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1、 新世紀能源技術燃料電池 M9746215吳忠信近年來，人類對石油能源依賴日深。它是目前最具代表性的石化資源，對世界經濟及人 類生活佔有重要的地位。不過，地球的石油儲量是有限的，其存量正在快速消耗中。二 十世紀人類便經歷了三次石油危機，也因為這個全球性的能源危機，迫使人們再度努力 尋求新的替代能源。此外，石油在生產、輸送和使用的過程中所產生的種種問題，引起 全球的溫室效應，造成南北極的冰山融化和生態環境的破壞等現象，也使國際間更加重 視開發替代能源，推動燃料電池的發展及應用，使燃料電池成為未來新生能源的一顆星起源燃料電池的起源最早可以追溯至十九世紀初的兩位科學家 C.F. Schonbein
2、博士與 William R.Grove 爵士。Schonbein 博士在 1838 年首度發現了燃料電池的電學反應，次 年，Grove 爵士才發明了燃料電池。Schonbein 博士曾觀察到他建立的實驗裝置不需充電 即可產生電流，於是，他將這種現象稱為極化效應，也就是燃料電池的基礎。隨後 Grove 爵士逆推水的電解過程，並創造出世上第一個燃料電池，當時稱之為氣體電池。到了 1889 年，才由 L.Mond 和 C.Langer 提出燃料電池的概念。當時，他們利用不導 電多孔材料浸在含電解質溶液中造出似現代的燃料電池，接著利用空氣及工業煤氣分別 取代氧氣與氫氣製成第一個實用化的燃料電池裝置。十
3、九世紀，由於種種的障礙因子與石化燃料之大量開發，燃料電池逐漸被冷落。 直到 1959 年時，才由 FrancisT.Bacon 製出的燃料電池組，並使其應用於電鋸、堆高 機，讓此技術走出實驗室。1960 年思代，由於國防及太空的需要，受到美國 NASA 資助的 Pratt&Whitney 成功利用 Bacon 燃料電池研發出鹼性燃料電池。重要意義近年來，人類對石油能源依賴日深。它是目前最具代表性的石化資源，對世界經濟及人 類生活佔有重要的地位。不過，地球的石油儲量是有限的，其存量正在快速消耗中。二十世紀人類便經歷了三次石油危機，也因為這個全球性的能源危機，迫使人們再度努 力尋求新的替代能源。此
4、外，石油在生產、輸送和使用的過程中所產生的種種問題，引 起全球的溫室效應，造成南北極的冰山融化和生態環境的破壞等現象，也使國際間更加 重視開發替代能源，推動燃料電池的發展及應用，使燃料電池成為未來新生能源的一顆 星。原理:燃料電池是一種直接將燃料之化學能轉換為電能的裝置，運作原理可解釋為水電解的逆 反應。以氫燃料電池為例，其運用原理如下：氫氣經由流場板的管道進入燃料電池，鍍在陽極那一側鉑基催化劑使氫原子分裂為質子 和電子。電子由外部電流流到陰極，提供了電池的電流同時質子通過質子交換膜到達陰極，陽極那側的催化劑使質子與電子結合，產生水蒸氣這便是燃料電池將化學能轉化 為電能的過程。設計燃料電池是一
5、種直接將燃料之化學能轉換為電能的裝置，構成燃料電池的基本裝置包括電極、電解質薄膜以及集電器。電極是燃料氧化與氧化劑還原的電化學反應發生的場所，可分為陽極與陰極兩部份，而電解質的功能是分隔氧化劑與還原劑並同時傳導質子；集電器也可稱作雙極板，它具有收集電流、疏導反應氣體以及分隔氧化劑與還原劑的作用。運作燃料電池的運作原理可解釋為水電解的逆反應，是電池分別充滿電解液的陰陽兩個電極， 而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構成。氫氣由燃料電池的陽極進入，氧氣則由陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用，使得陽極的氫原子分解成兩個氫質子與兩個電子， 其中氫質子被氧吸引到薄膜的另一邊，電子則經由外電路形成電流後，到
6、達陰極。 在陰極催化劑之作用下，氫質子、氧及電子，發生反應形成水分子，因此水可說是燃料 電池唯一的排放物。而電力是由電子的流動而產生，另外氫質子則穿過電解質與從陰極來的氧氣，並且再加 上回路的電子結合之後產生水和熱。燃料電池可依電解質之不同而分為鹼液型燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融 碳酸鹽型電池、固態氧化物型燃料電池以及質子交換膜型燃料電池燃料電池之優點有 低污染、低噪音、用途廣、高效率、免充電、 進料多，而其缺點為反應及穩定性不一、成本高。優點:低污染：燃料電池比一般發電方式更為清潔，若用氫氣作為燃料其排放物是可供飲用的 水和可以利用的熱能 高效率：因為燃料電池直接將燃料中的化學能轉換成電能
7、，不受卡諾循環的限制 。 低噪音：發電主體不含迴轉機件時，則無噪音問題，但若需散熱則有風扇的雜音。 用途多：燃料電池具有所謂的模組性，可依用電量的大小增減電池組的數量因此燃 料電池可以因應各種不同的電力需求廣泛應用在小至數瓦的隨身家電大至數百萬瓦的發 電廠。 多進料：只要含有氫原子的化石能源，如天然氣、石油、煤炭等氣化產物，或是沼氣、 酒精、甲醇等，都可作為燃料電池的能源進料。加上利用高壓鋼瓶或金屬氫化物等儲氫 材料製成的儲氫卡匣成為燃料電池電力組，可取代一般的蓄電池使用。 (註 6缺點:反應及穩定性不一：目前技術的瓶頸在於電池組系統的性能受限於反應性與穩定性。雖 可由增加電極活性、提高操作溫
8、度、控制反應氣體溼度與壓力等方法來達到較好的反應 性，以及避免腐蝕與副反應的發生、考慮電池組各層結構材料的匹配與相容性來提高穩 定性，但反應性與穩定性往往是難以併存，就不同的應用場合，電池組的設計會有很大 的差異。 成本高：就燃料電池所使用的材料而言，因為使用鉑為催化劑，雖然可以有效地提高發 電效率，但也增加了成本。 燃料電池的應用非常廣泛，例如分散式發電系統、運輸工具、可攜式電源等市場；由於 在發電過程中只會產生熱及水，不會排放二氧化碳等廢氣。燃料電池應用市場廣大，涵蓋緊急備用發電機、住宅用熱電共生系統、UPS、分散式發電 系統、軍事、太空與運輸工具領域、機器人、可攜式電子產品、產業用搬運工
9、具、電動 輔助、代步車等，被視為是取代傳統化石燃料之最佳能源運輸工具方面:由於歐、美、加、日等國進行燃料電池汽車示範計畫支持下，目前試驗中 之燃料電池車輛是以小客車及巴士為主。然而，近年來，一些利基產品如用燃料電池為 其輔助動力單位產品逐漸受到重視。在輕型汽車方面，國際廠商多有投入其研發工作， 顯示車廠對未來燃料電池汽車產業之重視，研發廠商以垂直整合方式來掌控燃料電池汽 車產業之重要價值鏈。小型定置型發電系統方面: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 池為主，為固體氧化物燃料電池為次。 家庭用系統主要是利用既有的天然氣及 LPG 供應 設施，再利用燃料重組器將其轉換成 CO
10、濃度低於 20 ppm 以下的富氫重組氣，用來供應 燃料電池使用；而 UPS 應用系統使用之燃料，則多為高壓氫氣。可攜式電源方面:目前主要客戶為美國軍方市場，作為供應軍人攜帶型武器所需之移動式 電源，技術類型以質子交換膜型、直接甲醇燃料電池為主。由於燃料電池使用成本偏高，所以現階段市場主要推動力量為獎勵政策及環保團體支持未來趨勢: 在地球暖化問題日益嚴重的今日，燃料電池的發展對地球環境的保護意義重 大，可以大大地減緩全球溫室效應，因此氫能與燃料電池技術甚受注目，有科學家甚至 將燃料電池視為拯救地球的最後希望之一。因此，屬於乾淨能源的燃料電池科技發展十 分受到歐、美、日、韓等先進國家的重視。未來
11、隨著傳統石化燃料短缺、消費者環保需 求提昇，以及燃料電池技術不斷進步等因素刺激下，燃料電池產業已漸漸於國際市場中 興起。結論:在今日，這個能源短缺的時代，污染、能源危機問題一一浮上檯面，如何開發及使 用新能源的議題是國際矚目的焦點，而燃料電池即是這種環境下的產物。有著綠色新 興能源之稱的燃料電池是否能讓人類度過能源短缺的危機？或許人們不該只是消極的 等待著一項項新科技、新能源的出現，而應從現在做起，不僅保護環境，更要節省能源。 在這人人皆強調節能環保的時代中，氫，是不可或缺的功臣。有了燃料電池，能源 可以重複利用 有了燃料電池，燃料可以不虞匱乏；有了燃料電池，只有普通的 水，而無污染物；有了燃料電池，我們便可朝著綠色時代邁進。 燃料電池， 是未來新生能源的一顆星！參考資料:1. ：科學發展 2003 年 7 月，367 期。楊志忠、林頌恩、韋文誠 台灣大學材料科學與工程學系2. 燃料電池理論與技術。http:/ct.tcgs.tc.edu.tw/resource/%BFU%AE%C6%B9q%A6%C0%B2z%BD%D7%BBP%A7%DE%B3N-1(%B6%C0%C2%ED%A6%BF%B1%D0%B1%C2).pdf
