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目前燃料電池依照電解質的不同,可分為鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell ;簡稱AFC)、質子交換膜燃料電池或固體高分子型燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell;簡稱PEMFC或PEFC)、磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell;簡稱 PAFC)、溶融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell;簡稱MCFC)及固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell;簡稱SOFC)等五種。

鹼性燃料電池(AFC),一般被運用於人工衛星上,操作時所需溫度並不高,轉換效率好,可使用之觸媒種類多價格又便宜,例如銀、鎳等,但是在最近各國燃料電池開發競賽中,卻無法成為主要開發對象,其原因在於電解質必須是液態,燃料也必須是高純度的氫才可以。此外,鹼性燃料電池的電解質,易與空氣中的二氧化碳結合形成氫氧化鉀,影響電解質的品質,導致發電性能衰退。

質子交換膜燃料電池(PEFC),其電解質為離子交換膜,薄膜的表面塗有可以加速反應之觸媒(大部分為白金),薄膜兩側分別供應氫氣及氧氣,氫原子被分解為兩個質子及兩個電子,質子被氧吸引,再和經由外電路到達此處之電子形成水分子,因此此燃料電池的唯一液體是水,腐蝕問題相當小,同時其操作溫度介於80至100℃之間,安全上之顧慮較低。然而,觸媒白金價格昂貴,若減少其使用量,操作溫度勢必會提升。再者,白金容易與一氧化碳反應而發生中毒現象,因此比較不適合用在大型發電廠,而適合做為汽車動力來源。

磷酸型燃料電池(PAFC),因其使用之電解質為100﹪濃度之磷酸而得名。操作溫度大約為150到220℃之間,因溫度高所以廢熱可回收再利用。其觸媒與前述之質子交換膜燃料電池一樣,同為白金,因此也同樣面臨白金價格昂貴之問題。到目前為止該燃料電池大都運用在大型發電機組上,而且已商業化生產,技術較不成問題,惟未能迅速普及,成本居高不下就是主要關鍵。

溶融碳酸鹽燃料電池(MCFC),其電解質為碳酸鋰或碳酸鉀等鹼性碳酸鹽。在電極方面,無論是燃料電極或空氣電極,都使用具透氣性之多孔質的鎳。操作溫度約為600至700℃,因溫度相當高,致使在常溫下呈現白色固體狀的碳酸鹽溶解為透明液體,而發揮電解質之功用。由此可見此類型燃料電池,並不需要貴金屬當觸媒。因為操作溫度高,廢熱可回收再使用,其發電效率高者可達75到80﹪,非常適合於中央集中型發電廠。

固態氧化物燃料電池(SOFC),其電解質為氧化鋯,因含有少量的氧化鈣與氧化釔,穩定度較高,不需要觸媒。一般而言,此種燃料電池之操作溫度約為1000℃,廢熱可回收再利用,因此大都使用於中規模發電機組。
各種燃料電池的種類與特性

電池種類 磷 酸
(PAFC)

熔融碳酸鹽(MCFC)

固態氧化物
(SOFC)

鹼 性
(AFC)

質子交換膜
(PEFC)

電解質

H3PO4

Li2CO3-K2CO3

ZrO2

KOH

含氟質子交換膜

陽極

C(含Pt)

Ni(含Cr,Al)

金屬(Ni,Zr)

C(含Pt)

C(含Pt)

陰極

C(含Pt)

NiO

金屬氧化物如LaMnO4

C(含觸煤)

C(含Pt)、鉑黑

流動離子

H+

CO32-

O2-

OH-

H+

操作溫度

180~200

~650

~1000

室溫~100

室溫~80

操作壓力

<120psia

<120psia

常壓

<60psia

<30psia

可用燃料

天然氣、
甲醇、輕油

天然氣、甲醇
、石油、煤碳

天然氣、甲醇、石油、煤碳

精煉氫氣、
電解副產氫氣

天然氣、甲醇、
汽油

池體材料

石墨

鎳、不鏽鋼

陶瓷

合成樹脂

石墨

特 性

1. 進氣中CO會導致觸媒中毒
2. 廢熱可予利用
1. 不受進氣CO影響
2. 反應時需循環使用CO2
3. 廢熱可利用
1. 不受進氣CO影響
2. 高溫反應,不需依賴觸煤的特殊作用
3. 廢熱可利用
1. 需使用高純度氫氣做為燃料
2. 低腐蝕性及低溫較易選擇材料
1. 功率密度高,體積小,重量輕
2. 低腐蝕性及低溫,較易選擇材料

優 點

1. 對CO2不敏感
1. 可用空氣作氧化劑
2. 可用天然氣或甲烷 作燃料
1. 可用空氣作氧化劑
2. 可用天然氣或甲烷作燃料
1. 啟動快
2. 室溫常壓下工作
1. 壽命長
2. 可用空氣作氧化劑
3. 室溫工作
4. 功率大
5. 啟動迅速
6. 輸出功率可隨意調整

缺 點

1. 對CO敏感
2. 工作溫度高
3. 成本高
4. 低于峰值功率輸出時性能下降

工作溫度較高

 

工作溫度過高

1. 需以純氧作氧化劑
2. 成本高

1. 對CO非常敏感
2. 反應物需要加濕

電池內重組可能性

可能

非常可能

非常可能

不可能

不可能

系統效率

40%

50%

50%

40%

40%

用 途

汽電共生
分散型發電
離島地區發電
移動式電源
運輸工具之電源
汽電共生
分散型發電
取代大規模火力發電


汽電共生
分散型發電
取代中規模火力發電

 

太空船
潛水艇

 

小型發電機組
分散型發電
移動式電源
運輸工具之電源

資料來源:
1.鄭耀宗等著,現場型磷酸燃料應用於大用戶之可行性研究,1995年。
2.Fuel Cell Handbook,fifth edition ,2000年。
3.左峻德,燃料電池之特性與運用,2001年。

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