色能源科技浅谈燃电池

綠色能源科技─淺談燃料電池*江文鉅、**林永清*高雄師範大學工業科技教育學系副教授**高雄師範大學工業科技教育學系研究生壹、前言隨著社會環境的改變，科技不斷的創新進步，經濟持續的成長，進而人類也要求生活品質的提高，能源的需求也就日益增加，因此，各種不同的能源（如石油、煤、天然氣、核燃料、太陽能、風力、水力、地熱、海洋能、生質能、氫能等）紛紛的被開發出來並被使用，而其中以非再生能源的石油、天然氣、煤等化石能源被開發的比例最多，也因此造就了石化工業的蓬勃發展。但是，因為大量的使用石油、天然氣、煤等化石能源，卻也造成了化石能源枯竭、空氣污染與全球溫室效應等嚴重的問題，而這些嚴重的問題甚至會危害人類之後代子孫，不可不重視之。為了要減緩地球村有限能源之耗竭，並改善愈來愈嚴重之環境污染問題，地球村的每一個國家無不竭盡所能的研發綠色新能源，期能留下一個優質環境以供後代子孫生長，而在各個國家所研發之各項新能源中，二十一世紀最閃亮的新能源應是屬於燃料電池了，燃料電池（FuelCell）（如圖一）所具備之高效率及低污染之特性，不僅是最符合時代之所需，也是最具有發展潛力之綠色能源裝置，在未來也是具有能源界舉足輕重的地位。圖一燃料電池貳、燃料電池之發展能源不僅是人類日常生活中之所需，更是全世界各種動力與工業經濟的命脈，所以各國為求發展，而無限制的開發能源使用，導致能源的枯竭以及地球村環境的污染，並危及到人類與後代子孫。因此，基於能源與環保的觀點，各種綠色能源科技工程在二十世紀後期蓬勃發展，而燃料電池是其中最具有潛力之能源科技。燃料電池的用途非常的廣泛，受到各先進國家的重視，紛紛投入相當大的經費與人力致力於相關領域的研究上，而在「經濟學人雜誌（Economist）」中，亦把燃料電池科技與資訊科技、生物科技並列於目前最重要的三大科技，由此可見燃料電池科技的未來發展是不可限量，值得我們高度關心與認識。一、何謂燃料電池？燃料電池（FuelCell），是一種發電的裝置，但是不像一般非充電電池一樣用完就丟棄，也不像充電電池一樣，用完須繼續充電，燃料電池由它的名稱可知，其是添加燃料以維持其電力，所需的燃料是「氫」，燃料電池的運作原理如圖二，其電池有陰陽兩個電極，分別充滿電解液，而兩個電極之間是一種具有滲透性的薄膜所構成。將氫氣導入燃料電池的陽極，氧氣（或空氣）則由陰極進入燃料電池，經由催化劑的作用，使得陽極的氫原子分解成兩個氫質子（proton）與兩個電子（electron），其中質子被氧吸引到薄膜的另一邊，電子則經由外電路形成電流後到達陰極。在陰極催化劑作用之下，氫質子、氧及電子會發生反應而形成了水分子，因此水可以說是燃料電池唯一的排放物。資料來源：台灣經濟研究院圖二燃料電池的運作原理燃料電池所使用的「氫」燃料可以來自於任何的碳氫化合物，例如是天然氣、甲醇、乙醇（酒精）、水的電解、沼氣…等等，由於燃料電池是利用氫及氧的化學反應而產生電流及水，因此不但完全沒有污染，也避免了傳統蓄電池充電耗費時間的問題，是目前最具發展前景的一種新能源，如果能夠普及的應用在車輛及其他高污染之發電工具上，將能顯著的減緩能源耗竭、改善空氣污染及溫室效應等問題。二、燃料電池之演進燃料電池是一種能將燃料的化學能，透過電化學的反應直接轉換成電能的裝置。其發展的歷史可追溯至1839年開始，當時是由英國的一位法官威廉葛洛夫（WilliamGrove）在一項業餘的瓦斯電池實驗中，對兩個白金電極分別供給氫氣、氧氣，卻發現在兩電極間產生了電壓及電流，因而發現了燃料電池的發電原理，但當時因為電極材料取得不易的問題，因而使這項發明未受重視；經過不斷的研究1899年能司特首度發現固態電解質的導電行為，並於1937年第一個陶瓷型燃料電池由鮑爾與葡來司首先示範成功（楊志忠、林頌恩、韋文誠，2003）；到了1959年英國人法蘭西斯培根（FrancisT.Bacon）製作出一個5kW的燃料電池組，其能夠推動電銲機、電鋸及堆高機，使得這一項技術可以走出實驗室並被應用，而後1960年使用氫氧為燃料的鹼性燃料電池（AlkalineFuelCell；AFC）更於美國太空計畫中成功的應用在太空科技上，成為太空梭的電力供應系統，並因為燃料電池的副產物是純水，故也成為太空人飲用水的維生系統。1970年代由於能源危機及1980年代環保意識的高漲，燃料電池開始再受到重視與發展，以提昇能源的使用效率及減緩環境的負擔，1985年，歐盟結合歐洲各個國家從事燃料電池技術的開發，而其中以德國最為積極，除引進磷酸型燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell；PAFC）試驗機組外，並發展熔融碳酸鹽燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell；MCFC）、固態氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell；SOFC）、質子交換膜燃料電池等（ProtonExchangeMembraneFuelCell；PEMFC），尤其BENZ車廠將燃料電池應用在車輛的動力上，使得燃料電池的商業化進展更加迅速。其他如Ansaldo和InternalFuelCells(IFC)公司結盟推廣磷酸型燃料電池（PAFC），以及義大利DeNora公司研製車用質子交換膜燃料電池（PEMFC）都已有相當成績，到了2003年全世界有總數超過1000家的企業及研究機構參與了燃料電池的組件及系統的技術研發，2004年日本東芝推出了筆記型電腦（NoteBook）用的直接甲醇燃料電池（DirectMethanolFuelCell；DMFC），此型的燃料電池可以提供比一般鋰電池高5倍的電量，如圖三。我國燃料電池的研究開始於1958年，在1970年代，我國有多家單位研發鹼性燃料電池（AFC）並亦有成果，後來因為航天計畫的改變，導致燃料電池的研究中止，一直到1990年，工業技術研究院能源與質源研究所開始研究磷酸燃料電池（PAFC），於是我國第二次的燃料電池研製高潮逐漸形成，目前亞太燃料電池公司已成功研發了高效能而且安全的儲氫技術，並可以將氫氣儲存在比一公升的寶特瓶稍小的儲氫罐裡，讓氫氣可以像汽油一樣帶著走，且工研院材料所在2003年展示了最新研發出的微型直接甲醇燃料電池，能量密度比鋰（Li）離子電池高上3～5倍，未來可讓筆記型電腦連續工作40個小時；目前我國有將近20家研究單位在研究燃料電池技術，不過，我國的燃料電池仍未實際的應用，與國外相比較仍有相當大的差距。參、燃料電池的種類與特性燃料電池的分類通常是以採用電解質之種類不同來區分，因此目前燃料電池依照其所採用之電解質型態不同，大致可分為：一、鹼性燃料電池（AlkalineFuelCell；AFC）鹼性燃料電池（AFC）以OH-為導電離子，通常以氫氧化鉀（KOH）為電解質，發電效率約70%，操作溫度小於100℃，但是鹼性電解質容易和空氣中圖三筆記型電腦用的直接甲醇燃料電池（DMFC）的二氧化碳結合成碳酸鹽，導致性能下降，甚至失去功用，所以只能使用純氧來當作氧化劑，而由於這個限制，因此主要應用在太空科學方面。二、磷酸型燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell；PAFC）磷酸型燃料電池（PAFC）以H+為導電離子，通常以濃磷酸（H3PO4）為電解質，穩定性高，發電效率約40%～45%，操作溫度150～210℃；為最早之商業化燃料電池，適用於固定式能源供給系統、小型發電廠，磷酸型燃料電池使用碳化矽吸附高濃度磷酸為電解質並且以Pt/C為觸媒，所以在電極設計方面上，必須要防止磷酸洩漏、腐蝕，且須對一氧化碳（CO）濃度嚴格控管，以防止白金觸媒中毒。三、熔融碳酸鹽燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell；MCFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）以CO32-為導電離子，通常以陶瓷材料吸附熔融態的鹼金屬碳酸鹽（Li2CO3-K3CO3）作為電解質，此鹽類在熔融狀態時，具有離子傳導功能，所以其操作溫度約為600～700℃，是屬於高溫操作之燃料電池，在此高溫之下，即使不使用昂貴的貴金屬作為觸媒，電極的化學反應仍然可以達到完全轉換，因此燃料的選擇性多、效率高，發電效率約45%～60%，適用於2MW以下之分散型電廠與集中型電廠。四、固態氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell；SOFC）固態氧化物燃料電池（SOFC）是一種全固態結構之電解質的燃料電池，以O2-為導電離子，通常以氧化鋯（ZrO2）作為電解質，發電效率約50%～60%，操作溫度約為1000℃，陽極與陰極之材料分別採用添加鎳－氫化鋯與鍶之鎂酸－氫化鋯之複合材料。固態氧化物燃料電池的優點與熔融碳酸鹽燃料電池相近，所以適用於集中型電廠。但由於固態氧化物燃料電池操作溫度較高且電解質為固態，因此在電池組之各層材質的製造與熱膨脹係數等材料特性較為嚴苛。五、質子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell；PEMFC）質子交換膜燃料電池（PEMFC）以H＋為導電離子，通常以全氟或部分氯化的磺酸型質子交換膜作為電解質，又稱為高分子電解質燃料電池或固態高分子聚合物電解質燃料電池，發電效率約40%～45%，操作溫度小於100℃，因此具有低溫操作、啟動快速與高功率密度的特性，所以適用於移動式能源供給系統。其主要的架構為質子交換薄膜與電極的組合，其中水與熱的管理及流道的設計對於質子交換膜燃料電池性能影響甚鉅，也是開發設計中的關鍵技術；在質子交換薄膜方面，現今已有（DuPontNafion）、（Dow）、（AsahiAciplex）等以聚四氟乙烯(Polyterafluoroethylene；PTFE)為基礎架構而研發出來的薄膜。另外，兩側的電極都是以鉑為主要的觸媒，將鉑分布在具有導電性與高表面積的碳黑載體上，緊鄰氣體擴散層，該擴散層通常使用經過疏水處理的碳布或碳紙，以避免反應後水分阻塞燃料或反應氣體的通道，導致降低其輸出性能。近年來，質子交換膜燃料電池的設計主要應用在車輛運輸工具的電池組中，並且已經陸續開發出原型機，被視為最具有發展潛力的燃料電池。六、直接甲醇燃料電池（DirectMethanolFuelCell；DMFC）直接甲醇燃料電池（DMFC），是以質子交換膜燃料電池為基礎，以直接供給液態甲醇做為燃料的質子交換膜類型之燃料電池，兩者之間的差異，主要在於液態甲醇在陽極進行氧化反應時，會釋出六個電子與氫離子並產生二氧化碳，而在反應的路徑中亦會常常形成一氧化碳的衍生物，使鉑原子失去了觸媒活性，所以直接甲醇燃料電池之陽極側使用了鉑釕（Pt-Ru）雙觸媒，以防止鉑觸媒因一氧化碳而毒化。另外，由於陽極側未反應的液態甲醇易穿透質子交換膜到達陰極而造成燃料電池的性能下降，因此在質子交換膜材料的選擇上亦有不同之處。直接甲醇燃料電池的優點為能量密度高、燃料來源廣、安全性高、可長時間的供電以及簡便。因此，對於電子產品設計的限制將大幅降低，可望成為電子產品的主要電力來源。肆、燃料電池之優缺點一、燃料電池的優點（一）低污染以化石燃料提煉氫燃料以作為燃料電池之燃料時，其提煉過程中二氧化碳的排放量比熱機的排放量減少40%以上，可以有效的減緩溫室效應；再者燃料電池所使用之燃料氣體在反應前必須先脫硫，而且燃料電池發電不需要經過燃燒，因此不排放硫氧化物（SOX）與氮氧化物(NOX)，減少對空氣的污染，且燃料電池是以純氫作為反應燃料，因此副產物只有純水。（二）噪音低目前普遍採用之發電技術如火力、水力及核能發電都須以大型的渦輪機為主要的裝置，運轉時噪音非常大，而燃料電池結構簡單亦沒有運轉機件，因此可以安靜將燃料轉換為電能。（三）效率高燃料電池利用電化學原理直接將化學能轉換為電能，理論上整體熱與電合併其效率可達90%以上，但是由於各種極化的限制，目前燃料電池的實際電能轉換效率約40~60%，與其他發電技術相比，除了核能發電以外，其單位質量燃料所產生之電能是最高的。（四）進料廣對燃料電池而言，只要含有氫原子的物質都可作為進料來源，例如天然氣、石油、沼氣、酒精、甲醇等，非常符合能源多元化，可減緩主流能源之耗竭。（五）用途多燃料電池的用途廣，目前可應用