從空氣中獲得新能源－金屬空氣燃料電池的介紹與
教學活動設計
陳韋志 國立台灣師範大學工業科技教育系 研究生 壹、前言 科技提供人類富裕舒適的生活，但卻也因為科技所帶來的環境汙染反而造成 了人類健康與生存的危害。近幾年來，由於二氧化碳的污染導致溫室效應日益嚴 重，且因溫室效應的影響以致於用電量與日遽增，進而造成能源不足的問題日趨 嚴重。目前人類最重要的能源就非石油莫屬，然而現今石油的存量逐漸在減少當 中，許多專家也預估可能在半世紀後會產生供應上的危機，也因此迫使人們必須 再度致力於尋找新的可利用能源，故此綠色能源的演進正在世界上形成一股風 潮。除了不會有燃料耗盡問題，亦不會產生輻射和二氧化碳等污染破壞自然環 境，或造成世界溫室效應的惡化的結果。在綠色能源中，太陽能與風力發電的應 用，以及各種再生能源和燃料電池的開發是目前各國致力發展的部分。但由於太 陽能發電能量轉換及應用上的效率，仍需一段時間作技術層面上的突破。而風力 發電則須考量地理因素，在執行上也或許會對生態造成部分的影響。因此在世界 各國開發新能源的過程當中，發現燃料電池是最適於投入發展的選擇（張雲朋， 2003）。燃料電池中作具代表性的就是氫氧燃料電池，但由於其成本為昂貴，且 體積普遍較大，因此在教學設計上會有成本的顧慮。而介於一次電池和燃料電池 之間的金屬空氣燃料電池，不但兼具燃料電池的優勢，並且也克服了燃料電池在 某些技術層面上的瓶頸，是目前比較能夠商業化的能源之一，其中最具代表性的 就是鋅空氣燃料電池。 本文將整理相關文獻，對金屬空氣燃料電池作一初步介紹，並嘗試設計一個 「金屬空氣燃料電池車」教學活動，透過此教學活動能幫助學生了解科技、科學 與環境的關係，並能了解金屬空氣燃料電池發電的原理、歷程、未來發展趨勢、 優缺點及影響，進而培養學生養成節約能源與珍惜資源的態度。也希冀此活動能提供生活科技教學課程更多元的教學學習內容。 貳、認識金屬空氣燃料電池 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）。 一、何謂燃料電池？ 電池的種類可以概分為化學電池與物理電池二種。其中化學電池又可分為 一次電池，如熱電池、固體電池、乾電池等，二次電池，如鉛酸蓄電池、鋰離 子電池等，及燃料電池。物理電池則可分為太陽能電池、熱起電力電池及原子 力電池等。燃料電池的特色在於正負兩極並無活性物質存在，而是透過外部系 統提供，所以只要持續由外部提供活性物質，電池就能夠持續不斷地放電。在 正極的部分，真正進行氧化反應的是空氣或氧氣，而在負極的部分，則是以氫 氣或煤氣等為主。此類電池又以氫氧燃料電池最具代表。從其名稱得知，氫氧 燃料電池所需要的燃料是「氫」氣，以貴金屬為材料的陰陽兩個電極，分別充 滿電解液，而陰陽電極之間是一種具有滲透性的薄膜所構成。若將氫氣導入燃 料電池的陽極，這時空氣中的氧氣則會由陰極進入了燃料電池裡，再經由催化 劑的作用，使得陽極中的氫原子分解成兩個氫質子（proton）與兩個電子 （electron），其中的質子被氧吸引到薄膜的另一邊，電子則會經由外電路形成 電流後到達了陰極，形成通路。 氫氧燃料電池早在一八三九年就發明了，直到一九六○年代在美國阿波羅 登月計畫中才用來發電，惟其成本極為昂貴，且體積普遍較大，所以要達到商 業化可能還需一段時間（張雲朋，2003）。 二、燃料電池科技之發展 燃料電池的發展從 1839 年開始，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，竟發現在兩個電極間產生了電壓以及電流，因而產生了燃料電池的 發電原理，但是由於當時電極材料取得不易，因而這項的發明當時並未受到重
視；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；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被實際應用，爾後 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。由於 1970 年 代發生能源危機及 1980 年代環保意識的高漲，燃料電池更再度受到重視與發 展，以提昇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，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。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）以做為可攜式的電池，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（楊志忠、林頌恩、韋文誠，2003）。 三、金屬空氣燃料電池。 雖說燃料電池發展的技術已經日趨進步，但其仍面臨許多技術或成本上問 題，如鹼性燃料電池（AFC）只能使用純氧來當作氧化劑，也由於這個限制， 基於成本及技術考量，因此大多應用在太空科學方面。磷酸型燃料電池（PAFC） 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，因此僅適用於固定式能源供給系統、小 型發電廠。而熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）與固態氧化物燃料電池（SOFC） 其操作溫度分別約為 600∼700℃與為 1000℃，是屬於高溫操作之燃料電池， 因此在使用上也有一定的危險存在。質子交換膜燃料電池（PEMFC）和直接 甲醇燃料電池（DMFC）雖說有安全性高、可長時間的供電以及簡便的益處。 但由於其基礎電極都是以鉑為主要的觸媒，在價格上也都較為昂貴。也正因為
如此，介於一次電池和燃料電池之間的金屬空氣電池，不但兼具燃料電池的優 勢，並且也克服了燃料電池在某些技術層面上的瓶頸，是目前比較能夠商業化 的能源之一。金屬燃料電池是以空氣中的氧氣作為電池中的氧化物，並且使用 金屬物質作為負極，這樣的結構在各種電池中是屬於具有高能量密度、長期保 存性及低成本特性的高性能電池。目前使用中的鋅空氣燃料電池、鎂空氣燃料 電池、鋁空氣燃料電池等都是常見的例子，其中又以「鋅空氣燃料電池」最具 代表性。 簡單地說，鋅空氣燃料電池是一個以空氣可以作為產生能源的電池。當空 氣中的氧進入電池中，在正極上參與電化學反應，在此過程中氧氣會被消耗， 所以必須不斷地從外部空氣中取得氧氣。而氧氣卻是自然界垂手可得的一種物 質，所以在能源的成本上可說是便宜的。另一部分反應的物質是金屬鋅，它參 與電池中的負極化學反應（如圖 1）。在反應過程中金屬鋅會氧化成氧化鋅， 並沈澱在電解液中。只需收集反應後的氧化鋅，並將氧化鋅電解還原成鋅，便 可再生再利用。 所以在鋅空氣燃料電池中，產生電能後消耗掉的僅是空氣中的氧氣和反應 後的一些水氣。在現今能源短缺的情況下，鋅空氣燃料電池所擁有的環保特 性，確實是解決能源問題的最好選擇。 圖 1 鋅空氣燃料電池的發電原理 資料來源：異能科技 http://www.evionyx-taiwan.com/product_view.asp?TPID=2 四、鋅空氣燃料電池的優點 鋅空氣燃料電池能源特性優異，有如下諸多特點︰ （一） 常溫常壓下即可操作，不需外在的壓力平衡設計。 負極（鋅極版）﹕
Zn+2OH- ZnO+H2O+2e- 正極（空氣極版）﹕ 1/2 O2+H2O +2e- 2OH-
（二） 目前鋅空氣燃料電池每單位重量所能產生的實際能量已超過現有 的鉛酸電池、鎳氫電池及鋰電池，且未來還有很大的發展空間。 （三） 自放電率低，若置於密閉空間中，放電率幾乎為零。 （四） 重量小、體積小、容量大、系統結構簡單。 （五） 鋅空氣燃料電池所需的反應物主要有鋅和空氣，皆屬低成本物質。 另外，鋅空氣燃料電池也具有良好的環保性，其產生電能後，產物主要有 二，即水氣與氧化鋅，這些物質經處理後皆可再使用，所以環保性是絕對受肯 定的。至於鋅空氣燃料電池的應用層面也很廣，舉凡 3C 產品、電動車輛或區 域發電機中均可見其蹤跡。 参、教學活動設計 經過以上的對金屬空氣燃料電池的介紹，接下來針對上述內容，將之設計成 為高中一年級能源與動力的教學活動 一、單元名稱：從空氣中取得新能源－金屬燃料車 二、適用對象：高中一年級 三、教學節數：十節 四、活動簡介： 一般提及燃料電池，大部份聯想到的就是利用氫氣和氧氣產生反應進而得 到電力的氫氧燃料電池，但由於其成本為昂貴，因此在教學設計上會有成本的 顧慮。而金屬空氣電池，不但兼具燃料電池的優勢，並且也克服了燃料電池在 某些技術層面上的瓶頸，是目前比較能夠商業化的能源之一，其中最具代表性 的就是鋅空氣燃料電池。因此，本活動將藉由製作金屬燃料車，來教導學生基 本的金屬空氣燃料電池的概念。由於金屬燃料電池可能在自行製作上會遭遇困 難，所以在電池的部分計畫將以廠商已製作好半成品套件來實施活動。此外， 也希望藉著做金屬燃料電池車來讓學生了解車輛的基本結構。 五、教學目標 透過本課程學生可以習得下列目標 （一）認知 1. 瞭解金屬空氣燃料電池的發展歷程。 2. 瞭解金屬空氣燃料電池的原理。
3. 瞭解金屬空氣燃料電池的未來發展趨勢。 4. 瞭解金屬空氣燃料電池在生活上的用途。 5. 瞭解金屬空氣燃料電池與環境保護的關係。 （二）技能 1. 能夠將簡單的機械結構如齒輪等傳動機構應用於本活動設計之中。 2. 能夠依不同材料的性質加以運用。 3. 能夠使用簡單的機械或手工具的操作。 4. 能夠使用電烙鐵來進行開關的焊接及電線接線。 5. 能夠使用三用電表來測量電壓及電流。 6. 能夠發表自己所設計的金屬燃料車。 （三）情意 1. 培養創造思考的能力。 2. 培養解決問題的能力。 3. 培養團隊合作的能力。 4. 培養節約能源與珍惜資源的習慣。 六、教學器材 （一）教學輔助教材 器材名稱 數量 規格 說明 電腦 乙台 播放說明與簡報用 投影機 乙台 教學用 實物投影機 乙台 實作示範用 投影布幕 乙組 教學用 教學簡報 乙份 教學用 教學影片 數片 教學用 活動單 1 份/人 繪製金屬燃料車設計圖用 評分表 1 份/人 評量用
（二）工具材料 器材名稱 數量 規格 用途 飛機木 兩片 製作車身使用 齒輪組 兩個 運轉 金屬軸承 兩支 車輪運轉用 金屬燃料電池組 一組 動力來源 控制開關 一個 控制 鋅空氣燃料電池 一組 動力來源 馬達 一個 動力來源 白膠 數瓶 接合用 保麗龍膠 數瓶 接合用 瞬間膠 數瓶 接合用 美工刀或剪刀 數把 切削用 電烙鐵 六支 開關焊接用 焊錫 數管 開關焊接用 尖嘴鉗 數支 電線 一捲 接線用 電池座與碳鋅電池 十二組 錯誤檢測用 夾木板 數片 製作競賽跑道用 砂紙 數張 食鹽 一包 鋅空氣燃料電池發電用 紙杯或容器 六個 調製電解質（食鹽水）用 圖 2 鋅空氣燃料電池構造與馬達 資料來源：大三DIY 創意館 http://www.big3.com.tw
七、教學進度 節次 教學重點 教學活動 1 認識能源與動力的發展與科技背景 2 1. 介紹何謂燃料電池。 2. 介紹各種燃料電池的使用。 3. 介紹金屬燃料電池原理與結構。 4 介紹鋅空氣燃料電池的使用。 利用教學簡報及實際示範 鋅空氣燃料電池的原理與 使用方式。 3 介紹材料、限制及評分標準。 介紹相關作品（如太陽能車等）及教 師作品。 利用教師作品引起學生學 習動機並播放相關作品的 圖片引導學生外形及機能 上的設計。 4 繪製金屬燃料車的設計草圖。 讓學生先自行繪製設計 圖，教師須強調繪圖的重 點，並引導學生思考在製作 過程中可能會遇到的問題。 5 6 7 8 實作活動 1. 修改金屬燃料車的設計 圖。 2. 進行金屬燃料車實作。 3. 練習開關焊接。 4. 練習電線的接線。 5. 利用單顆電池座及碳鋅 電池學習錯誤檢測。 6. 利用三用電表進行鋅空 氣燃料電池的電壓及電 流檢測。 7. 實際使用鋅空氣燃料電 池來進行試跑。 9 競速及外觀評比1 教 學 活 動 流 程 10 競速及外觀評比2
八、實作過程
圖3 金屬車製作 圖4 增加輪胎摩擦力
圖5 錯誤檢測（一） 圖6 錯誤檢測（二）
圖7 利用一般電池進行試跑及調整 圖8 測量鋅空氣燃料電池電壓
九、教學評量 本教學主要透過一份「繪圖單」、一份「評分表」及最後的競賽活動結果 作為總結性評量，詳細評分依據如下表所示 評 分 項 目 計 分 標 準 佔分比例 設計構想與創意表現 設計構想 與草圖繪製 草圖中各部位裝置與機構的功能表現 20％ 功能設計的創意 創意表現 造型表現的創意 30％ 成品與草圖的符合程度 選用適當的材料 接合與組裝的技巧 成品製作 製作技巧 與整體表現 作品的完整性與外觀 30％ 功能檢測 6 公尺，依時間給予 4~20 分不等，有三次試跑，不 得超出跑道範圍三次之後，每超出一次扣1 分 20％ 十、教學建議事項 （一）教師可嘗試實際自行先製作一組教具，待課堂起始，用來引起學生動\ 機，並且輔以教學說明。 （二）由於學生可能在國中時期做過太陽能車，因此對於車子的製作可能會 感覺比較無趣，因此要讓學生明白此項教學活動與太陽能車的差異， 並在教學活動的設計要避免和太陽能車教學重覆太多。 （三）由於金屬燃料電池發電時間較長，因此可讓學生先行利用一般的碳鋅 電池及電池座來作錯誤檢測，了解自己的車子問題所在。 （四）因為金屬空氣燃料電池已經是半成品，本活動設計主要還是學生在車 子上的製作學習。輪胎的材料則讓學生自由發發揮，但盡量不要用現 成的模型輪胎。 （五）廠商的半成品原本式已經將馬達、開關做好焊接，但教師為了能讓學 生學習焊接，因此請廠商將馬達及開關分開附上。只是在焊接之餘， 學生往往因不熟練加上開關過小，因此無法確實焊穩。
（六）由於馬達的電線較短，因此學生在沒焊好的情況下，不斷的削開絕緣 外皮來作焊接，導致馬達上的電線越來越短，甚至無法使用。因此教 師必須要先提醒並教導電線接線的方式。 十一、創意作品 肆、結語 個人覺得從這個教學活動過程中，可以讓學生製作過程中一方面了解到金屬 燃料電池的概念另一方面也學會基本的一些技能，如焊接、切削及接合加工以及 三用電表的使用。此外，也希望能藉著這個教學活動讓正在為生活科技努力的老 師們除了太陽能車之外，還能在載具及動力的教學上多了另一種選擇。參與金屬 燃料車教學活動的同學，從確定目標、蒐集資料、繪製設計圖，不斷的嘗試並解
決過程中所遇的問題，乃至於完成創意作品，投入大量時間及心血，其精神令人 敬佩且可取。更重要的，從這個教學活動，除了培養學生創意思考及問題解決的 能力對於學生環保意識的提升，相信也有一定的功效。 參考文獻 江文鉅、林永清(2006)，綠色能源科技─淺談燃料電池。生活科技教育月刊，39(4)， 頁19-30。 張雲朋（2003）。由空氣產生電能的新能源─鋅空氣燃料電池。科學發展，367 期， 頁12-15。 楊志忠、林頌恩、韋文誠（2003）。燃料電池的發展現況。科學發展，367 期， 頁30-33。
附錄 附錄一 金屬燃料車設計圖繪製單 班級
金屬燃料車設計圖繪製
組員 姓名： 座號： 車身設計圖繪製（須清楚標示各項材料位置） 製作過程可能遭遇問題(至少三項)附錄二 金屬燃料車評分表
