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氫電池_1
氫燃料電池－能源明日之星
大家或許曾經聽過「燃料電池」這個名詞，但對於這種能源技術可能又不甚了解。
從政經、能源、環保、社會、科技產業發展，及生活品質提昇等角度考量，燃料
電池（Fuel Cell）科技是值得國內產、官、學界長期投入發展的新興科技領域。
燃料電池為高效率、潔淨、多元化能源使用，可應用於車輛動力、分散式發電、3C 資訊產品電源等商業產品。其多元化研發領域及應用產品，將提供部份產業
轉型成為知識密集、永續環保的綠色科技產業。
氫燃料電池是什麼？
1970 年四月十日阿波羅13 號太空船登月途中發生意外，使曾經出過十數次任務
的氫氧燃料電池（見圖一），開始為人們所注意。這種太空任務中使用的發電裝
置，是一種能源直接轉換裝置，將化石燃料中的碳氫化合物化學能，經由觸媒及
電催化的反應機制，直接轉換成電能。它是未來最優越的發電技術之一，不僅發
電效率高，對環境的污染亦相當輕微。
燃料電池是用汽油、酒精、天然氣、氫氣、沼氣等燃料轉換成電流。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。燃料電池是火力、水力、核
能外第四種發電方法。
今日汽車製造業才開始應用到燃料電池。燃料電池汽車是利用氫和氧進行化學反
應產生電，然後再以電能進行驅動車輛。燃料電池在德國，被用作潛水艇的動力
及用於驅動汽車和居民供電供暖。
日本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。
2002 年12 月日本豐田公司與本田公司已出產世界第一批燃料電池汽車。加拿大
Mark-900 燃料電池，是使用甲醇或氫為燃料，可在零下40℃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。
我國業者將氫氧燃料電池運用在電動自行車上，電力用完了，只要加燃料氣即可
迅速恢能電能，符合快速環保方便的需求，的確是新發明新世紀的電池。氫氧燃
料電池關鍵組件是電池內部兩片基板中的薄塑膠質子交換膜，目前仍是杜邦公司
的專利權。目前電動車仍多數使用鉛酸電池，部分採用鎳氫電池，而鋰電池仍有
成本高及充電時間長等問題；採用燃料電池做為電動自行車電能來源，將使我國
電動車
smart 化學專題報告主題一＜氫電池＞
氫電池_2
產業直接跳過鋰電池，進入燃料電池時代。
燃料電池利用氫氣與氧氣結合反應作用發電的原理
以氫氣為燃料、氧氣為氧化劑， 通過化合作用發電，此種燃料電池又叫再生性
氫氧燃料電池(regenerative fuel cell，RFC)。氫和氧化學反應生成水蒸氣，不排放
碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物質，排出物是無污染的水。氫氧
燃料電池排放出非常清潔的副產品，幾乎無污染且高效率。
燃料電池的構造與一般電池相似，由陰極、陽極以及夾在它們中間的電解質層所
組成。圖二為一個燃料電池單體，將這一個個電池單體堆疊組合在一起，就成為
一個燃料電池。
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，其具備的優點為發電效益高，且最終副產品只有熱能與純水，不會對
環境造成任何威脅，相當符合環保交通工具的需求。燃料電池與一般電池最大的
不同就在燃料電池本身並不儲存電力，它的電能供給來自燃料中的化學能，也就
是說，只要有燃料不斷地供應，燃料電池便源源不絕的發出電力。換言之，燃料
電池的構造就如同一般的發電機，只不過燃料電池的操作比發電機更為安靜（即
使在十一百萬瓦級的燃料電池發電廠附近，所測得的噪音量也低於55 分貝）、乾
淨（發電過程幾乎不造成任何汙染。以目前容量最大的十一百萬瓦(11MV)級燃
料電池發電廠為例，同樣以天然氣為燃料，該電場廠運轉初期氮氧化物排放量為
1ppm，而硫氧化物及粒狀汙染物未曾測得，比目前最清潔的燃氣發電敞還乾淨）
和更有效率。
首先利用清淨再生能源如太陽能或風能產生之電力將天然氣或水分子分解出氫
氣與氧氣，接著將經過壓縮的氫氣透過管路或容器包裝卡車運送到建築物、工廠
或車輛內的燃料電池，利用燃料電池構造反應，將氫氣與空氣中的氧氣結合反應
發電，產生的電力可以為建築物、工廠或車輛的動力來源。在此，燃料（Fuel）
電池（Cell）是電池的一種，使用的燃料是氫氣與氧氣，利用陽極（Anode），陰
極（Cathode）、催化板（Catalyst）及電解膜（Electrolyte）等構造裝置，使氫氣
由陽極進入，通過催化板，分裂成氫原子與電子，電力即由此電子的流動而產生，
氫原子則穿過電解膜與從陰極來的氧氣加上回路的電子後，產生發電的副產品
水。因此利用燃料電池的構造裝置，可以將氫與空氣中的氧結合反應發電，發電
量隨著板層構造之電池數量增加而增加。估計如果要產生1000 瓦的電力，需要
串聯34 個直徑5 吋的燃料電池。利用源源不斷供應的氫氣，加上空氣中的氧氣，
產生
smart 化學專題報告主題一＜氫電池＞
氫電池_3
電力，副產品只有水，除此之外，沒有其他污染排放物。
簡單的說，燃料電池的發電原理由水的電解實驗便可端詳一二：
當直流電力經過導電的電極進入水槽後，水即被分解，分別從陰、陽兩極產生氫
氣及氧氣。而燃料電池的作動原理則剛好與水電解的電化學反應現象相反，也就
是說當氫氣和氧氣分別輸送到陽、陰兩極，經過與電極上的觸媒反應之後，就會
產生直流電力和乾淨的水，如圖三
所示。就是這樣的原理，使得燃料電池能夠將燃料中的化學能直接換成為電力，
所以燃料電池又被稱為直接能源轉換裝置（ Direct Energy Conversion Device）。大
家對燃料電池的構造原理有基本的認識後，可以發現，在整個燃料電池的組成
上，對於催化電極材料，及電解質膜的選擇有決定性的影響，其所涉及的內容，
為材料工程、化學工程學程所研究的課題之一。
兼顧環保與效率的綠色發電工具
雖然目前燃料電池仍然是利用一般化石能源，如煤碳、石油、天然氣等，或是含
有氫分子的再生能源，如沼氣、甲醇等作為進料，但是與同樣利用這些能源的火
力發電方式有所不同，因為後者必須經過燃燒及各種層層能量轉換程序，最後才
轉變成為方便使用的電力，故此燃料電池發電效率高，同時亦不會帶來因為燃燒
而造成的空氣污染，以及發電機經由齒輪傳動而產生的噪音，所以燃料電池常被
認為是一種兼顧環保與效率的綠色發電工具。
目前發展中的五種燃料電池
目前發展中的燃料電池，可依所使用電解質層的不同，分為鹼性（Alkaline，簡
稱AFC）、質子交換膜（Proton Exchange Membrane，簡稱PEMFC）、磷酸
（Phosphoric Acid，簡稱PAFC）、熔融碳酸鹽（ Molten Carbonate，簡稱MCFC），
以及固態氧化物（Solid Oxide，簡稱SOFC）等五種。這五種燃料電池，因為所
使用的電極與電解質料的不同，再加上不一樣的操作條件如溫度、壓力等，使得
在應用上亦有所不同。有關這五種燃料電池的特產與應用，如表一所示。
燃料電池應用層面廣泛
事實上，燃料電池的應用領域不僅限於表一所示，它除了在太空方面的發展外，
在地面上發展也相當迅速，如筆記型電腦或手機電源使用的儲氫卡匣式燃料電池
電力組、燃料電池電動車等，主要原因即在近年來質子交換膜燃料電池有著長足
的發展。質子交換膜燃料電池
與其他型的燃料電池相較，同樣的體積可以發出數倍的電力，而且發電時操作溫
smart 化學專題報告主題一＜氫電池＞
氫電池_4
度接近常溫，適合一般需用電力場合使用，尤其是因應環
保和能源效率殷切需求而日益受到重視；如此，高效率、低污染、攜
帶能量取決與燃料儲存系統大小。故儲存在高壓鋼瓶或是金屬氫化物（Metal
Hydrides）卡匣的氫氣，結合發電密度高的質子交換膜燃料電池，即成為一個獨
立供應電力的燃料電池電力組（Fuel Cell Power Pack，又稱Fuel Cell Battery），
可以取代一般充電式的傳統電池成為
使用時間更長久、發出電力更強大的電源；與傳統電池充電方式不相逕庭的是，
當氫氣用盡，燃料電池組不再發電時，只需要再度灌入氫氣到鋼瓶或卡匣中，即
可恢復發電，而毋需經過像傳統電池般的充電程序。然而，在強調燃料電池擁有
低污染、低噪音、高效能，所謂「二低一高」的優點外，燃料電池更可以給大家
帶來一個更美好的生態環境。
水藻可成新能源──實驗中研究員截斷供給水藻的硫和氧氣﹐逼使其轉作產生氫
氣的生理模式﹐二十小時內水藻即由排氧變為排氫。一公升水藻培養液每小時可
生產三毫升氫氣﹐相信將來可再提升至少一百倍。他們說﹐一個小池塘裏生長的
水藻產生的氫氣﹐足以為十部車供應能源。
補充二（新聞報導）
＜新能源「氫」製造過程難兩全＞【編譯王宜燕／美聯社紐約29 日電】
美國總統布希在上次的國情諮文中宣誓，將在未來5 年斥資17 億美元研究氫氣
燃料電池汽車，此後即在美國引起廣泛討論：究竟氫燃料是否美國未來能源的「救
星」？
隨著汽車「行遍天下」，石油存量日益吃緊，再加上美國對依賴外國進口石油的
「民族情結」日深，美國多數能源專家都同意，本世紀從化石燃料轉移到新能源
乃勢在必行。然而，目前眾望所歸的新能源氫氣，要取而代之絕非易事，尤其在
環保與經濟效益上幾乎很難兩全。其實使用氫燃料本身並非新點子，氫燃料電池
已用來發動實驗汽車並供應某些建築物電力。美國航太總署將氫用在太空船上更
是行之有年。但問題在如何製造氫氣。因為氫氣與石油或煤不同，並非天然礦藏
等著被掘出或汲取，氫氣得製造而來。雖然氫氣可用太陽能、風力或地熱生產的
電力，以無污染的方式由水製出。但是這個過程成本太高，不如由化石燃料如煤
或天然氣生產電力來製氫。
尚且更省錢的做法是，直接從化石燃料提煉氫氣。煤、石油與天
然氣主要元素都是碳與氫，經過加熱可分離出氫氣，但期間除非能捕
捉碳而且與環境隔絕，否則一旦進入大氣就會與氧結合，形成溫室效應的禍首二
氧化碳。甚至還有人建議，用核能製造氫氣。這也是為什麼，氫燃料電池車是透
過化學作用產生電力，除了製出可飲用的純水來，不會排放出任何毒害環境的物
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質，稱得上是零污染汽車，可是製氫的過程卻非百分之百的無污染。環保人士因
此大聲疾呼，應使用再生能源製氫，可是又不符合經濟效益。
美國能源部去年召集汽車與石油公司等的能源專家，共同起草「國家氫能源路線
圖」，討論製造氫氣等問題。結果提倡再生能源的「美國太陽能協會」會長尼克
拉斯，因看不到由再生能源製造氫氣的可能性，當場在會中發飆。
環保人士抨擊布希政府太強調用化石燃料與核能當做氫氣來源，忽視用無污染的
再生替代能源。尼克拉斯就說：「他們是以氫氣之名，刪除再生能源。」
燃料電池的演進
燃料電池（fuel cell）是一種將燃料的化學能，透過電化學反應直接轉換成電能的裝置。其發展歷史可追溯至一八三九年，首先由威廉．羅伯特．葛羅夫爵士（Sir William Robert Grove, 1811-1896）所發明，該系統是使用稀釋的硫酸當做液態電解質，成功地產生電能。經過不斷的研究，能司特在一八九九年，首度發現固態電解質的導電行為。而第一個陶瓷型燃料電池則在一九三七年，由鮑爾與葡來司首先示範成功。
經過170年的發展，燃料電池依其電解質的種類，可分為質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）、鹼性燃料電池（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）與固態氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell, SOFC）。依其操作溫度做區分時，質子交換膜燃料電池、鹼性燃料電池與磷酸燃料電池屬於低溫型，操作溫度在攝氏80～200度之間；而熔融碳酸鹽燃料電池與固態氧化物燃料電池則為中高溫型，操作溫度在攝氏500～1,000度之間。
其中，以質子交換膜燃料電池為基礎，使用甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池（direct methanol fuel cell，DMFC）是微型燃料電池發展的主流，主要應用在電子產品如手提電腦、行動電話與個人數位助理等，目前是工業國家非常有興趣的組件。質子交換膜燃料電池主要可應用於電動汽車、電動機車、電動腳踏車及電動工具機。至於固態氧化物燃料電池，則可藉由微機電技術將組件模組化，可應用於分散式的電力系統或大型發電廠。本文針對三種最具潛力的燃料電池，即低溫型的質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池與固態氧化物燃料電池作一簡介。
燃料電池的基本元件包括：陰極、陽極、電解質和雙極板或連接器。燃料以氣體分子的型態由陽極進入，發生氧化反應並釋放出電子，電子由陽極端經外部迴路傳至陰極，同時提供能量給負載使用；氧化劑經由陰極進入，接受電子並藉由陰極觸媒的催化，發生還原反應，將氧氣還原成氧離子，藉由電解質的傳遞，將氧離子傳送至陽極端與燃料產生反應，經氧化作用後再次產生電子。單一燃料電池，其理論輸出電壓值約為一伏特，因此可藉由雙極板或連接器將組件予以串、並聯，如此便可製備出不同規格的產品。
燃料電池的優點
低污染：燃料電池比一般傳統火力發電方式更清潔，沒有二氧化碳及含硫的問題，更沒有核能發電核廢料的問題。若用氫氣與空氣作為燃料與氧化劑，其生成物只有水和熱。
高效率：因為燃料電池直接將燃料中的化學能轉換成電能，和一般傳統的發電方式不同，故不受卡諾循環的限制，理論上能量轉換效率可達80％。
無噪音：燃料電池發電本體在發電時，不需其它移動機件的配合，因此沒有噪音問題。
用途多：燃料電池所能提供的電力範圍相當廣泛，小至手機大至百萬瓦發電廠，都在其適用範圍內。
免充電：一般電池是將能量貯於電池本體中，用完後即捨棄，或充電後再重複使用。燃料電池是由燃料中的化學能提供能源，它並不含在電池本體結構中，因此只要持續不斷地供給燃料，燃料電池便可以不停地發電。
燃料來源極廣：只要含有氫原子的石化能源如石油、天然氣、煤炭、沼氣、酒精與甲醇等，通過一個轉換器，都可作為燃料電池的能源進料。目前更有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。
質子交換膜燃料電池
質子交換膜燃料電池又可稱為高分子電解質燃料電池或固態高分子電解質燃料電池。由質子交換膜、陰極和陽極所組成的組件稱之為膜電極組體，質子交換膜為一傳導質子（H+）的高分子膜，商業化產品多為杜邦（Dupont）鈉飛揚（Nafion）的產品。陰極和陽極材料皆以鉑為主要觸媒，將鉑分布在具導電性與高表面積的碳黑載體上。近來拜奈米科技之賜，將只有數奈米的鉑鍍在碳黑或碳粉上，不僅大幅降低鉑的使用量，並且使能量密度得以大幅提升。
緊鄰膜電極組體的元件稱為氣體擴散層，該層通常使用經過疏水處理的碳布或碳紙，以避免水分阻塞氣體通道，妨礙燃料或氧化劑由雙極板流至觸媒層。質子交換膜燃料電池的最外層組件稱為雙極板，是一導電隔離板，表面上刻有溝槽，作為氣體流通的通道。
質子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，以空氣為氧化劑，因此反應生成物只有水和熱，故水的管理成為很重要的課題。再者，當使用碳氫化合物作為氫氣來源時，除脫硫外更需要將大量的一氧化碳去除，以避免鉑失去觸媒的功效。一般而言，燃料中許可的一氧化碳含量，通常須低於千分之五。
質子交換膜燃料電池未來的設計主要應用在電動汽車、電動機車、電動腳踏車及電動工具機的電池組中。電動汽車的製造商包括福特、本田與戴姆樂─克萊斯勒等主要汽車公司，都已陸續開發出原型機，然而，短期內燃料電池電動汽車，要取代現有使用石化燃料的汽車，困難度仍相當高，主要原因為製造成本過高。故中程計畫以油電混合的電動汽車較為可行，而長程規畫則以純燃料電池電動汽車為主。
至於電動機車的主要市場在亞洲，包括臺灣、中國大陸、泰國與菲律賓等，早期搭配傳統的鉛酸電池作為動力來源，然而由於電池性能與續航力不足、車身過重、充電站不普遍及價格昂貴等缺點，使得該類型電動機車失去競爭優勢。有鑑於此，國內廠商如亞太燃料電池科技公司，乃投入質子交換膜燃料電池的開發與量產，目前已開發出低於10千瓦功率的低廢氣電動機車，預期可帶動電動機車真正邁入商品化。至於電動腳踏車及電動工具機的應用，目前仍以鋰離子、鎳鎘與鎳氫電池等可充放電池為主要動力來源。
直接甲醇燃料電池
以質子交換膜燃料電池為基礎，並使用甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池是微型燃料電池發展的主流，以取代現有鋰離子、鎳鎘與鎳氫電池等二次電池為目標。除輕、薄、短、小外，直接甲醇燃料電池更具有供電及待機時間長、能量密度高與無污染等優勢，主要應用於電子產品如手提電腦、行動電話、數位相機與個人數位助理等。因此各界皆預估該型燃料電池可望成為電子產品的主要電力來源。
固態氧化物燃料電池
固態氧化物燃料電池的基本組件與前兩種電池相似，但因採用固態電解質的材料，例如氣化金告、氧化鈰，所以需要在較高的溫度（約攝氏800度）操作，技術上並不容易。可是這型電池的能源轉換電能的效率最高，而且可以採用氫氣及其他碳氫燃料，所以已有多座大型試驗電廠在歐美國家試用中。
隨著石化能源的日漸枯竭，人類除了應更加善用現有能源外，未雨綢繆之計，開發更環保的能源儲存及能源轉換的技術實為當務之急。在石化能源使用殆盡後，使用氫能源的時代隨之來臨，而低溫型的質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池與中高溫型的固態氧化物燃料電池為最具潛力的三種能源轉換方式。
國內發展燃料電池已有一段時間，工研院能資所與中科院材料暨光電研究所的研究重點均集中在質子交換膜燃料電池上；台電在一九九五年也設立了一座磷酸燃料電池發電站，進行長期操作測試。其他的學術研究單位，包括台大、成大與元智等都有相當的研究人力投入。國科會更在去年九月初接受燃料電池的研究計畫申請，將會大幅提升國內在這個主題上的研究動力。
資料來源： 《科學發展》2003年7月，367期，30～33頁(pdf檔) (轉貼)
氫燃料電池－能源明日之星
大家或許曾經聽過「燃料電池」這個名詞，但對於這種能源技術可能又不甚了解。
從政經、能源、環保、社會、科技產業發展，及生活品質提昇等角度考量，燃料
電池（Fuel Cell）科技是值得國內產、官、學界長期投入發展的新興科技領域。
燃料電池為高效率、潔淨、多元化能源使用，可應用於車輛動力、分散式發電、3C 資訊產品電源等商業產品。其多元化研發領域及應用產品，將提供部份產業
轉型成為知識密集、永續環保的綠色科技產業。
氫燃料電池是什麼？
1970 年四月十日阿波羅13 號太空船登月途中發生意外，使曾經出過十數次任務
的氫氧燃料電池（見圖一），開始為人們所注意。這種太空任務中使用的發電裝
置，是一種能源直接轉換裝置，將化石燃料中的碳氫化合物化學能，經由觸媒及
電催化的反應機制，直接轉換成電能。它是未來最優越的發電技術之一，不僅發
電效率高，對環境的污染亦相當輕微。
燃料電池是用汽油、酒精、天然氣、氫氣、沼氣等燃料轉換成電流。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。燃料電池是火力、水力、核
能外第四種發電方法。
今日汽車製造業才開始應用到燃料電池。燃料電池汽車是利用氫和氧進行化學反
應產生電，然後再以電能進行驅動車輛。燃料電池在德國，被用作潛水艇的動力
及用於驅動汽車和居民供電供暖。
日本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。
2002 年12 月日本豐田公司與本田公司已出產世界第一批燃料電池汽車。加拿大
Mark-900 燃料電池，是使用甲醇或氫為燃料，可在零下40℃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。
我國業者將氫氧燃料電池運用在電動自行車上，電力用完了，只要加燃料氣即可
迅速恢能電能，符合快速環保方便的需求，的確是新發明新世紀的電池。氫氧燃
料電池關鍵組件是電池內部兩片基板中的薄塑膠質子交換膜，目前仍是杜邦公司
的專利權。目前電動車仍多數使用鉛酸電池，部分採用鎳氫電池，而鋰電池仍有
成本高及充電時間長等問題；採用燃料電池做為電動自行車電能來源，將使我國
電動車
smart 化學專題報告主題一＜氫電池＞
氫電池_2
產業直接跳過鋰電池，進入燃料電池時代。
燃料電池利用氫氣與氧氣結合反應作用發電的原理
以氫氣為燃料、氧氣為氧化劑， 通過化合作用發電，此種燃料電池又叫再生性
氫氧燃料電池(regenerative fuel cell，RFC)。氫和氧化學反應生成水蒸氣，不排放
碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物質，排出物是無污染的水。氫氧
燃料電池排放出非常清潔的副產品，幾乎無污染且高效率。
燃料電池的構造與一般電池相似，由陰極、陽極以及夾在它們中間的電解質層所
組成。圖二為一個燃料電池單體，將這一個個電池單體堆疊組合在一起，就成為
一個燃料電池。
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，其具備的優點為發電效益高，且最終副產品只有熱能與純水，不會對
環境造成任何威脅，相當符合環保交通工具的需求。燃料電池與一般電池最大的
不同就在燃料電池本身並不儲存電力，它的電能供給來自燃料中的化學能，也就
是說，只要有燃料不斷地供應，燃料電池便源源不絕的發出電力。換言之，燃料
電池的構造就如同一般的發電機，只不過燃料電池的操作比發電機更為安靜（即
使在十一百萬瓦級的燃料電池發電廠附近，所測得的噪音量也低於55 分貝）、乾
淨（發電過程幾乎不造成任何汙染。以目前容量最大的十一百萬瓦(11MV)級燃
料電池發電廠為例，同樣以天然氣為燃料，該電場廠運轉初期氮氧化物排放量為
1ppm，而硫氧化物及粒狀汙染物未曾測得，比目前最清潔的燃氣發電敞還乾淨）
和更有效率。
首先利用清淨再生能源如太陽能或風能產生之電力將天然氣或水分子分解出氫
氣與氧氣，接著將經過壓縮的氫氣透過管路或容器包裝卡車運送到建築物、工廠
或車輛內的燃料電池，利用燃料電池構造反應，將氫氣與空氣中的氧氣結合反應
發電，產生的電力可以為建築物、工廠或車輛的動力來源。在此，燃料（Fuel）
電池（Cell）是電池的一種，使用的燃料是氫氣與氧氣，利用陽極（Anode），陰
極（Cathode）、催化板（Catalyst）及電解膜（Electrolyte）等構造裝置，使氫氣
由陽極進入，通過催化板，分裂成氫原子與電子，電力即由此電子的流動而產生，
氫原子則穿過電解膜與從陰極來的氧氣加上回路的電子後，產生發電的副產品
水。因此利用燃料電池的構造裝置，可以將氫與空氣中的氧結合反應發電，發電
量隨著板層構造之電池數量增加而增加。估計如果要產生1000 瓦的電力，需要
串聯34 個直徑5 吋的燃料電池。利用源源不斷供應的氫氣，加上空氣中的氧氣，
產生
smart 化學專題報告主題一＜氫電池＞
氫電池_3
電力，副產品只有水，除此之外，沒有其他污染排放物。
簡單的說，燃料電池的發電原理由水的電解實驗便可端詳一二：
當直流電力經過導電的電極進入水槽後，水即被分解，分別從陰、陽兩極產生氫
氣及氧氣。而燃料電池的作動原理則剛好與水電解的電化學反應現象相反，也就
是說當氫氣和氧氣分別輸送到陽、陰兩極，經過與電極上的觸媒反應之後，就會
產生直流電力和乾淨的水，如圖三
所示。就是這樣的原理，使得燃料電池能夠將燃料中的化學能直接換成為電力，
所以燃料電池又被稱為直接能源轉換裝置（ Direct Energy Conversion Device）。大
家對燃料電池的構造原理有基本的認識後，可以發現，在整個燃料電池的組成
上，對於催化電極材料，及電解質膜的選擇有決定性的影響，其所涉及的內容，
為材料工程、化學工程學程所研究的課題之一。
兼顧環保與效率的綠色發電工具
雖然目前燃料電池仍然是利用一般化石能源，如煤碳、石油、天然氣等，或是含
有氫分子的再生能源，如沼氣、甲醇等作為進料，但是與同樣利用這些能源的火
力發電方式有所不同，因為後者必須經過燃燒及各種層層能量轉換程序，最後才
轉變成為方便使用的電力，故此燃料電池發電效率高，同時亦不會帶來因為燃燒
而造成的空氣污染，以及發電機經由齒輪傳動而產生的噪音，所以燃料電池常被
認為是一種兼顧環保與效率的綠色發電工具。
目前發展中的五種燃料電池
目前發展中的燃料電池，可依所使用電解質層的不同，分為鹼性（Alkaline，簡
稱AFC）、質子交換膜（Proton Exchange Membrane，簡稱PEMFC）、磷酸
（Phosphoric Acid，簡稱PAFC）、熔融碳酸鹽（ Molten Carbonate，簡稱MCFC），
以及固態氧化物（Solid Oxide，簡稱SOFC）等五種。這五種燃料電池，因為所
使用的電極與電解質料的不同，再加上不一樣的操作條件如溫度、壓力等，使得
在應用上亦有所不同。有關這五種燃料電池的特產與應用，如表一所示。
燃料電池應用層面廣泛
事實上，燃料電池的應用領域不僅限於表一所示，它除了在太空方面的發展外，
在地面上發展也相當迅速，如筆記型電腦或手機電源使用的儲氫卡匣式燃料電池
電力組、燃料電池電動車等，主要原因即在近年來質子交換膜燃料電池有著長足
的發展。質子交換膜燃料電池
與其他型的燃料電池相較，同樣的體積可以發出數倍的電力，而且發電時操作溫
smart 化學專題報告主題一＜氫電池＞
氫電池_4
度接近常溫，適合一般需用電力場合使用，尤其是因應環
保和能源效率殷切需求而日益受到重視；如此，高效率、低污染、攜
帶能量取決與燃料儲存系統大小。故儲存在高壓鋼瓶或是金屬氫化物（Metal
Hydrides）卡匣的氫氣，結合發電密度高的質子交換膜燃料電池，即成為一個獨
立供應電力的燃料電池電力組（Fuel Cell Power Pack，又稱Fuel Cell Battery），
可以取代一般充電式的傳統電池成為
使用時間更長久、發出電力更強大的電源；與傳統電池充電方式不相逕庭的是，
當氫氣用盡，燃料電池組不再發電時，只需要再度灌入氫氣到鋼瓶或卡匣中，即
可恢復發電，而毋需經過像傳統電池般的充電程序。然而，在強調燃料電池擁有
低污染、低噪音、高效能，所謂「二低一高」的優點外，燃料電池更可以給大家
帶來一個更美好的生態環境。
水藻可成新能源──實驗中研究員截斷供給水藻的硫和氧氣﹐逼使其轉作產生氫
氣的生理模式﹐二十小時內水藻即由排氧變為排氫。一公升水藻培養液每小時可
生產三毫升氫氣﹐相信將來可再提升至少一百倍。他們說﹐一個小池塘裏生長的
水藻產生的氫氣﹐足以為十部車供應能源。
補充二（新聞報導）
＜新能源「氫」製造過程難兩全＞【編譯王宜燕／美聯社紐約29 日電】
美國總統布希在上次的國情諮文中宣誓，將在未來5 年斥資17 億美元研究氫氣
燃料電池汽車，此後即在美國引起廣泛討論：究竟氫燃料是否美國未來能源的「救
星」？
隨著汽車「行遍天下」，石油存量日益吃緊，再加上美國對依賴外國進口石油的
「民族情結」日深，美國多數能源專家都同意，本世紀從化石燃料轉移到新能源
乃勢在必行。然而，目前眾望所歸的新能源氫氣，要取而代之絕非易事，尤其在
環保與經濟效益上幾乎很難兩全。其實使用氫燃料本身並非新點子，氫燃料電池
已用來發動實驗汽車並供應某些建築物電力。美國航太總署將氫用在太空船上更
是行之有年。但問題在如何製造氫氣。因為氫氣與石油或煤不同，並非天然礦藏
等著被掘出或汲取，氫氣得製造而來。雖然氫氣可用太陽能、風力或地熱生產的
電力，以無污染的方式由水製出。但是這個過程成本太高，不如由化石燃料如煤
或天然氣生產電力來製氫。
尚且更省錢的做法是，直接從化石燃料提煉氫氣。煤、石油與天
然氣主要元素都是碳與氫，經過加熱可分離出氫氣，但期間除非能捕
捉碳而且與環境隔絕，否則一旦進入大氣就會與氧結合，形成溫室效應的禍首二
氧化碳。甚至還有人建議，用核能製造氫氣。這也是為什麼，氫燃料電池車是透
過化學作用產生電力，除了製出可飲用的純水來，不會排放出任何毒害環境的物
smart 化學專題報告主題一＜氫電池＞
質，稱得上是零污染汽車，可是製氫的過程卻非百分之百的無污染。環保人士因
此大聲疾呼，應使用再生能源製氫，可是又不符合經濟效益。
美國能源部去年召集汽車與石油公司等的能源專家，共同起草「國家氫能源路線
圖」，討論製造氫氣等問題。結果提倡再生能源的「美國太陽能協會」會長尼克
拉斯，因看不到由再生能源製造氫氣的可能性，當場在會中發飆。
環保人士抨擊布希政府太強調用化石燃料與核能當做氫氣來源，忽視用無污染的
再生替代能源。尼克拉斯就說：「他們是以氫氣之名，刪除再生能源。」
燃料電池的演進
燃料電池（fuel cell）是一種將燃料的化學能，透過電化學反應直接轉換成電能的裝置。其發展歷史可追溯至一八三九年，首先由威廉．羅伯特．葛羅夫爵士（Sir William Robert Grove, 1811-1896）所發明，該系統是使用稀釋的硫酸當做液態電解質，成功地產生電能。經過不斷的研究，能司特在一八九九年，首度發現固態電解質的導電行為。而第一個陶瓷型燃料電池則在一九三七年，由鮑爾與葡來司首先示範成功。
經過170年的發展，燃料電池依其電解質的種類，可分為質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）、鹼性燃料電池（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）與固態氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell, SOFC）。依其操作溫度做區分時，質子交換膜燃料電池、鹼性燃料電池與磷酸燃料電池屬於低溫型，操作溫度在攝氏80～200度之間；而熔融碳酸鹽燃料電池與固態氧化物燃料電池則為中高溫型，操作溫度在攝氏500～1,000度之間。
其中，以質子交換膜燃料電池為基礎，使用甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池（direct methanol fuel cell，DMFC）是微型燃料電池發展的主流，主要應用在電子產品如手提電腦、行動電話與個人數位助理等，目前是工業國家非常有興趣的組件。質子交換膜燃料電池主要可應用於電動汽車、電動機車、電動腳踏車及電動工具機。至於固態氧化物燃料電池，則可藉由微機電技術將組件模組化，可應用於分散式的電力系統或大型發電廠。本文針對三種最具潛力的燃料電池，即低溫型的質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池與固態氧化物燃料電池作一簡介。
燃料電池的基本元件包括：陰極、陽極、電解質和雙極板或連接器。燃料以氣體分子的型態由陽極進入，發生氧化反應並釋放出電子，電子由陽極端經外部迴路傳至陰極，同時提供能量給負載使用；氧化劑經由陰極進入，接受電子並藉由陰極觸媒的催化，發生還原反應，將氧氣還原成氧離子，藉由電解質的傳遞，將氧離子傳送至陽極端與燃料產生反應，經氧化作用後再次產生電子。單一燃料電池，其理論輸出電壓值約為一伏特，因此可藉由雙極板或連接器將組件予以串、並聯，如此便可製備出不同規格的產品。
燃料電池的優點
低污染：燃料電池比一般傳統火力發電方式更清潔，沒有二氧化碳及含硫的問題，更沒有核能發電核廢料的問題。若用氫氣與空氣作為燃料與氧化劑，其生成物只有水和熱。
高效率：因為燃料電池直接將燃料中的化學能轉換成電能，和一般傳統的發電方式不同，故不受卡諾循環的限制，理論上能量轉換效率可達80％。
無噪音：燃料電池發電本體在發電時，不需其它移動機件的配合，因此沒有噪音問題。
用途多：燃料電池所能提供的電力範圍相當廣泛，小至手機大至百萬瓦發電廠，都在其適用範圍內。
免充電：一般電池是將能量貯於電池本體中，用完後即捨棄，或充電後再重複使用。燃料電池是由燃料中的化學能提供能源，它並不含在電池本體結構中，因此只要持續不斷地供給燃料，燃料電池便可以不停地發電。
燃料來源極廣：只要含有氫原子的石化能源如石油、天然氣、煤炭、沼氣、酒精與甲醇等，通過一個轉換器，都可作為燃料電池的能源進料。目前更有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。
質子交換膜燃料電池
質子交換膜燃料電池又可稱為高分子電解質燃料電池或固態高分子電解質燃料電池。由質子交換膜、陰極和陽極所組成的組件稱之為膜電極組體，質子交換膜為一傳導質子（H+）的高分子膜，商業化產品多為杜邦（Dupont）鈉飛揚（Nafion）的產品。陰極和陽極材料皆以鉑為主要觸媒，將鉑分布在具導電性與高表面積的碳黑載體上。近來拜奈米科技之賜，將只有數奈米的鉑鍍在碳黑或碳粉上，不僅大幅降低鉑的使用量，並且使能量密度得以大幅提升。
緊鄰膜電極組體的元件稱為氣體擴散層，該層通常使用經過疏水處理的碳布或碳紙，以避免水分阻塞氣體通道，妨礙燃料或氧化劑由雙極板流至觸媒層。質子交換膜燃料電池的最外層組件稱為雙極板，是一導電隔離板，表面上刻有溝槽，作為氣體流通的通道。
質子交換膜燃料電池以氫氣為燃料，以空氣為氧化劑，因此反應生成物只有水和熱，故水的管理成為很重要的課題。再者，當使用碳氫化合物作為氫氣來源時，除脫硫外更需要將大量的一氧化碳去除，以避免鉑失去觸媒的功效。一般而言，燃料中許可的一氧化碳含量，通常須低於千分之五。
質子交換膜燃料電池未來的設計主要應用在電動汽車、電動機車、電動腳踏車及電動工具機的電池組中。電動汽車的製造商包括福特、本田與戴姆樂─克萊斯勒等主要汽車公司，都已陸續開發出原型機，然而，短期內燃料電池電動汽車，要取代現有使用石化燃料的汽車，困難度仍相當高，主要原因為製造成本過高。故中程計畫以油電混合的電動汽車較為可行，而長程規畫則以純燃料電池電動汽車為主。
至於電動機車的主要市場在亞洲，包括臺灣、中國大陸、泰國與菲律賓等，早期搭配傳統的鉛酸電池作為動力來源，然而由於電池性能與續航力不足、車身過重、充電站不普遍及價格昂貴等缺點，使得該類型電動機車失去競爭優勢。有鑑於此，國內廠商如亞太燃料電池科技公司，乃投入質子交換膜燃料電池的開發與量產，目前已開發出低於10千瓦功率的低廢氣電動機車，預期可帶動電動機車真正邁入商品化。至於電動腳踏車及電動工具機的應用，目前仍以鋰離子、鎳鎘與鎳氫電池等可充放電池為主要動力來源。
直接甲醇燃料電池
以質子交換膜燃料電池為基礎，並使用甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池是微型燃料電池發展的主流，以取代現有鋰離子、鎳鎘與鎳氫電池等二次電池為目標。除輕、薄、短、小外，直接甲醇燃料電池更具有供電及待機時間長、能量密度高與無污染等優勢，主要應用於電子產品如手提電腦、行動電話、數位相機與個人數位助理等。因此各界皆預估該型燃料電池可望成為電子產品的主要電力來源。
固態氧化物燃料電池
固態氧化物燃料電池的基本組件與前兩種電池相似，但因採用固態電解質的材料，例如氣化金告、氧化鈰，所以需要在較高的溫度（約攝氏800度）操作，技術上並不容易。可是這型電池的能源轉換電能的效率最高，而且可以採用氫氣及其他碳氫燃料，所以已有多座大型試驗電廠在歐美國家試用中。
隨著石化能源的日漸枯竭，人類除了應更加善用現有能源外，未雨綢繆之計，開發更環保的能源儲存及能源轉換的技術實為當務之急。在石化能源使用殆盡後，使用氫能源的時代隨之來臨，而低溫型的質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池與中高溫型的固態氧化物燃料電池為最具潛力的三種能源轉換方式。
國內發展燃料電池已有一段時間，工研院能資所與中科院材料暨光電研究所的研究重點均集中在質子交換膜燃料電池上；台電在一九九五年也設立了一座磷酸燃料電池發電站，進行長期操作測試。其他的學術研究單位，包括台大、成大與元智等都有相當的研究人力投入。國科會更在去年九月初接受燃料電池的研究計畫申請，將會大幅提升國內在這個主題上的研究動力。
資料來源： 《科學發展》2003年7月，367期，30～33頁(pdf檔) (轉貼)
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