氫燃料電池－能源明日之星
大家或許曾經聽過「燃料電池」這個名詞，但對於這種能源技術可能又不甚了解。
從政經、能源、環保、社會、科技產業發展，及生活品質提昇等角度考量，燃料 電池（Fuel Cell）科技是值得國內產、官、學界長期投入發展的新興科技領域。
燃料電池為高效率、潔淨、多元化能源使用，可應用於車輛動力、分散式發電、
3C 資訊產品電源等商業產品。其多元化研發領域及應用產品，將提供部份產業 轉型成為知識密集、永續環保的綠色科技產業。
氫燃料電池是什麼？
1970 年四月十日阿波羅 13 號太空船登月途中發生意外，使曾經出過十數次任務 的氫氧燃料電池（見圖一），開始為人們所注意。這種太空任務中使用的發電裝 置，是一種能源直接轉換裝置，將化石燃料中的碳氫化合物化學能，經由觸媒及 電催化的反應機制，直接轉換成電能。它是未來最優越的發電技術之一，不僅發 電效率高，對環境的污染亦相當輕微。
燃料電池是用汽油、酒精、天然氣、氫氣、沼氣等燃料轉換成電流。可以替代汽 車的內燃機，取代筆記型電腦的電池、手機電池、計算機、汽機車、游艇等設備 之發電用。充電時，只要清空充滿副產品水的容器，然後再裝進燃料(酒精等燃 料)即可。燃料電池，簡單的說，就是一個發電機。燃料電池是火力、水力、核 能外第四種發電方法。
今日汽車製造業才開始應用到燃料電池。燃料電池汽車是利用氫和氧進行化學反 應產生電，然後再以電能進行驅動車輛。燃料電池在德國，被用作潛水艇的動力 及用於驅動汽車和居民供電供暖。
日本 FCX-V3 燃料電池汽車的燃料氫是填充在 250 個大氣壓下的高壓蓄氫槽裡。
2002 年 12 月日本豐田公司與本田公司已出產世界第一批燃料電池汽車。加拿大 Mark-900 燃料電池，是使用甲醇或氫為燃料，可在零下 40℃低溫下工作。大量 生產時，燃料電池的成本與現有內燃發動機接近。
我國業者將氫氧燃料電池運用在電動自行車上，電力用完了，只要加燃料氣即可 迅速恢能電能，符合快速環保方便的需求，的確是新發明新世紀的電池。氫氧燃 料電池關鍵組件是電池內部兩片基板中的薄塑膠質子交換膜，目前仍是杜邦公司 的專利權。目前電動車仍多數使用鉛酸電池，部分採用鎳氫電池，而鋰電池仍有 成本高及充電時間長等問題；採用燃料電池做為電動自行車電能來源，將使我國 電動車
產業直接跳過鋰電池，進入燃料電池時代。
燃料電池利用氫氣與氧氣結合反應作用發電的原理
以氫氣為燃料、氧氣為氧化劑， 通過化合作用發電，此種燃料電池又叫再生性 氫氧燃料電池(regenerative fuel cell，RFC)。氫和氧化學反應生成水蒸氣，不排放 碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物質，排出物是無污染的水。氫氧 燃料電池排放出非常清潔的副產品，幾乎無污染且高效率。
燃料電池的構造與一般電池相似，由陰極、陽極以及夾在它們中間的電解質層所 組成。圖二為一個燃料電池單體，將這一個個電池單體堆疊組合在一起，就成為 一個燃料電池。
氫氧燃料電池作用原理是以氫氣為燃料，和氧氣經電化學反應後透過質子交換膜 產生電能，其具備的優點為發電效益高，且最終副產品只有熱能與純水，不會對 環境造成任何威脅，相當符合環保交通工具的需求。燃料電池與一般電池最大的 不同就在燃料電池本身並不儲存電力，它的電能供給來自燃料中的化學能，也就 是說，只要有燃料不斷地供應，燃料電池便源源不絕的發出電力。換言之，燃料 電池的構造就如同一般的發電機，只不過燃料電池的操作比發電機更為安靜（即 使在十一百萬瓦級的燃料電池發電廠附近，所測得的噪音量也低於 55 分貝）、乾 淨（發電過程幾乎不造成任何汙染。以目前容量最大的十一百萬瓦(11MV)級燃 料電池發電廠為例，同樣以天然氣為燃料，該電場廠運轉初期氮氧化物排放量為 1ppm，而硫氧化物及粒狀汙染物未曾測得，比目前最清潔的燃氣發電敞還乾淨）
和更有效率。
首先利用清淨再生能源如太陽能或風能產生之電力將天然氣或水分子分解出氫 氣與氧氣，接著將經過壓縮的氫氣透過管路或容器包裝卡車運送到建築物、工廠 或車輛內的燃料電池，利用燃料電池構造反應，將氫氣與空氣中的氧氣結合反應 發電，產生的電力可以為建築物、工廠或車輛的動力來源。在此，燃料（Fuel）
電池（Cell）是電池的一種，使用的燃料是氫氣與氧氣，利用陽極（Anode），陰 極（Cathode）、催化板（Catalyst）及電解膜（Electrolyte）等構造裝置，使氫氣 由陽極進入，通過催化板，分裂成氫原子與電子，電力即由此電子的流動而產生，
氫原子則穿過電解膜與從陰極來的氧氣加上回路的電子後，產生發電的副產品 水。因此利用燃料電池的構造裝置，可以將氫與空氣中的氧結合反應發電，發電 量隨著板層構造之電池數量增加而增加。估計如果要產生 1000 瓦的電力，需要 串聯 34 個直徑 5 吋的燃料電池。利用源源不斷供應的氫氣，加上空氣中的氧氣，
產生
電力，副產品只有水，除此之外，沒有其他污染排放物。
簡單的說，燃料電池的發電原理由水的電解實驗便可端詳一二：
當直流電力經過導電的電極進入水槽後，水即被分解，分別從陰、陽兩極產生氫 氣及氧氣。而燃料電池的作動原理則剛好與水電解的電化學反應現象相反，也就 是說當氫氣和氧氣分別輸送到陽、陰兩極，經過與電極上的觸媒反應之後，就會 產生直流電力和乾淨的水，如圖三
所示。就是這樣的原理，使得燃料電池能夠將燃料中的化學能直接換成為電力，
所以燃料電池又被稱為直接能源轉換裝置（ Direct Energy Conversion Device）。大 家對燃料電池的構造原理有基本的認識後，可以發現，在整個燃料電池的組成 上，對於催化電極材料，及電解質膜的選擇有決定性的影響，其所涉及的內容，
為材料工程、化學工程學程所研究的課題之一。
兼顧環保與效率的綠色發電工具
雖然目前燃料電池仍然是利用一般化石能源，如煤碳、石油、天然氣等，或是含 有氫分子的再生能源，如沼氣、甲醇等作為進料，但是與同樣利用這些能源的火 力發電方式有所不同，因為後者必須經過燃燒及各種層層能量轉換程序，最後才 轉變成為方便使用的電力，故此燃料電池發電效率高，同時亦不會帶來因為燃燒 而造成的空氣污染，以及發電機經由齒輪傳動而產生的噪音，所以燃料電池常被 認為是一種兼顧環保與效率的綠色發電工具。
目前發展中的五種燃料電池
目前發展中的燃料電池，可依所使用電解質層的不同，分為鹼性（Alkaline，簡 稱 AFC）、質子交換膜（Proton Exchange Membrane，簡稱 PEMFC）、磷酸
（Phosphoric Acid，簡稱 PAFC）、熔融碳酸鹽（ Molten Carbonate，簡稱 MCFC），
以及固態氧化物（Solid Oxide，簡稱 SOFC）等五種。這五種燃料電池，因為所 使用的電極與電解質料的不同，再加上不一樣的操作條件如溫度、壓力等，使得 在應用上亦有所不同。有關這五種燃料電池的特產與應用，如表一所示。
燃料電池應用層面廣泛
事實上，燃料電池的應用領域不僅限於表一所示，它除了在太空方面的發展外，
度接近常溫，適合一般需用電力場合使用，尤其是因應環
保和能源效率殷切需求而日益受到重視；如此，高效率、低污染、攜
帶能量取決與燃料儲存系統大小。故儲存在高壓鋼瓶或是金屬氫化物（Metal Hydrides）卡匣的氫氣，結合發電密度高的質子交換膜燃料電池，即成為一個獨 立供應電力的燃料電池電力組（Fuel Cell Power Pack，又稱 Fuel Cell Battery），
可以取代一般充電式的傳統電池成為
使用時間更長久、發出電力更強大的電源；與傳統電池充電方式不相逕庭的是，
當氫氣用盡，燃料電池組不再發電時，只需要再度灌入氫氣到鋼瓶或卡匣中，即 可恢復發電，而毋需經過像傳統電池般的充電程序。然而，在強調燃料電池擁有 低污染、低噪音、高效能，所謂「二低一高」的優點外，燃料電池更可以給大家 帶來一個更美好的生態環境。
圖一
圖二
圖三
表一
補充一
水藻可成新能源──實驗中研究員截斷供給水藻的硫和氧氣﹐逼使其轉作產生氫 氣的生理模式﹐二十小時內水藻即由排氧變為排氫。一公升水藻培養液每小時可 生產三毫升氫氣﹐相信將來可再提升至少一百倍。他們說﹐一個小池塘裏生長的 水藻產生的氫氣﹐足以為十部車供應能源。
補充二（新聞報導）
＜新能源「氫」製造過程難兩全＞【編譯王宜燕 美聯社紐約 29 日電】
美國總統布希在上次的國情諮文中宣誓，將在未來 5 年斥資 17 億美元研究氫氣 燃料電池汽車，此後即在美國引起廣泛討論：究竟氫燃料是否美國未來能源的「救 星」？
隨著汽車「行遍天下」，石油存量日益吃緊，再加上美國對依賴外國進口石油的
「民族情結」日深，美國多數能源專家都同意，本世紀從化石燃料轉移到新能源 乃勢在必行。然而，目前眾望所歸的新能源氫氣，要取而代之絕非易事，尤其在 環保與經濟效益上幾乎很難兩全。其實使用氫燃料本身並非新點子，氫燃料電池 已用來發動實驗汽車並供應某些建築物電力。美國航太總署將氫用在太空船上更 是行之有年。但問題在如何製造氫氣。因為氫氣與石油或煤不同，並非天然礦藏 等著被掘出或汲取，氫氣得製造而來。雖然氫氣可用太陽能、風力或地熱生產的 電力，以無污染的方式由水製出。但是這個過程成本太高，不如由化石燃料如煤 或天然氣生產電力來製氫。
尚且更省錢的做法是，直接從化石燃料提煉氫氣。煤、石油與天
然氣主要元素都是碳與氫，經過加熱可分離出氫氣，但期間除非能捕
捉碳而且與環境隔絕，否則一旦進入大氣就會與氧結合，形成溫室效應的禍首二 氧化碳。甚至還有人建議，用核能製造氫氣。這也是為什麼，氫燃料電池車是透 過化學作用產生電力，除了製出可飲用的純水來，不會排放出任何毒害環境的物
質，稱得上是零污染汽車，可是製氫的過程卻非百分之百的無污染。環保人士因 此大聲疾呼，應使用再生能源製氫，可是又不符合經濟效益。
美國能源部去年召集汽車與石油公司等的能源專家，共同起草「國家氫能源路線 圖」，討論製造氫氣等問題。結果提倡再生能源的「美國太陽能協會」會長尼克 拉斯，因看不到由再生能源製造氫氣的可能性，當場在會中發飆。
環保人士抨擊布希政府太強調用化石燃料與核能當做氫氣來源，忽視用無污染的 再生替代能源。尼克拉斯就說：「他們是以氫氣之名，刪除再生能源。」
