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電化學的應用與發展–鋁的提煉與燃料電池

1993 年,巴拉推出一輛完全用燃料電池做為能源的公車,開始到世界各地的能源展展示推銷他的燃料電池。他在一次世界氫氣能源大會上說了一句很中肯的話:「要從汽油經濟改變為氫經濟,必須依賴學界、工業界及政府的多方合作才能推動達成。」
 
 
 
小百科

電化學是指由電子轉移(電流)所引起的化學反應,平常有金屬離子與電解質溶液參與作用,電池就是利用電化學原理的操作。早在 1832 年,英國的法拉第就開始做電化學的實驗,並定下 2 個電化學原理。

本文要報導的是,利用電化學從鋁礦提煉鋁金屬及燃料電池的發展。鋁金屬的特質是輕(比重只有 2.7,大約是鋼鐵的 1/3),能與別的金屬形成合金,其堅硬度不比鋼鐵遜色,且不易生銹(在空氣中會產生一層氧化鋁的薄膜,而不會侵蝕整體),如飛機的骨架就以鋁合金建造。1903 年,萊特兄弟第一次試飛的飛機,就是以鋁為架構及引擎。1886 年,美國霍爾(Charles M. Hall)與法國埃魯(Paul Heroult)分別獨立研究用電解方法從鋁礦提煉鋁,同時申請到專利。

燃料電池(fuel cell)可以不斷地把一種燃料的化學能直接轉變為電能。燃料在電池的陽極產生電子,氧化物在陰極,燃料與氧化物是化學反應物,不斷地使溶在電解質溶液中的反應物流入反應槽(電池),就能把化學能直接轉變為電能。

如氫燃料電池是以氫為燃料,而來自空氣的氧是氧化物,即 2H2 + O2 變成 2H2O,這是一個高放熱反應。這放熱反應的產物是水,而不是一般汽油燃燒釋放的二氧化碳,是一個提高能源應用效率又能減碳的反應。其他有機化合物如酒精或碳氫化合物,都可當作燃料電池的燃料。在能源危機及節能減碳的未來,燃料電池會是一項走紅的產業。

發明者

美國霍爾與法國埃魯分別獨立研究用電解方法從鋁礦提煉鋁。霍爾出生在俄亥俄州的譚姆遜(Thompson)小鎮,入歐柏林學院(Oberlin College)念化學,大學 3 年級才開始研究鋁的提煉,畢業後的一年半才找到「祕方」。

事先兩位發明者都不知道另外一方的研究,埃魯比霍爾早幾天提出專利申請,但霍爾有完整的實驗紀錄及文件證明他的發明不是抄襲的,因此二人同時得到專利。他們的年齡相仿,都是 22 歲發明鋁的電解提煉法,而且很巧合,他二人也都在 1914 年去世,享年 51 歲。

燃料電池的原理早在 1838 年就由德國的蕭白恩(C.F. Schonbein)提出,但真正有商業實際應用是由加拿大的巴拉(Geoffrey E.H. Ballard, 1932-2008)研發出來的。巴拉於 1983 年創建巴拉能源系統,主要產品是質子交換薄膜燃料電池,因此巴拉常被稱為「燃料電池工業之父」。巴拉出生在尼加拉瀑布的加拿大邊境,念完加拿大的皇后大學,入石油公司工作,爾後從華盛頓大學(聖路易斯市)的地質系獲得博士學位(1963 年)。

靈機一動

鋁的英語拼寫有一段小故事。1807 年,英國的德衛(Sir Humphry Davy)稱它為 alumium,而後改稱為 aluminium,字尾的 -ium 是為附和當時所發現的其他金屬元素,如 sodium、potassium 等,歐洲人到目前仍然維持 aluminium 的稱呼。但是美國的霍爾經常寫錯成 aluminum,把 -ium 省寫為 -um,爾後美國人就以霍爾的寫法為正式拼寫,並一直保留下來。

先來看美國霍爾的發明故事,它比較有戲劇性。當霍爾念到大三時,有一天他的化學老師吉威(Frank F. Jewett)在課堂上展示一塊發亮的鋁金屬,並說:「鋁是一個非常特別也非常重要的金屬,但到目前為止,它的產量很少,我們只能以貴重金屬看待,地球含有 8.3% 的鋁,誰能從鋁礦大量提煉出鋁,就會是個大富翁。」下課後,霍爾對他的朋友說:「我會是那個發明的人。」

聽完老師一堂課後,霍爾就開始找吉威老師談,也開始找有關資料,初步商討得到一個研究方向—用電解方法,老師也答應讓他在學校的實驗室做實驗,後來他在家屋的後院蓋了一個小木屋做為實驗室。他先用電池做電源,試用各種不同方法、材料、溫度等,也經常請教吉威老師。他的姐姐朱立亞(Julia)也是歐柏林學院化學系的畢業生,經常給他鼓勵與幫忙。

1885 年,他大學畢業,但仍鍥而不舍,日夜都在實驗室努力。有一天他利用鋁礦轉變成氟化鋁鈉複合物(cryolite, 3NaF.AlF3),加高溫(約攝氏 1,000 度)電解,終於於 1886 年 2 月 16 日在陰電極上找到發亮的鋁金屬,吉威老師也進一步驗證它是鋁金屬。

接著來看燃料電池的發明。巴拉拿到博士學位後,就進入陸軍當文官。1973 年美國面臨石油危機,聯邦政府成立能源維護研究署,生逢其時,他以專長及善於管理而被任命為研究署的第一位主持人。但巴拉很快就發現能源的開發與維護必須有長期的計畫,並不是一蹴可成的,因為理念不同與政治因素,巴拉很快就辭職,自己成立公司開發能源。

能源維護研究署的一個方案是利用傳統的鉛電池當電動汽車的能源,但鉛電池的使用期短,而充一次電只能走一百多公里。又早期巴拉曾經在石油公司工作過,後又做能源的研究工作,長期以來就以「淘汰內燃引擎」為使命,因為內燃引擎轉變能量的效率低,浪費太多能源,於是他開始研究燃料電池的可能性。

燃料電池的研發

1970 年代後期,巴拉離開能源維護研究署後,先與史瓦滋(Ralph Schwartz)及普拉特(Keith Prater)研發鋰離子電池。普拉特是德州大學化學教授,他的研究發現二亞硫酸化鋰能當鋰電池的原料,很快地普拉特的實驗室也順利完成鋰化合物的合成,就開始成立美國能源公司做鋰電池的產業。

後來巴拉把公司賣給史瓦滋搬回加拿大。1980 年代初期,巴拉申請到加拿大國防部能源研究部的計畫,目標是開發低成本的燃料電池,尤其是研發固體聚合物燃料電池,於是成立巴拉能源系統公司專門研究燃料電池。

但巴拉本人及公司的研究人員對燃料電池並不甚了解,當時普拉特教授有熟人在美國拉薩拉莫國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)做聚合物燃料電池的研究工作,普拉特就專程去一趟拉薩拉莫學習並帶回一些樣本,同時根據加拿大的官方資料,才摸索到方向,而申請到第一個50萬元的研究計畫。1986 年就研發出聚合物燃料電池,其性能比那時的任何燃料電池高出 4 倍。

1993 年,巴拉推出一輛完全用燃料電池做為能源的公車,開始到世界各地的能源展展示推銷他的燃料電池,美國褔特及德國的大恩拉耳—克萊斯拉(Daimler-Chrysler)並投資 7.5 億美元買巴拉能源公司的股票。2000 年,巴拉開始研究氫氣的製造、貯存及其在燃料電池中的應用問題。

掌聲回響

霍爾由於化學老師吉威的一句話,使他大學還沒有畢業就雄心勃勃要發明提煉鋁金屬的方法,有良師及姐姐的指導與輔助,使他很幸運地找到「祕方」而順利申請到專利。他找到投資者並成立匹茲堡還原公司,後來改名為美國鋁公司(Aluminum Company of America,簡稱 Alcoa)。要由實驗室的成果工業化而大量生產,並不是一件簡單的事,不僅是工程單元問題,資金來源及產銷細節都是關鍵問題。經過一些挫折,霍爾終究成了大富翁,他曾訂過婚,但沒有多久,未婚妻古娣(J. Cody)就離開他,他也就終身未婚。

霍爾逝世後,捐贈大約三分之一的遺產及 Alcoa 的股票給母校歐柏林學院,學校也在化學系館塑造一座鋁質遺像以茲紀念,但質輕的鋁遺像常常不翼而飛,後來就把鋁像嵌在鋼筋水泥上。學校把吉威教授的舊房改成歐柏林傳統中心,展示當年鋁電解實驗設備以表揚霍爾與吉威的重要貢獻。

霍爾一生曾經得過無數的榮譽,如美國化學協會的柏金獎(Perkin Medal),獲選為美國礦冶科學院的院士,當過美國電化學協會的副主席。

巴拉於 1999 年榮獲世界科技網獎,同年被美國《時代》雜誌推選為「衛護地球的英雄(Hero for the Planet),2000 年獲瑞典古丁堡國際環保獎,2002 年被《科學美國人》(Scientific American)選為「年度產業領導者」。他在一次世界氫氣能源大會上說了一句很中肯的話:「要從汽油經濟改變為氫氣經濟,必須依賴學界、工業界及政府的多方合作才能推動達成。」

深度閱讀
  1. Norman C. Craig (1986) Charles Martin Hall: The Young Man, His Mentor and His Metal. Journal of Chemical Education, 63(7), 557.
  2. http://www.alcoa.com
  3. http://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Martin_Hall
  4. http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell
  5. http://en.wikipedia.org/wiki/Geoffrey_Ballard
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