元音老人圆寂瑞相视频:氫能的利用—燃料電池

氫能的利用—燃料電池
主持人：林仁輝教授 紀錄：蔡宗易
各位教授各位同學各位嘉賓，今天科工館來辦這種科普的演講，因為去年我
有來過，我覺得非常有意義，今天我們來請謝教授、講座教授，來做有關燃料電
池這種比較科普性的介紹，那我在講這個之前，我先跟各位介紹這個謝教授的實
力，謝教授的實力，早上我拿了以後，我說如果我念完的話，大概要十幾分鐘，
這個太長了，那麼我們就把他特殊的、卓越的成就來跟大家介紹一下，現在這個
謝教授過去做過國立中山大學機械系的系主任，後來做了工學院院長，那現在是
機械系的教授，下一回合大概是中山大學的校長，那我們看他的榮譽跟獎項，各
位看出來是非常不容易的，第一個最有名的是教育部的第七屆國家講座教授，各
位知道國內要做為教育部的國家講座教授這個難度是很高的，如果有在學術界教
育界作教授的都知道，非常難的，表示他的成就、學術成就是非常卓越而且在國
際知名度上非常高，第二個是國立中山大學的講座教授，講座教授在一個學校裡
面也是非常少的，第三個是中華民國力學學會孫方鐸的力學獎章，這個在力學領
域裡也是要很頂級才能得到這種獎章，教育部的工科學術獎還有美國機械工程師
學會的院士，ASME美國機械工程學會的fellow，美國機械工程學會來講，基本
上是在機械的領域來講在全世界是非常獨步的，能夠做為一個fellow，就是一個
院士的話，也是一個相當不容易的事情，當然也有拿過中華民國中山學術獎、國
科會傑出研究獎，還有特約研究員這些等等，這些都是，實際在學術界從事做事
的都知道，我想這個太多的他的這個，念了以後，大家聽了大概都知道今天來這
個演講的謝教授是一個學術非常卓越的國際的一個學者，那麼今天來講就是，有
關於燃料電池，因為能源的時代，尤其各位可以看出來，最近的油價一直不會掉
下來，所以所謂新能源的開發變得很重要，尤其現在我們稱為所謂綠色能源，燃
料電池就是一個綠色能源很重要一個發展方向，我想各位很期待來聽謝教授很精
闢的演講，那麼我們以掌聲來歡迎謝教授，謝謝各位。
演講人：謝曉星教授
主持人、國科會計畫主持人、還有各位同好，大家早安，我很高興有這個機
會站在這裡把過去這幾年從事相關的一些工作的研究心得，我嘗試著用很簡單的
方式表達出來，在這個地方正式開始之前，我還是要謝謝剛才主持人花了大概有
一分多鐘的時間，跟我做一個簡單的介紹，同時我也很謝謝國科會計畫主持人李
旺龍李教授以及科工館工作的相關人員，他們給我這個機會能夠站在這個地方能
跟各位來SHARE或是分享一些有關能源方面的一些對過去現在及未來的一些看
法，今天我所要講的這個題目，基本上叫做氫能的利用，我把氫能的利用，因為
他非常的廣泛，所以我就選了一個非常直接而且我覺得可行的一個方法，或是一
個裝置，利用這個機會來跟各位做一個報告，各位大概都知道21世紀，如果要
嚴格說起來，大概有四個我們所謂的關鍵科技，能源科技很榮幸的也很幸運的能
夠被PICK OUT A ONE OF FOUR，這四個就是，各位大概上個禮拜聽到國科會
陳建仁陳主委所談的，有關病毒跟癌症方面的，那就是所謂的bionic
 technology，換句話說那就是bio-tech，生物科技，早期相信大家都知道台灣到
目前為止一直傲視全球的，那就是我們的半導體產業所相關的一些周邊的東西，
那就是所謂的information technology，那大家也都會可能很清楚的，也都是最近
這幾年，我們一直叫的聲音很大的，而且大家都聽到，但是不見得完完全全很瞭
解的，因為那裡面有很多的物理現象，可能不是我們所熟知的，那就是nano
technology就是奈米科技，但是不管怎樣，這三個科技裡面，跟我一開始所談到
的能源科技，那我相信能源科技勢必在未來的日子裡面，他會擔負一個很重要的
角色，甚至能源科技跟information technology或是bio technology還有nano
technology應該會結合在一起，我想這大概是未來的一個發展的趨勢，講到能源
科技這塊領域，我相信各位都曉得能源對我們而言應該是耳熟能詳，那就是石油
，那石油呢畢竟在過去的年代裡面我們稱石油叫做石油經濟，可是呢換句話說，
我們叫做oil economy，那未來的日子裡面，我相信hydrogen economy的時代很
快會來臨，那在這種情況之下，有關hydrogen，氫這塊整個的問題也好，或是issue
也好，那我相信這裡面就牽扯到很多，包含氫的產生我們叫production，氫的儲
存我們叫hydrogen storage，氫的傳輸、傳送，我們叫transportation，那另外呢，
當然就還有所謂的一些相關的氫的法規，跟他的introspection等等這一塊，這也
是屬於氫的將來的議題之一，最後有一塊那就是fuel cell，那就是燃料電池，那
為什麼氫的經濟會隨著時代的21世紀的來臨，事實上已經到了，以及未來的日
子會扮演一個重要的角色呢？最主要的原因是因為我們目前產油的國家，事實
上，他的政治穩定度是有差的，另外一個全世界最大的人口中國大陸以及印度，
它們目前的經濟發展也需要大量的石油，還有呢石油的整個的全世界的儲存量一
定是慢慢短絀，換句話說，一定是慢慢缺少，那另外當然還有另外一個就是多年
前所謂的我們叫做Kyoto Protocol，那就是京都議定書，限制所謂的2 CO 的排放
量，諸如這些關係，使得我們不得不重新的來看整個氫的時代的來臨裡面所影響
的一些問題，什麼燃料電池就如同我們剛才所講的，他擔負一個很重要的角色，
在今天我要進入我要討論的主題的部分，我想我很可能會跟各位先說明一下，什
麼叫做能量，然後針對京都議定書還有hydrogen energy在整個能量裡面所擔負
的角色，那另外呢有關fuel cell的部分，我想我可能不會完完整整的遵循著這一
塊我們剛所講的部分的次序跟各位做說明，不過呢我還是會逐段的來跟各位做個
簡單的報告，很抱歉我用的是用英文所寫的powerpoint，但是在座各位我相信今
天有很多小朋友，也有些大朋友，我在這地方我當然很希望今天能夠把燃料電池
相關的一些有趣的東西利用這個機會能夠把我們欲關的訊息傳遞出去，所以在這
種情況之下我嘗試著、盡可能的用最淺顯的方式跟各位做個簡單的說明，我相信
自然界最重要的一些的機緣，大概就是兩個，在座各位很可能我不管是不是有在
學的青年，或是在社會上工作的一些社會人士，我相信各位都知道物質跟能量大
概是我們目前所需要的一些資源，那在這種情況之下，我們日常生活所遇到的都
需要靠能量，因為能量能夠給我們，可以給我們做工，譬如說各位開車子用所謂
的燃油、汽油，使得車子移動等等，這些都是需要靠能量，那在這種情況之下，
能量基本上是怎樣來使用的，那當然是我們所關心的議題，在這裡面，我剛才已
經跟各位報告過的就是氫能是其中之一，透過燃料電池可以使我們整體上能夠使
做功的效率提升等等，所以在這種情形下，我們針對能源跟氫能這部分，我們當
然就需要更進一步來探討，那在探討的過程中，剛跟各位說那就是利用所謂的燃
料電池，那剛才跟各位所提到有關氫能的這部分稍後我秀給各位的powerpoint
這部分我相信各位可以看的蠻清楚，針對著燃料電池這部分我想我先對各位做個
簡單的一些，讓各位能稍微瞭解一下，那為何要透過燃料電池，目前大概可以怎
樣來做，基本上，我們目前全世界的能源，我們大概可以這麼說，除了我們所要
的石油以外，包含一些所有的一些透過能源的方式來執行一些其他工作我們有各
種不同的各位稍後我們可以看到那就是我們所謂的利用fossil就是石化燃料，那
石化燃料裡面包含就是我們所謂的煤，我們石油等等，那另外呢我們，各位可以
看到我們台灣有高山當然就有所謂hydro當然還有一些他相關的，我們甚至有一
些所謂的利用solar energy太陽能等等，這些我想初步讓各位瞭解以後，大家對
能源整體上也有一些清楚，稍後我會跟各位做個詳盡的說明，目前我們來看看能
源的這些種類，各位可以知道第一個是煤，另外是所謂的石油跟天然氣，另外是
所謂的nuclear核能，另外是所謂的geothermal地熱，此外還有solar，另外水力
發電hydro power，還有wind、biomass，那在這個地方我特別要強調一下，哪
些東西是可行的，哪些東西是不行的，那如果檢視這些這幾類各位可以看到煤這
一塊台灣大概是有問題的，oil那更不用講，nuclear坦白講我們也沒有，
geothermal台灣早期在宜蘭初場跟清水門試過，另外solar太陽熱能這一塊呢基
本上是有些問題的，太陽光電這一部份呢我們發展的還不錯，透過半導體，hydro
power這部分呢台灣高山到目前為止呢雨量各方面等等這些都是有問題的，wind
power基本上風力這部分台灣這幾年我相信台泡也好台灣電力公司也好或其他
相關機構基本上也都在大力推動，但是將來是不是能夠實際cover所有最主要的
那也是件問題，另外biomass這一塊基本上我們也有在做一些study，特別是一
些化工的這一部份，另外在這邊各位可以看到最後這一項就是所謂的fuel cell那
就是hydrogen energy這一部份，那事實上我們如果檢視這些未來在台灣我們認
為可行的renewable energy再生能源這一部份呢太陽光電那大概是不錯的，另外
wind power這一部份因為現在經濟部也好或是台電也好基本上都有在推動，那事
實上我個人認為以目前全世界來看，我所瞭解的德國已經實際的商業化運轉以後
發現真正的wind power風力發電可以跟傳統的coal marl或是oil發電，電量是可
以相比擬的，換句話說是可以comparable，換句話說wind power這一點呢應該
是可行的，但是台灣是不是能夠做的到，我相信全世界裡面大概目前德國、挪威、
丹麥這一塊，大概是我們可以借取效法的，這是有關整體檢視一下我們，那在這
種情況之下，那有必要來推動所謂的燃料電池，有關這一部份呢我剛才先前已經
跟各位說明一下能源危機的狀況，我相信各位現在在座的最近當然是有點受到所
謂的，開車的人大概可以或騎車的人大概可以感受到油價開始上漲這些等等，我
想這些東西是經常性的長期性的，也配合剛剛我講的這些原因跟理由，我相信我
們隨時都可能遭遇一些更重大的能源危機等等這些影響，所以在這種情況之下，
我們勢必為了未雨綢繆我們當然就要做一些其他相關性的工作，這個地方當然也
就是我剛才所提到的也就在強調的燃料電池，另外除了我剛才先前有提到有關京
都議定書我相信他會對於我們整體性的2 CO 的排放，他有一個限制，限制量的大
小我們應該要符合他的標準，當然台灣到目前為止包含美國我知道都是沒有加入
的，不過在這種情況之下，不管怎樣全球global整體上的一個環境的保護，我相
信我們身為地球村的一份子，相信我們都應該有一份責任，另外我相信這也是一
個國家他的知識水準品質的提升，至少從一些外來人來看我想這是一個標準，所
以在這種情況之下，我們當然對於先前所講的氫能也好或是燃料電池基本上我們
需要多費一些心思，而且我們需要更進一步來看，那在這個地方，我要跟各位報
告那就是氫本身以他的性質來講，整體上他不算是一個主要的energy source就
是一個能源，actual事實上它是一個energy carrier，是一個能源的載體，氫很不
幸的氫本身他要produce、要產出的話，基本上他一定要靠一些化學的方式，換
句話說，這些化學方式裡面基本上一定要含有氫的成分在裡面，所以在這種情況
之下，對於氫的整個production基本上有很多種方法，最耳熟能詳的，大概就是
可利用甲醇或是利用甲烷，利用所謂的reformist的方式，就是重組的方式，利用
這種重組的方式，可以產生比較purified就是比較純的氫，當然利用水，水解了
以後也可以產生氫氣，當然這裡面產生的效應多寡也都是我們未來要發展及研討
的一些課題，那當然也有一些可以利用biomass，重新利用發酵的方式也可以產
生，那當然這是另外一種方法，不過呢在我們主流的方法裡面，大概最傳統的就
是剛才我說的利用重組的方式，這重組的方式當然現在有很多種，跟燃燒產生的
化學反應比較有關的，所以在這種情況之下各位可看到整個氫氣得產生，這是一
個問題，除了氫氣的產生是一個問題，氫氣的storage也是一個很大問題，那氫
氣的storage為什麼會有問題呢，一般講起來，氫氣的specific energy換句話說單
位重量裡面或是單位質量裡面，他所含的能量很高，可是呢他的energy density、
他的能量密度很低，換句話說你單位體積裡面所含的能量他是低的，所以在這種
情況之下，就很難利用很難把很大的、很多的、很重的氫氣儲存在很小的space
裡面，所以在這種情況之下，勢必就要把他加壓，可是很不幸的，氫氣的加壓要
把他液化，一定要把他的溫度下降到大約差不多絕對溫度大概22度，那換句話
說大概是攝氏零下兩百五十幾度，那在這種情況之下，even在那種溫度時，他
的energy density還是很小，所以在這種情況之下，氫氣儲存目前是很大的一個
問題，氫氣儲存的方法有好幾個，最簡單的方法，目前大概我所瞭解的、目前作
燃料電池的業界也好或是一般research，我們大家都知道就把他放在加壓罐裡
面，放在加壓罐裡面當然利用pressurelize這個gas cylinder或是pressurelize的
gas tank放在這個儲存槽裡面，這是一種方法，但是這方法並不是很經濟，而且
要很大的compressor，那另外有一種方法，那就是所謂的我們目前利用一種把
氫氣放在container裡面充入一些金屬，這些是金屬是alloy、是一種合金，這種
方法我們可以把他製成一種金屬的化合物、氫化合物，我們叫做
metro-hydrogen，metro-hydrogen基本上Hold hand非常理想，也就是想像中他
好像金屬的spongy，就像金屬的海綿似的，他可以把氫氣吸進去，那同樣利用
這種方法的話，那目前隨著奈米科技新興，我們都知道所謂的carbon nano
tube，那就是所謂的奈米碳管，奈米碳管是到目前為止自然界能夠找到最細的，
大概是一個nanometer的直徑到數十個nanometer的直徑一個中空的一個結構，
在這種情況之下，他大概可以成功的把氫氣吸進他的空洞裡面，就是prosy裡面，
能夠儲藏的量大概在百分之六十到百分之七十左右，所以在這種情況之下，有這
幾種方式來儲存，但這都是非常耗成本的，另外當然還有一種方法，那就是我剛
才講的，把他liquefy，就是把他液化，那在這液化狀況之下，你要用超冷的冷媒，
這種冷媒大概要到攝氏零下兩百五十度左右，甚至到更低兩百六十度左右，所以
在這種情形，這大概是氫氣的儲存部分，那當然還有我剛才提到的氫氣的
transportation，還有一些法規以及周邊的這一些東西，我相信都是造成氫氣整
塊的issue，到目前為止實在是值得大家探討的，就因為這個關係，有很多沒有
辦法克服的，隨著奈米科技的來臨，使得我們在很多情況上，在早期我們認為氫
氣是可以談而不能做，而今天氫不僅可談也可以做，那當然要配合其他科技的演
進，使得我們遇到的困難都可以克服，我想這部分就跟各位提到這地方，除了這
以外，燃料電池我剛講的氫能的利用是最直接的，也可以說是目前可見最有效
率，那除了這個原因以外，我們都知道燃料電池可以直接從化學能變成電能，換
句話說它是一個直接能量轉換的裝置或是一個直接能量轉換的系統，一般講起來
目前我們最大的電力供應來源就是一些電廠，所有電廠基本上我們所瞭解的，他
都不是所謂的直接能量轉換的系統，他都是間接能量轉換的系統，那為什麼呢？
因為我們都知道我們可以從石化燃料經過燃燒，換句話說從化學能變成熱能，要
經過鍋爐，一個蒸汽發生器，這鍋爐基本上產生熱能，產生熱能然後用高速打在
我們的渦輪的葉片上產生機械能，機械轉動著我們的碳刷下，因為轉軸有所謂的
碳刷有正負極，換句話說透過電力的generator發電，就會產生電，那這種經過
不斷的轉換以後你可以看到假使每一個轉換過程當中，他的效率都不會百分之
百，那是一定的，一定會有些東西lose，所以在這種情況之下，他的轉換效率，
他不會這麼高，舉最簡單的例子，如果他的轉換效率有百方之七十，在每一個
step，每一個步驟，那算是已經不錯的，0.7的三次方各位乘看看，那大概之有
百分之三十左右，所以在這種情況之下，基本上，如果有一卡的熱量進去，但是
產生電力的只有三分之一卡，換句話說只有三分之一左右，三分之二都不見了，
那可是燃料電池基本上我們拿最差的一個，換句話說透過電化學反應以後他的效
率只有百分之四十左右，可是他最好的可以到達百分之七十，甚至到百分之八
十，如果是hydrogen，所以在這種情況之下，一般講起來的話，燃料電池整個
發展過程，一個發展的趨勢也好，或是在能源的使用上，基本上它是非常具有潛
力的，所以在這種情況下可以看出來，我們推動燃料電池另外的主要原因，那就
是他的轉換的效率是很高的，基本上剛才提到有關電池也好，氫能也好，基本上
我們都可以知道大概整個一個氫能對燃料電池而言，提供燃料電池一個燃料，在
這種情形各位可以看到氫能整體上一個應用，我想我就不跟各位詳細說明，各位
從這上面可以看出來，各位可以看到，我這整個實際的應用裡面有一項我用紅顏
色的那就是可以當作燃料電池的燃料，整體上在1995到2004有關氫燃料的整個
station，加氣站，各位可以看到在亞洲這一塊呢，我們把日本拿掉，剩下的大概
 Hydrogen Fuel Stations – Worldwide accumulated, sorted by region (1995-2004)
只有我們亞洲這部分還有其他一些非洲國家大概是百分之十九，這時可以看到日
本是做的不錯的，這整個一個圖主要讓大家可以瞭解整個分佈及情形，現在就開
始進入氫能實質的利用，我剛才講的氫能包含production，包含他的storage他的
儲存，他的產生、儲存、運送、他的legislation法規還有他的相關introspection等
等，這些東西我們把他拋開，因為這些東西坦白說，在未來的十年、二十年還有
很長的路要走，那我們先講現在可行的，就是所謂的燃料電池，在這裡我不打算
完完全全利用powerpoint所講的，我直接從這地方來切入，所謂燃料電池，如果
有人問到你什麼是燃料電池，那他跟傳統的電池有什麼區別，那我可以這麼說，
我們的英文叫做fuel cell，其實這個燃料電池我們中譯的名稱到底好不好，大概
有人會question甚至還challenge，但是我個人覺得說，我們不去追究他到底好不
好，因為至少目前大家已經用了那麼久，事實上你可以把燃料電池fuel cell切開，
fuel燃料跟cell，你把這個cell跟我們傳統的電池battery放在一起，那事實上燃料
電池基本上最重要的牽扯到所謂的電化學反應，那電化學反應跟化學反應有什麼
區別，那就是我們燃料電池電化學反應由電子輸出，換句話說釋放他出來，另外
在陰極的部分，它是用還原，在這個情況之下，我們燃料電池會消耗掉，所以在
這種情況下他有電子的電化學反應，他跟一般的化學反應不同，那他跟一般電池
有什麼不同，事實上是一樣的，如果你把電池正負極或是陰陽極把他拿出來，只
不過在電池裡面一樣的都是由化學能變成電能，不管是通電也好放電也好，都具
有這個特性，一個化學能便電能，一個電能變化學能，所以在這種情況之下，在
電池裡面只是把電池的正負極，他所有的材料也好物質也好被吃掉，所以電池基
本上會沒電代表什麼意義，代表正負極被吃光了，那在這種情況之下有可以充電
的我們稱做一次電池不能充電的我們稱做二次電池，可是燃料電池不一樣，燃料
電池他燃料的部分跟化學反應這一塊把他分割開的，換句話說他不是在一個
container裡面，在一個封閉的裝置裡面封閉完成，所以在這種情況如果我們燃
料會用盡，燃料用盡沒有關係，我們只要provide給他就可以，換句話說你不需
要換任何電池，所以在這種情況之下然要電池主要呢，那所以說就有很多人講，
燃料電池因為他的生成物是由所謂的熱跟水，換句話說他會放熱也有水，那在這
種情況之下，就跟我們傳統的間接能量轉換系統就像電廠裡面的一些，就像剛
剛我講的鍋爐、窩輪機還有冷凝器等等，基本上他就很像一個熱機，換句話說他
會做功，所以在這種情況之下也有人把燃料電池稱做燃料電池引擎，所以這種情
況之下他的名稱要怎樣這不是很重要，最重要的事深入的去瞭解他，所以在這種
情況之下各位可以看到，整個燃料電池的工作原理，如何使他性能變好，使他的
電話學反應快速，整個使他持久耐用等等這些效果，基本上都是我們燃料電池未
來所發展的趨勢，那在這個地方我簡單的把燃料電池跟電化學反應這一塊跟大家
做個介紹，基本上我們剛才已經講了，燃料電池就是轉換化學能變成電能，他有
幾個主要的結構，一般講起來，燃料電池的分類有很多種，但不管他的分類有多
少種，有些是用溫度來分，他有中溫高溫低溫，有些以電解質來分，所以在這種
情況之下，電解質主要目的在做什麼，他主要的地在輸送離子，使得整個環路變
成是連續的，否則的話變成斷掉的，所以在這種情況之下你要靠電解液來把離子
輸送，從陽極跑到陰極去，當然也有陰極跑到陽極去的，但基本上要看是什樣的
電解液，所以基本上電解液裡面有陰離子型跟陽離子型的電解液，那電解液基本
上有液體的也有固體的，一般講起來，液體的電解液他導電的程度各方面、導離
子的程度都很強，但缺點是他佔體積，攜帶不方便，所以我們一般喜歡用固體的
電解質或電解液，所以在這種情況之下我們就有不同的燃料電池，在詳細說明之
前，我們先來說明燃料電池的結構，一般說起來燃料電池就像是三明治的形狀，
 兩片土司的部分，兩片土司基本上我們可以這麼說，我們可以把他看成燃料的部
分也好，陰陽極也可以，那中間這一塊的部分，我們是有所謂的我們叫做薄膜，
那薄膜的目的，主要如同剛才我講的，基本上燃料電池本身就是剛才我說的電化
學反應，他比一般的化學反應多了電子的釋放跟電子的消耗，那電子的釋放跟電
子的消耗他在迴路裡面他走外環路，那內環路是哪些東西在走呢？是所謂的離子
在走，那離子在走時電子是不能通過的，那要把電子不能通過唯一的方法是中間
加一個薄膜，我們英文叫membrane，那事實上電解液主要目地也是在這地方，
把你的燃料把你的氫氣，把你陽極的氫氣在陰極裡面的氧氣，把他隔離開，那另
外一個電解液的目的就是要把離子傳送，提供他一個通道，當然還有一些附加的
原因那就是你的電解液也好薄膜也好基本上要能耐溫度，溫度越高，你的薄膜破
裂，那電子便會跑過去，所以在這種情況之下，薄膜要耐高溫，那諸如這些我剛
才所講的電解液、電解質，還有我講的用電解質做成的薄膜，基本上是一個重要
的功用，基本上兩片土司，土司麵包可以看成他燃料的供應跟還原劑的供應，那
就是氫氣在陽極的部分，在陰極部分就是氧氣的部分，那這裡面當然反應物跟生
成物整個在裡面流通，因為它是氣體，當然有時候會是液體，像利用甲醇做燃料
電池，那當然是液體，不管它是液體或是氣體，他的流路有一定的通道，當然就
是我剛講的就是那兩塊土司麵包，或是你可以把那兩塊看成正負極，通常以碳為
主的正負極基本上它是多孔性的物質，那我們的土司麵包也很像這個，那中間是
什麼東西，那就是最重要的料，那料是什麼，有些是夾蛋的三明治，有些是夾
ham，這些料的東西我們就把他看成是燃料電池的心臟，這心臟有個特別的名稱
我們叫做membrane electrode assembly，那就是所謂的MEA，那翻成中文的
話，我們就按字面來翻，M代表membrane就是薄膜，electrode是電極，assembly
是組合，我們就叫膜極組，這個名詞聽起來，你若不瞭解他的物理意義，會完全
搞不清楚，在這種情形之下，這膜極組有兩個電極，一個是正極一個是負極，或
是陽極跟陰極，有些人稱MEA叫做燃料電池的心臟，那燃料電池的心臟主要是
什麼，這個membrane他通常是什麼，若是固體電解質的話，那通常基本上是一
個高分子，高分子我們英文的名字叫polymer，事實上這polymer是聚合體，另
一個角度看起來它真正的學名是macromolecule，如果從macromolecule來看，
它是一個很大的分子，如果是這種情況來看，那大分子裡面有很多官能基，這官
能基裡面呢譬如說：以目前我們所謂的固體電解質，或是用高分子的電解質模的
話，基本上它是一種酸性電解質，換句話說他要導離氫質子從陽極到陰極去，那
在這種情況之下，他就有一種親水性的官能基，可是這親水性的官能基主要目的
是讓質子從陽極跑到陰極去，可是如果說裡面這薄膜是完全乾燥的，他跑不過
去，為什麼呢？因為水是他的介質，他要靠著水分才能從陽極跑到陰極去，同時
這整個過程當中，有很多是我們想像不一樣的，這裡面有很多是需要更深入研究
的，這裡面包含了離子是怎樣的傳送，這些主要的目的都是要使離子導離度的增
加，在這種情形之下，陰極的官能基它是親水性的，親水性容易跟水結合，可是
水結合得太多使我們主體的電解質的化學結構水分太多，水分太多，就會變成部
分固體、部分液體，使得我們當初採用固體電解質的構想就已經破壞掉了，我們
當初構想是固體他compact緊密容易攜帶，當然液體容易破，若水分太多不好，
所以這種情況下，究竟電解質裡面水分多還是少，基本上就看電解質裡面聚合物
理面成分有一些是親水的有一些是疏水的，所以各位可以看到所牽扯到的問題，
燃料電池裡面有化學、化工、材料這是最基本的，當然機械，甚至我們更擴張還
有電機，所以這一個多元的學科範疇，所以將來很值得做的，另外剛才講的是最
簡單的，稍後我要跟各位把整體的，那燃料電池最大一個優點是什麼，除了我剛
才跟各位報告的，如果你用氫氣當燃料的話，基本上你真正能夠產生的東西你所
排放的東西就是水，當然如果你用甲純燃料電池的話，基本上他還是有2 CO ，但
以氫的話就是水，以這種來看他沒有污染的問題，同時最重要他沒有rumpus，
他沒有任何轉動零件，或是移動零件，在這種情況下他沒有這些東西的話，那他
在維修方面就可以減少，沒有產生噪音，除了剛才我講的污染以外，噪音也就沒
有，這是有關燃料電池這方面，現在跟各位稍微提一下，傳統一個燃料電池我們
所謂的質子交換膜的電池，在這地方為何叫質子交換膜的電池呢？我跟各位簡稱
叫做PEMFC，PEM翻做兩種意義但是這兩種意義都是overlap，第一個可以把他
用功能性來看，那就是所謂的質子交換膜，顧名思義質子叫做proton，交換叫做
exchange，膜就是membrane，所以PEMFC就是proton exchange membrane fuel
cell，那如果從材料特性去看，因為它是固體的介質，所以可以把他看成是
polymer，polymer就是剛所講的聚合物、高分子，E是什麼，依材料性質來看，
electrolyte就是電解質，所以從PEMFC整個字的縮寫可以翻做兩種不同的意義，
但是都是代表同一件事情，在這地方我剛跟各位報告的，一般傳統的燃料電池基
本他整個結構大概就是在我們目前所看到的這個一塊MEA，我所pick up的不是
來自於一般所有的書籍，這是來自於我們實驗室，而且我們做的燃料電池跟
conventional不一樣，我們是作micro fuel cell微型的燃料電池，微小燃料電池各
位可以看到，現在不談別的，除了他的cross section就是他的截面，他會比較小
以外，他的厚度一定會比較薄，所以好像一張紙一樣，這個就是我們的MEA，
那通常固體的電解質基本上我們全世界有好幾個廠商，基本上在這一塊我們是沒
有在做的，當然我講的，這裡面相關領域是非常多的，各位可以看到4這塊有很
多的流道板，這流道就是我剛才講的燃料跟還原劑，還原劑就是我們的空氣、氧
這一部份所要通過的，流道的各種形狀都有，那這種是最簡單的蛇形道，我們這
邊有所謂的current collector，current collector部分就是集電板的部分，當然有
一些為了讓他密和我們就會有一些墊片，墊片就是gesket，最後當然有一些端
版，這些都不重要，最重要的就是這部分，各位可以看到很像三明治，所以說你
到麥當勞你可能不只要hammer還要big Mac，剛才最早我把燃料電池一些整體
上他的性能跟各位稍微做說明，這個圖大家可以看到他性能的好壞，這個是我們
傳統的coal steam那就是任何的燃煤電廠裡的效率，這地方稍微跟各位提一下
efficiency這一塊，efficiency這一塊他用percentage，可是他對上lower heating
value低放熱值，任何碳氫化合物他的燃料，基本上他燃燒以後都會產生水，那
     水可能有兩種方式存在，一種方式是氣體的，一種方式是液體的，通常從氣體到
液體基本上他會，基本上從氣體到液體他會冷凝，冷凝時他會把熱量放出來，所
以他有更多的熱量，這種我們叫lower heating value，所以在這種情況之下我們
可以把higher heating value、lower heating value看到，換句話說我們有一個
lower heating value也好，但中間這只是一種標準，換句話說你可以對上lower
heating value、higher heating value，higher heating value，換句話說他的熱值
會比較高的，那低的話就是lower heating value，換句話說你出來的水就是以蒸
汽的存在，那以蒸汽存在時你所放出來的熱量比你以水、液體存在時放出的熱量
少，這當然就變成低一點的熱值，那通常我們講一個燃料，他到底能產生多大的
能量、熱能，基本上看這燃料本身的好壞，換句話說各位可以看到我們在使用一
些不同的開車的時候譬如說九五啦九八啦等等這些多多少少都會影響他heating
value的值，那是因為他裡面成分的關係，所以在這種情況之下，我們只是根據
一個lower heating value當作一個標準，我們來看他整體上的熱效率，各位可以
看到普通燃煤蒸汽的基本上他就百分之三十左右，換句話就三分之一，那另外
combined cycle複和燃料循環，那就目前有一些電廠有的，就像清大火力發電廠
裡面有幾組的，就我知道有三個是燒煤的有兩組是複和式的，那複和式是什麼就
是把氣體的燃氣輪機跟蒸汽兩個結合在一起，這樣可以把我們原先百分之大概
33.3左右的熱效率可以提升到百分之五十左右，這也就是為什麼燃料電池基本上
不是新鮮的東西，早在1833年法拉第電解實驗以後，1838年到1839年歐洲的科
學家基本上把電化學的效應確認以後還有一些燃料電池操作原理確認以後，到
1889年fuel cell這個名詞就出來了，所這東西將近一百五六年的東西，所以在這
種情形下他不是新鮮的東西，可是為什麼後來沒有再發展，原因就很簡單，因為
那時候石油工業能源不斷，在這種情況之下內燃機也好外燃機也好基本上他的效
率都不錯，也沒有所謂的環境污染問題，所以不會有人去探討所謂的燃料電池，
現在情況不一樣啦，所以在早期的時候燃料電池大部分用在space，就是太空上
的一些問題，如人造衛星等等這些，事實上燃燒氫的燃料電池產生水以後，水還
可以拿來用，還可以給太空上的人喝，不過到今天為止，整個角色都要互換了，
這個engine這一塊呢、這個gas turbine燃氣輪機的部分，microturbine為微渦輪
機的部分，那這邊fuel cell大概在這地方，你可以看看他並不大，並不大有各好
處是什麼，他可以提供區域式的，換句話說譬如在我們這個房間裡面，我們所有
電力的供點，所以他提供了另外一個預度，可以讓我們來考量，所以在這種情況
之下，燃料電池他的efficiency大概都比一般引擎還有coal marl來的高，那當然一
些direction的fuel cell他就會更高等等，這個大概讓各位瞭解一下，燃料電池他整
個發展整個性能以及未來的趨勢，燃料電池他有很多的優點，他的工作時間比傳
統的battery要長，另外他整個supplement fuel process是比較簡單的而且很快的，
譬如說微型燃料電池我們就可把nano hydrogen加進去，因為它是clean in the
energy production process，他不會產生Water and heat，當然我在這邊要強調
一下，它是指PEMFC，換句話說以氫氣為燃料的燃料電池，剛才跟各位講了很
多，大概給各位對燃料電池整體的瞭解，在這地方我們還沒有詳細跟各位說明燃
料電池的種類，在這邊我就很快的讓各位看看這個表，這個表我跟各位講一下
     這裡分類的方式有很多種，這裡我以electrolyte就是以電解質的方式來分，那事
實上你也可以看他的溫度來分，我想我很快的跟各位稍微的講一下，有各種不同
的，現在我們目前台灣目前大概最有興趣的，我所聽到最多的，全世界大概也是
這樣子，就是第一個跟第四個，第一個是Proton Exchange Membrane的PEMFC，
就是交換膜燃料電池，另外他operation的溫度基本上在傳統的conventional大概在
五十度以上，Alkaline大概要七十，那原因是為什麼，你溫度太高的話，質子的
穿透或是氫離子的穿透從陽極到陰極基本上是要靠水分才能載的住他，那在這種
情況之下水不見了，水蒸發乾掉了，那乾調的結果過不去，那過不去他的
performance、他的性能當然會掉下來，所以他一定有他溫度的操作範圍，但是溫
度是很重要的因素，壓力也是一個很重要的因素，還有你的空氣量也是很重要的
因素，這裡面牽涉到的因素都很多，這也提供了一個更多更廣未來的探討空間，
那他的Efficiency基本上大概在四十到五十到六十也有，通常average四十到五十
左右，那在這種情況之下各位可以看到他的陽極的gas就是hydrogen，他的陰極
的部分pure oxygen，用大氣氧氣也可以，基本上，我們很希望將來作微型燃料電
池的話，基本上要用在各位的手機，在cellphone上面的話基本上我們希望能夠呼
吸空氣的，換句話說他的陰極的還原劑不需要提供氧氣給他，完全靠大氣中的空
氣，當然這效率會蠻低的，事實上這東西我們在實驗室已經做過實驗了，所以各
位可以看到Proton Exchange Membrane這個東西的姊妹，那就是direct fuel cell就
是直接甲醇燃料電池，今天到現在大家都在推直接甲醇燃料電池這原因是為什
麼？那是因為它們認為3C產品裡面手機這一塊基本上用所謂甲醇燃料電池會比
較好，因為燃料很簡單，你放在針筒裡面，沒有的時候把手機拿出來從後面打進
去，那麼燃料就跑進去了，這不是我在講的，都有在做了，像韓國的三星還有
NEC等等，我相信這幾個手機製造廠都偷偷在做，未來在2010年我相信絕對可以
commercialize，但是為什麼我會提這一點，因為我本身也是做micro fuel cell就是
微型燃料電池，可是我們不做直接甲醇燃料電池，主要原因是因為，我們總認為
直接甲醇燃料電池有幾個缺點，稍後跟各位講一下，因為它們電解質是一樣的，
所以它們是姊妹，為什麼，因為直接甲醇燃料電池攜帶很方便，那各位可以看到
就是中間這一塊direct methanol，這些都是屬於小型的，最有就是交通工具，後
面這些dissect heating、dissect power supply價就是UPS，UPS就是不斷電系統，可
是你如果要大的，真正要發電，那坦白講應該要SOFC、Solid Oxide fuel cell，在
這裡他的效率可以到達六十，甚至他如果跟燃氣輪機兩個combine在一起，這樣
的話會更好，各位可以看到先前我們顯示的那張圖，如果我們combine的話，會
得到更好的效果，理論上PEMFC基本上他的正負極或是陰陽極基本上所得到的
結果他的ideal voltage是1.23，但是事實上他得不到的，因為這邊會有不可逆現象
產生，所基本他不是一個conservation，他的反應電位會跟他的輸出電流會有個
曲線，這個曲線會造成他能量散失掉，這能量的損失我們叫做極化曲線，這三個
曲線有一塊曲線我們叫做accuratoin loss另外一個是一個歐姆的，那第一塊是什麼
東西，因為我們都知道在陽極的部分，事實上燃料電池從陽極跟陰極之間的關係
就如同我們從高速公路開車，從台北或是高雄開始，你如果要北上或是南下，如
    果你北上，通常我們會發現你通常會塞在泰山收費站，一樣的道理燃料電池基本
上，他的電化學反應在陽極的部分通常他的反應速率是陰極的五倍，所以他塞車
在陰極的部分，所以這是為什麼所有大部分的人他在做燃料電池一些研究探討的
時候，他重點都放在陰極的部分，可是儘管這樣子，陽極的部分只要你執行電化
學反應，基本上都有各慣性，這慣性基本上就會造成loss，這loss基本上就會delay
電化學的反應能，這delay的電化學造成你剛開始的反應電位在很短的電流、輸
出電流裡面會很大的drop，那下降以後慢慢他已經開始反應了，開始反應以後，
電子跑外面質子跑裡面，在這種情況之下他就有阻力，這阻力就是所謂歐姆的下
降，這會造成損失，最後就是我剛講的陰極的部分，陰極跟還原劑反應的速率、
還原劑整個跟觸媒跟質子之間交互的結合，基本上他就會使得反應電位持續下
降，同時下降是不成線性的，只不過到後來會趨向一個固定輸出電流時，他反應
電位還持續下降的結果，那這樣就會造成三個，那最後這個跟還原劑的反應物濃
度有關，那在這種情況之下，你的最高是1.23，所以基本上你如果畫剛所講的
反應電位跟所謂輸出電流這個曲線，縱座標最高的值最多不可能超過1.23伏
特，這1.23伏特另外有一個名詞，我們叫開路電壓，那另外我們還有一個極限
的電流密度，我們叫閉路電流，稍後會告訴各位，基本上這個PEMFC，大概實
際應用在汽車、輸送的工具，還有cell phone，通常還可以取代一些可以充電
的電池，這個叫AFC我們叫鹼性燃料電池，皆下來這個叫direct methanol fuel
cell，他的ideal voltage是1.18，不過他的power density稍大了一點，所以
有六個氫質子，剛才PEMFC只有兩個氫質子，他的溫度比較高大概在50度到100
度，因為DMFC是未來手機最重要的一個東西，但是他有幾個缺點，所謂質子交
      換膜燃料電池跟直接甲醇燃料電池，它們兩個某種程度上是可以互補的，直接甲
醇燃料電池的燃料供應基本上是沒什麼問題，換句話說他可以用甲醇，那質子交
換膜燃料電池你要用氫氣，所以氫氣的產生各方面你可能要加裝reformer，換
句話說如果沒有所謂的儲存的地方，譬如我剛才講說金屬的氫化物這種東西的
話，基本上你要靠reformer就是一個重組器，重組器你可以利用一些其他燃料，
譬如甲烷或是我們所用的甲醇都可以當作燃料，或是你要電解水來當作燃料這
些，那當然如果你用直接甲醇燃料電池那就不必了，所以說在燃料這一塊基本上
直接甲醇燃料電池打個勾，那PEMFC打個叉，但直接甲醇燃料電池的操作溫度
比較高的，大概在八九十度以上，原因是因為他陰極跟陽極反應特別熱，就算是
有觸媒，觸媒這一塊，基本上在陽極的部分他的反應化學動力這一部分它是不好
的，相對於質子交換膜燃料電池的話，它是不好，他的溫度要高高高，按照化學
反應動力論的話，他碰撞機會就大，所以速率就增快，所以這種情況之下，他的
溫度要高，溫度高的話，你要當cell phone基本上你拿在手上燙的要死，所以
這裡有很多問題，坦白講很多秀給各位看的這些東西，它們都把燃料電池拿到外
面，所以事實上都沒有拿到手上，所以這裡在熱的管理將來會牽扯到很重要
issue，可是PEMFC就是質子交換膜燃料電池至少在我們實驗室所做的，我們到
25度到50度就可以operate，事實上我們溫度不敢弄到70度，怕把他弄壞掉，
為什麼？等一下稍後有機會會告訴各位，那你發現你這三明治夾的太緊也不行，
夾的太緊你的membrane很容易破掉，那你就短路了，基本上membrane的強
度是不好的，所以在這種情況之下，我們能在25度到50度基本上很適合特別是
25度到35度很適合我們人體的溫度大概三十七八度，所以在這種情況下，這點
PEMFC就比較強，另外就他的產生物來講，PEMFC只有水跟熱量，可是direct
methanol除非他有reformer，換句話說他先把甲醇燃燒，這樣的話他可以做，否
則的話他直接反應會有2 CO ，那這個2 CO 又違背京都議定書，所以在這種情況
下，到目前為止我們都沒有得到一個很好的solution，那另外有所謂硫酸鹽的
PAFC，這是中溫的，我想各位稍微瞭解一下就行了，那這是屬於溶融碳酸鹽，不
過這幾個都不是的燃料電池，這也是屬於高溫的常常在講的，我剛有說過只有三
個，這個剛我所講的固體氧化物燃料電池，可是溫度蠻高的，基本上在實驗室，
特別是學校就不適合做，所以你說需要的量測儀器要高溫，因為你要在比較不好
的環境裡去量測，可是這種情況你溫度太高了，且儀器可能會受損，所以這些年
來學校裡面雖然有一些發展，但是我知道的包含成大航太等等這些，它們想要可
是都蠻難的，當然元智那一塊我知道的，它們也想跨出去，不過我想適合做的是
台砲、台電公司，台灣電力公司是很適合做的，那另外可以看到全世界在2005
整體得發展，各位可以看到，這一塊跟這一塊兩個是高溫的，在2005溶融碳酸鹽
電池的增加，不過我預測，這個DATA是我們抓來的，並不完完全全都很準，所以
我們在想這兩個可以comparable，將來SOFC會超越過去，看到這一塊是蠻訝異
的，這個PEMFC2000年時大概在這個地方，你可以看這成長很快速的，那也就是
為什麼台灣到目前為止走這一方面的東西，那後來我就稍微做個summarize，各
位可以看到大體上在這個地方，接下來各位可以看到，先前我講的都是別人的東
西，我只是轉述一下，接下來是我自己的東西，坦白獎這個屬於科技普及，所謂
                                                                            Fuel  Cell   Type    科技普及就應該是一般化，既然講了一些相關的東西，我想要把一些目前特殊領
域發展的部分跟各位講一下，各位手邊某些人大概不只有一隻手機，可能還有兩
隻手機，所以各位在日常生活中最有興趣的大概就是手機了，在這種情況之下，
micro fuel cell在未來可能跟你們蠻有關係的，跟你們接觸蠻多的，那就是微型
燃料電池，那我先跟各位講一下我們的微型燃料電池大小大概是怎樣的，我們大
小就相當於十圓的硬幣，那十元硬幣是圓的，我們是他的外接四方形，換句話說
2.25乘以2.25是5平方公分的大小，他的厚度就相當於一張名片的厚度，這是我
   • 們實驗室做出來第一代的，現在目前我們進入第三代，這還是屬於單片
的，接下來我們要做多片的，現在我們在做的先是從10片開始，然後將
來15片，當然目前還在做，所以這部分先不講，那有個地方是值的大家
討論的，那就是inexpensive，那到底是不是inexpensive基本上我們沒有
數據可行，因為我們在學校，在學校只能依我比較專長的做我專長的事，
那他將來會不會便宜或貴，坦白講到目前並不是我探討的東西，但有文獻
顯示，它們認為是inexpensive，不過他也是打各問號，另外他可以在低
溫，在室溫就可以操作，另外他整個結構透過什麼，為何麼我們現在要談
micro fuel cell，那就是因為現在我們的微機電，這一塊透過相關的一些
奈米科技等等，使得我們可以做的短小輕薄，因為你是在micro的問題，
所以在這種情況之下你的肉眼大概可以看到一點點而已，所以可以透過這
個製程，他可以從片狀的疊積起來等等這些，所以你做出來的是非常有代
表跟特殊的，就是可以透過些MEMS的製程或是一些奈米的製程，那這個
是H2的Proton Exchange Membrane Fuel Cell的PEMFC，他的整個工
    作原理我想各位可以看到的，在這地方我們有一些設計，傳統的燃料電池，他的
心臟是MEA，我再次強調它是membrane electrode assembly我們叫膜極組，有
了這個膜極組以後，有了膜極組以外我們可能還要加裝一些附加東西，可能附加
多一層東西，比如你們在買三明治可能會多加起司，那我可以多加一些氣體擴散
層，那加這個氣體擴散層主要目的是什麼呢？我們都知道陽極的氫氣陰極的氧
氣，基本上他有一個流道讓他氣體的通路，在另外一個方向它是緊密的跟MEA
在一起，MEA上面有一些觸媒還有我們剛才講的所謂電極，電極基本上我剛跟
各位報告的它是一個多孔性的東西，所以在這種情況之下，我們很希望我們的氣
體有更多的流動空間，因為它是緊密的在一起，所以氣體流動時無法完全展開，
所以若中間有一層氣體的diffusion layer那有個好處，第一個他可以把他的擴散
長度增長，這就如同家裡面，各位每天都要打掃家裡環境，台灣污染是很大的，
各位如果去北歐，各位的襯衫一星期是可以不用換的，你可以發現都沒有東西，
挖你鼻孔都是乾淨的，台灣就不是，你上午洗過澡以後下午回來你可以發現身上
是髒的，這是什麼靠diffusion，空氣中的diffuse，當然你在走動時有convection，
這個不講的話，所以你在家裡你會把窗戶關掉，關掉怎辦，可是他還是會跑進來，
那為什麼？diffuse。你關的越密，這個diffuse length縮短，那坦白講他就不進來
那麼多，可是你把他打開，相對的就增加他的擴散長度，所以在這種情況之下我
們增加多一層，主要目的在幹什？多這一層，增加氧氣也好氫氣也好跟觸媒還有
跟質子之間多了一個多餘的通道，這個多餘的通道基本上他有幾個特性，他只准
氣體不准液體，所以在這種情況之下，所以我們選的gas diffusion layer這層他的
材質基本上他要疏水性，就排斥水，水過來就把他擋掉，因為水有一個缺點，會
把洞給堵住，剛才在講質子交換膜時，我講過，他有一個陰離子的官能基，那陰
離子官能基要找親水性的，可是整體上要讓他的強度夠又不要水分太多，所以在
這種情況他整裡的結構要疏水性，所以各位可以看到這很難拿捏，剛才我稍微
MISS掉一個很重要的東西，那就是direct methanol fuel cell，他除了陽極的不
    好的化學動力以外，最重要是什麼，很不幸到目前為止，你的質子交換膜甲醇能
跑過去，甲醇分子跑得過，所以這就拜奈米科技之賜，我所知道Ohio State在三
年前它們發明一個奈米製程就是可以讓甲醇的分子過不去，這種membrane，可
是到目前為止還沒有商業化，原因可能還有很多東西要探討，所以他有甲醇恆剩
的現象，這就代表他浪費燃料，這燃料不能控制，燃料變成最大優點有什好處，
就是燃料可以進出，可是甲醇恆剩以後，本來陽極反應就不好了，還有一些跑掉
了，所以在這種情況之下，各位就可想而知啦！那麼傳統上既然有這些東西以
後，另外我們還知道current collector就是集電版，當然這集電版可以跟流道版
在一起，所以在這種情況下你可以發現，他重graphite等等這些東西，新一代的
燃料電池要怎麼做，所以大概在四年前我們實驗室包含幾個教授就有幾個想法，
希望三明治裝置我們的層能用越來越少，換句話說我們希望藉助於MEMS製程或
奈米製程或微機電製程，使得我們變得更薄，但又不失他的功率，那在這種情況
之下就有三合一的設計，我們可以把集電版流道版還有baking layer和在一起，
換句話說我們第一代的micro fuel cell 是沒有氣體擴散的層，通常氣體擴散層是
一層碳布，後來要變薄，就變成碳紙，第一代我們是沒有，那在這種情況之下怎
做的，傳統的流道版是用碳，可是我們要讓他輕，那要怎做，我們就用壓克力，
當初我們在做的時候，國外PAPER所發表的就只有一個東西，那是德國人發表
的，它是用不銹鋼，所以在這種情況之下我們採用了那一塊東西，那做了一個結
果，可是因為你要集電你要導電，你把壓克力當成流道版以後，把裡面利用奈米
技術把他濺鍍一些東西，可以以濺鍍銅、銀、金都可以，至於你的流道怎麼設計
你可以用傳統蝕刻方式或是一些顯像的方法，或是用機械加工的方式就是分子雷
射，第一代我們適用element laser做的，基本上我們幾個設計最重要的就是所謂
的know how，第一個我們是minimize fuel cell大小，第二個是reduce他的位置，
基本上白金是很貴的，那你的量可以從0.4drop到0.15那基本上這一部份成本就會
減少，另外流道版挖槽以後，我們把他濺鍍一些東西，我們增加觸媒跟反應物的
反應面積，換句話說我們增加了百分之二十左右，這樣的話他的performance應該
會提升，這個是第三代的，一開始我們用壓克力版，後來用一些U8的厚膜光阻，
但他也屬於一種塑膠的東西，應該說橡膠，各位可以看到我可可以有不同的流
道，這
    Serpentine Flow Field Interdigitated Flow Field
       Mesh Flow Field
個是棋盤式的流道，這種是Interdigitated是指叉式的，這個是Serpentine，各
位注意這些流道的主要目的呢，因為像棋盤式的基本上主要的目的希望我們氣體
跟我們的質子還有我們的觸媒之間接觸越多越好，但是waste type這種通常他的
陰極部分會分水，分水以後可能會堵住我們通道，所以在這種情況之下我們改成
Interdigitated，那Interdigitated有個好處是什麼？因為他把他在這邊端點封死以
後，強迫他你所劫層的流體，換句話說若有水的生成，他不會停住在那地方，他
會被氣體推動，可是推動的結果會造成你所需要電力會多，因為你的pump，
COMPRESSOR需要電力會增加，所以這種有優點也有缺點，所以到目前為止還
是這種蛇形狀的會比較多，那我們當初在實驗室就分別製作這三種不同的流道，
各位可以看到這就是我們當初MEA和SEM的結果，因為我們對MEA的全貌要有
瞭解，所以我們就用SEM，SEM看的時候你可以看到圖上有裂痕，有裂痕是好
的，太多不好太少也不好，多有個好處是什？多你可以讓質子跟觸媒還有氣體譬
如氫氣還有氧氣結合在一起，所以我們是需要這個東西，有裂痕是好的，那另外
從AFM來看可以看到他的大小，我們可以看到MEA上面整個，MEA當初做出來
我們是利用濺鍍機把整個觸媒濺鍍在這上面，他很薄，屬於奈米的尺寸大小，這
個工作是必要做的，因為我們原則上可以把這面積算出來，我們可以從化學反應
動力算出有多少質子數量的進出，這樣的話就可以連接實驗的結果跟主要參數之
間的關係，當然這東西超過我的學識跟經驗這應該是化學的材料物裡的來做，剛
才我跟各位講過燃料電池理想的狀況在PEMFC基本上他應該是1.23伏特，但事實
上他不是這樣，那是因為他有一些極化的曲線，這些極化的曲線基本上我們可以
從一些Activation Polarizatione剛才我跟各位講的，這在陽極的部分，這個是Ohmic
Polarization就是離子經過的電解質還有跑外環的阻抗，那Concentration
Polarization就是最後我們會發現在陰極的部分，在這一塊他反應融入這一部份，
所造成的一些損失，那第二個可以看到這是一個極化的曲線，這個第一塊就是剛
   SEM image showing the morphological condition of thin platinum sputtered on
Nafion 117 (1.5x1.2μm2)
    AFM image showing the morphological condition on thin platinum (200x200nm2)
剛啟動的Activation的LOSS，你可以看到1.23不可能他掉下來，這一塊線性的這
一塊這個是歐姆的，因為他要follow歐姆定律，最後一塊是Concentration
Polarization的部分，那通常我們要檢測燃料電池最初步的就是要看他VI
CURVE，V叫VOLTAGE叫反應電位或反應電壓，這個I我們叫輸出電流，各握當
然我們希望這地方愈大愈好，那要看你POWER怎樣，那這就是在這RANGE裡
面，那各位可以看到電流等於零時，就變成開路電壓，那電壓等於零就是閉路電
流，也叫極限電流，那通常燃料電池一定要有這特性，這就是他的特性曲線圖，
    那我們把V跟I乘下來，下面的面積重新劃過來就變成這種CURVE，這是一個
power density curve，同樣的角度也可以看出他的performance但是他power density
就是功率的密度，那通常功率密度不會在中間，他通常會在中間稍微往右邊、往
右邊移動，那這樣大概可以看出來，你完全符合這張圖的時候的反應，這個大概
是最主要的兩張圖，這然這裡面所牽涉到的操作條件跟環境跟一些狀況一些參數
都會影響他的大小，但是整個他的曲線的發展應該是一致的，剛才到現在我們談
的都是single cell，你可以看到一個micro fuel cell 他所弄出來的反應電位各位可
以看到都是mini volt，他的電流呢是微安培，所以基本上真正在用的時候，我們
可以把一片一片串連起來，或是我們用並連，當然看你實際需要怎樣的用途，不
過這部分的發展我相信國內國外都還在探討當中，特別是你用串連應該怎樣串，
當然最簡單的方法就是直線式，那另外有所謂並連式的，還有其他方式，到底哪
些方式是好還是不好，這大概是最近這幾年在探討的主題，我們目前的實驗室目
前採用串連式的方式，當然各位可以看到我們PICK UP目前三種常用的，最簡單
   的呢我們還是最喜歡串連，但是以電場的觀念的話串連不太好，因為串連中間只
要有一個壞掉，那可能整個就泡湯了，所以大家可能會喜歡並連式的，不過這東
西還是發展當中，因為時間的關係我就不跟各位所謂的電池組或電池堆我就不講
那麼詳細了，大家可以看一下他稍微設計的方法，各位如果有興趣的話可以透過
主辦單位，我想各位可以瞭解一下，不過這地方各位不需要想太多，基本上我這
所舉的例子，譬如說向這個是所謂並連式的，那另外這個是說明並連式的好壞，
像並連這個壞掉這個還可以用，但是這裡面會造成電流高跟低的狀況，所以要看
  到底需要些什麼？你需要高電流低電位、低電流高電位等等，都會牽扯到電池堆
或電池組的設計，剛才秀給各位的就是電池堆設計的標準還有一些設計的目標大
概是這樣子，最後我用兩個圖跟各位說明一下，這是2004年的new DMFC
• Notebook
  Samsung 2004 presents new DMFC notebook. It can work more than 10 hours
without recharging.
Notebook，那另外這是Honda’s 2005 FCX fuel cell vehicle，整個燃料電池應用，
我套一句話應該是前景可期，當然看你要求的標準在哪裡，基本上所要求的都可
• Transportation vehicle
  Honda’s 2005 FCX fuel cell vehicle – it is powered by a Honda designed and
manufactured fuel cell stack.
以達到的，最後很簡單的跟各位做個結論，如果說我們有一個環境保護的觀念在
這種情況之下，我們覺得選擇燃料電池來發電，或做一些發電裝置，我相信這應
該是很好的choice，另外當然我們相信，未來會有更多的國家參與京都協議，那
在這種情況之下，我們認為fuel cell在未來發電這一塊，基本上他會有一個，我
不敢說會有一個很燦爛的前景，但應該會有一個很明亮的前景，最後我想在結束
這個報告之前，我想幾個最重要的reference，我想我自己的我就不講，其他的我
在這邊要跟它們說謝謝，特別是這幾個網站，最後謝謝各位在這邊聽我的報告。
Q：會不會有氧氣從陽極滲漏到陰極造成他電池效率的降低，那你們是怎麼解決
的？
A：我不敢說完全沒有，依我目前實驗室所得到一個資料顯示就一些其他相關參
數相比較起來這現象目前是沒有，我還是強調燃料電池最後的結合時，做後那個
螺栓旋緊扭力的大小目前也有人在做研究，這東西多多少少都會影響他能否緊
密，在這種情形之下我只能這樣說，到目前為止，你所提到這些狀況基本上是沒
有。
Q：我是新莊高中的學生我想請問一下剛教授提到陽極的反應會過來來給陰極那
這是為什麼？現在市面上已經有一些氫氧電池再販賣有些觸媒都是用貴重金屬
例如鉑做的，那它是如何降低這成本，那剛教授有提到降低鉑的使用，那它是用
什技術減少？
A：前面兩個都是牽扯到化學動力學問題，那個要回到你的化學課本裡去，我在
這邊也不能給你完全的回答，為什麼？因為這牽扯到化學反應的問題，氫氣在陽
極的部分跟氧氣在還原的部分這牽扯到基本的東西，但觸媒這塊，貴重金屬很不
幸的，只有在貴重金屬類，這也是牽扯到化學，所以一進來我就跟主持人還有跟
幾位同仁在聊天時，我就覺得化學很重要，因為所有東西包含我講的氫氣，氫氣
你要製造都要透過化學，剛才有人講物理可以不用記化學要背，那在這種情況之
下你要我回答，我就說你要回去學，至於觸媒東西，這就可以用機械方式解決，
為什麼我們可以做到這點呢？原因是因為我們反應面積增大，相對的我們就可以
減少量，只要我們維持一樣的性能，因為我們反應面積增大，這樣我就可以減少
觸媒的量。