2010/09/05
經濟部能源局
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▓撰文：林宣安、商育滿 ▓攝影：林宣安
人類與自然的保衛戰，站在教育第一線的中小學老師，自然不能缺席，除了政策規範或工商業的科技研發，教育的著力點更在於觀念的改變。能源議題的耕耘是一場長期的奮鬥，如何讓孩子們深刻體悟問題的嚴重性與癥結所在，中小學教育絕對是重要且關鍵的因素。
前述的使命與壓力或許一般教師覺得過於沈重，然倘若每個人於其崗位發揮功能並產生最大的價值，定可展現長遠影響力。舉例而言，現行的自然科教材中其實已經加入了許多以前沒有的環保觀念與新知，只要在課堂教學中落實教學，甚至加上一些簡單的課程設計，就可以使學生擁有更多正確的觀念與做法。
科學教育介紹能源主題
以國中的電化學單元為例，從最基本的伏打電池開始，到現今常用電池的介紹，許多老師已開始加入更多單純科學原理之外的自編教材，以筆者的經驗為例，數年前開發的「廢電池再生」教材，即增加了許多環保再生的概念，不但讓學生瞭解科學原理，更希望學生可以有更多珍惜資源的觀念。近來也有一些教科書添加了燃料電池的內容，雖然已經不是什麼高科技的產品，但燃料電池所運用的能源轉換概念卻是未來能源的主要趨勢。
燃料電池的發展
一般熟知的發電方式是利用燃料（可能是石油、瓦斯、汽油、甲烷、乙醇、氫等）通過化學變化產生熱能之後，間接利用水蒸氣推動發電機來產生電能，這樣的能量轉換過程需要經過許多程序，相對也損失了一部分能量，以至於最後變成電能的效率只剩下30％左右。但燃料電池省去這些複雜的化學變化，而是直接以特殊催化劑使燃料與氧發生反應，產生二氧化碳和水，因不需推動渦輪等發電器具，也不需將水加熱至水蒸氣再經散熱變回水，所以能量轉換效率高達70～80％左右，足足比一般發電方法高出了40％以上。
燃料電池的歷史可以回溯至1839年，由英國法官威廉葛洛夫（William Grove）在一次實驗中，意外發現了燃料電池的發電原理，經過170多年來的發展，已經有了許多不同的形式出現，但一般熟悉也最有發展潛力的方式，還是以質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）為主，PEMFC主要是利用氫氣進入電池組，經由擴散層，與觸媒層中的觸媒作用後，氧化為氫離子（質子）並釋出電子，同時在陰極與氧氣反應產生電位差發電。下列為陰陽極之半反應及總反應式：
陽極（電池負極）半反應 H2 → 2H+ + 2e-
陰極（電池正極）半反應 2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O
總反應 H2 + 1/2O2 → H2O
金屬燃料電池（空氣電池）的發展
若將一般燃料電池的陽極（電池負極）換成活性較大的金屬，也可以提供電池負極所需要的電子，就實用性的角度來說，不但可以替代一般氫氧燃料電池體積大、技術層面高又昂貴等缺點，也提供了另一種環保電池的趨勢。
這種在電池負極利用金屬來代替氫氣的燃料電池，稱為「金屬燃料電池」，電池正極（陰極）所需要的氧氣可以直接由空氣中取得，因此一般又把這種電池稱為「空氣電池」。目前常見的種類有鋅空氣燃料電池、鎂空氣燃料電池、鋁空氣燃料電池等，其中又以「鋅空氣燃料電池」最被廣泛的研究與開發。
金屬燃料電池的發展可以回溯到18世紀，當時以氯化銨為電解質，雖然發電效果已經不錯，但因為碳電極的負載只能達到0.3毫安／平方公分，因此仍無法真正達到實用的階段。直到1932年發展出的鹼性鋅空氣電池，以鋅汞齊做為陽極，氫氧化鈉做為電解質，放電的負載提高到7～10毫安／平方公分，這也成了往後發展空氣電池的新里程碑。
DIY自製鋁空氣電池
就中小學能源教育的角度來說，以鋅金屬當作空氣電池的原料，在製作技巧與材料取得的便利性而言，還是有所限制。因此可以利用鋁箔來當作電池負極的材料，再利用1號廢碳鋅電池內的碳棒當作正極，以食鹽水當作電解質，就可以簡單製作出一個鋁空氣燃料電池。
一、拆解一號（sizeD）廢電池
用尖嘴鉗及美工刀即可輕易將電池拆解。
步驟1：利用尖嘴鉗將電池外殼的鐵皮從接縫處拉開，再以旋轉的方法將鐵皮裁下。如圖2。
步驟2：裁下鐵皮外殼後，從底部將電池推出，如圖3、4。
步驟3：撕開塑膠保護膜，打開上層絕緣塑膠上殼，如圖5、6。
步驟4：將內部的電解質挖出來，鋅殼及碳棒用水清洗乾淨後即可廢物再利用，若鋅殼內部氧化太嚴重，可再用砂紙磨除氧化物，如圖7、8。
拆解下來的廢電池大致可分為碳棒、鋅外殼及電解質3個部分，這些部分在國中許多實驗中皆可以充分的再利用，不需要另外再購買相關的實驗藥品，不但節省經費，也能達到環保再利用的訴求。
※注意
一、不要拆解鹼性電池，因為內部電解質含有強鹼，危險性較高。
二、拆解時需特別注意鐵殼銳利的邊緣，避免被割傷。
再製鋁空氣電池
利用拆解廢電池裡的碳棒，在外層包上一層衛生紙，利用飽和食鹽水將其完全潤濕後，外層再包上一層鋁箔紙，即成了簡單的鋁空氣電池（如圖9）。碳棒為正極，鋁箔為負極，產生的電壓約0.9～1V，電流約3～4 mA（如圖10～11），將兩個電池串聯可以驅動計算機或電子表（如圖12～13）。
其中相關空氣電池反應式如下：
鋁陽極：
Al+3OH-→Al（OH）3+3e-
空氣陰極：
O2+2H2O+4e-→4OH-
總反應：
4Al+3O2+6H2O→4Al（OH）3
除了自然科學，教化心靈更是重要
在這一個資源有限的時代，環保能源的開發與應用已經不單純是少數科學家或企業家的問題，而是全民攜手努力的運動。從教育的立場，若讓學生瞭解更多環保能源的利用與資源再生的觀念，進而影響其行為以及日後的價值觀，也許是老師在課業成績之外的另一項成就與欣慰。（作者任職於台中縣長億國中部及台師大能源教育推廣小組）