燃料電池 綠色能源新契機
上層分類：節能減碳故事賞
近年來石化原油價格節節攀升，連帶電價也跟著調漲，加上即將到來的夏季為用電高峰，開發再生能源的迫切性更勝於以往。為了提升能源使用的效能、降低能源生產過程所造成的汙染，燃料電池的開發（Fuel Cell, 簡稱FC）可能成為綠色能源生活的重要技術之一。
燃料電池不只是產電 更可產水
相較於目前市面上常見的鋰電池，燃料電池最大不同之處在於電池能源的取得方式。鋰電池又稱為二次電池，主要是將電力以化學能的方式儲存在電池內部，這樣的儲存方式使得鋰電池在電力供給上有一定限度，電池的電力耗盡後必須再次補充，才能繼續供電。反觀燃料電池則不同，工業技術研究院材料與化工研究所蔡麗端副組長指出：「燃料電池就像是一台小型發電機，」只要源源不絕補充燃料，便能持續不斷地供應電力。
清華大學工程與系統科學系教授曾繁根也指出，如果將鋰電池比喻為罐裝水喝完就丟的使用型態，燃料電池就是飲水製造機，也就是只要有水便能不斷生產，而在能量轉換過程中產生的垃圾，也比鋰電池減少許多。
給我氫氣 我給你電
燃料電池的主要燃料為氫氣，只要是含有氫原子的化學能源，便能作為燃料電池的能源進料。由於氫氣來源廣泛，能源進料多元化的結果，也能避免過度依賴主流能源，並降低主流能源的消耗程度。此外，氫氣是地球上最豐富的化學能源，較不會有供應不足的現象出現。
氫氣來源一般分為石化製氫與非石化製氫，石化製氫指的是由煤、石油、天然氣等石化能源中萃取出氫氣；非石化製氫則是利用太陽能等發電方式提供電力，並透過水電解反應產生氫氣。曾繁根指出，以電解水方式產生氫氣的效能較低，在其他再生能源技術尚未發展成熟之前，核能產氫具有最高的效能，是最佳的選擇。
燃料電池的運作原理非常簡單，構成燃料電池的基本元件主要有三：陰極、電極模組、與陽極。氧氣與氫氣分別由陰極與陽極進入電池內部，再各自進行氧化與還原反應，燃料電池藉由將氫氣裂化為質子的過程中產生電子，將化學能直接轉變為電能，使用過的電子則進入氧氣端與氧氣發生反應結合成水，電極模組則在其中扮演隔離兩個電極、引導氫離子進入氧氣端結合成為水的角色。
燃料電池運作原理：氫氣與氧氣分別由陽極與陰極進入電池內部，在變成離子的過程中釋放出電子、產生電力，最後只產生水排出電池外部。 （圖片來源／美國歷史博物館）
此外，燃料電池若是以純氫進行反應，除了產生所需電力外，只會有可飲用的水與少量熱能產生，轉換過程中完全不會有二氧化碳的排放，和一般傳統的火力發電方式相比乾淨許多。蔡麗端指出，家用型燃料電池能有效降低二氧化碳排放量達30多個百分比。
以氫氣作為能源的燃料電池可提供的電力瓦數非常廣泛，從數十瓦到百萬瓦級的都有，也因此拓展了燃料電池的應用範圍，大則可供給交通運輸工具的能量來源，也可作為一般家庭的電力供給，小則可當成3C產品的電力供應端。
燃料電池的種類很多，用途也很廣泛，表一主要是針對燃料電池中電解質的不同進行分類。（製表／巫秉叡）
用於3C產品的微小型燃料電池(如DMFC)為了攜帶上的方便性，使用甲醇等液態氫氣化合物作為燃料的來源，雖然在產電過程中會有微量的二氧化碳排出，但與其他型態電池使用相比，其發電後只有生成水與熱，就長遠發展看來，對環境的破壞與汙染仍是相當小的。
就電池本身的能量密度來說，一瓶50cc的甲醇燃料罐，能提供相當於兩倍鋰電池的電力，可說是相當高的能量密度。除此之外，燃料電池在發電過程中也不會產生任何噪音汙染，相較於其他發電方式通常會產生一定的噪音汙染，燃料電池發電時無須配合其他機組，因此不會有噪音問題，十分適合居家使用，目前日本已有許多家庭以燃料電池作為家庭用電的主要來源。
DMFC─微小型燃料電池的後起新秀
燃料電池有許多種類，其中所謂的直接甲醇式燃料電池（以下簡稱DMFC），是直接以甲醇作為燃料而產生電力的系統。不同於氫氣燃料電池需要進行氫氣的轉換，DMFC是直接轉換甲醇來產生電能。因為甲醇和氫氣相比，有易於攜帶與儲存的特性，因此較氫氣燃料電池方便許多，在使用上也比較安全。這樣的改變也讓DMFC的體積大大縮小，成為電子通訊產品能源來源的最佳選擇。
由於甲醇並非來自於石化能源產業，DMFC以甲醇作為主要的燃料來源，能降低石化能源的依賴程度。因為甲醇容易取得，以致又能有效降低再生能源的生產成本。再加上DMFC體積比其他燃料電池縮小許多，方便攜帶，且在操作時溫度不會太高，目前多半被當作山區電子裝備充電電源，或是做為災難發生時的緊急電源。若有重大事故發生，DMFC可能會成為災民與外界聯繫時重要的電源來源。
雖然目前DMFC在能量轉換效率上仍舊偏低，且其價格因為觸媒材料昂貴而居高不下，但蔡麗端樂觀認為，由於節能減碳環保意識提升，再加上該產品可攜帶的便利性，DMFC未來的發展潛力無窮。
DMFC緊急照明燈（左），可做為緊急事故發生時的照明來源。目前DMFC手機電池（右）的體積約為4.5mm，十分方便攜帶。（攝影／彭琬馨）
燃料電池真能節能減碳？
燃料電池到底能不能達到節能減碳的目標？這個問題可能需要從製造與使用兩個面向來回答。
「任何東西製造過程都會消耗碳，只是消耗的多寡。」曾繁根表示，太陽能板在製作過程中，如果是使用半導體製程技術是非常消耗碳的，反觀燃料電池所需要的製作過程較簡單，相較於太陽能電池節能減碳許多。
另一方面，若從使用端來看，燃料電池使用與氫有關的能量來轉換，就轉換過程本身不會有任何二氧化碳的生成，也能達到節能減碳的目的。
就能源轉換效率而言，能源轉換過程越簡單，所耗損的能源也就越少。由於燃料電池是直接將能源轉換為我們所需的電能，在過程中所消耗的能源較少，其轉換效率最多可達到30至40個百分比，而太陽能電池的轉換效率最高只有20%，仍遠低於燃料電池的30%，且其儲存過程中會再消耗已轉換能量的50%以上，相較之下，燃料電池的轉換效率比起現今其他型態電池高上許多。
不同於先前幾位專家學者的說法，清華大學低碳能源研究中心計畫主持人潘欽則抱持較悲觀的看法。他指出，燃料電池最大的問題在於氫氣的取得方式，雖然氫氣來源多樣，但「如何取得氫氣」卻是一大問題，就整體能源的轉換來說，其實是「花費更多能量來產生氫氣」。
另一方面，燃料電池的技術早上19世紀上半葉就已經開發，但是到目前為止的突破仍然有限，也說明了燃料電池技術發展的侷限。
由於目前再生能源中的太陽能，在能量轉換效率上仍舊偏低，若想仰賴太陽能作為氫氣的主要來源可以說是不可能，且能量在此轉換過程中也會有耗損過多的問題。若希望能大量產生氫氣，就只能靠核能來產氫，對此，潘欽與曾繁根抱持著類似的看法，認為核能產氫是目前最有效率的氫氣生產方式，而所謂的核能產氫並非以核能發電來產生氫氣，而是利用核能發電的高溫環境，將水轉變為氫氣。
清華大學工程與系統科學系教授曾繁根（左）說明燃料電池的運作原理，認為燃料電池在未來可能扮演重要的角色。
而清華大學工程與系統科學系教授、低碳能源研究中心計畫主持人潘欽（右）認為燃料電池的發展性並不如外界想像的如此美好。（攝影／彭琬馨）
有效運用核廢料再發電潘欽更進一步指出，以核能發電來說，其所產生的核廢料之一：鈾238，其實可以透過核子轉換技術變成鈽239，再利用核子原料以提高能源的使用效率。雖然目前礙於種種政治因素無法進行此轉換，且此技術尚未完全成熟，潘欽仍樂觀地認為，相較與燃料電池，核能是較有效的發電方式，以核廢料能再利用的觀點來看，可能還可以變成台灣的自產能源。
氫氣來源是問題 望太陽能解套燃料電池目前在技術上仍然有若干急需解決的問題，包括燃料的取得儲存與運輸、電池內部反應所需的觸媒與質子交換膜成本過高、如何提升電池燃料的使用效率、並降低燃料電池的生產成本，都是迫切需要解決的難題。
然而，學者專家們對於如何有效降低觸媒(白金)成本已有一定程度的解決方案，如降低白金的使用量，或者是使用其他催化劑作為白金觸媒材料的替代品。反倒是氫氣的生產問題較大，正如潘欽所提到的，如何透過再生能源有效的生產氫氣以供燃料電池使用，將會是燃料電池首要面對的課題，若未來太陽能產氫的轉換效率能提高到40%以上，便多少能解決燃料電池的能源來源問題。
另一方面，目前氫氣在儲存與運輸上仍有一定程度的困難性，不是在儲存過程中消耗太多能源、儲存的效率不夠高，便是在運輸上與分配上有一定的安全與方便性等顧慮，因此，這也是未來技術發展的重心之一。不管怎麼節省的使用能源，地球上的能源仍舊有限，因此，若以永續發展為前提，未來能源使用原則應朝向更有效率的使用、排放更少的垃圾，並能循環使用能源為目標來發展。在這個基礎上，曾繁根認為，若能配合其他再生能源系統技術(如：太陽能)的發展，燃料電池是潔淨能源中非常重要的一環，確實可以在節能減碳上發揮非常大的功效。
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