲醇水溶液由陽極端進入至陽極的觸媒層，在陽極進行氧化半反應，在此氧化反應 中，甲醇分子與水分子會產生 6 個電子與 6 個氫離子，電子藉由外部導線傳導至陰極，而氫離子會藉由中間的高分子聚 合物電解質薄膜傳導至陰極，並在陰極觸媒層中與陽極傳導至陰極的電子及空氣中的氧發生還原半反應，產生水與熱，

DMFC 可分為四個主要結構組件：膜電極模組(membrane electrode assembly),墊片(gasket)，流道板(flow-filed plate)，集 電板(collector plates)(Tiwar et.al,2008)。

表27. 2004~2016 年美國氫能技術開發與燃料電池應用規劃表

資料來源: USDOE,2004、王智薇，2006

2.1.3 氫能源特性

物電池」等三大類，又可以分為「一次電池」與「二次電池」，「一次電池」顧名思義為使用過後

2.1.5 氫能源與燃料電池市場現況與未來趨勢

國際間氫能源與燃料電池產品發展現況及市場趨勢主要為運輸載具、小型定置型發電系統、可 攜式電源等主要方向(左峻德、張行直，2008)，國際汽車大廠投入燃料電池汽車之主要研發廠商以 垂直整合方式掌握燃料電池汽車產業之價值鏈，以量產燃料電池汽車來將低燃料電池成本，並帶動 燃料電池應用運輸在具方面的市場規模，至於目前世界小型定置型燃料電池之技術型態，以質子交 換膜燃料電池⁵為主(左峻德、張行直，2008)，發電設備可以依據發電能量的強弱分為，大型發電廠、

家庭用燃料電池發電設備、移動式備用電源等類型，可攜式電源在目前產品應用上還能尋求儲存電 能增加的方式，未來還有相當大的創新發展和獲利的空間(李慧萍，2009)。而從我國燃料電池的組 成分為上游的原材料，中游的電池組件，以及下游的燃料電池應用，再加上周邊產品而共同組成燃 料電池產業(左峻德、林祐民，2010)。

表31. 燃料電池製造業分類表

上游原材料

質子交換膜 膜電極組(MEA)

觸媒

氣體擴散層(Gas Diffusion Layer,GDL) 雙極版

中游燃料電池組件 燃料電池組

重組器

下游燃料電池應用

燃料電池系統 定置型發電機 各式運輸工具 可攜式電子產品 資料來源: 左峻德、林祐民，2010

表32. 全球燃料電池系統市場規模概況表

單位:億日圓

2009 年 2011 年 2025 年

產業用途 8 359 7.341

家庭用途 146 159 11.190

燃料電池汽車 6 3 19.106

其他運輸車輛 0 59 2.199

可移動式電源 0.13 119 1.696

可攜式電子產品 2.1 0 311

合計 163 699 51.843

資料來源：楊家豪，2013

5 質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)，又稱固體高分子電解質燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells)，是一種以含氫燃料與空氣作用產生電力與熱力的燃料電池，運作溫度在 50℃ 至 100

℃，無需加壓或減壓，以高分子質子交換膜為傳導媒介，沒有任何化學液體，發電後產生純水和熱。燃料電池中，質子 交換膜燃料電池相對低溫與常壓的特性，加上對人體無化學危險、對環境無害，適合應用在日常生活，所以被發展應用 在運輸動力型(Transport)、現場型(tationary)與攜帶型(Portable)等機組(維基百科)。

南亞電路板

表33. 各國燃料電池發展計畫表

Freedom CAR 計劃/氫燃

料動議 投入17億美金發展氫燃料電池基礎設施及先進汽車技術

歐盟 到2015年投入28億歐元發展氫能技術;到2007年5億歐 元;2007年至2012年期間12億歐元

全球眾多新興的電動車公司亦陸續加入市場，而不侷限在大車廠，美國、日本、德國、中國等政府 已陸續提供高額補助及研發計畫在電池系統研發、電動車輛運行及前瞻研究上，全球零廢氣排放電 動車輛市場發展可謂隱然形成【174,113】。

在燃料電池電動車(FCEV)發展上，其幾乎無廢氣排放污染及氫燃料可取之於石油之外之其他能

在燃料電池電動車(FCEV)發展上，其幾乎無廢氣排放污染及氫燃料可取之於石油之外之其他能