純凈的持續(xù)性能源供應(yīng)-燃料電池應(yīng)用優(yōu)勢(shì)概論（上）

想像不久的將來(lái)，車子不需要加油、電子產(chǎn)品不需要電力燃料、便攜設(shè)備不需要使用電池，那將是多么環(huán)保與美好的景象。近幾年來(lái)，由于燃料電池(Fuel Cell)的技術(shù)獲得創(chuàng)新突破，再加上環(huán)保問(wèn)題與能源不足等多重壓力相繼到來(lái)，各國(guó)政府與汽車、電力、能源等產(chǎn)業(yè)漸漸重視燃料電池技術(shù)的發(fā)展。

燃料電池是高效率、低污染、多元化能源的新發(fā)電技術(shù)，而燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)，不但比傳統(tǒng)石化燃料成本低，且有潔凈、高效率的好處，更可結(jié)合核能、生物能、太陽(yáng)能、風(fēng)能等發(fā)電技術(shù)，將能源使用多元化、可再生化和持續(xù)使用。燃料電池使用汽油、酒精、天然氣、氫氣、沼氣等燃料轉(zhuǎn)換成電流，借由外界輸入的燃料為能量源，使其能持續(xù)產(chǎn)生電力，不需二次電池的充放電程序。充電時(shí)，只要清空充滿副產(chǎn)品水的容器，然后再裝進(jìn)燃料(酒精等燃料)即可。燃料電池，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是一個(gè)發(fā)電機(jī)。燃料電池是火力、水力、核能外第四種發(fā)電方法。

盡管Fuel Cell中文譯為“燃料電池”，但其實(shí)它并非電池，而是經(jīng)由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的發(fā)電機(jī)，事實(shí)上更像一個(gè)特殊的環(huán)保發(fā)電機(jī)或內(nèi)燃機(jī)。原因在于一般電池為封閉式系統(tǒng)，而燃料電池屬于開放式系統(tǒng)，它并不儲(chǔ)存能源，而是轉(zhuǎn)換能源。圖1為燃料電池與內(nèi)燃機(jī)的比較，從中可以發(fā)現(xiàn)它們的相似性，不過(guò)燃料電池利用觸媒激活氧化還原反應(yīng)，直接由燃料氧化產(chǎn)生電能，因此其放電電流可以隨著燃料供應(yīng)量增加而增大，若再將其串聯(lián)成電池堆(fuel cell stack)，則可以提供大電流或大電壓，因而具有更高的能源密度。此外，燃料電池沒(méi)有電力衰竭及充電的問(wèn)題，只要持續(xù)供給燃料及氧氣，便可持續(xù)發(fā)電。

圖1　內(nèi)燃機(jī)與燃料電池的比較 

燃料電池的組成材料簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)模塊化，使得其應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋緊急備用發(fā)電機(jī)、住宅用熱電共生系統(tǒng)、UPS、分布式發(fā)電系統(tǒng)、軍事國(guó)防、太空與運(yùn)輸工具領(lǐng)域、機(jī)器人、筆記型計(jì)算機(jī)、PDA、手機(jī)等便攜電子產(chǎn)品、便攜電源、搬運(yùn)工具、電動(dòng)輔助/代步車等，被視為是取代傳統(tǒng)石化燃料發(fā)電與電池系統(tǒng)之最佳干凈能源。

燃料電池的起源

可用的資源的短缺讓可重復(fù)使用、環(huán)保及能源轉(zhuǎn)換效率高的新能源技術(shù)成為業(yè)界發(fā)展的目標(biāo)。其中燃料電池技術(shù)因低污染、高能源轉(zhuǎn)換效率的特性，成為近年來(lái)最受矚目的新興能源供應(yīng)技術(shù)。其實(shí)燃料電池的原始模型很早前就已經(jīng)被提出。早在1839年，William Grove便提出了最原始的燃料電池模型，其基本原理是依據(jù)H2與O2兩種氣體不同的氧化還原電位，藉以獲得可供利用的電壓。圖2所示為Grove的燃料電池模型。為了使氧化還原反應(yīng)能在室溫或略高于室溫的環(huán)境下發(fā)生，一般在H2端與O2端這兩端的電極都置有觸媒(catalyst)以催化反應(yīng)，而觸媒的來(lái)源通常以穩(wěn)定性佳的金屬如鉑(Pt)為主。隨后的一百多年燃料電池并沒(méi)有大的進(jìn)步，直到上世紀(jì)60年代由于燃料電池能提供太空工具所需的能量才逐漸受到重視。目前，即使是在當(dāng)今的太空工具中，燃料電池仍然持續(xù)扮演供應(yīng)能源的重要角色。

圖2　Grove的原始燃料電池模型 

燃料電池的種類與原理

種類

燃料電池有許多種分類方式，如果以燃料電池之電解質(zhì)(electrolyte)來(lái)區(qū)分，它可分為下列五種：

高分子膜燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell，SPEFC)或質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)；
堿性燃料電池(Alkaline Fuel Cell，AFC)；
磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)；
熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)；
固態(tài)氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)。

不同的燃料電池所使用的電解質(zhì)與之對(duì)應(yīng)的電荷載子(charge carrier)見(jiàn)表1。

若由溫度來(lái)分類， PEMFC(80~100℃)、AFC(60~220℃)及PAFC(180~200℃)屬于低溫型；MCFC(650℃)屬于中溫型； SOFC(1200℃)屬于高溫型。另外還包括直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell；DMFC)及金屬空氣混合型電池等。

原理

燃料電池之基本原理如圖3所示，它的基本組件是由兩個(gè)電極夾著一層高分子薄膜的電解質(zhì)。陰陽(yáng)兩極除了碳粉之外，也包括白金粉末，以達(dá)最佳之催化效果。

圖3　燃料電池基本原理

陽(yáng)極

氫分子(H2)輸至多孔的陽(yáng)極后，經(jīng)過(guò)質(zhì)傳(mass transfer)到達(dá)陽(yáng)極，在催化下分解發(fā)生反應(yīng)：H2→2H++2e-。電子由陽(yáng)極傳導(dǎo)至外接電路，形成電流。而氫離子也由陽(yáng)極端，透過(guò)可導(dǎo)離子性質(zhì)(電子絕緣體)的高分子薄膜電解質(zhì)，抵達(dá)陰極。

陰極

空氣輸至陰極，氧分子質(zhì)傳至陰極，與電子及氫離子起電化反應(yīng)，產(chǎn)生水及1.229V電壓。反應(yīng)如下：O2+4H++4e-→2H2O。燃料電池因沒(méi)有經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程，所以不會(huì)產(chǎn)生污染，也不像傳統(tǒng)的火力或核能發(fā)電，需經(jīng)多次轉(zhuǎn)換才能發(fā)電，如表2。燃料電池發(fā)電方式簡(jiǎn)單、體積小且效率高。當(dāng)多組燃料電池單元組件重疊一起時(shí)，即可讓電壓及電能產(chǎn)生串連累加效果，增加輸出電壓值，應(yīng)用范圍可說(shuō)十分寬廣。

質(zhì)子交換膜型燃料電池

圖4 現(xiàn)代燃料電池的基本架構(gòu)(以質(zhì)子交換膜燃料電池為例)

近年來(lái)，隨著納米科技的發(fā)展，燃料電池在技術(shù)上已經(jīng)有了重大的突破，特別是低溫操作的質(zhì)子交換膜型（proton exchange membrane fuel cell；PEMFC）的問(wèn)世使燃料電池得以由高不可攀的太空科技應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)入民生應(yīng)用的范疇，PEMFC已廣被重視而成重點(diǎn)開發(fā)技術(shù)之一。PEMFC的基本設(shè)計(jì)，是由兩個(gè)電極夾著一層高分子薄膜的電解質(zhì)，參見(jiàn)圖4，電解質(zhì)需要保持濕度，使其成為離子導(dǎo)體（ionic conductor）。在PEMFC中，電解質(zhì)為氫離子（質(zhì)子）導(dǎo)體，故名為質(zhì)子交換膜（proton conducting membrane；PEM）或簡(jiǎn)稱質(zhì)導(dǎo)膜。電極通常為多孔性碳，其中包括做為催化劑之用的白金粉末。