綠色能源課程 氫能燃料電池的法拉第與能量轉換效率

<本內容參考leXsolar 1218 範例實驗，嚴禁轉載>

在全球積極推動淨零排放與再生能源的今天，「氫能」逐漸成為科學教育的重要主題。氫燃料電池(Fuel Cell)，尤其是質子交換膜燃料電池(PEMFC)，是一項兼具化學、物理與能源科技的跨領域技術，非常適合作為國高中自然科與大專能源課程的重要教材。

本篇文章將帶你從科學本質出發，理解氫能如何透過「電化學反應」轉換成可用的電能，同時學習如何計算兩項核心指標：法拉第效率(η_F)與能量轉換效率(η_E)。內容也會連結至108課綱中的電化電池、氧化還原與能量轉換概念，協助老師輕鬆規劃跨科整合教學。

探索目標：理解燃料電池的兩項關鍵效率

在本實驗中，我們將使用 leXsolar 的氫能燃料電池模組，從製造氫氣到電池發電的完整流程進行操作。你的任務是深入理解以下兩個重要的性能指標：

法拉第效率(η_F)

法拉第效率反映的是「氫氣是否被有效利用」。
在理想情況下，每1 mol的氫氣可以釋放2 mol的電子。然而在真實系統中，部分氫氣可能因洩漏或副反應未完全反應。因此，法拉第效率用來衡量實際參與反應的氫氣占總氫氣消耗量的比例。

關鍵概念 (連結108課綱): 此效率計算牽涉到電子莫耳數與電荷的換算，正是高中化學「法拉第常數」、「電解與電化電池」的核心知識。

能量轉換效率(η_E)

能量轉換效率衡量燃料電池是否有效地將氫氣的「化學能」轉變成「電能」。
也就是說：生成的電能與氫氣理論能量含量相比如何？

關鍵概念 (連結108課綱): 此部分與電化學電位、吉布斯自由能、能源轉換效率有關，能與生活科技、地球科學中的「再生能源」主題做跨科延伸。

背後的科學：氫能與PEMFC為什麼重要？

為了更理解實驗，我們需要先從氫燃料電池的基本原理開始。

氫能是如何成為「綠能」的一部分？

氫氣本身不是能源來源，而是一種「能量載體」。當氫是以再生能源產生(例如使用太陽能電解水)，整個流程就成為真正的「綠色氫能」。
使用氫氣於燃料電池時，最終排放物只有水，因此非常符合淨零排放理念。

PEMFC的運作三步驟

PEMFC全名是「Proton Exchange Membrane Fuel Cell (質子交換膜燃料電池)」，其運作可拆成三個步驟：

1. 氫氣進入陽極 → 被催化分解成H⁺與e⁻

• 電子(e⁻)走外部電路，形成可用電流
• 質子(H⁺)透過膜移動到陰極

2. 電子通過外電路 → 電流輸出

這就是我們在實驗中用電流感應器量到的數據。

3. 陰極端：H⁺與O₂與e⁻結合 → 產生水

整個反應乾淨、無污染。

為什麼法拉第效率與能量效率很重要?

這兩項效率是能源工程師最常用來評估燃料電池性能的指標：

• 法拉第效率偏低 → 氫氣利用率不佳
• 能量效率偏低 → 能源轉換過程有過多損耗(例如過電位、內阻)

在教育場域中，透過學生自行量測電壓、電流、氫氣產生量，能讓他們從數據中真正看到能量轉換的限制與科學原理，強化探究與實作能力。

實驗設備與材料

本實驗以 leXsolar 氫能高級/特級模組為基礎，內含完整的氫氣製備與燃料電池發電系統。

leXsolar 燃料電池實驗模組（高級 / 特級）

• 電路基板
• 質子交換膜燃料電池(PEMFC)模組
• 電解器模組(製造氫氣與氧氣)
• 氣體儲存模組
• 太陽能板(用於提供電解器能源 → 演示「太陽能製氫」)

數據量測配件（擇一）

• 數位電表 × 2
• PASCO PS-3211A 無線電壓感應器、PS-3212 無線電流感應器

（＊高級模組不含數位電表）

其他材料

• 連接線材
• 蒸餾水(需使用純水避免雜質降低電解效率與燃料電池壽命)

延伸閱讀: 氫能與108課綱跨科怎麼結合?

以下是老師可在課程中延伸的方向：

化學科

• 氫氣的製備(電解水、金屬與酸反應)
• 氧化還原與電子轉移
• 電化電池 vs 電解池的差異

物理科

• 電壓、電流、電阻與功率
• 能量守恆
• 內阻與效率

地球科學與科技領域

• 再生能源 (太陽能、風能、綠色氫能)
• 淨零排放與能源轉型
• 氫能在交通(氫燃料車)與儲能上的應用

這些議題都能與本實驗做連結，形成探究式或跨科專題。

點擊下方可下載本次實驗完整講義：

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