第一章 前言
1.1 計畫背景
質子交換膜燃料電池(簡稱 PEMFC)具有高效率、低污染、低噪音、可模組化、可於 低溫快速啟動、並可於室溫達到高功率電流密度輸出等特性，所以被視為下一代移動式 能源的最佳選擇。由於燃料電池發電主體不含迴轉機件，產生的噪音低。可因應負載需 要而變化電池組個數，可利用串聯及並聯等方式，組合成小至數瓦、大至數百萬瓦的電 池模組。可於低溫時快速啟動，並迅速達到穩定輸出，操作溫度處於70~80℃符合各式 能源的須求。
質子交換膜燃料電池的生成物是水，幾乎可說是無污染，而且發電主體不含迴轉 機件，產生的噪音低，並且可因應負載需要而變化電池組個數與聯結方式，小至1 瓦以 下、大至數百千瓦皆可用 PEM 單電池加以組合並模組化，不管在體積、價格、維修方 面皆優於其他種燃料電池，質子交換膜燃料電池於低溫時啟動快速，可迅速達到穩定輸 出，操作溫度低符合移動式能源供應器的操作要求。
質子交換膜燃料電池根據燃料供應方式一般可分為三類：第一類以純氫氣為燃料，
簡稱HFC；第二類利用甲醇水溶液為燃料，一般簡稱 DMFC；第三類利用含氫物質為燃 料，但燃料需先經重組器將其轉換成含氫氣的混合氣，再進入電池組反應。
國際間當前主要的研發動向有；製程改良、新型膜材開發、新型觸媒研發、燃料處 理與儲存技術、燃料重組器的改良、薄膜的水管理、流道設計與冷卻技術、雙極板的研 發、多電池組裝最佳化等技術，而最後四項技術一直為本燃料電池研究室的研發重點。
過去5 年多來本研究室由單電池到電池組的研製及其性能最佳化研究工作一直不曾中斷，
此期間發現燃料電池輸出功率受設計條件、製作及組裝條件、及操作條件等因素的影 響。設計條件，如流道的形式及進氣口的大小等；製作及組裝條件，例如電池組組裝時 的結合壓力及電池數；實驗操作時的環境條件，如大家熟知的加溼、加壓、氧化劑種類 及進氣方式等，以上皆會影響整體性能及操作穩定性。推廣燃料電池應用方面，在設計、
組裝、及操作等方面皆可經由一系列研究測試來克服，但其中以雙極板因厚重與製作困 難及成本高最難以克服，對燃料電池商品化形成極大阻力。因此重量輕、成本低、性能 佳的雙極板開發實為刻不容緩的工作，本計畫主要即在解決此問題。
傳統能源轉換方式的限制與問題很多，茲僅舉運輸工具為例：
內燃機的問題：
1. 環境污染：
易產生破壞環境之污染物，例如CO ，CO2 ，CxHy 及 NOx 等。除此尚有引擎運轉 時之噪音污染，亦為都市地區急待克服之問題。
2. 效率低：
傳統之熱引擎由於燃燒損失、熱傳損失、排氣損失及摩擦損失等多種損失之先天限 制，有效能量轉換汽油引擎低於22%及柴油引擎低於 25%。
3. 溫室效應：
燃燒產生之二氧化碳所造成的溫室效應持續改變地球氣候，進而影響生態之平衡，
南極及北極之融冰現象如不加以抑制，大部份陸地將被淹沒，各種潛在的危機及影 響急需吾人加以正視。
蓄電池的問題：
1. 電池可儲能量有限，行車距離不長，而充電耗時與用車人習慣不符：
以最普遍的鉛酸電池為例，其能量密度現在是35 wh/kg，而理論最大值為 170 wh/kg，
可知進步空間有限，比起汽油的12,300 wh/kg，充分顯現其能有所突破的困難度。
其他積極發展中之各式電池的能量密度亦相當有限，但是價格更高。
2. 電池壽命有限，成本高：
以鉛酸電池為例，每充放電300 至 500 次，便須加以淘汰。以機車而言，等於每兩 年便須耗資近萬元更換電池，成本相當高。
3. 環境污染：
效率只在60 至 80%之間，因此只是將污染問題轉移而非解決。
經過多年的努力，業界對蓄電池的種種限制，皆已有不易突破的認知，蓄電池僅是 過渡階段的工具而已。那麼未來的電能提供者是甚麼呢？我們認為那就是燃料電池了！
燃料電池的種類
目前燃料電池種類有鹼性(AFC)、質子交換膜(PEMFC)、磷酸(PAFC)、熔融碳酸鹽 (MCFC)及固態氧化物(SOFC)等五種，各種燃料電池基本特性比較與反應原理如表 1.1 與圖1.1 所示，其中鹼性燃料電池早期運用於太空計畫，而發電廠則以磷酸燃料電池發 電技術最為成熟，不過以固態氧化物燃料電池為主的離散型電廠發展最快，主要是因價 錢較低、效率較高，且直接以天然氣為燃料，污染程度相對較低。在交通運輸及可攜式 能源方面，主要以質子交換膜燃料電池為主。
質子交換膜燃料電池簡稱PEMFC，根據燃料供應方式一般可分為三類：第一類以 純氫氣為燃料簡稱HFC；第二類利用甲醇水溶液為燃料，可直接進入 MEA 反應，一般 簡稱DMFC；第三類利用含氫燃料，但燃料需先經重組器將其轉換成含氫氣混合物，再 進入電池組反應，表1.1 的 PEMFC 為第一及第二兩類。HFC 具有高效率、低污染及高 機動性的特點，DMFC 則具有可攜帶的優點，目前三種 PEMFC 全球都全力開發中。
燃料電池的優越性
茲將燃料電池的優點摘列如下：
1. 燃料電池使用蘊藏量豐富的氫作為燃料，產生的是水，沒有燃燒過程，完全無污染，
即使考慮重組器生產氫時所造成的污染其量亦甚低。由於效率高，相同動力輸出下，
CO2生成量比內燃機少40~60%，故溫室效應相對較低。
2. 質子交換膜燃料電池直接將燃料化學能轉換成電能，能源利用率高達 40~60%，實際 應用於交通載具上的系統最高約可達 43%，為傳統內燃機的 2 倍之多。如配合廢熱 回收，有些發電用高溫燃料電池甚至可高達85%之效率。相較於汽油引擎~22%，柴 油引擎~25%，火力發電廠~40%等皆高。
3. 設計簡單，可攜性佳，應用廣，操作溫度低(70~80℃)，壽命長，使用無污染非腐蝕 性固態電解質等。
4. 能量儲存在裝置於電池外部的燃料中。補充燃料，使用重組器時，可如現行的「加 油」一般。使用純氫燃料時，如機車可以罐裝方式於便利商店及傳統加油站內販售，
可保存現有的系統與習慣。
5. 質子交換膜燃料電池的功率密度高，有良好的暫態響應，能隨著負載的變化而改變其 輸出，是最適合用於巴士及汽、機車上的燃料電池。
6. 在以發電為主要目標的應用上，則有安靜、低污染(可設置於都市內，節省配電的成 本)、模組化(建廠時間短)等額外的優點。
燃料電池國內外研究現況
國外研發燃料電池的歷史相當久遠，首先在1839 由 Sir William Grove 所發明，在 1960 年代被美國應用於 Gemini 和 Apollo 等太空任務，近來更應用於太空梭之所有電力 供應。但由於早期燃料電池啟動時間長，對於車輛加速、減速、體積小、重量輕等要求 不易滿足，故早期多侷限於靜態之應用上。近年由於製作材料及其成本上的突破，加上 新發展的質子交換膜燃料電池在暫態性能上有相當表現，於是吸引了廣泛的注意，許多 國外燃料電池廠如Ballard Power、International Fuel Cells、H Power 及 Allied Signal 等已 積極介入開發，預料會有更多的燃料電池廠投入研發的工作。世界上各主要車廠在這幾 年來都相繼著手於燃料電池車輛的研發。各3C 電子公司如 Motolora, Casio, HP 等許多 公司皆積極加入研發及產品開發等工作。
國內對於燃料電池的研究，最早有台電與工研院能資所在1988 年進行了一個燃料 電池的 5 年計畫，購買了一座小型發電用的磷酸燃料電池，於 1995 年安裝完成，但磷 酸燃料電池是較早發展的燃料電池，並不適用於車輛及 3C 用電池。最近工研院能資所 及材料所也開始進行(1~3 kW)功率氫燃料質子交換膜燃料電池的元件及系統開發。臺灣 經濟研究院與亞太科技合作由國外引入2 KW PEMFC，並於 2000 年 11 月 Fuel Cell 2000
發表一款原型摩托車ZES I，雖性能不如預期，但畢竟為一好的開始，2001 年更發表另 一款改良型摩托車ZES II。除工研院能資所，材料所及機械所等數研究構，國內各大學 及產業界也已加入產品開發工作，相信不久國內燃料電池的技術必將更趨成熟。