燃料電池近期發展
曾重仁 特聘教授
國立中央大學
「燃料電池」為將化學能轉為電能之發電裝置，其利用氫氣和空氣(氧氣)於陽極及陰極進行反應產生電力，其工作原理如圖1所示。於1972年石油危機之後，世界各國投入再生能源的開發，燃料電池也受到高度重視，主要是因為燃料電池所排放之副產物為純水，不會對環境造成汙染，另外燃料電池發電效率遠高於傳統的蒸氣發電廠(效率約40 %)及內燃機(效率約25 %)。
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圖1 燃料電池的結構及運作示意圖。
燃料電池包含陰、陽極及電解質。氫氣和氧氣分別從陽極和陰極進入燃料電池內，氫氣在陽極端會分解為質子(H+)與電子(e-)，質子(H+)經由電解質傳至陰極，電子(e-)則經由外部迴路到達陰極，進而產生電流。
燃料電池化學反應式如下：
陽極半反應：H2 → 2 H+ ＋ 2 e- (1)
陰極半反應：O2 ＋ 4 H+ ＋ 4 e- → 2 H2O (2)
全反應：H2 ＋ 1/2O2 → H2O (3)
燃料電池為氫能經濟之主要開發重點之一，根據國際燃料電池產業統計 (The Fuel Cell Industry Review, E4Tech)，2017年燃料電池銷售數量達670 MW，較2016年的516 MW及2015年的298 MW皆大幅成長。若依應用狀況可分為定置型、移動型及可攜式等三類，而在這三類領域中，2014年以前燃料電池以產業用(大至中型)或家用(小型)發電機等定置型產品為主要應用市場，全球裝置量之比例一直維持70%以上。而自2015年起，移動型燃料電池成長速度極快，至2016年移動型燃料電池占比已高於其他兩種型態之燃料電池，約占整體燃料電池銷售量的59 %，規模達307 MW；其次為定置型，約占41 %；而攜帶型占比為最低，約0.1%；主要成長為各國燃料電池載具蓬勃商業化，除燃料電池汽車、巴士等交通工具陸續問世，原有堆高機市場也大幅增加。燃料電池產品將由利基市場進入主流市場，Toyota、Honda、韓國現代成功於2015年量產燃料電池汽車。美國的Bloom Energy所生產的SOFC系統，有5 成以上元件由台灣供應，2012年台灣已有數十億的外銷產值。而於2017年燃料電池銷售產值已高達250億元[1]，每年有3 ~ 6 成的市場成長空間。在數種燃料電池中最具未來前景的有二：較低溫的質子交換膜燃料電池(PEMFC)與較高溫的固態氧化物燃料電池(SOFC)。PEMFC因為操作溫度低，主要可應用於可移動型的裝置，如燃料電池車、堆高機及公車等行動載具；SOFC主要可應用於大型定置發電系統中，在未來更有機會應用於分散性電力供應系統，如社區、住宅、大樓、醫院等。這兩種燃料電池國內皆有產、學、研界資源投入，但比起歐美日等先進國家，台灣投入之資源仍大幅不足。
氫能與燃料電池近兩年在中國大陸大力投入後已產生實質變化，帶動日本、加拿大、英國、與歐陸多國更積極投入，未來五年至十年間將可看到相關產品之成本下降所帶動之產業起飛效應。過去十餘年深耕國內之廠商因近年政府資源投入較少，且看不到政府發展之決心，在中國大陸公私部門積極投入發展後，有多家廠商已被磁吸前往，台灣培養之技術與人才廣泛被中國大陸使用後，將成為未來台灣之競爭對手，重蹈其他產業之歷史，非常可惜。國內應積極與先進重點研究機構建立長期合作關係、提升國內廠商系統建置的技術、參與國際研發聯盟、建立符合台灣廠商之標準規範與建置安全之氫能環境，以鏈結國際氫能經濟市場。
參考文獻
