能源耗竭的救星—氫氧燃料電池

能源耗竭的救星—氫氧燃料電池
國立臺灣大學環境工程研究所 劉瑀萱

由於近年來油價的飆漲，全球能源頗具有面臨枯竭的隱憂。另一方面，石化燃料燃燒後所排放的廢氣，更是導致溫室效應的一大元兇。《京都議定書》訂定溫室氣體減量的目標，許多已開發國家更致力於發展替代性能源。以氫氧為燃料的燃料電池，具有零汙染、高電能轉換率、低噪音以及可再生性等特點，已成為全球寄望的綠色能源。接著本文開始介紹氫氧燃料電池的原理及其應用。

相信大家在國中時都曾學過水的電解反應，水於陽極處發生氧化反應產生氧氣，於陰極的地方發生還原反應生成氫氣，利用提供的電能產生化學能，反應式如下：

$$\mathrm{2H_2O\rightarrow 2H_2+O_2,~~~\Delta V=1.23(V)}$$

氫氧燃料電池即為水之電解的逆反應，透過氧化還原反應將燃料中的化學能轉換為電能，透過燃料也就是氫氣，於發電過程中利用不斷供應的氧氣與燃料穩定發電。

氫氧燃料電池的原理如下:

氧氣在陰極與水結合形成氫氧根離子，氫氧根離子游離到陽極與氫離子結合，形成水，所釋放出來的電子形成電流。氫氧燃料電池的半反應、全反應式及示意圖如下：
半反應:

• 陽極：$$\mathrm{H_2+2OH^-\rightarrow 2H_2O+2e^-}$$
• 陰極：$$\mathrm{H_2O+2e^-+\frac{1}{2}O_2\rightarrow 2OH^-}$$
• 全反應：$$\mathrm{H_2+\frac{1}{2}O_2\rightarrow H_2O}$$

圖一 氫氧燃料電池反應示意圖（本文作者繪）

燃料電池具有直接汲取化學能的優勢，主要燃料以氫氣為主，透過氫氣與氧氣的電化學反應產生電能與熱能，且熱能遠低於一般燃燒石油所產生的熱值，故有「冷燃燒」之說法。此種化學能直接轉換為電能的過程，節省了轉換為機械能所需要耗費之能量損失，故展現出比內燃機多百分之三十的高能量轉換率。另外，燃料電池反應後所生成的副產物僅限於熱、水及少量的二氧化碳，所以它是一個非常乾淨的能源發展技術。但要注意的是，其燃料來源氫氣屬於一種具有爆炸危險性的物質，必須要具備安全且適當的操作程序輸送。今日的工業環境已有成熟且完善的技術管線輸送氫氣。

目前實際利用燃料電池發電的設備大至應用於太空梭、潛艇，小至應用在行動電話、筆記型電腦等，尤其是燃料電池發電的汽車，更是許多汽車製造商致力於發展的綠色主流交通工具。

參考文獻

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