发布时间:2006年9月9日 点击次数:14

来源:电子产品世界

作者:黄伟铭

想像不久的将来,车子不需要加油、电子产品不需要电力燃料、便携设备不需要使用电池,那将是多么环保与美好的景象。近几年来,由于燃料电池(Fuel Cell)的技术获得创新突破,再加上环保问题与能源不足等多重压力相继到来,各国政府与汽车、电力、能源等产业渐渐重视燃料电池技术的发展。

燃料电池是高效率、低污染、多元化能源的新发电技术,而燃料电池的发电系统,不但比传统石化燃料成本低,且有洁净、高效率的好处,更可结合核能、生物能、太阳能、风能等发电技术,将能源使用多元化、可再生化和持续使用。燃料电池使用汽油、酒精、天然气、氢气、沼气等燃料转换成电流,借由外界输入的燃料为能量源,使其能持续产生电力,不需二次电池的充放电程序。充电时,只要清空充满副产品水的容器,然后再装进燃料(酒精等燃料)即可。燃料电池,简单的说就是一个发电机。燃料电池是火力、水力、核能外第四种发电方法。

尽管Fuel Cell中文译为“燃料电池”,但其实它并非电池,而是经由电化学反应产生电能的发电机,事实上更像一个特殊的环保发电机或内燃机。原因在于一般电池为封闭式系统,而燃料电池属于开放式系统,它并不储存能源,而是转换能源。图1为燃料电池与内燃机的比较,从中可以发现它们的相似性,不过燃料电池利用触媒激活氧化还原反应,直接由燃料氧化产生电能,因此其放电电流可以随着燃料供应量增加而增大,若再将其串联成电池堆(fuel cell stack),则可以提供大电流或大电压,因而具有更高的能源密度。此外,燃料电池没有电力衰竭及充电的问题,只要持续供给燃料及氧气,便可持续发电。

图1　内燃机与燃料电池的比较 

燃料电池的组成材料简单,结构模块化,使得其应用范围广泛,涵盖紧急备用发电机、住宅用热电共生系统、UPS、分布式发电系统、军事国防、太空与运输工具领域、机器人、笔记型计算机、PDA、手机等便携电子产品、便携电源、搬运工具、电动辅助/代步车等,被视为是取代传统石化燃料发电与电池系统之最佳干净能源。

燃料电池的起源

可用的资源的短缺让可重复使用、环保及能源转换效率高的新能源技术成为业界发展的目标。其中燃料电池技术因低污染、高能源转换效率的特性,成为近年来最受瞩目的新兴能源供应技术。其实燃料电池的原始模型很早前就已经被提出。早在1839年,William Grove便提出了最原始的燃料电池模型,其基本原理是依据H2与O2两种气体不同的氧化还原电位,藉以获得可供利用的电压。图2所示为Grove的燃料电池模型。为了使氧化还原反应能在室温或略高于室温的环境下发生,一般在H2端与O2端这两端的电极都置有触媒(catalyst)以催化反应,而触媒的来源通常以稳定性佳的金属如铂(Pt)为主。随后的一百多年燃料电池并没有大的进步,直到上世纪60年代由于燃料电池能提供太空工具所需的能量才逐渐受到重视。目前,即使是在当今的太空工具中,燃料电池仍然持续扮演供应能源的重要角色。

图2　Grove的原始燃料电池模型 

燃料电池的种类与原理

种类

燃料电池有许多种分类方式,如果以燃料电池之电解质(electrolyte)来区分,它可分为下列五种：

高分子膜燃料电池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC; Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell,SPEFC)或质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC);
碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell,AFC);
磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC);
熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC);
固态氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)。

不同的燃料电池所使用的电解质与之对应的电荷载子(charge carrier)见表1。

若由温度来分类, PEMFC(80~100℃)、AFC(60~220℃)及PAFC(180~200℃)属于低温型;MCFC(650℃)属于中温型; SOFC(1200℃)属于高温型。另外还包括直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell;DMFC)及金属空气混合型电池等。

原理

燃料电池之基本原理如图3所示,它的基本组件是由两个电极夹着一层高分子薄膜的电解质。阴阳两极除了碳粉之外,也包括白金粉末,以达最佳之催化效果。

图3　燃料电池基本原理

阳极

氢分子(H2)输至多孔的阳极后,经过质传(mass transfer)到达阳极,在催化下分解发生反应：H2→2H++2e-。电子由阳极传导至外接电路,形成电流。而氢离子也由阳极端,透过可导离子性质(电子绝缘体)的高分子薄膜电解质,抵达阴极。

阴极

空气输至阴极,氧分子质传至阴极,与电子及氢离子起电化反应,产生水及1.229V电压。反应如下：O2+4H++4e-→2H2O。燃料电池因没有经过燃烧过程,所以不会产生污染,也不像传统的火力或核能发电,需经多次转换才能发电,如表2。燃料电池发电方式简单、体积小且效率高。当多组燃料电池单元组件重叠一起时,即可让电压及电能产生串连累加效果,增加输出电压值,应用范围可说十分宽广。

质子交换膜型燃料电池

图4 现代燃料电池的基本架构(以质子交换膜燃料电池为例)

近年来,随着纳米科技的发展,燃料电池在技术上已经有了重大的突破,特别是低温操作的质子交换膜型（proton exchange membrane fuel cell;PEMFC）的问世使燃料电池得以由高不可攀的太空科技应用领域进入民生应用的范畴,PEMFC已广被重视而成重点开发技术之一。PEMFC的基本设计,是由两个电极夹着一层高分子薄膜的电解质,参见图4,电解质需要保持湿度,使其成为离子导体（ionic conductor）。在PEMFC中,电解质为氢离子（质子）导体,故名为质子交换膜（proton conducting membrane;PEM）或简称质导膜。电极通常为多孔性碳,其中包括做为催化剂之用的白金粉末。

电极、质导膜及触媒的特性

接着将讨论电极、质导膜及触媒的特性。电极(阴极、阳极)的功能在于传导电流及气体，同时可做为触媒的载体(back support)。目前最为广泛使用且性能可靠的电极材料为碳制成的纤维织布或纸。碳电极为微米至纳米等级的多孔或介孔性(mesoporous)材料，具有表面积大(＞75 m2/g)的优点，同时能让气体燃料通过。最近也有研究是尝试以纳米碳管作为电极材料。

PEMFC多采用高分子薄膜电解质，内部为网状结构，提供原子级(atomic scale)的离子信道，其必须具备高离子传导性、高渗透选择性(只传导氢离子)、化学稳定性及热稳定性佳等特性。质子交换膜表面与阴极、阳极、触媒等材料直接接触，因此其接口氧化还原反应的效率与燃料电池效率息息相关，目前较可靠且广为接受的是杜邦的Nafion系列产品，此外也有许多其他不同高分子薄膜电解质的研究或商品。

由于PEMFC使用湿润化Nafion型高分子膜作为电解质层，因此操作温度必须控制在100℃以下，此种低温条件使电极中的白金触媒对CO的抵抗力减弱，造成燃料气体中的CO浓度需要严格的限制。但是Nafion膜的质子传输效率极佳，因此反而可以提高反应时的电流密度，再加上低温与非腐蚀性等优良特性，使得此种电池具有重量轻、体积小、激活快与机组材料选择弹性大等多种优点。

以氢气为燃料、氧气为氧化剂，透过化合作用发电，此种燃料电池又叫再生性氢氧燃料电池(regenerative fuel cell，RFC)。氢和氧化学反应所产生的生成物为水蒸气(H2O)，不会排放碳化氢(HC)、一氧化碳(CO)、氮化物(NOX)和二氧化碳(CO2)等污染物质，排出物是无污染的水。氢氧燃料电池的作用原理是：以氢气为燃料和氧气经电化学反应后，透过质子交换膜产生电能，氢氧燃料电池排放出非常清洁的副产品——水，它的优点为发电效益高，且最终副产品只有热能与纯水，不会对环境造成任何威胁，相当符合环保交通工具的需求，因此预计往后在各型交通车辆上都可看见其身影。也正因为具备了前述的各项特性，PEMFC目前正积极应用于车辆动力系统、大型现场发电机组与小型携带式电力装置上。前两种应用，因需考虑燃料处理设备所导致的复杂系统设计方式，且必须与造价较低廉的传统发电技术竞争，故短期内尚无法付诸商业化应用。但在小型携带式电力方面，诸如笔记本计算机、手机、摄录像机等可携式装置大多采用价格较高的镍氢或锂电池，因此在此领域上PEMFC将有机会与之一较高下。

PEMFC的触媒材料依其功能分为氢触媒与氧触媒两种，分别使用于阳极/质子交换膜界面及阴极/质子交换膜接口。根据电催化效应(Electrocatalysis)作用，氢触媒促使氢原子氧化为质子，氧触媒则促使氧原子还原为水。触媒材料的选择有三大要件：高分散度下的均匀性、催化活性与安定性。就对操作环境较为单纯的氢/氧质子交换膜燃料电池而言，以铂系金属(Pt、Pd等)为最适合，为提高其电化活性，通常制成纳米级粉末，先均匀散布于碳颗粒上，再将之涂布于电极表面，由于大小只有20纳米，其电催化能力因而大幅提升，因此可以降低电化学反应所需的温度。

碳电极与质导膜形成的夹层结构通常称为膜极组，所有燃料电池的反应均发生于此，可以说是燃料电池的心脏。以不锈钢或石墨板等耐腐蚀材料将膜极组封装之后，即形成目前使用的燃料电池组件，如图5。

图5　膜极组的构造及相关电化学反应

燃料电池技术的创新与应用

燃料电池最早被用在美国登陆月球的太空设备的主要电力与水、热量等的供应。但由于燃料电池的成本昂贵，在之后30年始终没有商品化。然而，近年来燃料电池在技术上产生了革命性的突破，其中以质子交换膜型(PEMFC)、平板型固态氧化物电解质(SOFC)及直接式甲醇燃料电池(DMFC)最被看好，其未来商机庞大，因此吸引了世界各国政府、民间企业与学术单位投入大量人力及资金研发该技术。

世界主要汽车制造商，如Toyota、Honda、Ford、Nissan、Daimler-Chryler及GM等汽车公司已投入数十亿美元从事燃料电池汽车的开发工作，相信在不久的将来便可看到部份产品的商品化应用。而加州环保署空气资源委员会(California Air Resources Board)也与业者策略联盟研发燃料电池。另外，新加坡政府也投入数亿美元与Daimler-Chrysler合作研发燃料电池汽车并建构燃料供给系统。

大量研发资源还投入了小型家用或大楼的分布式电源供应系统，如Plug/GE公司成功测试了上百个PEM燃料电池，只要导入家用天然瓦斯便可发电。估计若有20万户家庭，每户家庭各安装一个7 KW的燃料电池，其发电量总和将可望趋近于一个核能发电机组的总发电量。这种离散式的发电系统，可用于尖峰或连续用电的供给，且供电相当稳定，适用于目前新兴高科技产业如半导体、固网、无线通信等产业。另外，燃料电池在德国也被用作潜水艇的动力及用于驱动汽车和居民供电供暖。

日本研发的FCX-V3燃料电池汽车的燃料氢，是填充在250个大气压下的高压蓄氢槽里。日本丰田公司与本田公司已于2002年12月开始生产全球第一批燃料电池汽车。至于加拿大所研发的Mark-900燃料电池，则是使用甲醇或氢为燃料，可在零下40℃的低温下工作。大量生产时，燃料电池的成本与现有内燃发动机接近。而台湾业者则已将氢氧燃料电池运用于电动自行车上，电力用完之后，只需要添加燃料气体即可迅速恢复电能的供给，非常符合快速环保方便的需求。

可携式应用

2005年全球可携式燃料电池系统产量约3000种，主要客户为美国军用市场，作为供应军人便携式武器所需的移动式电源。而目前可携式燃料电池技术类型以PEMFC及直接甲醇燃料电池为主。由于甲醇能源密度较高，因此应用于可携式电子产品的微型燃料电池多为采用甲醇的燃料电池。

因应数字宽频时代的来临，目前锂离子电池技术将无法应付未来多功能消费性电子产品的强大电力需求，因此国际上许多厂商皆看好微型燃料电池于可携式产品的应用市场。但发展至今，目前微型燃料电池应用于笔记型计算机、手机等可携式电子产品的商业化市场仍尚未成形。主要原因除因甲醇有安全性考量、燃料携带受到安规限制之外，DMFC在低甲醇cross-over薄膜技术等问题亦有待进一步突破。

目前大多数厂商采取较稳扎稳打的产品开发策略，先将燃料电池作为电池充电器，再设法将产品小型化，并朝系统整合目标迈进。例如德国Smart Fuel Cell与英国Voller Energy即采类似的经营策略，针对休闲娱乐及工业用途推出利基型DMFC发电机，为现阶段可携式燃料电池应用市场中销售最成功者。

而在甲醇燃料流通性与微型燃料电池产品安规方面，2005年10月国际民航协会已建议取消携带甲醇燃料上客机的禁令， 2006年IEC也将公布DMFC产品安全规范，预计各国政府将于2007年起陆续实施，届时直接甲醇燃料电池将可顺利导入市场，于可携式产品的应用市场规模更可望于2010年后迅速成长。

国际大厂对于微型燃料电池的应用产品皆拟定了相关的开发计划，包括日本KDDI将日立或东芝的DMFC技术应用于手机，DoCoMo亦利用富士通实验室开发的甲醇微型燃料电池应用于手机充电器，这两家厂商均计画于2007年将产品商品化。至于在笔记型计算机应用方面，Casio开发利用甲醇重组技术的PEMFC雏形机，东芝及Samsung则开发DMFC产品，目前最久已可供笔记本电脑运作10小时。此外，台湾胜光科技的DMFC技术亦针对此一应用市场。

Samsung SDI也于2006年初发表应用于可携式媒体播放器的微型燃料电池，所需的甲醇燃料盒体积仅20cm3，供应电力约1.5W，可连续播放4小时电影，比起目前锂电池的供电时间提高约一倍，该公司预计将于2008年量产此款新型DMFC。日、韩厂商凭借在电子产品发展的产业优势加上各自政府政策奖励，未来在全球微型燃料电池市场将占有举足轻重的地位，因此我们的电子及电源厂商也必须加紧开发脚步，才能掌握下一轮竞争的优势。

结语

目前成功的燃料电池应用实例有大型发电机、太空载具的能源供应器、机动车辆能源供应器等等。近来，将燃料电池微型化，并运用于可携式电子产品(例如手机、笔记本电脑与数字相机等产品)，或作为可便携式发电机，已经成为最新的应用发展趋势。更加微小的设计则可运用于需长时间放电的微传感器，或分离式通讯系统上。不论其尺寸大小与应用领域，燃料电池能源转换效率高、污染性低的优点，特别是降低大气污染及减少二氧化碳的排放，将不负其高效率绿色能源的美名。而其所具有的种种特点，也将使得燃料电池成为往后替代能源发展的主要趋势。(本文摘自《零组件》杂志)