想像不久的將來，車子不需要加油、電子產品不需要電力燃料、行動可攜式設備不需要使用電池，那是多麼環保與美好的一副景象。近幾年來，由於燃料電池（Fuel Cell）的技術獲得創新突破，再加上環保問題與能源不足等多重壓力相繼到來，國際間各國政府與汽車、電力、能源產業等單位，漸漸重視燃料電池技術的發展。

燃料電池是高效率、低污染、多元化能源的新發電科技，而燃料電池的發電系統，不但比傳統石化燃料成本低，且有潔淨、高效率的好處。另外，更可結合核能、生質能、太陽能、風能等發電技術，將能源使用多元化、可再生及永續使用。燃料電池使用酒精、天然氣、氫氣、沼氣等燃料轉換成電流，藉由外界輸入的燃料 ( Fuels ) 為能量源，使其能持續產生電力，不須二次電池所需的充放電程序。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。燃料電池是繼火力、水力、核能發電之外的第四種發電方法。

儘管燃料電池（Fuel Cell）中文譯為「燃料電池」，但其實它並非電池，而是經由電化學反應產生電能之發電機，因此事實上更像一個特殊的環保發電機或內燃機。原因在於一般電池為封閉式系統，而燃料電池屬於開放式系統，它並不儲存能源，而是轉換能源。(圖一)為燃料電池與內燃機之比較，可以發現它們的相似性，不過燃料電池利用觸媒啟動氧化還原反應，不必經過劇烈燃燒即可產生能源，而直接由燃料氧化產生電能，因此其放電電流可以隨著燃料供應量增加而增大，若再將其串聯成電池堆（fuel cell stack），則可以提供更大電流或更高電壓，因而具有更高的能源密度。此外，燃料電池沒有電力衰竭及充電的問題，只要持續供給燃料及氧氣，便可持續發電。

燃料電池的組成材料簡單，結構模組化，使得應用範圍廣泛。其應用市場廣，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、軍事國防、太空與運輸工具領域、機器人、筆記型電腦、PDA、手機等可攜式電子產品、攜帶式電源、產業用搬運工具、電動輔助/代步車等，被視為是取代傳統石化燃料發電與電池系統之最佳乾淨能源。以往燃料電池的研究著重於大型的發電機組，少部份則是關於小型攜帶式電源，直到近期才開始用於替代電池的應用。

《圖一　內燃機與燃料電池之比較》

燃料電池的起源

由於全球工業及人口的急遽增加，使得地球上可用的資源愈形短缺，因此可重複使用、對環境友善以及能源轉換效率佳之新能源技術，已成為全球各國工業界及學術界積極發展之目標。其中燃料電池技術因具備低污染、高能源轉換效率之特性，成為近年來最受矚目的新興能源供應技術。

????????其實燃料電池的原始模型在一世紀之前就已經被提出。早在西元1839年時，William Grove便提出了最原始的燃料電池模型，其基本原理是依據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動勢。(圖二)所示為Grove的燃料電池模型。為了使氧化還原反應能在室溫或略高於室溫的環境下發生，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，而觸媒的來源通常以穩定性佳的金屬如鉑（Pt）為主。

然而自Grove之後的一百多年，燃料電池的發展並未有大幅進步，一直到1960年代美蘇所開啟的太空競賽，由於燃料電池能提供太空載具所需之能量，並提供水與熱能，因此才於當時逐漸受到重視。而延續到目前，即使是在今日的太空載具中，燃料電池仍然持續扮演供應能源的重要角色。

《圖二　Grove的原始燃料電池模型》

燃料電池的種類與原理

燃料電池的種類

燃料電池有許多種分類方式，如果以燃料電池之電解質（electrolyte）來區分，它可分為下列五種：

各種不同的燃料電池所使用的電解質與相對應之電荷載子（charge carrier）則如(表一)所示。

若由溫度來分類，則PEMFC（80～100℃）、AFC（60～220℃）及PAFC（180～200℃）屬於低溫型；MCFC（650℃）屬於中溫型；而SOFC（1200℃）則是屬於高溫型。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種類。

燃料電池之原理

燃料電池之基本原理如(圖三)所示，它的基本元件是由兩個電極夾著一層高分子薄膜之電解質。陰陽兩極除了碳粉之外，也包括白金粉末，以達最佳之催化效果。

《圖三　燃料電池基本原理》

陽極

氫分子（H2）氣體輸至多孔之陽極後，經過質傳（mass transfer）到達陽極，於催化下分解發生下列反應：

H2→2H++2e-

電子由陽極傳導至外接電路，形成電流。而氫離子也由陽極端，透過可導離子性質（電子絕緣體）之高分子薄膜電解質，抵達陰極。

陰極

空氣輸至陰極，氧氣分子質傳至陰極，與電子及氫離子起電化反應，而產生水及1.229伏特之電壓。反應如下：

O2+4H++4e-→2H2O

由以上反應式可知，燃料電池因沒有經過燃燒過程，所以不會產生污染，也不像傳統的火力或核能發電，需經多次轉換才能發電，如(表二)所示。燃料電池發電方式簡單、體積小且效率高。當多組燃料電池單位元件重疊在一起時，即可讓電壓及電能產生串連累加之效果，增加輸出電壓值。又因其發電效率與電池組數無關，因此燃料電池可大可小，應用範圍可說十分寬廣。

過去燃料電池的研發工作集中於磷酸型（PAFC）、熔融碳酸鹽型（MCFC）與固態氧化物型（SOFC）等，但最近數十年來，隨著奈米科技的發展，燃料電池在技術上已經有了重大的突破，特別是低溫操作的質子交換膜型（PEMFC）問世，使燃料電池得以由高不可攀的太空科技應用領域進入民生應用的範疇。因此近來PEMFC已廣被重視而成重點開發技術之一。

PEMFC的基本設計，是由兩個電極夾著一層高分子薄膜之電解質，參見(圖四)，電解質需要保持溼度，使其成為離子導體（ionic conductor）。在PEMFC中，電解質為氫離子（質子）導體，故名為質子交換膜（proton conducting membrane；PEM）或簡稱質導膜。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。

電極、質導膜及觸媒之特性

接著將討論電極、質導膜及觸媒的特性。電極（陰極、陽極）之功能在於傳導電流及氣體，同時可做為觸媒的載體（back support）。目前最為廣泛使用且性能可靠之電極材料，為碳製成的纖維織布或紙。碳電極為微米至奈米等級的多孔或介孔性（mesoporous）材料，具有表面積大（＞75 m2/g）的優點，同時能讓氣體燃料通過。最近亦有研究是嘗試以奈米碳管作為電極材料。

PEMFC多採用高分子薄膜電解質，內部為網狀結構，提供原子級（atomic scale）的離子通道，其必須具備高離子傳導性、高滲透選擇性（只傳導氫離子）、化學穩定性及熱穩定性佳等特性。質子交換膜表面與陰極、陽極、觸媒等材料直接接觸，因此其介面氧化還原反應之效率與燃料電池效率息息相關，目前較可靠且廣為接受者為杜邦之Nafion系列產品，此外也有許多其他不同高分子薄膜電解質的研究或商品。

由於PEMFC使用濕潤化Nafion型高分子膜作為電解質層，因此操作溫度必須控制在100℃以下，此種低溫條件使電極中的白金觸媒對CO的抵抗力減弱，造成燃料氣體中的CO濃度需要嚴格的限制。但是Nafion膜的質子傳輸效率極佳，因此反而可以提高反應時的電流密度，再加上低溫與非腐蝕性等優良特性，使得此種電池具有重量輕、體積小、啟動快與機組材料選擇彈性大等多種優點。

PEMFC之觸媒材料依其功能分為氫觸媒與氧觸媒二種，分別使用於陽極/質子交換膜界面及陰極/質子交換膜介面。根據電催化效應（Electrocatalysis）作用，氫觸媒促使氫原子氧化為質子，氧觸媒則促使氧原子還原為水。觸媒材料之選擇有三大要件：分別為高分散度下的均勻性、催化活性與安定性。對操作環境較為單純之氫/氧質子交換膜燃料電池而言，以鉑系金屬（Pt、Pd等）為最適合，為提高其電化活性，通常製成奈米級粉末，先均勻散佈於碳顆粒上，再將之塗佈於電極表面，由於大小只有20奈米，其電催化能力因而大幅提升，因此可以降低電化學反應所需之溫度。

碳電極與質導膜形成之夾層結構通常稱為膜極組，所有燃料電池之反應均發生於此，可以說是燃料電池的心臟。以不鏽鋼或石墨板等耐腐蝕材料將膜極組封裝之後，即形成目前使用的燃料電池元件，如(圖五)。

以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑，透過化合作用發電，此種燃料電池又叫再生性氫氧燃料電池（regenerative fuel cell；RFC）。氫和氧化學反應所產生之生成物為水蒸氣（H2O），不會排放碳化氫（HC）、一氧化碳（CO）、氮化物（NOX）和二氧化碳（CO2）等污染物質，排出物是無污染的水。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，氫氧燃料電池排放出非常清潔的副產品-水，幾乎是無污染且具高發電效率。其具備的優點為發電效率高，且最終副產品只有熱能與純水，不會對環境造成任何威脅，相當符合環保的需求，也正因為具備了前述之各項特性，PEMFC目前正積極應用於車輛動力系統、大型現場發電機組與小型攜帶式電力裝置上。前兩種應用，因需考慮燃料處理設備所導致的複雜系統設計方式，且必須與造價較低廉的傳統發電技術競爭，故短期內尚無法付諸商業化應用。但在小型攜帶式電力方面，諸如筆記型電腦、手機、攝錄影機等可攜式裝置目前大多採用價格較高的鎳氫或鋰電池，因此在此領域上PEMFC將有機會與之一較高下。

《圖四　現代燃料電池之基本架構（以質子交換膜燃料電池為例）》

燃料電池技術的創新與應用

燃料電池最早被用在美國登陸月球時太空載具之主要電力與水、熱能等來源的供應源。但由於燃料電池的成本昂貴，在之後30年，始終沒有商品化。然而，近年來燃料電池在技術上產生了革命性的突破，其中以質子交換膜型（PEMFC）、平板型固態氧化物電解質（SOFC）及直接式甲醇燃料電池（DMFC）最被看好，其未來商機龐大，因此吸引了世界各國政府、民間企業與學術單位投入大量人力及資金研發該技術。

世界主要汽車製造商，如：Toyota、Honda、Ford、Nissan、Daimler-Chryler及GM等汽車公司已投入數十億美元從事燃料電池汽車的開發工作，目前已有部份商品化產品問世。而加州環保署空氣資源委員會（California Air Resources Board）也與業者策略聯盟研發燃料電池。另外，新加坡政府也投入數億美元與Daimler-Chrysler合作研發燃料電池汽車並建構燃料供給系統。

另外，亦有大量研發資源投入小型家用或大樓的分散式電源供應系統，如Plug/GE公司成功測試了上百個PEM燃料電池，只要導入家用天然瓦斯，便可發電。估計若有20萬戶家庭，每戶家庭各安裝一個7KW的燃料電池，其發電量總和將可望趨近於一個核能發電機組的總發電量。這種離散式的發電系統，可用於尖峰或連續用電的供給，且供電相當穩定，適用於目前新興高科技產業如半導體、固網、無線通信等產業。另外，燃料電池在德國也被用作潛水艇的動力及用於驅動汽車和居民供電供暖之用。

日本研發的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。日本豐田公司與本田公司已於2002年12月開始生產全球第一批燃料電池汽車。至於加拿大所研發的Mark-900燃料電池，則是使用甲醇或氫為燃料，可在零下40℃的低溫下工作。大量生產時，燃料電池的成本與現有內燃發動機接近。而台灣業者則已將氫氧燃料電池運用於電動自行車上，電力用完之後，只需要添加燃料氣體即可迅速恢復電能之供給，非常符合快速環保方便的需求。

《圖五　膜極組之構造及相關電化學反應》

可攜式應用

2005年全球可攜式燃料電池系統產量約3000種，主要客戶為美國軍用市場，作為供應軍人攜帶型武器所需之移動式電源。而目前可攜式燃料電池技術類型以PEMFC及直接甲醇燃料電池為主。由於甲醇能源密度較高，因此應用於可攜式電子產品之微型燃料電池多為採用甲醇之燃料電池。

因應數位寬頻時代的來臨，目前鋰離子電池技術將無法應付未來多功能消費性電子產品之強大電力需求，因此國際上許多廠商皆看好微型燃料電池於可攜式產品之應用市場。但發展至今，目前微型燃料電池應用於筆記型電腦、手機等可攜式電子產品之商業化市場仍尚未成形。主要原因除因甲醇有安全性考量、燃料攜帶受到安規限制之外，DMFC在低甲醇cross-over薄膜技術等問題亦有待進一步突破。

目前大多數廠商採取較穩紮穩打的產品開發策略，先將燃料電池作為電池充電器，再設法將產品小型化，並朝系統整合目標邁進。例如，德國Smart Fuel Cell與英國Voller Energy即採類似的經營策略，針對休閒娛樂及工業用途推出利基型DMFC發電機，為現階段可攜式燃料電池應用市場中銷售最成功者。

而在甲醇燃料流通性與微型燃料電池產品安規方面，2005年10月國際民航協會已建議取消攜帶甲醇燃料上客機之禁令，且2006年IEC也將公布DMFC產品安全規範，預計各國政府將於2007年起陸續實施，屆時直接甲醇燃料電池將可順利導入市場，於可攜式產品之應用市場規模更可望於2010年後迅速成長。

國際大廠對於微型燃料電池之應用產品皆擬定了相關之開發計畫，包括日本KDDI將日立或東芝的DMFC技術應用於手機，DoCoMo亦利用富士通實驗室所開發的甲醇微型燃料電池應用於手機充電器，這兩家廠商均計畫於2007年將產品商品化。至於在筆記型電腦應用方面，Casio開發利用甲醇重組技術之PEMFC雛形機，東芝及Samsung則開發DMFC產品，目前最久已可供應筆記型電腦運作10小時。此外，台灣勝光科技之DMFC技術亦針對此一應用市場。

Samsung SDI也於2006年初發表應用於可攜式媒體播放器之微型燃料電池，所需的甲醇燃料盒體積僅20cm3，供應電力約1.5W，可連續播放4小時電影，比起目前鋰電池之供電時間提高約一倍，該公司預計將於2008年量產此款新型DMFC。日、韓廠商藉由其在電子產品發展之產業優勢，外加政府政策獎勵下，未來在全球微型燃料電池市場將占有舉足輕重的地位，因此台灣電子及電源廠商也必須加緊開發腳步，才能掌握下一波競爭優勢。

結語

目前成功的燃料電池應用實例有大型發電機、太空載具之能源供應器、機動車輛能源供應器等等。近年來，將燃料電池微型化，並運用於可攜式電子產品（例如手機、筆記型電腦與數位相機等產品），或作為可攜帶型發電機，已經成為最新的應用發展趨勢。更加微小的設計則可運用於需長時間放電之微感測器，或分離式通訊系統上。不論其尺寸大小與應用領域，燃料電池能源轉換效率高、污染性低之優點，特別是降低大氣污染及減少二氧化碳的排放，將不負其高效率綠色能源之美名。而其所具有的種種特點，也將使得燃料電池成為往後新興替代能源發展之主要趨勢。

延 伸 閱 讀

如果世界產油國總是動盪不安，如果出現由於過度開採能源引發德環境災難，如果油價飆升，或是供電公司德電價太貴，誰來支撐未來家庭德能源供應？這些憂慮使燃料電池成為相對便宜的選擇，也是目前最令人滿意的解決方案。相關介紹請見「給家安上一塊電池」一文。 當今能以工業規模生產的電力有火電、水電、核電等三種。而被譽為第四種電力的燃料電池發電，也正在美、日等發達 國家崛起，以急起直追的勢頭快步進入能以工業規模發電的行列。 燃料電池的工作原理 燃料電池是一種化學電池，它 利用物質發生化學反應時釋出的能量，直接將其變換為電能。從這一點看，它和其他化學電池如錳乾電池、鉛蓄電池等 是類似的。你可在「燃料電池的工作原理」一文中得到進一步的介紹。 本文概述了燃料電池的工作特點和原理，介紹了發電系統的組成、國內外的研究現狀，對我國應用燃料電池發電的資源 條件進行了評估，展望了這一技術在電力系統的應用前景、將對電力系統產生的重要影響，它將使傳統的電力系統產生 重大的變革，它會使電力系統更加安全、經濟。最後提出了發展燃料電池發電的具體建議。在「關於燃料電池發電技術調研報告」一文為你做了相關的評析。

市場動態

日本行動電話服務商NTT DoCoMo在週四宣佈，將開發一種原型的小型燃料電池，為3G行動電話增加電力。這種由Fujitsu實驗室所生產的裝置，是以甲烷與氫的結合產生電力。DoCoMo宣稱，可望在2005年底完成這種電池的開發。 相關介紹請見「燃料電池延長3G手機電力」一文。 國內燃料電池廠商勝光（Antig）科技，於日前在德國CeBIT展上宣布，該公司開發的筆記型電腦專用燃料電池(Fuel Cell)已進入量產階段，最快今年底就會面市。另外，該公司也展示行動裝置專用的燃料電池充電器原型機。你可在「國產燃料電池進入量產階段」一文中得到進一步的介紹。 東日本鐵路公司11日宣布，世界第一節以燃料電池為主要動力源的列車預計于今年7月問世。据《日本經濟新聞》報道，這節列車是試驗用車，設計最高時速為100公里。列車車身下部安裝有氫儲存箱和兩組燃料電池，燃料電池通過使氫和氧發生反應產生電力驅動列車。在「日研制燃料電池列車時速可達100公里」一文為你做了相關的評析。