壹、前言

世界人口增長迅速至2013年已逾70億人，預計2040年時將達90億人，地球人口的迅速增加伴隨著物質文明的享受，使得能源消耗迅速。煤、石油、天然氣甚至頁岩氣及可燃冰都有枯竭的一天令人憂慮。石油是目前交通工具的燃料來源，沒有了石油將令交通工具停擺，石化工業也將沒有原料生產，人類文明將立即倒退。據估計全球的原油存量將在39年後枯竭，天然氣是60年，煤礦也只有約200年。然而實際的消耗速度可能更快，也就是說，如果未能發展出新的替代能源，能源危機就要降臨了。前國際能源署（IEA）執行總裁Claude Mandil在其《2006年世界能源展望》發行時說"世界政治領導人已經面臨需要對改變未來的能源狀况作出明智決定〞，Mandil强調根據目前趨勢預測，顯示我們將面臨的能源前景是骯髒、不安全和昂貴的，報告中並強調核能可减少二氧化碳的排放對緩和溫室效應有很大貢獻，核能的未來發展關係到整個人類的前途。

除了核能外，氫能的時代也即將到來，美國前能源部副部長麥克史萊羅(Kyle McSlarrow)在一場能源會議上表示，美國正在尋求能源多樣化，其中前布希總統在2003年提出的氫能經濟就是其中之一。發展氫能經濟的好處是可以利用國內資源來生產，不需像石油一樣仰賴進口。燃燒氫氣不會產生二氧化碳等溫室氣體，水和熱是唯一產物，因此使用氫氣這種清潔能源最大的好處就是保護環境。但要經濟有效的量產氫氣供燃料電池使用仍須藉助核能。綜合能源專家的觀點，世界能源科技發展的趨勢主要表現在六方面：(1)化石燃料的高效率開發及清潔利用(2)可再生能源的飛速發展(3)核能出現復甦跡象(4)二氧化碳近零排放的煤炭利用(5)氫能作為未來清潔能源(6)電網安全和可靠保障。

電力是國家的生命力，台灣資源匱乏，不論石油、煤或天然氣都必須依賴進口，進口的能源除了價格上漲的威脅外，如何取得長期穩定的能源更是頭痛問題，世界主要國家莫不競相爭奪可靠的能源，電力是各項工業的主要成本，有廉價穩定可靠的電力才能吸引投資穩定民生物價，在世界大環境能源有限且價格上漲的情勢下，廉價的核能發電顯得格外的重要。而溫室效應的夢魘亦促使氫能加速發展，台灣沒有資格放棄任何一種能源，為了台灣經濟的永續發展，如何找出台灣能源發展的正確方向並趕上世界能源發展主流是迫在眉睫的!

貳、氫能時代的到來

目前維持人類文明所消耗的能源是以碳循環的方式進行，綠色植物藉光合作用將太陽能轉換成含有機碳的葡萄糖供其他動植物賴以維生，而同時空氣中的二氧化碳也轉換成碳氫化合物將太陽能轉換成化學能，動植物經由呼吸作用又產生二氧化碳回到大氣中，此謂之碳循環，在遠古時期二氧化碳的消耗與產生應可平衡，但工業革命後人類大量使用煤、石油而產生過多的二氧化碳因而造成溫室效應的環保問題。隨著化石燃料的日漸枯竭，氫能的使用應運而生，氫能不只是替代石油能源的明日之星，其燃燒及產生過程均與二氧化碳無關自成一循環稱之為氫循環。

能源可以分為兩大類，一次能源和二次能源。一次能源是指以自然形態存在的能源，包括風能、水能、太陽能、地熱能和核能等。二次能源是指由一次能源經過加工轉換以後得到的能源，包括電能、汽油、柴油、液化石油氣，氫能等。二次能源又可以分為“過程性能源”和“合能體能源”，電能就是應用最廣的過程性能源，而汽油和柴油是目前應用最廣的合能體能源。使用氫能燃料電池的交通工具被認為最有希望取代以汽油為能源的內燃機交通運輸工具。對氫能的應用主要是通過氫燃料電池來實現的，氫燃料電池本質不同於內燃機，氫燃料電池通過化學反應產生電能來推動汽車而內燃機車則是通過燃燒產生熱能來推動汽車。由於燃料電池汽車工作過程不涉及燃燒因此無機械損耗及腐蝕，氫燃料電池所產生的電能可以直接被用在推動汽車的四輪上從而省略了機械傳動裝置，研究證明氫燃料電池的產能效率是內燃機的四倍以上且對空氣和環境無污染。隨著氫能不斷被媒體關注和曝光，氫經濟一詞也逐漸被政治家和戰略家們提出。正如全球對石油高度依賴導致了石油經濟一樣，氫能的廣泛應用將影響到每個人生活的方方面面，進而成為主導經濟的主要因素和工業的血液。由於氫能技術特別是氫燃料電池技術不但可以驅動汽車，船隻和飛機，還可以為手機，電腦，工廠及家庭提供穩定高效無污染電源，實際上氫經濟比石油經濟的影響還要廣大和深遠。

一、燃料電池與氫能的發展

(一)燃料電池的歷史

隨著現代文明的發展，人們認知傳統的能源利用方式有兩大缺點，一是儲存於燃料中的化學能必需首先轉變成熱能後才能轉變成機械能或電能，受卡諾循環及材料限制，效率只有33~35%，一半以上的能量白白地損失掉了；二是傳統的能源利用方式帶給環境廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪音的污染。多年來人們一直在努力尋找既有較高效率又不污染環境的能源利用方式，這就是燃料電池發電技術。

1839年英國的Grove發明了燃料電池，並用以鉑黑為催化劑的氫氧燃料電池點亮了倫敦演講廳的照明燈。60年代，燃料電池成功地應用於阿波羅登月太空船，從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛用於太空領域，同時磷酸燃料電池也研製成功。從80年代開始，各種小功率電池在軍事及交通等各領域中均得到應用。依據電解質的不同，燃料電池分為鹼性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質子交换膜燃料電池（PEMFC）等。

(二)氫燃料電池是什麼？

氫燃料電池技術不但可以驅動汽車，船隻和飛機，還可以為手機，電腦，工廠及家庭提供穩定高效無污染電源，實際上氫經濟比石油經濟的影響還要廣大和深遠。1970 年4月10日阿波羅13 號太空船登月途中發生意外，使曾經出過十數次任務的氫氧燃料電池開始為人們所注意。這種太空任務中使用的發電裝置，是一種能源直接轉換裝置，將化石燃料中的碳氫化合物化學能，經由觸媒及電催化的反應機制，直接轉換成電能。它是未來最優越的發電技術之一，不僅發電效率高，對環境的污染亦相當輕微。

       燃料電池是用汽油、酒精、天然氣、氫氣、沼氣等燃料轉換成電流。可以替代汽車的內燃機，取代筆記型電腦的電池、手機電池、計算機、汽機車、游艇等設備之發電用。充電時，只要清空充滿副產品水的容器，然後再裝進燃料(酒精等燃料)即可。燃料電池，簡單的說，就是一個發電機。燃料電池是火力、水力、核能外第四種發電方法。德國，被用作潛水艇的動力日本FCX-V3 燃料電池汽車的燃料氫是填充在250 個大氣壓下的高壓蓄氫槽裡。2002 年12 月日本豐田公司與本田公司已出產世界第一批燃料電池汽車。加拿大Mark-900 燃料電池，是使用甲醇或氫為燃料，可在零下40℃低溫下工作。大量生產時，燃料電池的成本與現有內燃發動機接近。我國業者將氫氧燃料電池運用在電動自行車上，電力用完了，只要加燃料氣即可迅速恢能電能，符合快速環保方便的需求，的確是新發明新世紀的電池。氫氧燃料電池關鍵組件是電池內部兩片基板中的薄塑膠質子交換膜，目前仍是杜邦公司的專利權。目前電動車仍多數使用鉛酸電池，部分採用鎳氫電池，而鋰電池仍有成本高及充電時間長等問題；採用燃料電池做為電動自行車電能來源，將使我國電動車產業直接跳過鋰電池，進入燃料電池時代。

(三)燃料電池的特點與原理

由於燃料電池能將燃料的化學能直接轉化為能，因此没有像火力發電須通過鍋爐、汽輪機、發電機的能量變化，可以避免能量轉換損失，達到高發電效率。同時有以下特點：

• 不管是負載多寡及裝置規模大小均能保持高發電效率
• 具有很強的過負載能力且可適用的燃料廣泛
• 發電出力由電池堆的出力和組數決定，機組容量的自由度大
• 電池本體的負荷反應性好，用於電網調峰優於其他發電方式

燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同，其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極，正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池内部，因此限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供给，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續發電。    

燃料電池不受卡諾循環限制，能量轉換效率高，潔淨、無污染、噪音低，模組結構、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之後第四代發電裝置和替代内燃機的動力裝置。國際能源界預測，燃料電池是21世紀最有吸引力的發電方法之一。

(四)世界各國發展氫能狀況

美國政府將氫能和燃料電池確定為維繫經濟繁榮和國家安全必須發展的技術之一。能源部目前的特定目標主要有三個，即從現有的和未來的資源中獲取氫能；自由汽車計畫；燃料電池研究。燃料電池研究包括兩個項目：一是“氫能、燃料電池和基礎設施技術項目”，將氫能生產、儲藏和運输方面的技術進行整合，其主要目標是降低氫能生產和配送成本，開發高效、低成本的燃料電池技術，同時建立高效率、低成本的氫能輸送基礎設施網絡。二是“自由汽車和汽車技術項目”，主要將資金集中支持涉及輕型汽車、燃料電池以及相關基礎設施等方面的一些研究項目。 

國防部的研究則主要集中於氫能和燃料電池在軍事方面的應用，研究重點核心項目包括“高級電力和能源項目（APEP）”、“熱電電力生產”、軍事應用研發燃料發生器（達到10kW）等。美國能源部在華盛頓舉行的一場能源會議上表示，美國正在尋求能源的多樣化，其中布希總統在2003年提出的氫能經濟的遠景就是其中之一，美國發展氫經濟已從政策的評估進入了技術研發階段。

歐盟25國在2003年促成了“歐洲研究區”(ERA)，旨在從共同體的層次來開展更具戰略意義的研發活動。該項目涉及諸多領域，包括奈米技術和燃料電池。作為該項目的内容，歐盟建立了大量的研發“平台”，其中就有“歐洲氫能和燃料電池技術平台（EHFCP）”。該平台的目的在於向歐盟委員會推荐燃料電池和氫能技術發展的一些關鍵性領域。在ERA之前，. 歐洲制訂了“至2005年歐洲的研發與示範戰略”，這是一個為期10年的研發戰略，其中明確地提出了2005年歐盟燃料電池研發所要達到的目標，其核心是降低燃料電池的成本。 

日本研究氫能較早，目前燃料電池是日本氫能的主要發展方向，主要分為車載電池和固定裝置電池兩類。日本本田的氫燃料電池轎車已透過檢測，成為商品車。日本政府為促進氫能實用化和普及、完善汽車燃料供給體制，已於２００５年完成了燃料電池車公路行駛驗證、氫氣站驗證、住宅用和業務用燃料電池驗證。全國出現了不少“加氫站”，近百輛燃料電池車已經取得牌照上路。政府計劃逐漸擴大燃料電池車的市場規模，到２０３０年，燃料電池車達到１５００萬輛，固定裝置燃料電池發電能力達到１２５０萬千瓦。日本自1974年由經濟產業省提出“陽光工程”以來，對各种新能源開發一直非常活躍。1993年進一步提出了新陽光工程，主要致力於太陽能、風能、燃料電池、潔淨煤技術的研發，並且尋求國際合作共同致力氫能系統的開發。目前，就各種燃料電池而言，PAFC和MCFC在日本已經得以應用。而應用於汽車領域的PEMFC也進入實用階段，SOFC的應用在不久的未來也將商業化。

       韓國是我國的強勁經濟對手，近年來多項經濟發展均超越我國，其能源政策值得我們參考，重度依賴進口能源的韓國，提出四個階段的發展計劃，於2040年前以氫能替代現有的石化能源。第一階段是由韓國前三大煉油廠，SK企業., LG Caltex及Korea 瓦斯公司於2007年建造三座加氫站，第二階段則是在2012至2020推動燃料電池的商業化，預計於2030年可望建造氫能經濟的發展基礎。2003年韓國科技部在“21世紀前沿科學計畫”項目的資助下成立了“氫能研發中心”。該中心針對韓國未來10年内氫能的發展，將目標分解為三階段，即2003～2005年基礎研究階段、2006～2008年示範階段、2009～2012年推廣執行階段，每個階段均涉及氫能生產、貯藏和利用三方面。

     加拿大計劃將燃料電池電動汽車技術發展成國家的支柱產業，加拿大對氫能的研究與開發投入在增加，加拿大的長期目標是搶佔世界氫能領域的制高點。加拿大總理宣布聯邦政府將為“氫公路項目”提供資助。氫公路項目的實施將是加拿大能源史上的氫能革命。該項目的具體內容是在2010年前，在溫哥華到2010年冬奧會主辦城市威斯勒的120公裡公路上建立5個燃料電池車的加氫站，並生產出必要數量的燃料電池車，由氫燃料電池車承擔2010年冬奧會期間機場與主辦城市之間的人員運輸任務。
   中國對氫能的研究與發展可以追溯到60年代初，中國科學家為發展航天事業，對作為火箭燃料的液氫的生產，H₂／0₂燃料電池的研製與開發進行了大量而有效的工作。將氫作為能源載體和新的能源系統開發則是7O年代的事。氫能的利用首先必須解決氫源問題，大量廉價氫的生產是實現氫能利用的根本。中國在氫能單項技術研究方面有的達到世界先進水平，例如在在儲氫合金材料方面已批量生產，並由高等院校、中國科學院及石油化工等部門組成氫能研究、開發團隊，在國家自然科學基金會、國家科學技術部、中國科學院和中國石油天然氣集團公司的支持下，在製氫技術、儲氫材料和氫能利用等方面進行了開創性工作，中國自己研製的燃料電池汽車已實驗跑行兩千多公里，同時在北京和上海進行的燃料電池公共汽車示範項目得到聯合國開發署(UNDP)、全球環境基金(GEF)支持。