純凈的持續性能源供應-燃料電池應用優(yōu)勢概論（下）

電極、質(zhì)導膜及觸媒的特性

接著(zhù)將討論電極、質(zhì)導膜及觸媒的特性。電極(陰極、陽(yáng)極)的功能在于傳導電流及氣體，同時(shí)可做為觸媒的載體(back support)。目前最為廣泛使用且性能可靠的電極材料為碳制成的纖維織布或紙。碳電極為微米至納米等級的多孔或介孔性(mesoporous)材料，具有表面積大(＞75 m2/g)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能讓氣體燃料通過(guò)。最近也有研究是嘗試以納米碳管作為電極材料。

PEMFC多采用高分子薄膜電解質(zhì)，內部為網(wǎng)狀結構，提供原子級(atomic scale)的離子信道，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(xué)穩定性及熱穩定性佳等特性。質(zhì)子交換膜表面與陰極、陽(yáng)極、觸媒等材料直接接觸，因此其接口氧化還原反應的效率與燃料電池效率息息相關(guān)，目前較可靠且廣為接受的是杜邦的Nafion系列產(chǎn)品，此外也有許多其他不同高分子薄膜電解質(zhì)的研究或商品。

由于PEMFC使用濕潤化Nafion型高分子膜作為電解質(zhì)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(zhì)子傳輸效率極佳，因此反而可以提高反應時(shí)的電流密度，再加上低溫與非腐蝕性等優(yōu)良特性，使得此種電池具有重量輕、體積小、激活快與機組材料選擇彈性大等多種優(yōu)點(diǎn)。

以氫氣為燃料、氧氣為氧化劑，透過(guò)化合作用發(fā)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(xué)反應所產(chǎn)生的生成物為水蒸氣(H2O)，不會(huì )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(zhì)，排出物是無(wú)污染的水。氫氧燃料電池的作用原理是：以氫氣為燃料和氧氣經(jīng)電化學(xué)反應后，透過(guò)質(zhì)子交換膜產(chǎn)生電能，氫氧燃料電池排放出非常清潔的副產(chǎn)品——水，它的優(yōu)點(diǎn)為發(fā)電效益高，且最終副產(chǎn)品只有熱能與純水，不會(huì )對環(huán)境造成任何威脅，相當符合環(huán)保交通工具的需求，因此預計往后在各型交通車(chē)輛上都可看見(jiàn)其身影。也正因為具備了前述的各項特性，PEMFC目前正積極應用于車(chē)輛動(dòng)力系統、大型現場(chǎng)發(fā)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復雜系統設計方式，且必須與造價(jià)較低廉的傳統發(fā)電技術(shù)競爭，故短期內尚無(wú)法付諸商業(yè)化應用。但在小型攜帶式電力方面，諸如筆記本計算機、手機、攝錄像機等可攜式裝置大多采用價(jià)格較高的鎳氫或鋰電池，因此在此領(lǐng)域上PEMFC將有機會(huì )與之一較高下。

PEMFC的觸媒材料依其功能分為氫觸媒與氧觸媒兩種，分別使用于陽(yáng)極/質(zhì)子交換膜界面及陰極/質(zhì)子交換膜接口。根據電催化效應(Electrocatalysis)作用，氫觸媒促使氫原子氧化為質(zhì)子，氧觸媒則促使氧原子還原為水。觸媒材料的選擇有三大要件：高分散度下的均勻性、催化活性與安定性。就對操作環(huán)境較為單純的氫/氧質(zhì)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，通常制成納米級粉末，先均勻散布于碳顆粒上，再將之涂布于電極表面，由于大小只有20納米，其電催化能力因而大幅提升，因此可以降低電化學(xué)反應所需的溫度。

碳電極與質(zhì)導膜形成的夾層結構通常稱(chēng)為膜極組，所有燃料電池的反應均發(fā)生于此，可以說(shuō)是燃料電池的心臟。以不銹鋼或石墨板等耐腐蝕材料將膜極組封裝之后，即形成目前使用的燃料電池組件，如圖5。

圖5　膜極組的構造及相關(guān)電化學(xué)反應

燃料電池技術(shù)的創(chuàng )新與應用

燃料電池最早被用在美國登陸月球的太空設備的主要電力與水、熱量等的供應。但由于燃料電池的成本昂貴，在之后30年始終沒(méi)有商品化。然而，近年來(lái)燃料電池在技術(shù)上產(chǎn)生了革命性的突破，其中以質(zhì)子交換膜型(PEMFC)、平板型固態(tài)氧化物電解質(zhì)(SOFC)及直接式甲醇燃料電池(DMFC)最被看好，其未來(lái)商機龐大，因此吸引了世界各國政府、民間企業(yè)與學(xué)術(shù)單位投入大量人力及資金研發(fā)該技術(shù)。

世界主要汽車(chē)制造商，如Toyota、Honda、Ford、Nissan、Daimler-Chryler及GM等汽車(chē)公司已投入數十億美元從事燃料電池汽車(chē)的開(kāi)發(fā)工作，相信在不久的將來(lái)便可看到部份產(chǎn)品的商品化應用。而加州環(huán)保署空氣資源委員會(huì )(California Air Resources Board)也與業(yè)者策略聯(lián)盟研發(fā)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(fā)燃料電池汽車(chē)并建構燃料供給系統。

大量研發(fā)資源還投入了小型家用或大樓的分布式電源供應系統，如Plug/GE公司成功測試了上百個(gè)PEM燃料電池，只要導入家用天然瓦斯便可發(fā)電。估計若有20萬(wàn)戶(hù)家庭，每戶(hù)家庭各安裝一個(gè)7 KW的燃料電池，其發(fā)電量總和將可望趨近于一個(gè)核能發(fā)電機組的總發(fā)電量。這種離散式的發(fā)電系統，可用于尖峰或連續用電的供給，且供電相當穩定，適用于目前新興高科技產(chǎn)業(yè)如半導體、固網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)通信等產(chǎn)業(yè)。另外，燃料電池在德國也被用作潛水艇的動(dòng)力及用于驅動(dòng)汽車(chē)和居民供電供暖。

日本研發(fā)的FCX-V3燃料電池汽車(chē)的燃料氫，是填充在250個(gè)大氣壓下的高壓蓄氫槽里。日本豐田公司與本田公司已于2002年12月開(kāi)始生產(chǎn)全球第一批燃料電池汽車(chē)。至于加拿大所研發(fā)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(chǎn)時(shí)，燃料電池的成本與現有內燃發(fā)動(dòng)機接近。而臺灣業(yè)者則已將氫氧燃料電池運用于電動(dòng)自行車(chē)上，電力用完之后，只需要添加燃料氣體即可迅速恢復電能的供給，非常符合快速環(huán)保方便的需求。

可攜式應用

2005年全球可攜式燃料電池系統產(chǎn)量約3000種，主要客戶(hù)為美國軍用市場(chǎng)，作為供應軍人便攜式武器所需的移動(dòng)式電源。而目前可攜式燃料電池技術(shù)類(lèi)型以PEMFC及直接甲醇燃料電池為主。由于甲醇能源密度較高，因此應用于可攜式電子產(chǎn)品的微型燃料電池多為采用甲醇的燃料電池。

因應數字寬頻時(shí)代的來(lái)臨，目前鋰離子電池技術(shù)將無(wú)法應付未來(lái)多功能消費性電子產(chǎn)品的強大電力需求，因此國際上許多廠(chǎng)商皆看好微型燃料電池于可攜式產(chǎn)品的應用市場(chǎng)。但發(fā)展至今，目前微型燃料電池應用于筆記型計算機、手機等可攜式電子產(chǎn)品的商業(yè)化市場(chǎng)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(shù)等問(wèn)題亦有待進(jìn)一步突破。

目前大多數廠(chǎng)商采取較穩扎穩打的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)策略，先將燃料電池作為電池充電器，再設法將產(chǎn)品小型化，并朝系統整合目標邁進(jìn)。例如德國Smart Fuel Cell與英國Voller Energy即采類(lèi)似的經(jīng)營(yíng)策略，針對休閑娛樂(lè )及工業(yè)用途推出利基型DMFC發(fā)電機，為現階段可攜式燃料電池應用市場(chǎng)中銷(xiāo)售最成功者。

而在甲醇燃料流通性與微型燃料電池產(chǎn)品安規方面，2005年10月國際民航協(xié)會(huì )已建議取消攜帶甲醇燃料上客機的禁令， 2006年IEC也將公布DMFC產(chǎn)品安全規范，預計各國政府將于2007年起陸續實(shí)施，屆時(shí)直接甲醇燃料電池將可順利導入市場(chǎng)，于可攜式產(chǎn)品的應用市場(chǎng)規模更可望于2010年后迅速成長(cháng)。

國際大廠(chǎng)對于微型燃料電池的應用產(chǎn)品皆擬定了相關(guān)的開(kāi)發(fā)計劃，包括日本KDDI將日立或東芝的DMFC技術(shù)應用于手機，DoCoMo亦利用富士通實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的甲醇微型燃料電池應用于手機充電器，這兩家廠(chǎng)商均計畫(huà)于2007年將產(chǎn)品商品化。至于在筆記型計算機應用方面，Casio開(kāi)發(fā)利用甲醇重組技術(shù)的PEMFC雛形機，東芝及Samsung則開(kāi)發(fā)DMFC產(chǎn)品，目前最久已可供筆記本電腦運作10小時(shí)。此外，臺灣勝光科技的DMFC技術(shù)亦針對此一應用市場(chǎng)。

Samsung SDI也于2006年初發(fā)表應用于可攜式媒體播放器的微型燃料電池，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(shí)電影，比起目前鋰電池的供電時(shí)間提高約一倍，該公司預計將于2008年量產(chǎn)此款新型DMFC。日、韓廠(chǎng)商憑借在電子產(chǎn)品發(fā)展的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢加上各自政府政策獎勵，未來(lái)在全球微型燃料電池市場(chǎng)將占有舉足輕重的地位，因此我們的電子及電源廠(chǎng)商也必須加緊開(kāi)發(fā)腳步，才能掌握下一輪競爭的優(yōu)勢。

結語(yǔ)

目前成功的燃料電池應用實(shí)例有大型發(fā)電機、太空載具的能源供應器、機動(dòng)車(chē)輛能源供應器等等。近來(lái)，將燃料電池微型化，并運用于可攜式電子產(chǎn)品(例如手機、筆記本電腦與數字相機等產(chǎn)品)，或作為可便攜式發(fā)電機，已經(jīng)成為最新的應用發(fā)展趨勢。更加微小的設計則可運用于需長(cháng)時(shí)間放電的微傳感器，或分離式通訊系統上。不論其尺寸大小與應用領(lǐng)域，燃料電池能源轉換效率高、污染性低的優(yōu)點(diǎn)，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的美名。而其所具有的種種特點(diǎn)，也將使得燃料電池成為往后替代能源發(fā)展的主要趨勢。(本文摘自《零組件》雜志)