想像不久的将来，车子不需要加油、电子产品不需要电力燃料、行动可携式设备不需要使用电池，那是多么环保与美好的一副景象。近几年来，由于燃料电池（Fuel Cell）的技术获得创新突破，再加上环保问题与能源不足等多重压力相继到来，国际间各国政府与汽车、电力、能源产业等单位，渐渐重视燃料电池技术的发展。

燃料电池是高效率、低污染、多元化能源的新发电科技，而燃料电池的发电系统，不但比传统石化燃料成本低，且有洁净、高效率的好处。另外，更可结合核能、生质能、太阳能、风能等发电技术，将能源使用多元化、可再生及永续使用。燃料电池使用酒精、天然气、氢气、沼气等燃料转换成电流，藉由外界输入的燃料 ( Fuels ) 为能量源，使其能持续产生电力，不须二次电池所需的充放电程序。可以替代汽车的内燃机，取代笔记型电脑的电池、手机电池、计算机、汽机车、游艇等设备之发电用。充电时，只要清空充满副产品水的容器，然后再装进燃料（酒精等燃料）即可。燃料电池简单的说，就是一个发电机。燃料电池是继火力、水力、核能发电之外的第四种发电方法。

尽管燃料电池（Fuel Cell）中文译为「燃料电池」，但其实它并非电池，而是经由电化学反应产生电能之发电机，因此事实上更像一个特殊的环保发电机或内燃机。原因在于一般电池为封闭式系统，而燃料电池属于开放式系统，它并不储存能源，而是转换能源。(图一)为燃料电池与内燃机之比较，可以发现它们的相似性，不过燃料电池利用触媒启动氧化还原反应，不必经过剧烈燃烧即可产生能源，而直接由燃料氧化产生电能，因此其放电电流可以随着燃料供应量增加而增大，若再将其串联成电池堆（fuel cell stack），则可以提供更大电流或更高电压，因而具有更高的能源密度。此外，燃料电池没有电力衰竭及充电的问题，只要持续供给燃料及氧气，便可持续发电。

燃料电池的组成材料简单，结构模组化，使得应用范围广泛。其应用市场广，涵盖紧急备用发电机、住宅用热电共生系统、UPS、分散式发电系统、军事国防、太空与运输工具领域、机器人、笔记型电脑、PDA、手机等可携式电子产品、携带式电源、产业用搬运工具、电动辅助/代步车等，被视为是取代传统石化燃料发电与电池系统之最佳干净能源。以往燃料电池的研究着重于大型的发电机组，少部份则是关于小型携带式电源，直到近期才开始用于替代电池的应用。

《图一 内燃机与燃料电池之比较》

燃料电池的起源

由于全球工业及人​​口的急遽增加，使得地球上可用的资源愈形短缺，因此可重复使用、对环境友善以及能源转换效率佳之新能源技术，已成为全球各国工业界及学术界积极发展之目标。其中燃料电池技术因具备低污染、高能源转换效率之特性，成为近年来最受瞩目的新兴能源供应技术。

????????其实燃料电池的原始模型在一世纪之前就已经被提出。早在西元1839年时，William Grove便提出了最原始的燃料电池模型，其基本原理是依据H2与O2两种气体不同的氧化还原电位，借以获得可供利用的电动势。 (图二)所示为Grove的燃料电池模型。为了使氧化还原反应能在室温或略高于室温的环境下发生，一般在H2端与O2端这两端的电极都置有触媒（catalyst）以催化反应，而触媒的来源通常以稳定性佳的金属如铂（Pt）为主。

然而自Grove之后的一百多年，燃料电池的发展并未有大幅进步，一直到1960年代美苏所开启的太空竞赛，由于燃料电池能提供太空载具所需之能量，并提供水与热能，因此才于当时逐渐受到重视。而延续到目前，即使是在今日的太空载具中，燃料电池仍然持续扮演供应能源的重要角色。

《图二 Grove的原始燃料电池模型》

燃料电池的种类与原理

燃料电池的种类

燃料电池有许多种分类方式，如果以燃料电池之电解质（electrolyte）来区分，它可分为下列五种：

各种不同的燃料电池所使用的电解质与相对应之电荷载子（charge carrier）则如(表一)所示。

若由温度来分类，则PEMFC（80～100℃）、AFC（60～220℃）及PAFC（180～200℃）属于低温型；MCFC（650℃）属于中温型；而SOFC（1200℃）则是属于高温型。另外还包括直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell；DMFC）及金属空气混合型电池等种类。

燃料电池之原理

燃料电池之基本原理如(图三)所示，它的基本元件是由两个电极夹着一层高分子薄膜之电解质。阴阳两极除了碳粉之外，也包括白金粉末，以达最佳之催化效果。

《图三 燃料电池基本原理》

阳极

氢分子（H2）气体输至多孔之阳极后，经过质传（mass transfer）到达阳极，于催化下分解发生下列反应：

H2→2H++2e-

电子由阳极传导至外接电路，形成电流。而氢离子也由阳极端，透过可导离子性质（电子绝缘体）之高分子薄膜电解质，抵达阴极。

阴极

空气输至阴极，氧气分子质传至阴极，与电子及氢离子起电化反应，而产生水及1.229伏特之电压。反应如下：

O2+4H++4e-→2H2O

由以上反应式可知，燃料电池因没有经过燃烧过程，所以不会产生污染，也不像传统的火力或核能发电，需经多次转换才能发电，如(表二)所示。燃料电池发电方式简单、体积小且效率高。当多组燃料电池单位元件重叠在一起时，即可让电压及电能产生串连累加之效果，增加输出电压值。又因其发电效率与电池组数无关，因此燃料电池可大可小，应用范围可说十分宽广。

过去燃料电池的研发工作集中于磷酸型（PAFC）、熔融碳酸盐型（MCFC）与固态氧化物型（SOFC）等，但最近数十年来，随着奈米科技的发展，燃料电池在技术上已经有了重大的突破，特别是低温操作的质子交换膜型（PEMFC）问世，使燃料电池得以由高不可攀的太空科技应用领域进入民生应用的范畴。因此近来PEMFC已广被重视而成重点开发技术之一。

PEMFC的基本设计，是由两个电极夹着一层高分子薄膜之电解质，参见(图四)，电解质需要保持湿度，使其成为离子导体（ionic conductor）。在PEMFC中，电解质为氢离子（质子）导体，故名为质子交换膜（proton conducting membrane；PEM）或简称质导膜。电极通常为多孔性碳，其中包括做为催化剂之用的白金粉末。

电极、质导膜及触媒之特性

接着将讨论电极、质导膜及触媒的特性。电极（阴极、阳极）之功能在于传导电流及气体，同时可做为触媒的载体（back support）。目前最为广泛使用且性能可靠之电极材料，为碳制成的纤维织布或纸。碳电极为微米至奈米等级的多孔或介孔性（mesoporous）材料，具有表面积大（＞75 m2/g）的优点，同时能让气体燃料通过。最近亦有研究是尝试以奈米碳管作为电极材料。

PEMFC多采用高分子薄膜电解质，内部为网状结构，提供原子级（atomic scale）的离子通道，其必须具备高离子传导性、高渗透选择性（只传导氢离子）、化学稳定性及热稳定性佳等特性。质子交换膜表面与阴极、阳极、触媒等材料直接接触，因此其介面氧化还原反应之效率与燃料电池效率息息相关，目前较可靠且广为接受者为杜邦之Nafion系列产品，此外也有许多其他不同高分子薄膜电解质的研究或商品。

由于PEMFC使用湿润化Nafion型高分子膜作为电解质层，因此操作温度必须控制在100℃以下，此种低温条件使电极中的白金触媒对CO的抵抗力减弱，造成燃料气体中的CO浓度需要严格的限制。但是Nafion膜的质子传输效率极佳，因此反而可以提高反应时的电流密度，再加上低温与非腐蚀性等优良特性，使得此种电池具有重量轻、体积小、启动快与机组材料选择弹性大等多种优点。

PEMFC之触媒材料依其功能分为氢触媒与氧触媒二种，分别使用于阳极/质子交换膜界面及阴极/质子交换膜介面。根据电催化效应（Electrocatalysis）作用，氢触媒促使氢原子氧化为质子，氧触媒则促使氧原子还原为水。触媒材料之选择有三大要件：分别为高分散度下的均匀性、催化活性与安定性。对操作环境较为单纯之氢/氧质子交换膜燃料电池而言，以铂系金属（Pt、Pd等）为最适合，为提高其电化活性，通常制成奈米级粉末，先均匀散布于碳颗粒上，再将之涂布于电极表面，由于大小只有20奈米，其电催化能力因而大幅提升，因此可以降低电化学反应所需之温度。

碳电极与质导膜形成之夹层结构通常称为膜极组，所有燃料电池之反应均发生于此，可以说是燃料电池的心脏。以不锈钢或石墨板等耐腐蚀材料将膜极组封装之后，即形成目前使用的燃料电池元件，如(图五)。

以氢气为燃料，氧气为氧化剂，透过化合作用发电，此种燃料电池又叫再生性氢氧燃料电池（regenerative fuel cell；RFC）。氢和氧化学反应所产生之生成物为水蒸气（H2O），不会排放碳化氢（HC）、一氧化碳（CO）、氮化物（NOX）和二氧化碳（CO2）等污染物质，排出物是无污染的水。氢氧燃料电池作用原理是以氢气为燃料，和氧气经电化学反应后透过质子交换膜产生电能，氢氧燃料电池排放出非常清洁的副产品-水，几乎是无污染且具高发电效率。其具备的优点为发电效率高，且最终副产品只有热能与纯水，不会对环境造成任何威胁，相当符合环保的需求，也正因为具备了前述之各项特性，PEMFC目前正积极应用于车辆动力系统、大型现场发电机组与小型携带式电力装置上。前两种应用，因需考虑燃料处理设备所导致的复杂系统设计方式，且必须与造价较低廉的传统发电技术竞争，故短期内尚无法付诸商业化应用。但在小型携带式电力方面，诸如笔记型电脑、手机、摄录影机等可携式装置目前大多采用价格较高的镍氢或锂电池，因此在此领域上PEMFC将有机会与之一较高下。

《图四 现代燃料电池之基本架构（以质子交换膜燃料电池为例）》

燃料电池技术的创新与应用

燃料电池最早被用在美国登陆月球时太空载具之主要电力与水、热能等来源的供应源。但由于燃料电池的成本昂贵，在之后30年，始终没有商品化。然而，近年来燃料电池在技术上产生了革命性的突破，其中以质子交换膜型（PEMFC）、平板型固态氧化物电解质（SOFC）及直接式甲醇燃料电池（DMFC）最被看好，其未来商机庞大，因此吸引了世界各国政府、民间企业与学术单位投入大量人力及资金研发该技术。

世界主要汽车制造商，如：Toyota、Honda、Ford、Nissan、Daimler-Chryler及GM等汽车公司已投入数十亿美元从事燃料电池汽车的开发工作，目前已有部份商品化产品问世。而加州环保署空气资源委员会（California Air Resources Board）也与业者策略联盟研发燃料电池。另外，新加坡政府也投入数亿美元与Daimler-Chrysler合作研发燃料电池汽车并建构燃料供给系统。

另外，亦有大量研发资源投入小型家用或大楼的分散式电源供应系统，如Plug/GE公司成功测试了上百个PEM燃料电池，只要导入家用天然瓦斯，便可发电。估计若有20万户家庭，每户家庭各安装一个7KW的燃料电池，其发电量总和将可望趋近于一个核能发电机组的总发电量。这种离散式的发电系统，可用于尖峰或连续用电的供给，且供电相当稳定，适用于目前新兴高科技产业如半导体、固网、无线通信等产业。另外，燃料电池在德国也被用作潜水艇的动力及用于驱动汽车和居民供电供暖之用。

日本研发的FCX-V3燃料电池汽车的燃料氢，是填充在250个大气压下的高压蓄氢槽里。日本丰田公司与本田公司已于2002年12月开始生产全球第一批燃料电池汽车。至于加拿大所研发的Mark-900燃料电池，则是使用甲醇或氢为燃料，可在零下40℃的低温下工作。大量生产时，燃料电池的成本与现有内燃发动机接近。而台湾业者则已将氢氧燃料电池应用于电动自行车上,电力用完之后,只需要添加燃料气体即可迅速恢复电能之供给,非常符合快速环保方便的需求。

《图五 膜极组之构造及相关电化学反应》

可携式应用

2005年全球可携式燃料电池系统产量约3000种，主要客户为美国军用市场，作为供应军人携带型武器所需之移动式电源。而目前可携式燃料电池技术类型以PEMFC及直接甲醇燃料电池为主。由于甲醇能源密度较高，因此应用于可携式电子产品之微型燃料电池多为采用甲醇之燃料电池。

因应数位宽频时代的来临，目前锂离子电池技术将无法应付未来多功能消费性电子产品之强大电力需求，因此国际上许多厂商皆看好微型燃料电池于可携式产品之应用市场。但发展至今，目前微型燃料电池应用于笔记型电脑、手机等可携式电子产品之商业化市场仍尚未成形。主要原因除因甲醇有安全性考量、燃料携带受到安规限制之外，DMFC在低甲醇cross-over薄膜技术等问题亦有待进一步突破。

目前大多数厂商采取较稳扎稳打的产品开发策略，先将燃料电池作为电池充电器，再设法将产品小型化，并朝系统整合目标迈进。例如，德国Smart Fuel Cell与英国Voller Energy即采类似的经营策略，针对休闲娱乐及工业用途推出利基型DMFC发电机，为现阶段可携式燃料电池应用市场中销售最成功者。

而在甲醇燃料流通性与微型燃料电池产品安规方面，2005年10月国际民航协会已建议取消携带甲醇燃料上客机之禁令，且2006年IEC也将公布DMFC产品安全规范，预计各国政府将于2007年起陆续实施，届时直接甲醇燃料电池将可顺利导入市场，于可携式产品之应用市场规模更可望于2010年后迅速成长。

国际大厂对于微型燃料电池之应用产品皆拟定了相关之开发计画，包括日本KDDI将日立或东芝的DMFC技术应用于手机，DoCoMo亦利用富士通实验室所开发的甲醇微型燃料电池应用于手机充电器，这两家厂商均计画于2007年将产品商品化。至于在笔记型电脑应用方面，Casio开发利用甲醇重组技术之PEMFC雏形机，东芝及Samsung则开发DMFC产品，目前最久已可供应笔记型电脑运作10小时。此外，台湾胜光科技之DMFC技术亦针对此一应用市场。

Samsung SDI也于2006年初发表应用于可携式媒体播放器之微型燃料电池，所需的甲醇燃料盒体积仅20cm3，供应电力约1.5W，可连续播放4小时电影，比起目前锂电池之供电时间提高约一倍，该公司预计将于2008年量产此款新型DMFC。日、韩厂商藉由其在电子产品发展之产业优势，外加政府政策奖励下，未来在全球微型燃料电池市场将占有举足轻重的地位，因此台湾电子及电源厂商也必须加紧开发脚步，才能掌握下一波竞争优势。

结语

目前成功的燃料电池应用实例有大型发电机、太空载具之能源供应器、机动车辆能源供应器等等。近年来，将燃料电池微型化，并运用于可携式电子产品（例如手机、笔记型电脑与数位相机等产品），或作为可携带型发电机，已经成为最新的应用发展趋势。更加微小的设计则可运用于需长时间放电之微感测器，或分离式通讯系统上。不论其尺寸大小与应用领域，燃料电池能源转换效率高、污染性低之优点，特别是降低大气污染及减少二氧化碳的排放，将不负其高效率绿色能源之美名。而其所具有的种种特点，也将使得燃料电池成为往后新兴替代能源发展之主要趋势。

延 伸 阅 读

如果世界产油国总是动荡不安，如果出现由于过度开采能源引发德环境灾难，如果油价飙升，或是供电公司德电价太贵，谁来支撑未来家庭德能源供应？这些忧虑使燃料电池成为相对便宜的选择，也是目前最令人满意的解决方案。相关介绍请见「给家安上一块电池」一文。 当今能以工业规模生产的电力有火电、水电、核电等三种。而被誉为第四种电力的燃料电池发电，也正在美、日等发达 国家崛起，以急起直追的势头快步进入能以工业规模发电的行列。燃料电池的工作原理 燃料电池是一种化学电池，它 利用物质发生化学反应时释出的能量，直接将其变换为电能。从这一点看，它和其他化学电池如锰干电池、铅蓄电池等 是类似的。你可在「燃料电池的工作原理」一文中得到进一步的介绍。 本文概述了燃料电池的工作特点和原理，介绍了发电系统的组成、国内外的研究现状，对我国应用燃料电池发电的资源 条件进行了评估，展望了这一技术在电力系统的应用前景、将对电力系统产生的重要影响，它将使传统的电力系统产生 重大的变革，它会使电力系统更加安全、经济。最后提出了发展燃料电池发电的具体建议。在「关于燃料电池发电技术调研报告」一文为你做了相关的评析。

市场动态

日本行动电话服务商NTT DoCoMo在周四宣布，将开发一种原型的小型燃料电池，为3G行动电话增加电力。这种由Fujitsu实验室所生产的装置，是以甲烷与氢的结合产生电力。 DoCoMo宣称，可望在2005年底完成这种电池的开发。 相关介绍请见「燃料电池延长3G手机电力」一文。 国内燃料电池厂商胜光（Antig）科技，于日前在德国CeBIT展上宣布，该公司开发的笔记型电脑专用燃料电池(Fuel Cell)已进入量产阶段，最快今年底就会面市。另外，该公司也展示行动装置专用的燃料电池充电器原型​​机。你可在「国产燃料电池进入量产阶段」一文中得到进一步的介绍。 东日本铁路公司11日宣布，世界第一节以燃料电池为主要动力源的列车预计于今年7月问世。据《日本经济新闻》报道，这节列车是试验用车，设计最高时速为100公里。列车车身下部安装有氢储存箱和两组燃料电池，燃料电池通过使氢和氧发生反应产生电力驱动列车。在「日研制燃料电池列车时速可达100公里」一文为你做了相关的评析。