燃料電池(Fuel Cell)為一種新穎的電能供應系統，透過電化學反應，在需要電能時將燃料的化學能轉化成電能即可使用，為一種即時產生電能之裝置，只要持續供應燃料，電能的供應便不虞匱乏。目前最常用的燃料為氫氣及甲醇，由於氫氣及甲醇皆可取自於可再生來源，而且又不會造成環境污染，燃料電池亦是一種合乎環保概念的綠色能源。根據美國Allied Business Intelligence(ABI) 公司最新的研究報告指出，2004年全球燃料電池市場規模雖然還微不足道，但2007-2010年為市場切入及成長之關鍵階段，較保守估計2013年燃料電池的市場將會成長至186億美元，主要可區分為汽車，定置型(Stationary)發電和可攜式電子產品等三大應用領域。初期燃料電池產品主要用於定置型發電及可攜式電子產品，而汽車用燃料電池的實現則會較晚發生。全球前十大跨國資本幾乎均有投資燃料電池產業，開發廠商可以區分為材料／系统供應商及產品生產商，產品生產商包括Ballard、MTI、Smart Fuel cell、Comite d’Energie Atomique (CEA)、Toshiba、Casio、Sony、Medis、NEC、Motorola、Lawrence Livermore National Labs、Samsung及BASF等，皆已有高價的商品或接近商品化之雛型。而材料／系统供應商主要為Dupont、Tanaka、BASF、E-Tek、Johnson Matthey、MTI micro fuel cell、Polyfuel、Plug Power及Ballard Power Systems等。
質子交換膜燃料電池觸媒(PEMFC)
質子交膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)主要包括PEFC及DMFC(直接甲醇燃料電池或Direct Methanol Fuel cell)兩種使用固體質子交換膜(Proton Exchange Membrane或 PEM)為電解質之燃料電池，為目前效果最佳燃料電池之一。質子交換膜燃料電池在低溫操作，對材料的要求較簡單且應用領域亦最廣泛(如表一所示)，幾乎涵蓋可攜帶式產品(尤包含以用途廣泛之3C及3G等產品)、汽車及定置型發電等主要領域，為目前發展迅速且最具商機之產品。
表一、主要燃料電池應用領域
資料來源： Thomas, S. /工業材料雜誌第251期
PEMFC為目前技術最成熟及最接近商業化階段的一種燃料電池，可以使用氣相氫氣或液相甲醇為燃料(其他液相燃料包括乙醇、甲酸及乙二醇等)，是近年來最受觸目的研發及應用課題，雖然觸媒效率已有極大的進步，但距落實商業化階段仍有差距，成本偏高及效能未臻理想為商業化之主要瓶頸。以氫氣為燃料之質子交換膜燃料電池(簡稱為PEFC)優點為氫分子的反應速率遠高於液態甲醇燃料，因而發電效率較高，但主要缺點則是氫氣儲存及攜帶不方便，因此較適用於定置型、汽車或較大型的移動式應用。使用液態甲醇燃料的優點則為燃料容易運輸、攜帶及更換方便，但燃料反應性及效率則遠低於氫氣，因而較適用於可攜帶式消費性電子產品。雖然質子交換膜燃料已接近商業化階段，但仍有相當多待解決之問題才能實現大眾化之理想，開發高效率及低成本電極觸媒為其中之一。
PEFC與DMFC皆使用質子交換膜(PEM)為電解質，發電核心皆為膜電極組(Membrane Electrode Assembly或MEA)，由PEM與陽極及陰極所組成。質子交換膜的主要功能除了作為質子從陽極傳輸至陰極的媒界外，同時亦肩負阻擋電子穿透至陰極及防止反應物混合等功能，為PEMFC極重要的關鍵材料之一。受限於Nafion質子交換膜的操作温度，目前PEMFC的最高操作溫為80℃，雖然使用電極觸媒，但燃料及氧分子的電催化反應效果仍未臻理想，導致燃料電池運作效果欠佳及成本過高等問題，以致延誤商業化的時程。分析導致PEFC效果不佳主要原因之一為MEA效率不如理想，MEA效率下降主要源自於陰極，PEFC的理論輸出電壓為1.23 V (25℃)，但實際的輸出則遠低於理論值，例如在能量密度為0.5 A/cm2時的電壓輸出只有約0.75V，主要原因為陰極電化學反應不佳所致，在能量密度0.5 A/cm2時造成的0.4V電壓下降，成為PEFC電壓輸出下降之主要原因，由此可知提升陰極電化學反應效率之為改善目前PEFC效果不彰之關鍵。
DMFC的理論輸出電壓為1.18 V (25℃)，有別於PEFC，DMFC MEA除了陰極的電化學反應效率不佳，導致約0.4V(0.5A/cm2)的電壓下降外，陽極的電化學反應亦由於甲醇的不易活化而致效率欠佳，衍生的電壓下降約為0.3V(0.5A/cm2)。因應上述缺點，早期DMFC必須使用非載體觸媒—鉑黑(Pt black)，才能達到基本的發電效果，鉑的使用量往往高達5-10mg/cm2，近期由於觸媒技術的進步，已可以使用高擔持量碳載體觸媒(金屬loading>60%)來取代鉑黑觸媒，達到大幅降低觸媒鉑使用量的效果，鉑的使用量已降至2-4 mg/cm2，但成本仍然居高不下，必須開發活性更佳觸媒及鉑用量更低的觸媒才能落實DMFC商業化。
電極觸媒的成本
鉑為目前PEMFC陽極及陰極最有效的觸媒成份，鉑的價格遂成為觸媒成本之主要關鍵。如圖一所示，自2002年鉑價格從約560美元/troy oz (31.1g)開始飊升，自2006年漲破1,000美元後，鉑的價格便一直維持在1000美元以上，2007年甚至曾達到1336美元的高點，以鉑為主要成份的電極觸媒自然成為PEMFC的主要成本，由於鉑價格大幅下降的機會不高，要降低本只有從提升觸媒性能及降低用量才可達成。除了鉑的價格居高不下外，陽極觸媒另一主要成行-釕(Ru)的價格亦從2003年的90美元漲至800元以上，由此可知以貴金屬為主的電極觸媒價格除了價格偏高導致成本偏高外，貴金屬價格的波動亦影響PEMFC的成本。
圖一、近5年鉑價格
資料來源：http://www.platinum.matthey.com/pric /工業材料雜誌第251期
圖二、近5年釕價格
資料來源：http://www.platinum.matthey.com/pric /工業材料雜誌第251期
PEFC觸媒成本
PEFC主要應用領域之一為汽車，為目前各國氫經濟的主要目標應用，如以2006年產量1000輛的小規模生產量計算，觸媒只佔電池堆(stack)成本的3成5，但如以較實際年產量500,000輛來估計(ABI估計美國2015年汽車生產量約為1百萬輛)，GDL、質子交換膜及燃料電池加工等成本皆會因為大量生產而下降，但觸媒由於成本主要源自於鉑的價格，除非觸媒活性能夠大幅提升，否則觸媒成本不會因為大量生產而致大幅下降，以目前觸媒技術，觸媒約佔電池堆生產成本的7成，如圖三所示。根據美國能源部氫能計畫對車用PEFC觸媒的目標設定，2010及2015觸媒的鉑使用量將由2006年的0.65 mg/cm2分別降為0.29及0.19 mg/cm2(如表二所示)，到時觸媒佔電池堆的成本亦會分別降為4成5及3成5，要降低PEFC的生產成本，觸媒活性提升為必要的途徑。除了提升觸媒的活性外，2015年觸媒壽命亦需從目前的2006的~1000小時增加至5000小時。
圖三、PEFC電池堆(stack)材料成本分佈
資料來源：James, B. /工業材料雜誌第251期
表二、美國DOE 車用PEFC開發目標
資料來源：James, B. /工業材料雜誌第251期
DMFC觸媒成本
與PEFC比較，DMFC的主要成本亦來自膜電極組，約佔成本的7-8成，而觸媒的成本又佔膜電極組4至9成(如圖四所示)，隨著觸媒研發的大幅進步，DMFC觸媒的使用量已從8mg/cm2降至4mg/cm2，但要落實商品化及大衆化，觸媒用使量下降至2mg/cm2才有機會切入市場，如以大衆化的大量生產，觸媒在膜電極組所佔的成本仍高達7成以上，要落實商業化，必須開發活性更高的觸媒才能達成。
圖四、DMFC MEA成本分佈
資料來源：Lei, H. /工業材料雜誌第251期
以DMFC為代表的消費性電子產品目燃料電池，DOE 2010年的成本目標為3美元/W (如表三所示)，以2005年的40美元/W為基準，除了成本需下降10倍以上，電能量密度及壽命都分別要提升3倍至10倍以上，如以目前觸媒佔成本5成以上，觸媒的活性亦要提升10倍以上才能達到目標，由此可知除非有突破性的進展，DMFC大衆化的目標不易達成。
表三、美國DOE消費性電子產品燃料電池開發目標
資料來源：DOE Technical Plan /工業材料雜誌第251期
★詳全文：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6444