能源產業與我們人類的生活息息相關，不論各種的人類行動，能源均參與其中，曾有學者預測：「未來人類的戰爭將是為能源而戰」故隨著能源短缺問題的日益嚴重，愈來愈受到大眾的關注，加以能源使用過程中，不但耗用了大量自然資源，且還造成不少的環境衝擊，使得生態環境遭受破壞之程度超過環境自然復育之能力。因此基於節約能源與環境保護之考慮，有效率又乾淨的使用能源，一直是人們的一個夢想。就電能而言，其來源有水力、風力、太陽能、火力、生質能、燃料電池及核能發電，其中最具市場潛力、不易受天然條件的限制且符合安靜、無污染、高效率的一項能源技術，則非燃料電池莫屬。這項科技之另一特性是電池可微小化及電池的可並聯性，因此應用層面廣泛，從手機、汽機車到社區發電系統都可以此為電源，甚至可做為區域型發電廠，免掉傳統輸配電線路的消耗及損失，也難怪燃料電池被稱為二十一世紀的新能源。限於篇幅，本文將針對燃料電池做一般性介紹，讓大家對綠色電力--燃料電池有一初步了解。

一、燃料電池的發展史

很多人都會誤認為燃料電池是一項新的科技發明，其實不然，早在1839年英國的一位科學家在從事一項水電解的實驗時，就已發現從其逆反應可獲得電力的可能性，但受限於當時的材質而無法進一步開發為發電裝置。到了1889年，有科學家以煤氣與空氣做為反應物，發展出燃料電池的雛形，並將其命名為「fuel cell」。

二十世紀初期，許多科學家曾致力於燃料電池的研究，但因受限於材料科學及電化學的發展而成果有限。加以當時內燃機已問世，又值石油大舉開採之際，結果造成以電化學方式產生電能的開發工作遭到排擠而中斷。直到1932年，另一位英國的工程師Francis Bacon，採用低腐蝕性的鹼性電解液及便宜的鎳電極製做成氫氧燃料電池，才使得燃料電池往前跨出一大步，並陸陸續續成功製造出5KW、20KW的供電系統，燃料電池技術終於步出實驗室。

1950年代後期，當時國家航空暨太空總署（NASA）為提供一系列太空任務所需電源，開始尋找一種可靠的高功率發電機。經評估之後，認為核能危險性高、傳統電池太重，而太陽能功率低使用不便，因此轉而積極研究燃料電池發電技術。在太空計畫催生下，從1960年代以來所發射升空的太空梭如雙子星（Gemini）、阿波羅（Apollo）都是使用燃料電池做為所有維生系統之動力來源，而其發電過程之副產物—-“水”---更提供艙內溼度調節及太空人飲用水之需，第一位登陸月球的太空人---尼爾•阿姆斯壯曾誇讚燃料電池是太空史上一大功臣。

但是燃料電池並未只侷限在太空計劃的應用，經過七○年代的能源危機及八○年代以來環保意識的抬頭，讓人們想到把這項兼具高效率及乾淨的技術實際應用在工業發電系統及日常生活中，使燃料電池成為繼水力、火力、核能以後的第四種主要發電技術。

二、
發電原理

圖一、燃料電池的基本構造與發電原理

一般人大都能了解水電解的現象，就是當直流電力經過電極進入水中，水便分解成氫氣和氧氣，分別從陰、陽兩極產出，而燃料電池的動作剛好與這個電化學反應現象相反，如圖一所示燃料電池之核心設計包括陽極板（Anode）、陰極板（Cathode）、電解質（Electrolyte）和外部電路（Electric circuit），其工作原理是氫氣通過導氣板到達陽極，在陽極催化劑之作用下，一個氫分子分解成兩個質子和兩個電子，在陰極板上，氧氣（或空氣）通過導氣板到達陰極。同時，質子穿過電解質到達陰極，電子則經外電路到達陰極，形成電流。在陰極催化劑作用下，氧原子與質子和電子發生反應生成水。也就是說當氫氣和氧氣分別輸送到陰、陽兩極，經過與電極上的觸媒反應，直流電和水份便因而產生。故只要保持氫氣及氧氣之來源不斷，燃料電池便能源源不絕地將燃料中的化學能直接轉換成為電力，故又稱為直接能源轉換裝置。

三、種類與應用

依電極產生氫和氧的機制不同及電解質和操作溫度不同，燃料電池主要有六種類型，分別為鹼性（Alkaline/AFC）、磷酸（Phosphoric Acid/ PAFC）、熔融碳酸鹽（Molten Carbonate/MCFC）、固態氧化物（Solid  Oxide/SOFC）、質子交換膜（Proton Exchange Membrane/PEMFC）、直接甲醇（Direct Methanol/DMFC）等。其基本特性與應用區隔，簡示如下表：

其中鹼性（AFC）燃料電池發展的最早，曾因太空計畫而名噪一時，但侷限於純氫及純氧的無水使用場合，目前僅適用於太空梭及潛水艇等特殊用途。磷酸型（PAFC）燃料電池已有商品化產品供應，一般發電功率的設計約在仟瓦到百萬瓦之間，主要應用在小型（分散式）的電力系統，如家用型的小型發電機。目前費用居高不下的主因在於使用昂貴的白金當觸媒，已有專家考慮在電池汰換時，將白金回收，以降低製造成本。

熔融碳酸鹽型（MCFC）和固態氧化物型（SOFC）燃料電池是屬於高溫操作的燃料電池，由於此高溫型燃料電池所產生的熱（水蒸氣）可經由系統設計循環利用，因此具有較高的發電效率，一般適用於較大型（百萬瓦級）的發電系統，目前由於此類型燃料電池系統設計較為複雜，且材料成本高，因此還在發展階段。

質子交換模型（PEMFC）燃料電池是近年來技術發展最快的系統，由於電解質的設計採用高分子膜，不含鹼性或酸性的液體，且操作溫度低，反應速率大幅提升，使系統能有很高的功率密度輸出，加上體積小，使得此燃料電池可以經由不同的需求設計，從數瓦到百萬瓦的發電系統，尤其應用在車輛動力系統最被看好，是目前最具發展潛力的燃料電池。而直接甲醇型（DMFC）燃料電池，由於可直接使用甲醇為燃料，不需額外結合重組器等燃料轉化裝置，因此系統得以簡化，以及體積與重量亦可縮減。若能發展成功，則可用為車輛動力或發電機組，但目前仍有許多技術瓶頸待突破，而發電效率亦待提升。

四、系統效率分析

一般火力發電是將燃料如煤炭、石油或天然氣等燃燒產生熱能，然後將熱能轉為機械能，再將機械能轉換成電能，這樣經過各種層層能量轉換程序發電，效率大概只有25﹪至30﹪左右。相對的，燃料電池是直接以電化學方式將氫或氧結合產生水，並在過程中釋放出電子而發電，不須經過燃燒過程，依其設計使用電解質之不同，而有不同之發電效率，一般可達35﹪~65﹪。若副產的熱能，能加以回收利用，效率更可高達80﹪。

再且，火力、水力及核能發電之規模皆相當鉅大，電力一但被生產出來，即需使用，未使用的電力很難儲存。但若使用燃料電池，面臨急需用電之時，便可透過製氫與儲氫設備，馬上供應燃料，立即有效的提供電力，且可獨立成為有效之電力供應來源，不需經過中央電力工廠及輸配電路之連結，減少輸配電設置及維持成本。故從發電效率、電力貯存及電力供應等方面來分析，燃料電池的確是最穩定、最有效及經濟之發電技術。

為了有更進一步的了解，在此利用美國能源部於1992年發展出來的能源路徑分析法，來做一個系統效率的評估工具。此分析法是考慮一個完整的能源轉換與傳送系統的所有過程，亦及包括發電、煉油等能源生產，輸電、輸油等能源輸送與汽車的能源利用，來計算系統能源效率。以交通工具為例，用此方法分析汽油引擎車、電池電動車及燃料電池電動車的系統能源效率，分析結果如下圖所示：

1.汽油引擎車

2.電池電動車

3.氫能燃料電池電動車

4.甲醇燃料電池電動車

由上圖可很清楚的看出，汽油引擎車的燃燒效率只有15﹪，故整體的系統效率相當低，僅有10.5﹪。在電動車方面，電池電動車整個系統的效率為19.7﹪，約為汽油引擎車的兩倍。而燃料電池電動車，若以天然氣製氫為燃料，則效率可達26﹪；若以天然氣先產生甲醇，再利用甲醇重組，得到氫氣為燃料，則效率約25﹪；但若以天然氣製造甲醇，直接以甲醇為燃料，則整體系統效率可高達28﹪，故燃料電池電動車之整體系統效率約為汽油引擎車的二到三倍，明顯提高許多。

五、環保效益分析

在了解燃料電池在系統效率方面之優勢後，接下來探討其環保效益，同樣地利用上述方法，以汽油引擎車、電池電動車及甲醇燃料電池電動車為例，對整個過程做一分析，將其系統污染排放量，列於下表做一比較：

＊  1.以煤炭為電力供應來源

＊  2.以天然氣為電力供應來源，先產生甲醇，再利用甲醇重組，得到氫氣為燃料

＊  3.主要來自於火力發電廠

經比較，汽油引擎車的污染排放量偏高，對環境造成最大的衝擊，且污染排放物會隨著車體到處排放，除了積極降低污染排放量外，很難藉由集中處理改善對環境的污染。而在電動車方面，其污染排放量大體而言較少，不但如此，車體本身除了甲醇燃料電池電動車在甲醇重組製氫時，會有少量CO₂產生外，其他電動車幾乎沒有污染排放問題。

電動車對環境衝擊，受電力供應來源影響甚鉅，以電池電動車為例，若電力來源為煤炭，則火力發電廠所排放的CO、NO_X、SO_X與CO₂則不可忽視（如上表所示），若將煤炭替換成與燃料電池一樣的天然氣，則污染排放量必定減少很多，但系統效率仍無法與燃料電池電動車競爭，且廢棄鉛酸電池之回收亦是一大課題。

提及噪音方面，由於燃料電池是氫、氧經電化學反應產生電力，不同於內燃機利用燃燒產生動能，帶動齒輪轉動之反應，因此燃料電池設備運轉時不會產生類似內燃機之巨大噪音，是一種非常安靜的能源科技。

六、應用發展現況

國際上已開發出多種燃料電池之實驗性及商業化之產品，依照使用用途大概可以分為三類：

1.運輸工具類；包括公共汽車、轎車、機車及自行車。如世界主要汽車製造商，如：Daimler Chrysler、Ford、GM、Toyota、Honda及Nissan等汽車公司已投入數十億美元從事Fuel Cell汽車的開發工作。目前國際市場上已出現第一筆商業化燃料電池電動巴士訂單，是由Daimler Chrysler公司於2002年銷售給歐洲9個城市之公共運輸公司30輛燃料電池電動巴士。顯示燃料電池電動汽車商業化之時程已經非常接近，值得特別加以關注。

2.發電廠類；包括大型電廠、中型發電機組及小型家用發電機組。已有多家廠商從事生產，如美國的國際燃料電池公司（IFC）、Plug/GE、能源研究公司（ERC）、日本富士電機……等等。所推出的機組，分別在飯店、公園、醫院、學校等地實際運轉。如Plug/GE公司於去年推出的PEM環保發電機，只要接上家用瓦斯，即可提供住宅用電需求。目前Plug/GE已獲得700萬美元訂單，生產製造第一批商品化環保發電機。

3.可攜帶式小型機組；包括行動電話、筆記型電腦及簡易備用電力。如美國Motorola及德國Fraunise ISE等公司亦致力於開發小型燃料電池，目前技術已可成功應用於行動電話與PDA的電力系統上。

而我國目前在燃料電池之開發推廣上，仍落後先進國家一段距離，經濟部能源委員會及工研院能資所曾從事燃料電池的研究與推廣；1995年能資所與台電合作，引進國內第一步200kw磷酸型燃料電池發電機組，做為實驗驗證、研究學習與示範推廣等之用。而最近研究重心轉向於PEMFC，並規劃未來四年內，開發3~5kw小型家用發電機組。

民間業者亦積極與經濟部能源委員會研擬「燃料電池夥伴聯盟」籌組計畫，此一計畫結合國內產、官、學、研共二十個單位組成聯盟，將以三年時間推出一百輛燃料電池電動機車，並完成其商業化發展方案。希望未來兩、三年內看見Fuel Cell機車在台灣量產商品化之可能性。

七、結語

燃料電池是二十一世紀最重要的能源科技之一，其主要原因，除了燃料電池是一種清潔的發電裝置外，更具備了能源使用效率高、可靠度強及獨立性高等特點。

歷經了將近半世紀的發展，燃料電池的技術已漸完備，雖然仍有一些問題待克服，方能在價格上與傳統火力發電廠競爭。但燃料電池具有分散式電廠之優勢，不需輸配線路之設置，對於偏遠地區及自然環境特別保護地區，提供了穩定及清潔之電源，這遠非中央大型電廠所能匹配之處。

再則燃料電池亦可與太陽能、風能、生質能等再生能源發電能力結合，將這些小規模及不穩定之電能做最有效之應用，這也是其利多之處。