燃料电池的基本原理

燃料电池的基本原理、组成材料和应用领域燃料電池的發電藉由外界輸入的燃料(Fuels)為能量源，使其能持續產生電力，不須二次電池所需的充放電程序。以往燃料電池的研究著重於大型的發電機組，少部份則是關於小型攜帶式電源，近期才開始用以替代電池的應用。以往燃料電池的研發工作集中於磷酸型(PAFC，phosphatefuelcell)、熔融碳酸鹽型(MCFC，meltcarbonatefuelcell)與固態氧化物型(SOFC，solidoxidefuelcell)等，但近來質子交換膜型(PEMFC，protonexchangemembranefuelcell)已廣被重視而成重點開發技術之一。由於PEMFC使用濕潤化Nafion型高分子膜作為電解質層，因此操作溫度必須控制在100℃以下，此種低溫條件使電極中的白金觸媒對CO的抵抗力減弱，造成燃料氣體中的CO濃度需要嚴格的限制。然而Nafion膜的質子傳輸效率極佳，因而可提高反應使用的電流密度，再加上低溫與非腐蝕性的特性，使得此種電池具有重量輕、體積小、啟動快與機組材料選擇性大等各項優點。也因為前述的各特性，PEMFC目前正積極應用於車輛動力系統、現場型發電機組與小型攜帶式電力裝置上。前兩種應用，因需考慮燃料處理設備導致系統較為複雜，且須與造價較低的傳統技術競爭，故短期內尚無法商業化。但在小型攜帶電力方面，如筆記型電腦、無線電話、攝錄影機等大多採用高價值的鎳氫或鋰電池的部分，PEMFC則有機會與之競爭。燃料電池是藉由電池內發生燃料燃燒反應而將化學能轉換為電能的裝置，負極除作為燃料與電解質的共同介面，並對燃料的氧化反應作催化；而正極則為氧氣與電解質的共同介面，亦對氧的還原作催化。燃料電池因電解質不同而有不同的名稱，有磷酸型(PAFC，phosphatefuelcell)、熔融碳酸鹽型(MCFC，meltcarbonatefuelcell)與固態氧化物型(SOFC，solidoxidefuelcell)與質子交換膜型(PEMFC，protonexchangemembranefuelcell)等。對於以氫氧作燃料的燃料電池反應示意圖如〔圖一〕所示，而其於鹼性溶液中的電極反應為：正極1/2O2+H2O+e--------2OH-負極H2+2OH--------2H2O+e-全反應1/2O2+H2-------H2O上述反應僅為氫氧燃料電池的反應式，對所採取的不同燃料反應亦將有所改變。而為加速電極反應，電極中通常會加入催化劑如鉑，但鉑在150℃時會被CO所毒化而失去催化的效果，因此多加入銠或銥於鉑之中。一般而言，對氧氣最佳的催化劑為少量含金或銀的鉑鈀混合物。此外，燃料電池將化學能轉化為電能的效率相當高，約為60%~90%之間。〔圖一〕以氫氧作燃料的燃料電池反應示意圖在燃料的部分，氫的儲存上通常是以壓縮氣體存於氫氣桶中，而氧則可取自大氣或一樣由鋼桶中的壓縮氧氣提供；但若所採取的是液態燃料，則另需以適當容器盛裝。在電極與電池的組成部分，在此以質子交換膜型(PEMFC)氫氧燃料電池的結構來說明，如〔圖二〕。在上下兩壓板上分別有氧氣與氫氣的進出口，透過流場板的導引使之進行反應；圖中的MEA(MembraneElectrodeAssembly)即為質子交換膜，並加入墊片以防止漏氣。〔圖二〕質子交換膜型(PEMFC)氫氧燃料電池的結構燃料電池的應用目前受限於其體積，多用於發電機組上，或亦有用於太空船的部分，〔圖三〕為燃料電池部分應用領域示意圖。〔圖三〕燃料電池部分應用領域目前的趨勢著重於電動車的應用上，並且已有採用燃料電池發電的電動車出現；以及透過小型化的技術將之運用於一般消費型電子產品。可以預期的是，在技術的進步下，未來小型化的燃料電池將可用以取代現有的鋰電池或鎳氫電池等高價值產品，作為用於筆記型電腦、無線電電話、錄影機、照相機等攜帶型資訊、通訊與電子產品的電源。因為目前使用筆記型電腦的最大不便處多是所用電池的使用時間不足，及充電時間太長這兩點。而燃料電池因為不需充電(僅需補充燃料)，以及具有較長的使用時間的優勢下，若能再克服一些技術上的瓶頸則將可與現有的二次電池競爭市場。