2002/01/05
經濟部能源局
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▓撰文：何玉麗
全球能源的主要來源為化石能源（如石油、天然氣及煤等）、核能、水力、地熱及太陽能等，其中以化石能源所佔比率最高，其次是核能，至於水力、地熱及太陽能等所佔比率則相當低。
中東地區的化石能源藏量最為豐富，該地區政治不穩是舉世皆知，1973、1978年所發生之兩次石油危機，即是政治糾紛的結果。為防範石油短缺影響經濟發展，各國莫不為能源多元化而努力。更值得注意的是，化石能源在燃燒之後，會產生二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物及碳氫化合物等，這些都是空氣污染及溫室效應的元兇。
如何抑制溫室氣體排放，是氣候變化綱要公約國極為關心的問題。化石能源因屬不可再生之資源，在大量消耗之後，已面臨枯竭的窘境。根據英國石油統計報導，化石能源經過本世紀的大量使用之後，其存量約略僅夠再用半個世紀。
展望新能源
化石能源與核能既然都有其缺失，那麼可再生又安全的新能源勢，將在未來能源供給結構中佔有一席之地。這些新能源包括地熱、太陽能、風能、燃料電池及其他等，其中以燃料電池的發展最受人注目。因其在發電過程中並不排放大量的溫室氣體，而且燃料的取得相當容易，所以各國都投入龐大資金進行研究。目前不但在中型或分散式發電機組的運用上已成功地進入商轉階段，在汽車或其他產品的運用上，也熱鬧地進行中。燃料電池如此受青睞，頗有取代燃油引擎或其他發電裝置之可能，使21世紀邁向綠色的氫能時代。
無論從能源或環保的角度來看，燃料電池在未來都具有舉足輕重的地位，因此燃料電池相當值得關心。為此，本文特別針對燃料電池做探討，內容包括燃料電池的原理、燃料電池的特性與應用，以及燃料電池之燃料及其能源來源等項目。
燃料電池的原理
燃料電池（Fuel Cell）是一種發電裝置，但不像一般非充電電池一樣用完就丟棄，也不像充電電池一樣，用完須繼續充電，燃料電池正如其名，是繼續添加燃料以維持其電力，所需的燃料是「氫」。
燃料電池的運作原理（如圖1），也就是電池含有陰陽兩個電極，分別充滿電解液，而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構成。氫氣由燃料電池的陽極進入，氧氣（或空氣）則由陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用，使得陽極的氫原子分解成兩個氫質子（proton）與兩個電子（electron），其中質子被氧『吸引』到薄膜的另一邊，電子則經由外電路形成電流後，到達陰極。在陰極催化劑之作用下，氫質子、氧及電子，發生反應形成水分子，因此水可說是燃料電池唯一的排放物。
燃料電池所使用的「氫」燃料可以來自於任何的碳氫化合物，例如天然氣、甲醇、乙醇（酒精）等。由於燃料電池是利用氫及氧的化學反應，產生電流及水，不但完全無污染，也避免了傳統電池充電耗時的問題，是目前最具發展前景的新能源方式，如能順利與廣泛的應用在車輛及其他高污染之發電工具上，將能顯著改善空氣污染及溫室效應。 圖1 燃料電池的運作原理
燃料電池的特性與應用
燃料電池因為燃料取得方便（例如可由天然氣、液化石油氣、甲醇、汽油等改質而取得氫、或由水的電解產生等）、能源轉換效率高（約為40至60％，較一般火力發電的40％為高）、發電機組之規模可自由選擇，以及低環境污染等因素，試圖被運用於產業、運輸及民生等部門。
燃料電池在產業部門方面的運用，主要是指中大型、分散型、現場型與家用型等等之固定發電機組。這在全球電業自由化的潮流下，愈來愈受到市場的重視，配合環保標準的日益嚴苛，預期將有相當大的成長空間。適合裝設此種發電機組之場所，如一般住宅、旅館、醫院、商店、辦公大樓、公寓、工廠等等，假若電力仍有不足之情況，依然可經由並聯網路由電力公司供應。
在運輸部門方面，包括巴士、汽車、貨車、高爾夫球車、機車及自行車等，這些交通工具之動力來源，在未來都有可能為燃料電池所取代。在民生部門方面，除了家電產品以外之可攜式電子產品，也就是從行動電話、隨身聽、計算機、攝錄影機、數位相機到筆記型電腦等，都有可能是燃料電池的運用範疇。
燃料電池之燃料及其能源來源
如前所述，氫氣、甲醇、汽油及天然氣等，都有可能作為燃料電池之燃料，關於這些燃料之來源與優缺點，逐一說明如下：
氫氣是燃料電池最為直接的燃料，也就是不需經過重組器的轉換就可使用，不但是自然界中最豐富之自然元素，而且在轉換為電能的過程中，僅產生微量的水，頗合乎國際環保要求。 甲醇的主要生產方式，係利用天然氣進行蒸汽重組反應，因此若使用甲醇，可降低對石油之依賴程度，這可說是甲醇具有的特性之一。
再者，甲醇在常溫下呈液體狀態，可使用之燃料電池有直接甲醇型（DMFC）與重組器重組再取得氫等兩種方式，其中由重組器重組所需作業溫度為300℃，較汽油重組所需溫度為低，是甲醇具有的特性之二。然而，甲醇具腐蝕性與毒性；在轉換為電能的過程中，會產生一氧化碳等，則為其主要之缺點。
汽油可作為燃料電池之燃料，主要必須經過再次脫硫，使之成為較乾淨之汽油，再經過重組器之重組，以利取出氫，但是汽油重組必須在600℃的高溫下進行，而且對化石燃料依賴程度的降低沒有任何幫助。
天然氣也可做為燃料電池的燃料，只是必須經過重組器的重組再取出氫，屬於非直接型燃料電池。天然氣屬於化石燃料的一種，蘊藏量相當豐富，但大量使用將無法改變對化石燃料的依賴。
零污染的目標
從前面燃料電池的發電原理，可以看出整個反應過程就是水電解的逆反應，因此其燃料－－氫可以藉由水的電解產生。然而，以電分解水，再取得氫，依然必須用到電力，若再追究此電力的轉換來源與成本，則氫的價格必然不斐，而且能源使用效率也不見得比汽油高。所幸水的電解可以考慮使用離峰電力、太陽能電力等。再加上水的電解，並非氫氣來源的唯一管道，諸如煉油、啤酒製造或其他產品製造過程，甚至廢棄物處理過程中，也都會直接或間接產生氫氣，這些都可說是氫氣的重要來源。
雖然甲醇、汽油或天然氣，經過重組之後，仍可以取得氫氣，但是重組器大又重，在燃料電池的應用上，會增加載具之重量，進而影響其推廣或普及。再者就能源與環保的觀點而言，若以甲醇、汽油或天然氣做為燃料電池之進料，則人類對化石燃料之依賴情形將無法改變。因此，在燃料電池開發與應用的過渡期間，或許基於技術的成熟度，而有使用甲醇、汽油或天然氣為燃料之必要。但是就長期來看，仍應以氫做進料，才可降低化石燃料的使用量，以及達到零污染排放之目標。（本文作者為台灣經濟研究院研一所副研究員）