想像不久的將來，車子不需要加油、電子產品不需要電力燃料、便攜設備不需要使用電池，那將是多么環(huán)保與美好的景象。近幾年來，由于燃料電池(Fuel Cell)的技術獲得創(chuàng)新突破，再加上環(huán)保問題與能源不足等多重壓力相繼到來，各國政府與汽車、電力、能源等產業(yè)漸漸重視燃料電池技術的發(fā)展。

燃料電池是高效率、低污染、多元化能源的新發(fā)電技術，而燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)，不但比傳統(tǒng)石化燃料成本低，且有潔凈、高效率的好處，更可結合核能、生物能、太陽能、風能等發(fā)電技術，將能源使用多元化、可再生化和持續(xù)使用。燃料電池使用汽油、酒精、天然氣、氫氣、沼氣等燃料轉換成電流，借由外界輸入的燃料為能量源，使其能持續(xù)產生電力，不需二次電池的充放電程序。充電時，只要清空充滿副產品水的容器，然后再裝進燃料(酒精等燃料)即可。燃料電池，簡單的說就是一個發(fā)電機。燃料電池是火力、水力、核能外第四種發(fā)電方法。

盡管Fuel Cell中文譯為“燃料電池”，但其實它并非電池，而是經由電化學反應產生電能的發(fā)電機，事實上更像一個特殊的環(huán)保發(fā)電機或內燃機。原因在于一般電池為封閉式系統(tǒng)，而燃料電池屬于開放式系統(tǒng)，它并不儲存能源，而是轉換能源。圖1為燃料電池與內燃機的比較，從中可以發(fā)現它們的相似性，不過燃料電池利用觸媒激活氧化還原反應，直接由燃料氧化產生電能，因此其放電電流可以隨著燃料供應量增加而增大，若再將其串聯成電池堆(fuel cell stack)，則可以提供大電流或大電壓，因而具有更高的能源密度。此外，燃料電池沒有電力衰竭及充電的問題，只要持續(xù)供給燃料及氧氣，便可持續(xù)發(fā)電。

圖1　內燃機與燃料電池的比較 

燃料電池的組成材料簡單，結構模塊化，使得其應用范圍廣泛，涵蓋緊急備用發(fā)電機、住宅用熱電共生系統(tǒng)、UPS、分布式發(fā)電系統(tǒng)、軍事國防、太空與運輸工具領域、機器人、筆記型計算機、PDA、手機等便攜電子產品、便攜電源、搬運工具、電動輔助/代步車等，被視為是取代傳統(tǒng)石化燃料發(fā)電與電池系統(tǒng)之最佳干凈能源。

燃料電池的起源

可用的資源的短缺讓可重復使用、環(huán)保及能源轉換效率高的新能源技術成為業(yè)界發(fā)展的目標。其中燃料電池技術因低污染、高能源轉換效率的特性，成為近年來最受矚目的新興能源供應技術。其實燃料電池的原始模型很早前就已經被提出。早在1839年，William Grove便提出了最原始的燃料電池模型，其基本原理是依據H2與O2兩種氣體不同的氧化還原電位，藉以獲得可供利用的電壓。圖2所示為Grove的燃料電池模型。為了使氧化還原反應能在室溫或略高于室溫的環(huán)境下發(fā)生，一般在H2端與O2端這兩端的電極都置有觸媒(catalyst)以催化反應，而觸媒的來源通常以穩(wěn)定性佳的金屬如鉑(Pt)為主。隨后的一百多年燃料電池并沒有大的進步，直到上世紀60年代由于燃料電池能提供太空工具所需的能量才逐漸受到重視。目前，即使是在當今的太空工具中，燃料電池仍然持續(xù)扮演供應能源的重要角色。

圖2　Grove的原始燃料電池模型 

燃料電池的種類與原理

種類

燃料電池有許多種分類方式，如果以燃料電池之電解質(electrolyte)來區(qū)分，它可分為下列五種：

高分子膜燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell，SPEFC)或質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)；
堿性燃料電池(Alkaline Fuel Cell，AFC)；
磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)；
熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)；
固態(tài)氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)。

不同的燃料電池所使用的電解質與之對應的電荷載子(charge carrier)見表1。

若由溫度來分類， PEMFC(80~100℃)、AFC(60~220℃)及PAFC(180~200℃)屬于低溫型；MCFC(650℃)屬于中溫型； SOFC(1200℃)屬于高溫型。另外還包括直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell；DMFC)及金屬空氣混合型電池等。

原理

燃料電池之基本原理如圖3所示，它的基本組件是由兩個電極夾著一層高分子薄膜的電解質。陰陽兩極除了碳粉之外，也包括白金粉末，以達最佳之催化效果。

圖3　燃料電池基本原理

陽極

氫分子(H2)輸至多孔的陽極后，經過質傳(mass transfer)到達陽極，在催化下分解發(fā)生反應：H2→2H++2e-。電子由陽極傳導至外接電路，形成電流。而氫離子也由陽極端，透過可導離子性質(電子絕緣體)的高分子薄膜電解質，抵達陰極。

陰極

空氣輸至陰極，氧分子質傳至陰極，與電子及氫離子起電化反應，產生水及1.229V電壓。反應如下：O2+4H++4e-→2H2O。燃料電池因沒有經過燃燒過程，所以不會產生污染，也不像傳統(tǒng)的火力或核能發(fā)電，需經多次轉換才能發(fā)電，如表2。燃料電池發(fā)電方式簡單、體積小且效率高。當多組燃料電池單元組件重疊一起時，即可讓電壓及電能產生串連累加效果，增加輸出電壓值，應用范圍可說十分寬廣。

質子交換膜型燃料電池

圖4 現代燃料電池的基本架構(以質子交換膜燃料電池為例)

近年來，隨著納米科技的發(fā)展，燃料電池在技術上已經有了重大的突破，特別是低溫操作的質子交換膜型（proton exchange membrane fuel cell；PEMFC）的問世使燃料電池得以由高不可攀的太空科技應用領域進入民生應用的范疇，PEMFC已廣被重視而成重點開發(fā)技術之一。PEMFC的基本設計，是由兩個電極夾著一層高分子薄膜的電解質，參見圖4，電解質需要保持濕度，使其成為離子導體（ionic conductor）。在PEMFC中，電解質為氫離子（質子）導體，故名為質子交換膜（proton conducting membrane；PEM）或簡稱質導膜。電極通常為多孔性碳，其中包括做為催化劑之用的白金粉末。