【大纪元12月5日讯】（大纪元记者陈常鹏综合报导）近年来油价不断飙高，全球能源颇有面临枯竭之忧。另一方面石化燃料燃烧产生之废气所致之温室效应，已在全球各地屡酿巨祸。世界为达成后京都议定书时代温室气体减量的目标，科技大国纷纷寻求洁净且具经济效益的替代性能源。以氢气为燃料的燃料电池（Fuel Cell），具有零污染、高电能转换效率、低噪音及可再生性等特点，已成为为全球寄予厚望的绿色能源。继前文介绍燃料电池的历史与原理后，本文将着墨于现代工业界所研发出来的各式样燃料电池。
目前燃料电池科技已是由多种技术所组成的领域。燃料电池可依据电解质及使用温度之不同而加以各种类型。本篇先介绍四种：
◎ 质子交换隔膜燃料电池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cells)
简称为PEMFC，是目前交通运输业应用最多的燃料电池。它的电解质是固态的高分子聚合物薄膜，仅可容许质子透析过去。杜邦专利之全氟化氟碳聚合物Nafion已广为业界所采用。由于此种高分子材料须在润湿的状态下使用且耐温性有限，一般其使用温度较低，介于60~100℃之间；但改良后的新材质耐温则可达200℃。其运作原理如下图所示。
| （取材自http://americanhistory.si.edu/） |
参与反应的触媒采用在低温对氢气最有解离能力的是：铂金属。燃料以纯氢气为主；若使用甲醇、乙醇、天然气或液化石油气等燃料，则须先经过转化器(reformer)处理将氢元素萃取出来，方可使用。现有的PEM型电池输出功率约在50瓦至150仟瓦之间。
PEM型电池的能量转换效率可达50%，若将废热予以回收供作居家之保暖或加热之用，则整体效率可超过85%。
PEM型燃料电池有以下优点：(1)质轻，单位重量输出的功率高；(2)使用温度低，对附近组件的热影响小；(3)启动迅速，几分钟内可达全功率。以上的优势使此型燃料电池适合于地面车辆之应用。快速启动的特性，亦使其可搭配其它元件组成不断电系统(UPS)，作为紧急之电源供应。
目前仍有几项挑战待克服：(1) 铂质触媒作为催化剂来讲甚为昂贵，而且碰到一氧化碳时便无法发挥催化作用，故称“一氧化碳中毒(CO poisoning)”，故较不适用于易产生一氧化碳的碳氢类燃料；(2)隔膜对温度及化学不纯物质的抵抗性须再提升；(3)受限于氢体储存技术之瓶颈。目前一般行车，要求燃料可续驶480~650公里(300~400英哩)，当前的氢燃料车的储槽容量尚无法满足。(4)低温启动能力须再改进。美国能源部所设目标要求在零下20℃时，30秒钟以内发动。
◎ 直接甲醇燃料电池(Direct methanol fuel cells)
简称为DMFC，它不同于PEM之处在于使用未经转化的液态甲醇—俗称木精或工业酒精，因此燃料成本极低。其操作温度略高于PEM型，在50~120℃之谱。能量转换效率略低，约为40%。由于可小型化、供电稳定并可再填充，目前是可携式电子产品最热门的充电电池替代方案目前可替换式甲醇燃料匣的输出功率约介于1~50瓦。
其运作原理如下图所示：
| (http://www.antig.com/english/tech.html) |
阳极： CH3OH + H2O —> CO2 + 6H+ + 6e-
阴极： 3/2O2 + 6H+ + 6e- —> 3H2O
全反应：CH3OH + 3/2O2 —> CO2 + 2H2O
SFC Smart Fuel Cell AG等公司已在贩售此类电池。业者目前仍在改进隔腐蚀、燃料渗漏及小型化等问题。军用品之轻型供电装置及运输业均是未来有潜力的发展方向。
◎ 磷酸燃料电池 (Phosphoric Acid Fuel Cells)
PAFC是目前在民生消费应用经验最多的燃料电池技术。目前全球有超过200具PAFC供电系统提供医院、疗养院、旅馆、办公大楼、机场、垃圾掩埋场、废水处理厂及发电厂等所需之电力及蒸汽热能。该技术推广者UTC Fuel Cells公司近年刚创供电10亿仟瓦-小时的里程碑。
PAFC型燃料电池系使用磷酸为电解质，电极亦采用铂金属为触媒，其阴阳极发生的化学反应与PEMFC相同，但操作温度较高，介于150~200℃之间。高温使触媒对碳氢燃料转化(reformation)产生的污染物较具承受力，故PAFC型电池可使用天燃气、丙烷及垃圾沼气等碳氢燃料。
PAFC在中大型固定式发电设备之应用甚广，电转换效率可达36-42%；若采热电联产(或译汽电共生，co-generation)设置，则能量转换效率可达85%。一般PAFC单元的电输出功率介于25-250仟瓦。若数个单元串接后结合的电功率可达几百万瓦(日本一座PAFC电厂可供出1,100万瓦电力)。
◎ 碱性燃料电池 (Alkaline Fuel Cells)
碱性燃料电池(AFC)亦具有快速启动之特性，在1960年代曾经被NASA用于双子星-太阳神(Gemini-Apollo)太空计划，除供应电力外尚提供饮用水给太空人。其运作原理如下图所示：氧气在阴极与水结合形成OH基离子，氢氧基离子游向阳极与氢离子结合形成水，所释出的电子形成电流。
| （取材自http://americanhistory.si.edu/） |
AFC型电池的电解质使用氢氧化钾之水溶液，并可采用多种非贵金属质的触媒电极，但一般仍以铂为主。操作温度略高介于23~250℃。燃料须采用压缩的纯氢气，反应速率快，可产出60-70%的电能转换率。
AFC对于一氧化碳的污染极为敏感，故多应用于控制精密的太空或水下环境之作业。一般输出功率为300瓦至5仟瓦，太空梭所使用的碱性燃料电池输出功率为13仟瓦。
(待续)
参考网页
http://fuelcells.sae.org/
http://www.fuelcells.org/
http://americanhistory.si.edu/fuelcells/basics.htm
http://www.antig.com/english/tech.html
http://www.nfcrc.uci.edu/fcresources/FCexplained/index.htm
(http://www.dajiyuan.com)
