【大纪元12月4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，已成为全球寄予厚望的绿色能源。本文先介绍燃料电池的历史，并剖析其基本原理。
自汽车问世以来，各国政府对于废气排放管制虽越趋严格，但温室气体已引发全球暖化造成的洪灾及严寒酷暑。据联合国环境规划署表示，未来10年内全球在攸关气候变迁、清洁能源等须投资达数兆美元。再者，预期石油短缺每下愈况，汽车业界与各国政府于过去10年间，已投下数百亿美元，育成洁净又能致动车辆的能源技术，氢燃料电动机已成为取代低效高污染性的内燃机引擎的首选。
燃料电池（Fuel Cell）其实并非电池，或许称为“燃料发电元”更为贴切。燃料电池组是一种直接将燃料通过电化学作而产生燃烧反应并输出低电压直流电的元件所组成的装置。相对于其他化学电池来说，燃料电池其实是一种发电装置。燃料电池别于一般电池之处在于，它所参与电极反应的活性物质并不贮存在电池内部，而是全部由电池外部提供。它的出现彻底改变了电池不能连续工作的局限，只要不间断的输入反应物，它就可以不停地工作。
燃料电池还具有直接汲取化学能的优势，主要的燃料以氢气为主，氢与氧透过电化学反应发生氧化作用并输出电能与热量，但热量远低于石油气之燃烧作用，故有“冷燃浇”之说法。此种化学能转换为电动能的过程，节省了转换为机械能所须浪费的能量损失，故展现出比内燃机顶多30%更高的能量转换效率。此外，所生之废热若再经回收利用，更可达到高达85%的总体能量利用率，可望成为最具经济效益的能源。
燃料电池的发展史
早在1839年有燃料电池之父之称的威廉-葛洛夫爵士(Sir William Grove)便已发现将水的电解反应作逆向操作可产生电能的现象。
但由于自然界中并不没有富丰的氢气体，故直到1889年蓝吉尔(Charles Langer)与蒙德(Ludwig Mond)两位研究者仍尝试使用煤气与空气制作第一具实用的燃料电池，当时也才定下了“Fuel Cell”这一名词，但均未获得成功。
1866年，西门子(Werner von Siemen)先生发现了机-电效应，揭开了燃油发电机的发展，并使燃料电池技术黯然失色。1900年代初期虽然有后继的努力尝试将煤及碳转变成电力，但内燃引擎的发明突然压抑了这个刚萌芽的科技。
贝肯(Francis Bacon)后于1932年发展出堪称世界第一具成功的燃料电池装置，该电池采用氢气与氧气为反应物、碱性溶液电解质及镍金属电极，该设计的突破在于其制作成本远低于蓝吉尔与蒙德当初的设计。
在克服了大量的技术问题后，1959年贝肯及其公司才成功地展示出第一具输出功率达5仟瓦的实用级燃料电池系统。同年伊律格(Harry Karl Ihrig)也展示出知名的燃料电池驱动的20马力牵引车。
在1950年代末期，NASA又重新炒热了燃料电池的应用，开始建造袖珍型的发电机以用于太空任务中。NASA随即资助了数以百计有关燃料电池科技的研究合同。在1960年代几次的太空任务中，燃料电池用于驱动登月探险车及供应太空人饮用水，均证明了它的实用性。
近几十年来燃料电池的发展，在全球环保意识的推动下已朝向作为替代性能源发展。大至大型的固定式发电机组、发电厂；小至可携式电子产品的电源供应件等，皆有各式各样的燃料电池选择。燃料电池车辆(fuel cell vehicles, FCV)，更是各大汽车制造商所致力研发的未来绿色主流交通工具。
燃料电池的原理
燃料电池采用的是“冷燃烧”过程，为直接式能量转换器，将燃料(氢及碳氢化合物等)的化学能转化为电与热。单一发电元的构造如下图所示。
| 燃料电池的结构及运作原理示意图。（取材自http://americanhistory.si.edu/） |
单一发电元含有阴阳两个电极(分别为正、负二极)，化学反应即是在此二极表面发生。所有的燃料电池都须有一种电解质，将带电的粒子从一个电极输送至另一电极。电极中还须有催化剂(catalyst)，负责加速氧化还原反应的进行。
现代的燃料电池依电解质或燃料之别已可区分成八、九种之多。但一般的运作原理是，将氢气经由管路送达阳极，并在阳极发生氢原子解离成一个质子(即带正电之氢离子)与一个电子的反应。带负电的电子在电动势的驱使下流向阴极，遂形成供电回路产生可作功的直流电流；质子则经由电解质流向阴极。
空气中约21%的氧气可提供作为燃料电池所需的氧化剂。氧亦经由管道输送至阴极。如上图所示的电池类型，其氧原子会在阴极与电子及质子化合形成水。
阳极 H2 —–> 2H+ + 2e–
阴极 2H+ + 2e–+1/2O2 —–> H2O
全反应 H2 + 1/2O2 —–> H2O
另外，某些另类电解质的电池类型则是，氧原子在阴极与电子结合形成氧离子或与水及电子结合形成氢氧离子，再经由电解质游向阳极与质子结合产生水。例如，
阴极 1/2O2 + H2O + e– —-> 2OH–
阳极 H2 + 2OH– —-> 2H2O + e–
全反应 1/2O2 + H2 —> H2O
氢元素虽是基本的燃料来源，但没有氧气发电机制亦无法运作。绝大部分的氢与氧化合后的产物是水— 一种无害的副产物，这就是燃料电池既能发电又不会造成污染的优势之处。
电解质对于燃料电池而言，亦扮演关键角色。它必须具有只能让特定的离子通过的特性。如果自由电子或其它物质可随意进入电解质中，则化学反应便会被破坏。不论带电荷的离子是游向阳极或阴极来进行反应，主要的产物都是水，水将在电极处收集后排出电池体外。
只要发电元不断地被供给氢及氧元素，该发电元便会持续产出电能。现代用电需要交流电时，燃料电池的直流电源可经变频器(inverter)再转换成交流电。数个发电元串联在一起，便形成电池组，使输出电压及功率倍增。数个电池组串接，便可形成发电系统，乃至功率高达百万瓦(MW)的固定式发电厂。
氢气知识
燃料电池所需利用的氢，是我们宇宙中最简单、最丰富的元素。它具有一个电子围绕一个质子的组态，可惜在地球不是以气态出现，总是以结合其它元素的化合物形式存于自然界中。它几乎可由任何含氢的化合物中萃取出来，是最终的洁净能源的载体。一份的氢气所含的能量为同等份量汽油的3倍之多。
如同所有的燃料一样，氢气也有安全顾虑。
◎ 由于氢气内藏高量化学能，有爆炸的危险。如同现今的石油及天燃气一般，必须有适当的安全操作程序，但并不意味危险性较高，只是安全的重点有所不同而已。
◎ 如“都市气体(天燃气，town gas)”等民生常用的燃料亦属以氢基燃料，目前仍在世界各地使用。
◎ 氢气的制造、运输及使用在现今工业环境中，可谓成熟，已具备完善的安全作业标准。美国每年在公路上运送的液化氢气量可达7000万加仑，未曾肇出重大灾害。
◎ 石化业、炼钢业长久以来使用氢气，利用数百英哩的管路输送氢气亦已具备相当的安全性。
氢燃料的取得方式亦呈现多样化。
◎ 传统式：来自天燃气、汽油、柴油及丙烷等。
◎ 再生性及替代性来源：甲醇、乙醇、垃圾掩场沼气、生物分解气体及甲烷等。
◎ 水中萃取：水经电解作用可得氢气，电解所需电能多利用太阳能及风力等自然能源。
◎ 创新型：硼氢化钠水解制氢、海藻及花生壳中萃取等。
乐观预期下，氢气以其多样化资源的特性可望在2040年前实现每日节省1,100万桶石油的目标。
氢气索价不斐？
美国能源部的“氢燃料电池及其基础建设计划(Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program)”中已定下以下目标：
◎ 2005年以前建立相当于1加仑汽油当量的氢气值美金3元的技术。
◎ 2008年前验证上述技术。
◎ 2010年技术精进至每加仑汽油当量之氢气仅值美金1.5元。
近年来汽油价格屡创新高，最高油价亦在美金3元左右。即使FCV车辆若真能使用到每加仑汽油当量3块美金的氢气时，也会为消费者省下大把的钞票；因为氢燃料车辆的效率仍高于汽车内燃机引擎的效率，1汽油当量的氢气所跑的里程可超过汽车的一倍以上！
如果上列目标皆实现，氢燃料车辆可望达到每加仑汽油当量仅花费1美元的愿景。
(待续)
参考网页
http://fuelcells.sae.org/
http://www.fuelcells.org/
http://americanhistory.si.edu/fuelcells/basics.htm
http://www.nsc.gov.tw/dept/acro/version01/battery/electric/types/fuel.htm
(http://www.dajiyuan.com)
