由於石油等石化能源存量日漸枯竭，加上地緣政治風險加劇，原油價格的鉅幅波動每每牽動各國最高領導人的心緒，在此國際局勢之下，找尋可取代石油的新能源已是刻不容緩之事。有鑒於石化能源造成嚴重的環境污染問題(例：空氣品質惡化與溫室效應等)，為免重蹈覆轍，並達成《京都議定書》溫室氣體減量的目標，未來新能源勢必朝向低污染的方向研發，以收一兼二顧之綜效。
在產官學三方多年努力之下，目前已有許多新能源開發計劃持續研發當中，太陽能、風力發電、水力發電、氫能、生質能、燃料電池、潮汐能、地熱能等領域，迄今都有明顯的技術進步。然而，新能源的開發雖已有初步成果，但仍有諸多缺陷仍待改進，例如太陽能發電的成本仍遠高於火力發電，若無外在誘因獎勵，不易吸引消費者選用，因此目前大陽能產業仍仰賴政府補貼，也往往引發公平性的爭議。生質能源則是由玉米等農作用提煉生質酒精，在油價高漲之際，大量的玉米被用來製造能源，亦有造成糧食短缺之嫌。
在各種新能源當中，氫能與燃料電池(Fuel Cell)持續得到各界的關注，主要原因在於燃料電池的能源轉換效率較高，也不會產生一氧化碳等溫室氣體，目前已有商業化的經驗，雖然距離大量生產仍需時日，但以其優良的特性，有機會成為明日之星。
壹、燃料電池的基本原理
燃料電池是以燃料與氧化劑兩者化學反應所產生的化學能，直接轉換成直流電。與火力發電不同之處在於能量不經過燃燒便可轉換成電能，能源的效率提高，而且可由外部不斷的供應反應所需的燃料與氧化劑，持續產生電能。燃料電池的燃料的選擇相當廣泛，氫氣、甲醇、乙醇、天然氣或其他碳氫化合物皆可使用，氧化劑一般是採用大氣中的氧，少部份產品使用純氧。燃料電池發電的副產品包括水、熱與二氧化碳，其中水與熱皆可再利用。
水電解與燃料電池皆為電化學反應，在初級的化學課程當中，一般都會示範水電解的實驗，亦即將水經由電解作用而產生氫氣與氧氣，其作用過程為：水＋電能→氫氣＋氧氣。若將實驗方向逆轉，把氫氣與氧氣進行電化學反應，此時將可產生水與電能，此即燃料電池的發電原理，亦即：氫氣＋氧氣→水＋電能。簡言之，燃料電池即是水電解的逆反應。
由於燃料電池冠有「電池」二字，經常被誤認為是電池的一種類型，但燃料電池並不僅僅是電池而已。一般電池(蓄電池或乾電池)兼具能量儲存與能量轉換兩種功能，而燃料電池為處理能量轉換的機械裝置，能量則是來自於外部燃料，經由化學能轉變成為電能。從運作方式來看，燃料電池較接近發電機。
貳、燃料電池的研發歷史
燃料電池的由來已久，最早是由英國人William Grove於1839年所發現，距今已經超過一百年。Grove的實驗是先將氫氣與氧氣分別注入兩個試管，並於試管中加入鉑箔，鉑箔的主要功能為觸媒與電極，使化學反應較容易進行，然後將試管浸泡於稀硫酸電解質當中，此裝置又稱為氣體電池(gas voltaic battery)。在氣體電池當中，氫氣與氧氣開始反應後，將產生水與電能，原始的實驗裝置經過改良之後，只需四組的氣體電池，此即是燃料電池的前身，詳細原理如【圖一】所示。
圖一：Grove的氣體電池模型
由於Grove所使用的電極材料無法承受長時間的強酸浸泡，且氣體電池所產生的電流過於微小，因此該實驗成果在當時並未受到太多的重視。1889年英國科學家Ludwig Mond與Charles Langer採用多孔矩陣結構石棉，使得電池的組裝趨向簡易，性能穩定性提高，燃料電池的名稱也正式出現。稍後德國人Bayer投入熔融鹽技術研發，在800℃的高溫之下，可產生0.77伏特的電壓與每平方公分4.1毫安培的電流密度。雖然Bayer所發明的熔融鹽燃料電池性能評價並不高，卻是熔融鹽燃料電池的濫殤。在常溫燃料電池方面，德國人Heise於1932年以鹼性蘇打取代熔融鹽，1933年Doppler以Heise的研究為藍本，成功研發在常溫下可以作用的氫氧燃料電池，成為後來鹼性燃料電池的基礎。1950年代以石臘進行電極表面處理的技術使得鹼性燃料電池性能明顯改善，英國人Francis Bacon於1952年開發出以水和鉀為電解質的燃料電池，並增大反應的面積，發電效率因而提升，Bacon也因而正式取得英國的專利權。
參、燃料電池的優點
前段曾約略提及燃料電池兼具能量儲存與能量轉換兩種功能，在性質上與發電機較為近似。就「能量儲存」角度而言，燃料電池仍具有一般蓄電的功能，與蓄電池兩者皆是利用電化學反應以產生電能，然相較蓄電池而言，燃料電池體積較小、重量較輕、使用時效長、不必充電也不會自行放電，其物理性質較一般蓄電池優異。
就「能量轉換」角度而言，此處以火力發電為例，綜合評比兩者發電效率高低。燃料電池與火力發電之目的都是將燃料所含的能量轉變為電能。火力發電是燃燒煤、石油或天然氣，利用熱能將鍋爐的燒成高壓與高溫的水蒸氣，進而推動渦輪機進行發電，亦即由熱能轉為機械能，再由機械能轉換為電能。在轉換的過程中，火力發電會產生噪音及溫室氣體，也會造成損失而降低發電效率。燃料電池則是將燃料的化學能經由電化反應直接轉為電能，在此過程中並沒有轉動任何元件，因此幾乎沒有噪音產生，而過程中亦不涉及燃燒，不會造成污染，若採用氫氣為燃料，則完全不會排放室氣體。根據實驗研究，燃料電池發電之效率比火力發電高出2~3倍。【圖二】顯示以柴油、天然氣、氣渦輪與燃料電池等四種發電機發電效率之比較，在不同輸出功率之下，燃料電池的發電效率都略勝一籌。
圖二：不同發電機之發電效率比較
肆、燃料電池的早期應用
雖然燃料電池的能量儲存與能量轉換等特性優於其他的發電方式，但成本偏高亦導致其商業化進度緩慢，較早期的發展動機源自於美蘇兩大軍事強權的太空競賽，距離Grove爵士1839年的發明已超過一百年之久。1957年蘇聯成功發射全球第一枚人造衛星Sputnik I後，刺激美國於1958年成立太空總署(NASA)與之抗衡，NASA專責於研究載人太空飛行的構想，並於稍後提出阿波羅計劃(Apollo Space Mission)。
NASA在規劃太空船電源時，曾考慮太陽能電池、二次電池、核能與燃料電池等方式，其中太陽能電池體積過大，二次電池電能不足且笨重，核能技術則有其危險性，皆有其明顯的缺陷。相較之下，燃料電池不僅有耗氧少與重量輕的優點，且其副產品水和熱更是太空人維生所需，因此燃料電池雀屏中選，成為早期太空船的電力來源。訓練太空人的先期計劃為雙子星計劃(Gemini Program)於1962年展開，該計劃採用GE公司所研發的固態高分子燃料電池，但電池壽命與輸出電力不符所需，加上生成水遭電解質劣化所污染，無法供應太空人飲用，整體效果仍不盡理想。1966年Dupont公司解決電解質劣化問題，也克服生成水無法飲用的難題。然而，為了在月球高溫的表面正常運作，阿波羅登月小艇上所搭載的電源是United Technology公司所開發的鹼性燃料電池，而非GE的固態高分子燃料電池，目前太空梭裝載的電力來源也是鹼性燃料電池。
伍、燃料電池的種類
適合用來製造燃料電池的材料繁多，包括高分子材料、金屬、陶瓷與半導體等，不同材料所製造的成品特性亦有頗大的差異燃料電池，較常採用之分類法為依電解質種類加以區分。不同的燃料電池之電解質及操作溫度差異頗大，燃料、電極材料及發電效率等亦不相同，適用於不同的環境之下。若依運轉溫度高低區分，燃料電池可分為低溫型(＜200℃)與高溫型(＞300℃)兩種。低溫型的優點在於溫度較低而容易操作，熱所造成的影響亦較低，因此可用的材料選擇多樣，製造限制較少，易於小規模化。低溫型於啟動後可快速達到運轉溫度，適用於需要頻繁啟動與停止的系統。但低溫型運轉溫度較低，必須以昂貴的白金作為觸媒，且氫氣燃料若含有少許一氧化碳，即可能降低白金觸媒的性能，造成可用的燃料較受限制。此外，低溫型的熱能溫度較低，可再利用的空間不大。高溫型可採用煤氣等多種燃料，排出的高熱可再利用的空間大，若加入汽電共生系統，發電效率可明顯提高，但高溫的特性亦造成材料與設計上的困難。
一、固態高分子燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC)
PEMFC的發電原理為氫氣從流體接頭進入電池堆，在觸媒層經由白金觸媒的催化之後，氫氣氧化為質子並釋放出電子。質子受到電滲透力的驅動，經由電解質層(質子交換膜)輸送至陰極觸媒層，電子則經由外電路進入陰極觸媒層。質子、電子與氧氣三者藉由陰極觸媒層的白金催化而產生水。由於高分子材料須在潤濕的狀態下使用，且耐溫性有限，PEMFC運轉溫度較低，介於60~100℃之間，能量轉換效約50%。PEMFC的反應物是氫氣與氧氣，生成物則包括純水、直流電流及廢熱，這三種生成物都是可利用的資源，而且發電過程並未產生污染，因此是一種環保的發電裝置。PEMFC利用電化學反應原理，發電效率較高，又可把所產生的熱能在汽電共生系統中再度利用，因此PEMFC亦是高效率的發電技術。
由於PEMFC的電解質為固態，不易因震動而流失，維護較為簡便。其次，PEMFC可在室溫下運作，起動時間短，亦可立即停止。再者，PEMFC具有高發電效率與高電流密度，可實現小型輕量化的目標。由於PEMFC具有上述的優點，PEMFC成為是目前交通運輸業應用最多的燃料電池，而PEMFC在特殊用戶的分散式電源和家庭用電源方面有一定的市場，但不適合做大容量中心電站。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，比較不適合用在大型發電廠。
二、磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cells,PAFC)
PAFC為第一代燃料電池，該型燃料電池使用磷酸為電解質，電極則採用白金為觸媒，其陰陽極發生的化學反應與PEMFC相同。高溫使觸媒對碳氫燃料改質(reformation)所產生的污染物較具承受力，故PAFC亦可使用天然氣、丙烷或沼氣等碳氫燃料。
PAFC普遍應用在中大型固定式發電設備，轉換效率約36~42%，若採汽電共生設置，則轉換效率更高達85%。PAFC是目前在民生消費應用經驗最多的燃料電池技術。目前全球共計有超過200具PAFC提供醫院、飯店、辦公大樓、機場、垃圾掩埋場、廢水處理廠及發電廠等的自主發電，近年來其可靠度明顯提昇，為最普遍的燃料電池類型。
三、鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cells,AFC)
AFC以氫氣化鉀作電解質，觸媒電極可採用多種非貴金屬，但一般仍以效果效佳的白金為主，運轉溫度介於23~250℃。燃料須採用壓縮的純氫氣，反應速率快，轉換效率60~70%。
與其他燃料電池相比，AFC功率密度較高且性能可靠，為其優勢所在，但AFC以純氧為氧化劑，且必須使用鉑等貴金屬做催化劑，成本較為昂貴，加上電解質會腐蝕電極，使用壽命較短，因此目前AF的主要用途仍為國防軍事和太空任務。
四、融熔碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cells,MCFC)
MCFC被視為緊接著PAFC之後商品化的燃料電池，一般稱為第二代燃料電池。MCFC以碳酸鋰與碳酸鉀混合而成的碳酸鹽為電解質。運轉溫度介於600~750℃之間，燃料亦有多樣的選擇，包括氫、天然氣、甲醇、原油與氣化瓦斯等。轉換效率介於50~60%之間，利用汽電共生系統後，轉換效率可達到80~85%。
由於MCFC具有餘熱利用價值高且電池構造材料價廉等諸多優點，為目前大型固定式綠色電站的主流，主要應用於電廠、船、鐵路用車等系統之電力供應。
五、固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells,SOFC)
SOFC為第三代燃料電池，其電解質是固態的陶瓷材料，一般為氧化鈣或氧化鋯，將氧離子輸送至陽極，與氫原子結合後形成水，並釋出自由電子產出電流。SOFC採用固態氧化物作?電解質，除了轉換效率高與環境親和性佳的優點外，它無材料腐蝕和電解液腐蝕等問題。SOFC的燃料適用範圍廣，不僅能用氫氣，還可直接用一氧化碳、天然氣(甲烷)、煤氣、碳氫化合物等作燃料。SOFC屬於高溫型，運轉溫度高達800~1000℃，轉換效率最高可達45-55%，若加上汽電共生系統，能量轉換效率可達到80-85%的。SOFC適合於分散和集中發電，常見用於醫院、旅館及大學校區等居住用供電及電廠發電。
六、直接甲醇燃料電池(Direct methanol fuel cells, DMFC)
DMFC使用未經轉化的液態甲醇(工業酒精)為燃料，因此DMFC燃料成本極低。其運轉溫度約在50~120℃，能量轉換效率約40%，不如上述的五種系統。由於可小型化、供電穩定並可再填充，目前是可攜式電子產品最熱門的充電電池替代方案。業者目前仍在改進隔腐蝕、燃料滲漏及小型化等問題。
陸、燃料電池的限制與缺點
除了較大型的發電系統外，燃料電池亦逐漸應用在汽車與可攜式裝置之上，簡介如下：
一、汽車
根據美國IEA的統計，交通運輸所排放的二氧化碳占20.8%，其中道路運輸比重又高達17.5%，為達成減碳目標，減少汽車石化燃料的使用為當務之急。由於燃料電池的生成物為無害的純水，若用於汽車的動力來源，行駛過程不會排放二氧化碳，可快速達成減碳的目標。
目前各大車廠所開發的燃料電池車的架構繁多，但最常使用燃料電池為固態高分子燃料電池(PEMFC)，可使用的燃料包括氫氣、甲醇與汽油等。就三種燃料電池的溫室氣體排放量比較，使用氫氣、甲醇與汽油燃料電池車每行駛一公里所排放的溫室氣體量依序為190g、200g與230g，以氫氣燃料的表現最佳。
其次就能源效率評估，氫燃料電池車的能源效率為22~36%，甲醇改質燃料電池車的能源效率為20~28%，而石油改質燃料電池車的能源效率為24~31%，氫燃料電池車的能源效率仍是最佳。就溫室氣體排放與能源效率兩個角度評估，直接使用氫氣的燃料電池車是最好的選擇，因此目前所有車廠皆發展以純氫為燃料的燃料電池車。然而純氫燃料電池車仍有許多困難需克服，加氫站不足造成消費者卻步，而建置加氫站的成本高昂，建置速度緩慢。此外，相關零組件價格不菲，亦造成燃料電池車的單價偏高，更是打擊購買意願。
二、可攜式電源
3C產品朝多功能演進，對電力的需求更加嚴苛，單就燃料電池加入燃料後即可連續發電的角度來看，燃料電池更能滿足消費者需求。目前業者已開發出NB、PDA與MP3等產品的燃料電池，供電時間較鋰電池等二次電池更長久，部份機型可連續供電長達一個月之久，未來應用範圍將擴大至攝影機、可攜式工具機、低功率遙控裝置、防盜器及軍用品等。
目前3C產品的燃料電池以直接甲醇燃料電池(DMFC)，燃料成本雖低，電能轉換效率卻是所有燃料電池之最低者。相較鋰電池而言，DMFC能量密度較高，但現階段仍無法取代鋰電池在3C產品的地位。主要原因在於燃料電池的購買成本偏高，再加上二次電池充電的成本甚低，消費者花錢去購買燃料補充盒的動機不強。此外，燃料電池無法快速增加Feed-in燃料量以應付尖峰負載時電力需求變化，也是亟需改善的問題。
