科技專題：燃料電池的演進與原理介紹
近年來油價不斷飆高，全球能源頗有面臨枯竭之憂。另一方面石化燃料燃燒產生之廢氣所致之溫室效應，已在全球各地屢 釀巨禍。世界為達成後京都議定書時代溫室氣體減量的目標，科技大國紛紛尋求潔淨且具經濟效益的替代性能源。以氫氣為 燃料的燃料電池（Fuel Cell），具有零污染、高電能轉換效率、低噪音及可再生性等特點，已成為全球寄予厚望的綠色能源。
本文先介紹燃料電池的歷史，並剖析其基本原理。
自汽車問世以來，各國政府對於廢氣排放管制雖越趨嚴格，但溫室氣體已引發全球暖化造成的洪災及嚴寒酷暑。據聯合國 環境規劃署表示，未來10 年內全球在攸關氣候變遷、清潔能源等須投資達數兆美元。再者，預期石油短缺每下愈況，汽車業 界與各國政府於過去10 年間，已投下數百億美元，育成潔淨又能致動車輛的能源技術，氫燃料電動機已成為取代低效高污染 性的內燃機引擎的首選。
燃料電池（Fuel Cell）其實並非電池，或許稱為「燃料發電元」更為貼切。燃料電池組是一種直接將燃料通過電化學作而產 生燃燒反應並輸出低電壓直流電的元件所組成的裝置。相對於其他化學電池來說，燃料電池其實是一種發電裝置。燃料電池 別於一般電池之處在於，它所參與電極反應的活性物質並不貯存在電池內部，而是全部由電池外部提供。它的出現徹底改變 了電池不能連續工作的侷限，只要不間斷的輸入反應物，它就可以不停地工作。
燃料電池還具有直接汲取化學能的優勢，主要的燃料以氫氣為主，氫與氧透過電化學反應發生氧化作用並輸出電能與熱量，
但熱量遠低於石油氣之燃燒作用，故有「冷燃澆」之說法。此種化學能轉換為電動能的過程，節省了轉換為機械能所須浪費 的能量損失，故展現出比內燃機頂多30%更高的能量轉換效率。此外，所生之廢熱若再經回收利用，更可達到高達 85%的總 體能量利用率，可望成為最具經濟效益的能源。
燃料電池的發展史
早在 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。
但由於自然界中並不沒有富豐的氫氣體，故直到 1889 年藍吉爾(Charles Langer)與蒙德(Ludwig Mond)兩位研究者仍嘗試使用 煤氣與空氣製作第一具實用的燃料電池，當時也才定下了「Fuel Cell」這一名詞，但均未獲得成功。
1866 年，西門子(Werner von Siemen)先生發現了機-電效應，揭開了燃油發電機的發展，並使燃料電池技術黯然失色。1900 年代初期雖然有後繼的努力嘗試將煤及碳轉變成電力，但內燃引擎的發明突然壓抑了這個剛萌芽的科技。
貝肯(Francis Bacon)後於 1932 年發展出堪稱世界第一具成功的燃料電池裝置，該電池採用氫氣與氧氣為反應物、鹼性溶液電 解質及鎳金屬電極，該設計的突破在於其製作成本遠低於藍吉爾與蒙德當初的設計。
在克服了大量的技術問題後，1959 年貝肯及其公司才成功地展示出第一具輸出功率達 5 仟瓦的實用級燃料電池系統。同年 伊律格(Harry Karl Ihrig)也展示出知名的燃料電池驅動的 20 馬力牽引車。
在 1950 年代末期，NASA 又重新炒熱了燃料電池的應用，開始建 造袖珍型的發電機以用於太空任務中。NASA 隨即資助了數以百計 有關燃料電池科技的研究合同。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。
近幾十年來燃料電池的發展，在全球環保意識的推動下已朝向作 為替代性能源發展。大至大型的固定式發電機組、發電廠；小至可
攜式電子產品的電源供應件等，皆有各式各樣的燃料電池選擇。燃料電池車輛(fuel cell vehicles, FCV)，更是各大汽車製造商所 致力研發的未來綠色主流交通工具。
燃料電池的原理
燃料電池採用的是「冷燃燒」過程，為直接式能量轉換器，
將燃料(氫及碳氫化合物等)的化學能轉化 電與熱。單一發電元的爲 構造如下圖所示。
燃料電池的結構及運作原理示意圖。（取材自 http://americanhistory.si.edu/）
單一發電元含有陰陽兩個電極(分別為正、負二極)，化學反應即是在此二極表面發生。所有的燃料電池都須有一種電解質，
將帶電的粒子從一個電極輸送至另一電極。電極中還須有催化劑(catalyst)，負責加速氧化還原反應的進行。
現代的燃料電池依電解質或燃料之別已可區分成八、九種之多。但一般的運作原理是，將氫氣經由管路送達陽極，並在陽 極發生氫原子解離成一個質子(即帶正電之氫離子)與一個電子的反應。帶負電的電子在電動勢的驅使下流向陰極，遂形成供電 迴路產生可作功的直流電流；質子則經由電解質流向陰極。
空氣中約 21%的氧氣可提供作為燃料電池所需的氧化劑。氧亦經由管道輸送至陰極。如上圖所示的電池類型，其氧原子會 在陰極與電子及質子化合形成水。
陽極 H2 → 2H+ + 2e- 陰極 2H+ + 2e- + 1
2 O2 → H2O
全反應 H2 + 1
2 O2 → H2O
另外，某些另類電解質的電池類型則是，氧原子在陰極與電子結合形成氧離子或與水及電子結合形成氫氧離子，再經由電 解質游向陽極與質子結合產生水。例如，
陰極 1
2 O2 + H2O + e- → 2OH-
陽極 H2 + 2OH- → 2H2O + e- 全反應 1
2 O2 + H2 → H2O
氫元素雖是基本的燃料來源，但沒有氧氣發電機制亦無法運作。絕大部份的氫與氧化合後的產物是水— 一種無害的副產物，
這就是燃料電池既能發電又不會造成污染的優勢之處。
電解質對於燃料電池而言，亦扮演關鍵角色。它必須具有只能讓特定的離子通過的特性。如果自由電子或其它物質可隨意進 入電解質中，則化學反應便會被破壞。不論帶電荷的離子是游向陽極或陰極來進行反應，主要的產物都是水，水將在電極處 收集後排出電池體外。
只要發電元不斷地被供給氫及氧元素，該發電元便會持續產出電能。現代用電需要交流電時，燃料電池的直流電源可經變頻 器(inverter)再轉換成交流電。數個發電元串聯在一起，便形成電池組，使輸出電壓及功率倍增。數個電池組串接，便可形成發 電系統，乃至功率高達百萬瓦(MW)的固定式發電廠。
氫氣知識
燃料電池所需利用的氫，是我們宇宙中最簡單、最豐富的元素。它具有一個電子圍繞一個質子的組態，可惜在地球不是以氣 態出現，總是以結合其它元素的化合物形式存於自然界中。它幾乎可由任何含氫的化合物中萃取出來，是最終的潔淨能源的 載體。一份的氫氣所含的能量為同等份量汽油的3 倍之多。
如同所有的燃料一樣，氫氣也有安全顧慮。
◎ 由於氫氣內藏高量化學能，有爆炸的危險。如同現今的石油及天燃氣一般，必須有適當的安全操作程序，但並不意味危險 性較高，只是安全的重點有所不同而已。
◎ 如「都市氣體(天燃氣，town gas)」等民生常用的燃料亦屬以氫基燃料，目前仍在世界各地使用。
◎ 氫氣的製造、運輸及使用在現今工業環境中，可謂成熟，已具備完善的安全作業標準。美國每年在公路上運送的液化氫氣 量可達7000 萬加侖，未曾肇出重大災害。
◎ 石化業、煉鋼業長久以來使用氫氣，利用數百英哩的管路輸送氫氣亦已具備相當的安全性。
氫燃料的取得方式亦呈現多樣化。
◎ 傳統式：來自天燃氣、汽油、柴油及丙烷等。
◎ 再生性及替代性來源：甲醇、乙醇、垃圾掩場沼氣、生物分解氣體及甲烷等。
◎ 水中萃取：水經電解作用可得氫氣，電解所需電能多利用太陽能及風力等自然能源。
◎ 創新型：硼氫化鈉水解製氫、海藻及花生殼中萃取等。
樂觀預期下，氫氣以其多樣化資源的特性可望在2040 年前實現每日節省 1,100 萬桶石油的目標。
氫氣索價不斐？
美國能源部的「氫燃料電池及其基礎建設計畫(Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program)」中已定下以下目標：
◎ 2005 年以前建立相當於 1 加侖汽油當量的氫氣值美金 3 元的技術。
◎ 2008 年前驗證上述技術。
◎ 2010 年技術精進至每加侖汽油當量之氫氣僅值美金 1.5 元。
近年來汽油價格屢創新高，最高油價亦在美金3 元左右。即使 FCV 車輛若真能使用到每加侖汽油當量 3 塊美金的氫氣時，也 會為消費者省下大把的鈔票；因為氫燃料車輛的效率仍高於汽車內燃機引擎的效率，1 汽油當量的氫氣所跑的里程可超過汽車 的一倍以上！
如果上列目標皆實現，氫燃料車輛可望達到每加侖汽油當量僅花費1 美元的願景。
參考網頁
http://fuelcells.sae.org/
http://www.fuelcells.org/
http://americanhistory.si.edu/fuelcells/basics.htm
http://www.nsc.gov.tw/dept/acro/version01/battery/electric/types/fuel.htm
