燃料電池與傳統電池的差異

傳統電池直接使用化學反應產生能量（電子），優點是能量轉換效率很高（80% 以上），但是充電需要比較長的時間；而使用燃料以內燃機進行燃燒反應產生能量，優點是可以直接補充燃料，但是使用內燃機的能量轉換效率很低（20% 以下 ），科學家開始思考，有沒有一種方法同時具有「電池」與「燃料」的優點呢？於是燃料電池從此誕生了。

燃料電池和傳統電池的原理相同，都是將活性物質的化學能轉換成電能，但是傳統電池的電極本身是活性物質，會參與化學反應；而燃料電池的電極本身只是儲存容器而已，並不會參與化學反應，必須將活性物質加入電池內（就好像我們的汽車補充燃料一樣 ），才能產生化學反應形成電能，是一種要補充燃料的電池，故稱為「燃料電池（Fuel cell）」。」

燃料電池的原理

燃料電池的原理很簡單，陽極（負極）通入氫氣或其他含有氫原子的燃料（例如：甲醇），經過金屬觸媒催化產生電子與氫離子（H＋），電子流入元件可以推動電子元件工作，也就是我們所稱的電能，如＜圖一（a）＞所示；氫離子則流入電解液或質子交換膜，如＜圖一（b）＞所示。

陰極（正極）通入氧化劑（例如：氧氣），經過金屬觸媒催化吸收電子形成氫氧離子（OH－），氫氧離子流入電解質或質子交換膜，如 ＜ 圖一（c）＞ 所示；最後氫離子（H+）與氫氧離子（OH－）結合形成水（H2O），如＜圖一（d）＞所示。電解質主要的功能是用來傳導氫離子或氫氧離子，通常都是強酸或強鹼。

其實要使用氫氣與氧氣產生能量，最簡單的方法就是燃燒，可是燃燒必須使用內燃機，前面介紹過內燃機的能量轉換效率低於 20 %，而燃料電池直接使用氫氣與氧氣進行化學反應，理論上可以將能量轉換效率提高到 80% 以上，顯然燃料電池同時具有「 電池 」高能量轉換效率與「燃料」可以快速補充的優點。

圖一　燃料電池的原理與構造

燃料電池的燃料

➤直接使用氫氣做為燃料：

如果陽極通入氫氣做為燃料，則可以直接流入陽極，經過金屬觸媒催化產生電子與氫離子，並且和陰極流入的氫氧離子結合形成水。

➤使用含有氫原子的化合物做為燃料：

使用含有氫原子的化合物做為燃料來產生氫氣，例如：甲烷（CH4）、甲醇（CH3OH），甚至汽油（己、庚、辛、壬烷的混合物）、生質酒精、沼氣等，都可以經由金屬觸媒引發「改質反應（Reforming reaction）」產生氫氣，再流入陽極，經過金屬觸媒催化產生電子與氫離子，並且和陰極流入的氫氧離子結合形成水。

可惜的是，觸媒的改質反應通常只能將少量的甲醇或甲烷轉換成氫氣（通常低於 10% ），其餘大部分都是轉換成二氧化碳或一氧化碳，所以轉換效率很低。

【重要觀念】

➤觸媒（Catalyst）：是指可以引發化學反應的固體，通常是貴重金屬固體，它可以使原本不會產生的化學反應發生，也可以加快化學反應速率，而且反應前後觸媒本身並不會改變。

【請注意】

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