燃料电池及其关键材料发展趋势

谭小金

　　燃料电池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）起源于１８３８年Ｓｃｈｏｅｎｂｅｉｎ发现燃料电池原理，至于真正的实用化，则是追溯到上世纪六十年代，才实际应用在航天及太空上。并于上世纪八十年代起在环保、节能等全球议题下，美国、日本、加拿大、韩国及西欧各国等多达数百家公司及研究机构积极投入，开始进入民用市场的研究开发，到了上世纪末几乎每个月都有新专利产生，而目前已几乎可以说没有不可克服的技术障碍，至于在商业上，目前的主要应用课题之一是成本过高，预期未来在关键材料与组件技术不断改进及量产技术成熟后，成本将迅速下降而达到商业化之目的。

一、主要燃料电池基本特性

　　燃料电池的特点为高效率、低噪音、低污染等，其将燃料中的化学能“直接”转换成电能的作功原理，不同于一般的发电机将化学能（或辐射能）转换成热能之后，再转换成动能推动发电机产生电力等需要经过多重的能量转换，因此转换效率上限不受“卡诺循环（Ｃａｒｎｏｔ ｃｙｃｌｅ）”的限制，而可以很高。

　　燃料电池若依操作温度区分，可大分类为低温燃料电池（１６０－２２０℃）、中温燃料电池（１６０－２２０℃）及高温燃料电池（６００－１０００℃）三大种类。一般而言，燃料电池的操作温度不同，其所使用的燃料、触媒及氧化剂也不同，如右表所示。

二、关键材料及组件产品技术趋势

　　燃料电池的主要构成组件为：电极（Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）、电解质隔膜（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）与集电器（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）等。

（１）电极

　　燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与还原剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。

　　电极主要可分为两部分，其一为阳极（Ａｎｏｄｅ），另一为阴极（Ｃａｔｈｏｄｅ），厚度一般为２００－５００ｍｍ；其结构与一般电池之平板电极不同之处，在于燃料电池的电极为多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的的电极，以增加参与反应的电极表面积，而此也是燃料电池当初所以能从理论研究阶段步入实用化阶段的重要关键原因之一。

　　目前高温燃料电池之电极主要是以触媒材料制成，例如固态氧化物燃料电池（简称ＳＯＦＣ）的Ｙ２Ｏ３－ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ－ＺｒＯ２（简称ＹＳＺ）及熔融碳酸盐燃料电池（简称ＭＣＦＣ）的氧化镍电极等，而低温燃料电池则主要是由气体扩散层支撑一薄层触媒材料而构成，例如磷酸燃料电池（简称ＰＡＦＣ）与质子交换膜燃料电池（简称ＰＥＭＦＣ）的白金电极等。

（２）电解质隔膜

　　电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但亦需顾及强度，就现阶段的技术而言，其一般厚度约在数十毫米至数百毫米；至于材质，目前主要朝两个发展方向，其一是先以石棉（Ａｓｂｅｓｔｏｓ）膜、碳化硅