未來的綠色能源–燃料電池
94/07/06
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陳振源｜
南臺科技大學機械工程研究所
地球的危機
近百年來，科技進步神速，再加上全球經濟的發展、社會的進步和人口的快速成長，使人類對能源的需求量有增無減，依賴程度也與日俱增，因此造成地球有限的化石能源日益枯竭。將來如果沒有新型的替代能源，人類的生存會出現危機。
石油是目前最具代表性的化石能源，不過，地球的石油存量正在快速消耗中。根據國際能源機構的預測，全世界的能源消耗，在今後20年至少會增加一倍，而大約在50年後會出現化石能源供應上的危機。也因為這個全球性的能源危機，迫使人們再度努力尋求新的替代能源。除此以外，石油在生產、輸送和使用的過程中所產生的種種問題，例如引起全球的溫室效應，造成南北極的冰山融化和生態環境的惡化等現象，也毫無疑問地會威脅人類和地球上其他生物未來的生存和發展。
因為地球的暖化和全球氣候的變遷，國際間已針對這個問題簽訂了「氣候變化綱要公約」和「京都議定書」，以規範溫室氣體的排放，並呼籲各國政府制定相關的能源政策和價格機制，減少對有限化石能源的浪費，和致力新能源的開發。展望未來，可預見的「永續發展」會是一個重要的目標。綠色能源、綠色生產技術和綠色產業等等，都會成為21世紀的新課題。
目前對於電能取得的方式有很多種，這些發電的方式各有不同的缺點。例如，水力和風力發電受到地形上的限制，火力發電有環境污染和溫室效應的問題，太陽能發電在能量的轉換、應用上的效率和技術層面上都尚待突破。另外，核能也有安全上的顧慮和核廢料處置上的問題，使得它在應用上存在著許多爭議。再加上這些都是集中式的發電系統，長程的電力傳輸也會造成大量的電力損耗。而且這一類集中式的發電系統，在無法正常運作時，會影響到數量龐大的用電戶。
所以，具有低污染、低噪音、免充電、高效率、壽命長、適用範圍廣和可以分散式供電的燃料電池（fuel cell），在國際上已成為爭相研發的重點科技，儼然是明日之星。
人類的新希望
簡單地說，燃料電池是一種把化學能直接轉換成電能的裝置，只要不斷地供應燃料，就會持續地輸出電力。燃料通常是氫氣、甲醇、乙醇、天然氣或其他的碳氫化合物，氧化劑則可以用空氣中的氧，而副產物是熱、純水或較少量的二氧化碳。
通常在燃料電池中，氫氣的供應主要以高壓儲存，或由天然氣、甲醇、乙醇等其他的碳氫化合物重組而來。最重要的是，這些氣體可以藉由農業生產和發酵來產生，例如乙醇可以由玉米或甘蔗經過發酵產生，天然氣可以由動物的排遺發酵產生。不過氫氣的儲存和生產，總是伴隨著安全的考量。
另外，直接使用非氫燃料，例如天然氣和甲醇的電池，也開始問世。換句話說，這些能源可以由太陽藉光合作用、生物發酵等方法，而源源不絕地供應，不需要使用到億萬年前遺留下來的化石能源。即使產生二氧化碳，量也較少，對溫室效應的影響有限，可以達到人類永續生存的目標。
最近幾年，使用非氫燃料的燃料電池，例如直接甲醇燃料電池和可以用天然氣做為原料的氧化物電解質燃料電池，也開始成為技術研究和商業生產的主要對象。另外，火力和核能發電必須先把燃料由化學能和核能轉換成熱能，再利用熱機轉變成機械能，最終才轉換成電能，燃料電池則沒有這樣的繁雜過程，能量轉換效率可以達到80％以上，是一般內燃機的2～3倍。
燃料電池的發展歷史，最早可以追溯到1839年，也就是伏特發明電池以後的40年。英國法官威廉．葛羅夫爵士（Sir William Grove）在實驗中無意間發現，把水電解過程逆向操作，並把浸在硫酸溶液中一對鍍上一層鉑黑的白金絲電極接上負載以後，氫氣和氧氣即可因為電化學反應而產生直流電流，因而發明了燃料電池。
燃料電池裡有3個核心元件：陽極、陰極以及兩個電極之間的薄膜，三者經過熱壓形成電極膜組，並在它們的外側分別加上一層導氣流場板，即可組成單電池。
以燃燒氫氣的質子交換膜燃料電池為例子來做說明，氧化劑是氧氣，在反應過程中，氫氣與氧氣分別由兩邊進入燃料電池的陽極及陰極，進而產生反應。氫氣在陽極經過電化學反應後，分解成兩個氫離子和兩個電子，電子經由陽極、外線路及負載流向陰極，與氧及由薄膜傳導過來的氫離子反應成水，這樣就形成電池的運轉迴路。
另外，在固態氧化物燃料電池中，氧氣在陰極催化劑的作用下，得到經由外電路從陽極釋放的電子，而被還原成氧離子，氧離子再移動到陽極和氫氣或碳氫類燃料作用，產生水和二氧化碳，並放出電子。
燃料電池，這種把燃料的化學能透過電化學反應直接轉換成電能的裝置，經過170年的發展，依其電解質的種類，可分為質子交換膜燃料電池、鹼性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池與固態氧化物燃料電池。其中以質子交換膜燃料電池為基礎，使用甲醇為直接燃料的直接甲醇燃料電池，是目前微型燃料電池發展的主流。
如果以操作溫度來區分，質子交換膜燃料電池、鹼性燃料電池、直接甲醇燃料電池與磷酸燃料電池都屬於低溫型，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是中高溫型，操作溫度在攝氏500～1,000度之間。
在各種燃料電池中，質子交換膜燃料電池具有反應溫度低、能量密度高、啟動快速、安全性高、材料選擇廣等優點，吸引了眾多團隊和公司競相投入相關的研發工作，是近年來最受矚目、技術成長最快的燃料電池。這種燃料電池的電解質是一種固態高分子質子交換膜，由氟化磺酸和鐵氟龍共聚的高分子製成，不但堅固耐用，只要適當地控制水分後，就可以成為氫離子的良好傳導體。
因單電池的電壓太低，不到1伏特，而且電量太小，無法加以利用，因此，需要把許多單電池組成一個燃料電池組，才具有實用的價值。燃料電池可以依照電力的需求，把單電池串聯成各種不同功率的電池組，廣泛應用在小至數瓦的隨身家電，大至數百千瓦的發電設備，同時還可以提供熱水等副產物做為冬天室內加熱用。
應用及發展
燃料電池的應用範圍很廣，可以用在手機或家用電器，也可以用在運輸上。包括日本、美國、歐盟等國家，都在發展無環境污染的燃料電池汽車。
日本正大力投入甲醇燃料電動車的開發，也已經開始生產試驗用的電動車或電動機車。在美國，已有使用燃料電池的小客車和巴士進行示範運行。歐盟的燃料電池電動車，則計劃在2005年推出。世界各大汽車製造廠，也都在積極研發燃料電池電動車，包括豐田、馬自達、日產、本田、福特、克萊斯勒、歐寶等，這些車廠使用的燃料包括液態氫、壓縮氫氣、甲醇及金屬儲氫等。
臺灣目前約有1,000萬輛機車，每年產生33萬噸的一氧化碳和9萬噸的碳氫化合物，造成嚴重的空氣污染，分別占全國總排放量的12％及8％。為了減少空氣污染，政府致力於推動電動機車。不過，這些電動機車使用傳統的鉛酸電池，受限於鉛酸電池的電力不足，每次充飽電力約只能行駛20公里，充電時間又長達6～10小時，再加上電池組重達40公斤以上，實在很難被消費者接受。
有鑑於此，國內正積極發展重量輕、能量密度又高的燃料電池驅動的機車，其中，亞太燃料電池科技公司於2004年10月推出第4.5代燃料電池電動機車ZES IV.5。
國內有多項電子產品的產量位居全世界第一，如果能把燃料電池技術導入資訊、通訊及電子等產業中，不僅可以增加產品的使用時間，並且可以大幅提高產品的附加價值。東芝和日本電氣已經開發出以燃料電池發電的筆記型電腦的原型。另外，卡西歐、新力、日立和三星等公司，都積極地研發微燃料電池技術。至於可以應用在電腦、手機、攝錄影機等小電器上的攜帶式小型燃料電池，松下、三洋及德國西門子等，都在積極研發中。而國內的元智大學，也曾發表手機的微燃料電池的原型。
在都市化愈明顯的地區，夏季尖峰時段的用電量非常大，而傳統的輸配電路與變電設施，常常因為居民的反對而無法擴充，造成供電不足、區域限電的問題。燃料電池的能量轉換效率高，對環境的污染低，占地小，這種離散型的小型電廠，比較容易被一般居民所接受。
在民國91年底，工研院能資所宣布國內首座1,000瓦級的燃料電池發電系統開發成功。美國也有200萬瓦級的燃料電池發電機商業運轉中。所以在用電吃緊的今天，燃料電池因具有其他發電技術所不及的優點，目前公認是最適宜建造在都會區的高品質電力設施。
因為燃料電池具有超靜音和超低熱輻射的優點，適合用在需要匿蹤隱蔽的國防武器上，例如潛艇和船艦等。德國的哈德威公司已研製出世界上第一艘燃料電池驅動的潛艇「U31」號，而更新型的「U33」號，也在2004年9月於基爾港下水，開始了首次試航，預期在2006年1月底開始服役。
另外在核生化戰爭的陰影下，也可以把燃料電池應用在地下指揮所中，除了滿足作戰指揮、戰場管理、通信系統、後勤補給和濾毒通風機所需要的電力外，發電所產生的副產物——純水，也可以提供人員飲用。由這些應用可知，集眾多優點於一身的燃料電池，可以大幅提高國軍的整體作戰和防禦能力，值得我們投資。
