純凈的持續性能源供應-燃料電池應用優(yōu)勢概論（上）

想像不久的將來(lái)，車(chē)子不需要加油、電子產(chǎn)品不需要電力燃料、便攜設備不需要使用電池，那將是多么環(huán)保與美好的景象。近幾年來(lái)，由于燃料電池(Fuel Cell)的技術(shù)獲得創(chuàng )新突破，再加上環(huán)保問(wèn)題與能源不足等多重壓力相繼到來(lái)，各國政府與汽車(chē)、電力、能源等產(chǎn)業(yè)漸漸重視燃料電池技術(shù)的發(fā)展。

燃料電池是高效率、低污染、多元化能源的新發(fā)電技術(shù)，而燃料電池的發(fā)電系統，不但比傳統石化燃料成本低，且有潔凈、高效率的好處，更可結合核能、生物能、太陽(yáng)能、風(fēng)能等發(fā)電技術(shù)，將能源使用多元化、可再生化和持續使用。燃料電池使用汽油、酒精、天然氣、氫氣、沼氣等燃料轉換成電流，借由外界輸入的燃料為能量源，使其能持續產(chǎn)生電力，不需二次電池的充放電程序。充電時(shí)，只要清空充滿(mǎn)副產(chǎn)品水的容器，然后再裝進(jìn)燃料(酒精等燃料)即可。燃料電池，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是一個(gè)發(fā)電機。燃料電池是火力、水力、核能外第四種發(fā)電方法。

盡管Fuel Cell中文譯為“燃料電池”，但其實(shí)它并非電池，而是經(jīng)由電化學(xué)反應產(chǎn)生電能的發(fā)電機，事實(shí)上更像一個(gè)特殊的環(huán)保發(fā)電機或內燃機。原因在于一般電池為封閉式系統，而燃料電池屬于開(kāi)放式系統，它并不儲存能源，而是轉換能源。圖1為燃料電池與內燃機的比較，從中可以發(fā)現它們的相似性，不過(guò)燃料電池利用觸媒激活氧化還原反應，直接由燃料氧化產(chǎn)生電能，因此其放電電流可以隨著(zhù)燃料供應量增加而增大，若再將其串聯(lián)成電池堆(fuel cell stack)，則可以提供大電流或大電壓，因而具有更高的能源密度。此外，燃料電池沒(méi)有電力衰竭及充電的問(wèn)題，只要持續供給燃料及氧氣，便可持續發(fā)電。

圖1　內燃機與燃料電池的比較 

燃料電池的組成材料簡(jiǎn)單，結構模塊化，使得其應用范圍廣泛，涵蓋緊急備用發(fā)電機、住宅用熱電共生系統、UPS、分布式發(fā)電系統、軍事國防、太空與運輸工具領(lǐng)域、機器人、筆記型計算機、PDA、手機等便攜電子產(chǎn)品、便攜電源、搬運工具、電動(dòng)輔助/代步車(chē)等，被視為是取代傳統石化燃料發(fā)電與電池系統之最佳干凈能源。

燃料電池的起源

可用的資源的短缺讓可重復使用、環(huán)保及能源轉換效率高的新能源技術(shù)成為業(yè)界發(fā)展的目標。其中燃料電池技術(shù)因低污染、高能源轉換效率的特性，成為近年來(lái)最受矚目的新興能源供應技術(shù)。其實(shí)燃料電池的原始模型很早前就已經(jīng)被提出。早在1839年，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壓。圖2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于室溫的環(huán)境下發(fā)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(lái)源通常以穩定性佳的金屬如鉑(Pt)為主。隨后的一百多年燃料電池并沒(méi)有大的進(jìn)步，直到上世紀60年代由于燃料電池能提供太空工具所需的能量才逐漸受到重視。目前，即使是在當今的太空工具中，燃料電池仍然持續扮演供應能源的重要角色。

圖2　Grove的原始燃料電池模型 

燃料電池的種類(lèi)與原理

種類(lèi)

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

高分子膜燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell，SPEFC)或質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)；
堿性燃料電池(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)；
固態(tài)氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)。

不同的燃料電池所使用的電解質(zhì)與之對應的電荷載子(charge carrier)見(jiàn)表1。

若由溫度來(lái)分類(lèi)， PEMFC(80~100℃)、AFC(60~220℃)及PAFC(180~200℃)屬于低溫型；MCFC(650℃)屬于中溫型； SOFC(1200℃)屬于高溫型。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。

原理

燃料電池之基本原理如圖3所示，它的基本組件是由兩個(gè)電極夾著(zhù)一層高分子薄膜的電解質(zhì)。陰陽(yáng)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3　燃料電池基本原理

陽(yáng)極

氫分子(H2)輸至多孔的陽(yáng)極后，經(jīng)過(guò)質(zhì)傳(mass transfer)到達陽(yáng)極，在催化下分解發(fā)生反應：H2→2H++2e-。電子由陽(yáng)極傳導至外接電路，形成電流。而氫離子也由陽(yáng)極端，透過(guò)可導離子性質(zhì)(電子絕緣體)的高分子薄膜電解質(zhì)，抵達陰極。

陰極

空氣輸至陰極，氧分子質(zhì)傳至陰極，與電子及氫離子起電化反應，產(chǎn)生水及1.229V電壓。反應如下：O2+4H++4e-→2H2O。燃料電池因沒(méi)有經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程，所以不會(huì )產(chǎn)生污染，也不像傳統的火力或核能發(fā)電，需經(jīng)多次轉換才能發(fā)電，如表2。燃料電池發(fā)電方式簡(jiǎn)單、體積小且效率高。當多組燃料電池單元組件重疊一起時(shí)，即可讓電壓及電能產(chǎn)生串連累加效果，增加輸出電壓值，應用范圍可說(shuō)十分寬廣。

質(zhì)子交換膜型燃料電池

圖4 現代燃料電池的基本架構(以質(zhì)子交換膜燃料電池為例)

近年來(lái)，隨著(zhù)納米科技的發(fā)展，燃料電池在技術(shù)上已經(jīng)有了重大的突破，特別是低溫操作的質(zhì)子交換膜型（proton exchange membrane fuel cell；PEMFC）的問(wèn)世使燃料電池得以由高不可攀的太空科技應用領(lǐng)域進(jìn)入民生應用的范疇，PEMFC已廣被重視而成重點(diǎn)開(kāi)發(fā)技術(shù)之一。PEMFC的基本設計，是由兩個(gè)電極夾著(zhù)一層高分子薄膜的電解質(zhì)，參見(jiàn)圖4，電解質(zhì)需要保持濕度，使其成為離子導體（ionic conductor）。在PEMFC中，電解質(zhì)為氫離子（質(zhì)子）導體，故名為質(zhì)子交換膜（proton conducting membrane；PEM）或簡(jiǎn)稱(chēng)質(zhì)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。