Ken的工程師隨筆專欄-燃料電池簡介－總幹事耕讀筆記- 日本ありがとうございました

　　在上次部落格好友的聚會中，和幾個好友泡在溫泉中一起聊到全球經濟的發展和人口的快速成長，使得人類對於石油的需求量有增無減，依賴程度也日益增加，因而造成地球有限的能源日益枯竭。因此未來如果沒有新型的替代能源出現，人類的生存恐將會出現危機。
　　
　　幾個替代能源之中，我比較注意的是燃料電池(Fuel Cell)的發展。怎麼說呢，其實簡單的來說，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，乾淨無污染，所以才會被視為未來主要的綠色能源供應其中之一，而燃料電池可望能繼水力、火力、核能後，成為第四種主要的電力來源。因此，這篇文章先帶好友們來看燃料電池的歷史，並簡介其基本原理及種類，下次再來介紹我特別看好的甲醇燃料電池（direct methanol fuel cell，DMFC）。

先來複習一下電池共分哪幾類？
化學電池
一次電池：鹼性電池、碳鋅電池、水銀電池
二次電池：鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池
燃料電池

物理電池
太陽能電池
熱感應電力電池
原子力電池

什麼是一次電池？
電池內參與化學反應的物質無法重複使用。放電完時，電池的壽命即告結束。故用完後必須丟棄，但是價格較便宜，儲存能量大且更換容易，無需長時間充電的麻煩，在電池的市場中使用量大。目前市場上銷售的民用電池，以一次電池中的鹼性電池及碳鋅電池為最重要。
什麼是二次電池？
二次電池又叫作充電電池，亦即電池電力用完時，可以再次充電使用的電池。

燃料電池的演進
早在1839年有燃料電池之父之稱的威廉-葛洛夫爵士(Sir William Grove)便已發現將水的電解反應作逆向操作可產生電能的現象。但由於自然界中並不沒有富豐的氫氣體，故直到1889年藍吉爾(Charles Langer)與蒙德(Ludwig Mond)兩位研究者仍嘗試使用煤氣與空氣製作第一具實用的燃料電池，當時也才定下了「Fuel Cell」這一名詞，但均未獲得成功。

1866年，西門子(Werner von Siemen)先生發現了機-電效應，揭開了燃油發電機的發展，並使燃料電池技術黯然失色。1900年代初期雖然有後繼的努力嘗試將煤及碳轉變成電力，但內燃引擎的發明突然壓抑了這個剛萌芽的科技。

貝肯(Francis Bacon)後於1932年發展出堪稱世界第一具成功的燃料電池裝置，該電池採用氫氣與氧氣為反應物、鹼性溶液電解質及鎳金屬電極，該設計的突破在於其製作成本遠低於藍吉爾與蒙德當初的設計。

近幾十年來燃料電池的發展，在全球環保意識的推動下已朝向作為替代性能源發展。大至大型的固定式發電機組、發電廠；小至可攜式電子產品的電源供應件等，皆有各式各樣的燃料電池選擇。

好了～囉哩吧唆的介紹一堆電池種類及演進發展史後，要進入正題啦～

那麼，何為燃料電池呢？
簡單的說，燃料電池是一種能源直接轉換裝置，能將含能的燃料（如氫氣、天燃氣、甲醇、汽油等）及氧化劑（空氣、氧氣）直接經電化學反應方式藉由氫氣結合成水，讓化學能能夠直接轉變為電能。
燃料電池的基本元件包括：陽極(Anode)、陰極(Cathode)、電解質(Electrolyte)、燃料流場板(Gas distributor)與電流收集器(Current Collector)等。燃料電池發電原理從水電解實驗而來：當直流電力經過導電的電極進入水槽後，水會被電解成氫氣與氧氣。若反轉水電解反應，即當氫氣與氧氣分別輸送到陽、陰二極，經過與電極上的觸媒反應後，就會產生直流電力與水副產物。（如下圖一）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　燃料電池基本原檢與結構（圖一）

然而，經過170年的發展，燃料電池依其電解質的種類，可分為質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）、鹼性燃料電池（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）與固態氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell, SOFC）。依其操作溫度做區分時，質子交換膜燃料電池、鹼性燃料電池與磷酸燃料電池屬於低溫型，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為中高溫型，操作溫度在攝氏500～1,000度之間。

　　　　　　　　　　　　　　　　燃料電池的種類（圖二）

其中，以質子交換膜燃料電池為基礎，使用甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池（direct methanol fuel cell，DMFC）是微型燃料電池發展的主流，主要應用在電子產品如手提電腦、行動電話與個人數位助理等，目前是工業國家非常有興趣的組件。質子交換膜燃料電池主要可應用於電動汽車、電動機車、電動腳踏車及電動工具機。至於固態氧化物燃料電池，則可藉由微機電技術將組件模組化，可應用於分散式的電力系統或大型發電廠。

最後來看看這些種類的燃料電池倒底有哪些特性呢？

電池種類

磷酸
(PAFC)

熔融碳酸鹽(MCFC)

固態氧化物
(SOFC)

鹼性
(AFC)

質子交換膜
(PEFC)

特性

1.	進氣中CO會導致觸媒中毒
2.	廢熱可予利用

1.	不受進氣CO影響
2.	反應時需循環使用CO2
3.	廢熱可利用

1.	不受進氣CO影響
2.	高溫反應，不需依賴觸煤的特殊作用
3.	廢熱可利用

1.	需使用高純度氫氣做為燃料
2.	低腐蝕性及低溫較易選擇材料

1.	功率密度高，體積小，重量輕
2.	低腐蝕性及低溫，較易選擇材料

優點

對CO2不敏感

1.	可用空氣作氧化劑
2.	可用天然氣或甲烷作燃料

1.	可用空氣作氧化劑
2.	可用天然氣或甲烷作燃料

1.	啟動快
2.	室溫常壓下工作

1.	壽命長
2.	可用空氣作氧化劑
3.	室溫工作
4.	功率大
5.	啟動迅速
6.	輸出功率可隨意調整

缺點

1.	對CO敏感
2.	工作溫度高
3.	成本高
4.	低于峰值功率輸出時性能下降

工作溫度較高

工作溫度過高

1.	需以純氧作氧化劑
2.	成本高

1.	對CO非常敏感
2.	反應物需要加濕

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　燃料電池的特性及優缺點（圖三）

那麼今天就先介紹到這邊，下次再來寫DMFC的介紹囉

　　　　　　新式甲醇燃料電池可供筆記型電腦持續使用十小時（圖四）

參考資料:<科學發展>雜誌，367＆391期
　　　　　台灣燃料電池資訊網
　　　　　材料世界網

後記：
其實我也不是待在這個產業裡面，只是個人對DMFC十分的感興趣，至於要說到對這個產業的了解，恐怕我也只是比一般人再多懂一些而已，目前我知道國內在內湖有一家廠商－勝光科技，他跟南亞電路板(8046)、奇鋐科技(3017)與思柏科技組成研發聯盟，合力開發筆記型電腦用直接甲醇燃料電池電力模組(DMFC)，很希望能有待在這些產業的好友上來多跟我們分享心得。