纯净的持续性能源供应-燃料电池应用优势概论(上)

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。