2002/08/05
經濟部能源局
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▓撰文：編輯室
燃料電池的運作僅會排放水與二氧化碳，如此符合環保的發電方式已經廣受各國注意，亦為國內正全力推動的能源技術之一。在燃料電池離日常生活越來越接近時，大眾有必要對於燃料電池的原理以及種類有一個初步的認識。
目前最炙手可熱，並且普遍造成話題的再生能源，應屬燃料電池。這項幾乎沒有污染產出的發電方式，其發展方向多元，小至電子、電腦、通訊產品的電力來源，大至取代傳統內燃機交通工具，甚至於燃料電池的電廠，均已蓄勢待發，準備跨進現代生活領域。
其實燃料電池並不是一項嶄新的科技，早在150年前，其基本原理已經被提出，只是在化石能源的優勢下，相關研究一直沒有顯著的突破與進步。直到近年來，因應永續發展的需求，先進國家大量投入對燃料電池的研究，技術也不斷的向前，許多設計已具有高度商品化的可能。
宛如神奇魔術箱
在更進一步瞭解燃料電池的各項發展前，首先必須瞭解燃料電池的原理與特性。燃料電池乃是利用氫與氧經化學反應時的化學能源，直接轉變成為電力的發電裝置，以離子交換膜式（PEM）的燃料電池為例，當氫進入燃料電池系統後，電池內的觸媒會將氫分離成氫質子及電子，其中質子將穿過薄膜與氧氣結合而成水和熱；電子則無法穿過薄膜，經由電源線到極板上，因而產生直流電源。以化學原理而言，它就是電解水的反向化學作用。
由上述的原理可以發現，氫氣可說是在燃料電池最重要的一部份。氫氣廣泛存在於地球中，海洋就是豐富的氫氣來源，但是，如果需要獲得氫氣，最簡單常見的方式是由電解水而來，這個過程將消耗電力與其他能源。燃料電池使用的氫必須取自其他種類的能源，所以燃料電池並不是初級能源，而是像電能一樣的能源載體，這個概念大眾必須要先釐清。
無污染的燃料電池雖然廣受大眾期待，但是氫氣的取得與儲存卻讓燃料電池的發展受到相當大的限制。氫氣分子量小、體積大，具有高度可燃性，原本在儲存上就有一定的危險性，如果要求更高密度的儲存量，可以採用液化氫的方式，但是在液化過程中將消耗大量的能量，不符合能源以及經濟上的效益，同時儲存成本與風險也益加提昇；另一方面，氫氣亦無法以管線運輸，造成使用上的範圍受到限制。
化石燃料使用新方式
因為純氫氣的不易使用，燃料電池的發展轉而向其他的物質求取所需要的氫，使用含碳量較低的碳氫化合物是較為理想的方向。含有豐富氫原子的天然氣，以及甲醇、汽油等燃料，都是燃料電池目前的主要發展方向。
甲醇（CH4）是燃料電池理想的氫來源。甲醇含氫高、碳量低，在燃料電池系統運作後所排放的二氧化碳也較低。此外，甲醇的取得也較為容易，玉米等農作物則提供了天然而可循環的來源，相當符合再生能源低污染、低資源用量的目標。
另一種思維則是利用汽油做為燃料電池的氫來源，經由觸媒的裂解，將汽油的成分轉換成氫與碳，以提供燃料電池的動力來源。使用汽油的燃料電池聽來有些怪異，因為無法降低對有限資源的依賴，會有這種想法的主要是汽車業者，因為石油煉製技術成熟，且須顧及消費使用習慣，同時此法改變了氫氣難以儲存與運輸的劣勢，直接使用舊有的加油站就可以提供燃料電池的動力來源。
大小性質素材各異
除了動力來自於不同種類的燃料外，燃料電池的設計也有許多不同的形式。燃料電池的分類主要依據電解質的種類，目前包括有鹼性燃料電池（Alkaline Fuel Cell；AFC）、磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell；PAFC）、離子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC）、融熔碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell；MCFC）及固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell；SOFC）等種類。
不同種類的燃料電池，其發電效率也有所不同。目前廣受注意而具有商業化潛力的是磷酸型燃料電池，其發電效率約可達40～45％；發電效率更高的是融熔碳酸鹽型及電態氧化型燃料電池，可達60％，但是上述兩種燃料電池的設備難以小型化，僅能朝向大型發電機組等的方向發展。
燃料電池在使用上還有一個問題，那就是工作時產生的溫度，在這裡可以粗分成高溫及低溫兩種類型。運作溫度高的發電效率高，如融熔碳酸鹽型（600℃）及固態氧化物型（1,000℃），其產生的熱尚可提供汽電共生用途，但是高熱亦造成控制與應用上的困難；運作溫度低的如磷酸型（200℃）發電效率較低，但是較具備實用化的可能性。
明日且看「氫」
今日，燃料電池的發展迅速，方向更是多元化，大到電廠機組，小至僅有數百公克的筆記型電腦用電池、行動電話電池，可說是五花八門，實用性相當高，惟燃料電池仍有許多困難點尚待克服，包括：觸媒金屬的價格、穩定性、安全性等因素，導致燃料電池仍未能普及化。
但是在燃料電池符合環保、高效率的優勢下，無疑的將會讓它成為21世紀的明星發電方式，而「氫氣經濟時代」的來臨，也已經指日可待。