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經過 170 年的發展, 人類開發出的燃料電池已經有很多種, 其中依照燃料電池所使用的電解質, 我們可以將燃料電池區分為: 

PEMFC質子交換膜燃料電池, 以質子交換膜作為電解質;

lPAFC磷酸燃料電池, 電解質採用由碳化矽和聚四氟乙烯作成的微孔隔膜, 浸泡濃鹽酸製成;

lMCFC熔融碳酸鹽燃料電池, 和其他燃料電池最大不同點是, 他的發電過程中在陽極區氫氣會被氧化產生二氧化碳, 而在陰極區則會消耗二氧化碳, 而他的電解質是熔融的碳酸鹽.; 

lSOFC固體氧化物燃料電池, 採用一種主成分為氧化鋯, 同時含有少量的氧化鈣與氧化釔的固態離子傳導陶瓷作為固體電解質; 由於SOFC可以適用多種燃料, 包括甲烷, 天然氣, 煤氣, 甲醇與氫, 同時也不必使用昂貴的貴金屬白金作為電池之催化劑, 成本較低, 所以SOFC固體氧化物燃料電池, 被認為是最具發展前途的燃料電池!  

不過因為SOFC的操作溫度最高可達1000℃, 所以, 如何有效降低他的工作溫度, 就是燃料電池汽車動力系統研發工程師, 目前必須克服的挑戰!  

如果以操作溫度來區分, 質子交換膜燃料電池、鹼性燃料電池、直接甲醇燃料電池與磷酸燃料電池都屬於低溫型, 操作溫度在攝氏 60 ~ 220 度之間; 而熔融碳酸鹽燃料電池與固體氧化物燃料電池則是中高溫型, 操作溫度在攝氏 400 ~ 1,000 度之間.

另外, 我們還可按照燃料電池使用的原料來區分. 例如:

l  使用甲醇為直接燃料的直接甲醇燃料電池( DMFC ), 他的工作原理和質子交換膜燃料電池類似, 是目前小型燃料電池發展的主流, 例如手機電池; 

l  以及直接碳燃料電池, 他是人類有關能源技術最古老的夢想之一! 能源科學家期盼能夠不必經過燃燒, 就能將粗煤直接經由化學轉換, 產生電能. 他的主要組成包括一支裝有粉狀碳燃料的多孔鎳棒, 和作為電解質的熔融的碳酸鹽. 

l  另外, 還有生物燃料電池, 他是以”酶”或微生物組織作為生化催化劑, 將人體內的葡萄糖與氧發生反應, 產生電能; 這類電池可以小型化後, 直接植入人體, 跟蹤監測糖尿病人的血糖生理狀況, 或者有機會作為人造心臟的動力來源;  

在應用方面, 燃料電池可以依照電力的需求, 把單電池串聯成各種不同功率的電池組! 大至數百千瓦的發電設備, 不但可以成為發電廠的另一種選擇外; 中型的燃料電池則可以被安置在家庭, 餐廳或飯店等…場所, 成為分散式電網的發電工作站之一, 同時還可以提供飲用水, 熱水與室內加熱;  另外, 也可以裝置在汽車上作為汽車電力來源; 當然也還可以小型化作為手機, Notebook電池等…潛力無窮. 

在各種燃料電池中, 質子交換膜燃料電池PEMFC具有反應溫度低、能量密度高、啟動快速、安全性高等優點; 因此目前被安裝在汽車上使用的, 主要還是以氫氣為直接燃料的PEMFC為首選; 其工作原理簡要來說： 

1.          氫氣從儲氣裝置流出, 通過導氣板到達陽極, 在陽極催化劑( 大部分是白金 )的作用下, 氫分子被解離爲帶正電的氫離子, 並釋放出帶負電的電子 

2.          氫離子穿過電解質（ 質子交換膜 ）到達陰極; 而帶負電的電子, 則通過外電路, 形成電流, 輸出電能給汽車驅動馬達, 最後回到陰極. 

3.          在電池另一端, 氧氣（ 一般是空氣或是純氧 ）通過導氣板到達陰極, 在陰極催化劑( 大部分是白金 ) 的作用下, 氧與氫離子及電子發生反應生成水與熱; 這樣就形成質子交換膜燃料電池的運轉迴路 

4.          如果要增高電壓, 就多疊幾個單一燃料電池元件, 集結成電池組即可. 

回顧質子交換膜燃料電池PEMFC的發展史, 我們知道美國通用電氣General Electric Inc. GE）在1960年代, 發明了第一台的質子交換膜燃料電池; 1965年GE公司爲美國太空總署Gemini太空船, 配備了1kW的PEMFC作爲輔助電源, 同時電池反應産物”純水”還可以提供太空人員飲用.  

當時GE的PEMFC仍存在著一些問題：功率密度較低, 電池可使用壽命僅500小時左右. 隨後美國杜邦（Du Pont）公司研製出含氟的磺酸型質子交換膜, 即Nafion系列, 使PEMFC的可使用壽命達57,000小時.  

1984年, 加拿大國防部資助的巴拉德動力系統公司（ Ballard Power System ）開始研究用空氣代替純氧作為氧化劑的PEMFC, 同時於1987年採用美國Dow化學公司研製的新型聚合物膜, 開發出電流密度可達4.3A / cm2, 性能更高的PEMFC系統. 80年代末期, 美國電力研究所（ EPRI ）曾爲美國軍隊製造了兩台手提氫氧PEMFC發電機;  1996年巴拉德與德國西門子分別完成以PEMFC爲動力的潛艇; 這一系列的軍備研發, 使得質子交換膜燃料電池技術日趨成熟. 

1990年代初, 人們逐漸將質子交換膜燃料電池技術運用在電動汽車上; 1994年戴姆勒—克萊斯勒開了先河, 推出了救護車大小的兩人坐箱型車Necar1, 當時的氫燃料電池和氫氣儲存裝備等發電系統, 重達800公斤, 塞滿了整個車廂;. 到了2001年, 戴姆勒—克萊斯勒已經成功的將Necar系列的燃料電池系統小型化, 同時放在車的隱蔽部分, 使的Necar的車型, 已經完全和汽油小轎車一樣寬敞. 

另外, 戴姆勒-克萊斯勒也在1997年與2000年分別嘗試推出, 安裝了甲醇重整器的燃料電池車; 該車的概念在於並不需要儲氫罐, 而是以甲醇桶來替代, 並且在車上直接使用甲醇重整器來產製氫氣, 供給PEMFC燃料電池來使用..其中, 2000年戴姆勒-克萊斯勒的Necar5, 還從美國加州三藩市出發, 以15天的時間, 橫穿美國到達華盛頓, 全程5203公里; 該車最高車速為150公里, 每加添一次甲醇, Necar5可以行駛650公里.  

2005年, 戴姆勒克萊斯勒公司組成了60輛最新型的F-Cell系列氫燃料電池汽車的測試車隊, 奔馳在德國萊朋（Nabern）的路上; 測試的目的, 在使汽車製造商能夠瞭解, F-Cell在各類駕駛條件下, 實際展現的效能, 作為實際量產上路前的改進參考憑藉.  

另外, 日本本田汽車計畫組成20輛最新款的FCX測試車隊, 另外30輛的福特汽車FCV燃料電池動力車也將不落人後, 開始測試. 在公車方面, 戴姆勒克萊斯勒公司的30輛燃料電池巴士, 早已穿梭在歐洲, 中國北京與澳洲城市的街頭, 另外, 通用汽車計畫2006年在美國紐約市都會區提供13輛評估用的燃料電池車. 

在2005年秋季閉幕的日本愛知世界博覽會上, 8輛燃料電池公共汽車在會場之間來回穿梭. 同時日本政府為了促進氫能實用化和普及, 已開始在全國各地陸續建造“加氫站”, 同時也有近百輛燃料電池車已經取得牌照上路; 日本政府計劃到2030年, 燃料電池車可以發展到1500萬輛.  

到目前為止, 日本燃料電池的技術開發以及氫的製造、運輸、儲藏技術已基本成熟, 燃料電池車的可靠性已經不成為量產的障礙. 燃料電池的耐用性方面, 已經達到5年/ 10萬公里的水準, 而且這方面的技術表現, 還正在穩步提高. 

現在, 真正必須要突破的技術障礙主要在成本削減和提高續航能力兩方面的問題; 換句話說, 也就是提高燃料箱的儲氫能力的技術開發, 以及低成本燃料電池技術的開發和整體汽車的設計與材料技術的創新. 

在氫燃料儲存方面, 目前大部分車廠都採取氣態壓縮高壓儲氫的方式, 將氫氣儲存在特製鋼瓶, 或者是能耐更高壓力的儲氫罐 ( 內層是鋁合金, 外層是碳纖維 ); 有小部分的車廠, 例如BMW採用液態氫, 氫在攝氏( -253～ -259 )度範圍內, 呈現液態; 液氫比氣氫的好處在於單位容積儲存的氫氣的量比較大, 能夠提供汽車更長時間的繼續行駛所需的電能.  

但是液氫的明顯缺點, 包括了價格昂貴, 使用時必須加熱, 啟動需要較久時間, 還有更難解決的是, 當長期置放, 保存液氫沒有使用時, 很難避免熱散失, 因而總會有部分液氫轉化成為氣體, 使得儲存罐壓力增大! 當壓力增加到一定值的時候, 就必須啟動安全閥, 將氫氣排出, 造成液氫的揮發損失, 目前這部分的損失在百分之一到二左右. 對於作為通勤使用的汽車來說, 這樣的耗損率可能無法讓消費者接受. .  

除了高壓儲氫罐可用來儲存氫氣之外, 事實上還有許多方法可以用來儲存氣, 包括:鎂, 鈦與鋰等金屬氫化物, 可以用來吸藏氫氣; 另外也可以透過奈米碳管的超小孔徑的奈米級微孔的毛細作用, 來吸附氫氣儲氫. 至於有機化合物儲氫技術, 則是借助烯烴, 炔烴和芳香烴等儲氫劑來實現加氫和脫氫反應. 還有冰籠儲氫, 有點像可燃冰( 甲烷水何物 )使用高壓和低溫, 就能將氫封入冰籠內. 

目前, 全球各汽車公司, 都在設法研發採用高壓儲氫罐和其他貯氫材料相結合的新燃料罐! 日本豐田汽車, 成功的將儲氫罐的壓力由35MPa提高至70Mpa, 同時整合了70MPa高壓儲氫罐與貯氫合金, 完成了可以使用在燃料汽車上的新式儲氫罐;  

該儲氫罐每次加氣, 可攜帶多達7.3公斤的氫氣燃料, 幾乎加倍了氫燃料電池汽車的續航時間. 但是, 由於貯氫合金很重, 所以導致新燃料罐重量達到了400kg, 仍是需要進一步克服的問題. 另外燃料罐的碳纖維強化樹脂的價格較高, 為了降低材料單價, 豐田也計劃改進材料置換方法及生產方法. 

另外, 在降低燃料電池車的成本方面, 可以有幾方面的做法:  

縮小燃料電池組尺寸: 目前燃料電池組的小型化工程, 正在穩步提升; 例如採用不鏽鋼金屬隔板, 代替傳統的石墨隔板, 就可以減小電池組的尺寸. 燃料電池的典型結構就是將小電池單元給層層疊起來, 而隔板就是被夾在各電池單元中間, 負責隔離燃料氣體及空氣; 除此之外, 還具有密封各電池單元的功能, 也可形成氣體流路, 輸送燃料氣體及空氣. 他的材料特性必須具有電動性、耐腐蝕性及熱傳導性等, 要求相當嚴格. 

例如, 日本本田開發的燃料電池組“Honda FC STACK”, 以及戴姆勒·克萊斯勒的F600 HYGENIUS燃料電池概念車都採取, 透過衝壓成形製程, 來形成波狀流路的不鏽鋼隔板, 來達到縮小體積, 降低生產成本的目標. 其中, F600 HYGENIUS採用4個由100個小單一燃料電池元件重疊而成的電池組, 由於不銹鋼隔板的厚度非常薄, 每一個只有0.15mm, 組成後的單一燃料電池元件厚度也只有1mm左右; 如此一來, 便將整個燃料電池組的體積縮小了百分之四十. 

降低燃料電池組的白金Pt用量: 在質子交換膜燃料電池PEMFC中, 白金被當作催化劑來加速化學反應; 由於白金非常昂貴, 所以目前汽車燃料電池的製造總成本, 白金就佔了百分之四十. 經過各方的努力, 白金的使用量已經從多年前的1mg / cm2, 減到2004年的0.7mg / cm2; 目前在實驗室中更進一步的已經降至0.5mg / cm2;  

而加拿大巴拉德動力系統公司（Ballard Power Systems）為戴姆勒克萊斯勒及福特汽車的燃料電池車, 開發的燃料電池組相關開發藍圖, 規劃到了2010年, 能將燃料電池的白金催化劑使用量, 進一步降至0.3mg / cm2. 另外, 日本住友3M則在2006年1月25～27日的第2屆國際氫燃料電池展中, 發表納米結構薄膜（NSTF）, 能夠有效的將正負極合計白金使用量降至0.12mg/cm2.