想像不久的将来,车子不需要加油、电子产品不需要电力燃料、便携设备不需要使用电池,那将是多么环保与美好的景象。近几年来,由于燃料电池(Fuel Cell)的技术获得创新突破,再加上环保问题与能源不足等多重压力相继到来,各国政府与汽车、电力、能源等产业渐渐重视燃料电池技术的发展。

燃料电池是高效率、低污染、多元化能源的新发电技术,而燃料电池的发电系统,不但比传统石化燃料成本低,且有洁净、高效率的好处,更可结合核能、生物能、太阳能、风能等发电技术,将能源使用多元化、可再生化和持续使用。燃料电池使用汽油、酒精、天然气、氢气、沼气等燃料转换成电流,借由外界输入的燃料为能量源,使其能持续产生电力,不需二次电池的充放电程序。充电时,只要清空充满副产品水的容器,然后再装进燃料(酒精等燃料)即可。燃料电池,简单的说就是一个发电机。燃料电池是火力、水力、核能外第四种发电方法。

尽管Fuel Cell中文译为“燃料电池”,但其实它并非电池,而是经由电化学反应产生电能的发电机,事实上更像一个特殊的环保发电机或内燃机。原因在于一般电池为封闭式系统,而燃料电池属于开放式系统,它并不储存能源,而是转换能源。图1为燃料电池与内燃机的比较,从中可以发现它们的相似性,不过燃料电池利用触媒激活氧化还原反应,直接由燃料氧化产生电能,因此其放电电流可以随着燃料供应量增加而增大,若再将其串联成电池堆(fuel cell stack),则可以提供大电流或大电压,因而具有更高的能源密度。此外,燃料电池没有电力衰竭及充电的问题,只要持续供给燃料及氧气,便可持续发电。

图1　内燃机与燃料电池的比较 

燃料电池的组成材料简单,结构模块化,使得其应用范围广泛,涵盖紧急备用发电机、住宅用热电共生系统、UPS、分布式发电系统、军事国防、太空与运输工具领域、机器人、笔记型计算机、PDA、手机等便携电子产品、便携电源、搬运工具、电动辅助/代步车等,被视为是取代传统石化燃料发电与电池系统之最佳干净能源。

燃料电池的起源

可用的资源的短缺让可重复使用、环保及能源转换效率高的新能源技术成为业界发展的目标。其中燃料电池技术因低污染、高能源转换效率的特性,成为近年来最受瞩目的新兴能源供应技术。其实燃料电池的原始模型很早前就已经被提出。早在1839年,William Grove便提出了最原始的燃料电池模型,其基本原理是依据H2与O2两种气体不同的氧化还原电位,藉以获得可供利用的电压。图2所示为Grove的燃料电池模型。为了使氧化还原反应能在室温或略高于室温的环境下发生,一般在H2端与O2端这两端的电极都置有触媒(catalyst)以催化反应,而触媒的来源通常以稳定性佳的金属如铂(Pt)为主。随后的一百多年燃料电池并没有大的进步,直到上世纪60年代由于燃料电池能提供太空工具所需的能量才逐渐受到重视。目前,即使是在当今的太空工具中,燃料电池仍然持续扮演供应能源的重要角色。

图2　Grove的原始燃料电池模型 

燃料电池的种类与原理

种类

燃料电池有许多种分类方式,如果以燃料电池之电解质(electrolyte)来区分,它可分为下列五种：

高分子膜燃料电池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell,SPEFC)或质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC);
碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell,AFC);
磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC);
熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC);
固态氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)。

不同的燃料电池所使用的电解质与之对应的电荷载子(charge carrier)见表1。

若由温度来分类, PEMFC(80~100℃)、AFC(60~220℃)及PAFC(180~200℃)属于低温型;MCFC(650℃)属于中温型; SOFC(1200℃)属于高温型。另外还包括直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell;DMFC)及金属空气混合型电池等。

原理

燃料电池之基本原理如图3所示,它的基本组件是由两个电极夹着一层高分子薄膜的电解质。阴阳两极除了碳粉之外,也包括白金粉末,以达最佳之催化效果。

图3　燃料电池基本原理

阳极

氢分子(H2)输至多孔的阳极后,经过质传(mass transfer)到达阳极,在催化下分解发生反应：H2→2H++2e-。电子由阳极传导至外接电路,形成电流。而氢离子也由阳极端,透过可导离子性质(电子绝缘体)的高分子薄膜电解质,抵达阴极。

阴极

空气输至阴极,氧分子质传至阴极,与电子及氢离子起电化反应,产生水及1.229V电压。反应如下：O2+4H++4e-→2H2O。燃料电池因没有经过燃烧过程,所以不会产生污染,也不像传统的火力或核能发电,需经多次转换才能发电,如表2。燃料电池发电方式简单、体积小且效率高。当多组燃料电池单元组件重叠一起时,即可让电压及电能产生串连累加效果,增加输出电压值,应用范围可说十分宽广。

质子交换膜型燃料电池

图4 现代燃料电池的基本架构(以质子交换膜燃料电池为例)

近年来,随着纳米科技的发展,燃料电池在技术上已经有了重大的突破,特别是低温操作的质子交换膜型（proton exchange membrane fuel cell;PEMFC）的问世使燃料电池得以由高不可攀的太空科技应用领域进入民生应用的范畴,PEMFC已广被重视而成重点开发技术之一。PEMFC的基本设计,是由两个电极夹着一层高分子薄膜的电解质,参见图4,电解质需要保持湿度,使其成为离子导体（ionic conductor）。在PEMFC中,电解质为氢离子（质子）导体,故名为质子交换膜（proton conducting membrane;PEM）或简称质导膜。电极通常为多孔性碳,其中包括做为催化剂之用的白金粉末。