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2017-10-01可乘式燃料電池教具及趣味能源教育之推廣
430 期
Author 作者
蕭德仁／國立科學工藝博物館助理研究員。
在面臨溫室效應、全球暖化、能源短缺與環境惡化下，「能源」、「節能」與「環保」等議題也一再地發酵。因此，各種「潔淨能源」的研究、應用及推廣，均如火如荼的進行。其中，氫能可算是一顆明亮之星，因為氫不僅可以直接燃燒產生熱能利用，也可將其化學能經由燃料電池與氧氣產生電化學反應轉換為電能使用，且過程中只會排放「熱」與「水」，不會污染環境，為環保發電機，基於環境永續之發展，已被視為未來具有發展潛力的能源之一。
教具為教學時重要的輔助工具，有適合的教具，才能營造出學習氣氛，達到事半功倍、寓教於樂的教育效果。因此，為了能源扎根教育及推廣「燃料電池」的知識及未來能源發展趨勢，國立科學工藝博物館（簡稱：科工館）開發一系列可以乘坐、與觀眾互動性高、演示效果顯著，且具有傳統與現代科技結合的「燃料電池」相關教具，激發參觀民眾及學生學習的興致及提昇學習的成效，進而輕鬆達成推廣節能減碳、燃料電池及環境保護的能源教育。
燃料電池是什麼
燃料電池是火力、核能、水力，及風力、太陽能等再生能源發電技術以外的新發電技術，它不像傳統電池一樣只能充當電能的儲存單位，也不是如內燃機一般將燃料燃燒而產生熱來作功，而是利用電化學的原理，直接將燃料中的化學能轉化為電能的裝置，是一種環保發電機，如把燃料電池裝設於車輛上，搭配馬達及傳動系統，就成為電動交通工具，而且有優異的環保效益。
燃料電池的種類一般可分為：質子交換膜燃料電池（PEMFC）、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）、固態氧化 物燃料電池（SOFC）、直接甲醇燃料電 池（DMFC）等六種燃料電池較為常見。其中質子交換膜燃料電池，其發電原理是氫氣經由流場板至陽極，透過擴散層與觸媒層中的白金觸媒作用後，氧化為氫離子並釋出電子（H2→ 2H＋＋2e–），而電子因電位差的緣故，經由導電層在外電路形成電流作功後輸送至陰極。氫離子和電子以及由陰極氣體流道輸送來的氧氣，藉由陰極觸媒層的白金催化進行電化學反應而產生水（H2＋1/2 O2＋2e–→ H2O）及一些熱氣（如圖一）。
燃料電池系統架構
教具之燃料電池系統是結合燃料電池與二次電池混合輸出電力之混合式燃料電池系統，系統內主要組件為氣冷式的質子交換膜燃料電池組、加濕器、4支低壓金屬儲氫罐所組成的供氫模組、空氣供應模組，以及電控模組等組合而成，構成完整的燃料電池系統（如圖二），並設計電源管理系統，以穩定電壓供應乘坐式教具運行及減少燃料電池的故障率。混合式燃料電池系統，平時由燃料電池組直接供應載具運轉時所需的電力（約250W），偶而需要更大電力時再由二次電池提供額外之電力（約 700W），以減少燃料電池的設計成本。
燃料電池系統的運作方式非常簡單，只要打開主電源開關，系統內的供氫模組及空氣供應模組就會立刻啟動，使低壓金屬儲氫罐的氫氣先經壓力調節閥把壓力調整到約10 psi，再調整燃料電池反應所需的氫氣流量後進入燃料電池組內，並與加溼後由鼓風機送進燃料電池組內的空氣，產生電化學反應並輸出電力驅動馬達，帶 動機構使教具運行。因此，科工館積極投入將燃料電池系統裝置於教具上，發展出一些有趣又好玩的燃料電池發電機、燃料電池小火車及燃料電池木車馬等體驗式教具，進行能源扎根教具。
燃料電池發電機
博物館的學習主要是透過參觀展示、科教活動中達成，且博物館和學校教育不同之處，它主要是利用實物來展示一個「非文字」的世界，是透過參觀展示與科普研習中達成學習的目的。因此，本教具是採取物件的展示手法，以實際完整的燃料電池發電系統物件，呈現燃料電池的應用及環保效益的概念（圖三）。其教育概念是將本教具之燃料電池各次系統機構：如燃料電池組、燃料供應模組、加濕器、 冷卻散熱模組 及控制器等五大組件分解成物件一一呈 現，並經由電腦控制逐步啟動燃料電池各次系統，最後讓燃料電池產出的電力驅動小朋友喜愛的小火車來繞行軌道行駛，使科技融入於趣味性中，吸引民眾駐足觀 賞學習，以提昇民眾學習的意願及樂趣。
此外，民眾也可透過展示看板之燃料電 池系統基本架構圖及系統實體設備物的對 照及看多媒體影片介紹（圖四），了解燃料 電池系統的整體結構及系統各設備的功能，提高參觀民眾對氫能及燃料電池的興趣，達到自我學習的目的。另外本教具之互動式特性，也可讓觀眾一邊聽多媒體影片介紹，一邊看燃料電池發電化學反應所產生的水，會順著排水管慢慢的滴進燒杯裡面，也可以用手去感覺燃料電池的熱從旁邊的孔隙吹出，最後產出的電力驅動小火車繞行軌道行駛或讓電風扇轉動，以達到互動式學習的樂趣及效果。
燃料電池小火車
人類未來將會進入氫能時代，現在的小孩長大後多可能駕駛以氫氣為動力的燃料電池汽車，所以科工館建置燃料電池小火車，結合火車的趣味性及未來能源科技的新奇性，把質子交換膜燃料電池應用在乘坐式小火車上（圖五），不僅能吸引民眾接觸、體驗無汙染的燃料電池的發電方式外，也可以在搭乘活動中，讓民眾體驗燃料電池應用於電動車輛的基本概念，以推廣燃料電池新知及永續環境的教育。
燃料電池小火車系統可以看到燃料電池組、供氫模組、供氧模組、加濕器、安全控制及與各模組間運作控制等設施之間的運作情形（圖六），因此；可藉由燃料電池小火車系統之實際運作，及配合說明板的解說或科教活動的進行，將能以寓教於樂的方式傳播燃料電池及氫能之相關知識。
燃料電池木車馬
「燃料電池木車馬」是運用古代魯班木車馬的機構，而根據古書記載：「木車馬原由木頭人駕馭即可在無動力裝置下行走」。科工館為了推廣能源教具與國立成功大學中華古機械研究中心研究群合作，將其研發八連桿木車馬成果，裝上動力來源，設計成大型可乘坐式的仿生機器馬，讓參觀民眾藉由乘坐之趣味互動中，能瞭解其機械原理，並達成機械、仿生以及歷史相結合之教育目的。
第一代可乘式木車馬製作時，是以木車馬復原之機構型式為主要展演重點，及突顯連桿運作在機械構造中之重要性，因此採最簡單且最容易取得之鉛酸蓄電池為動力來源。由於鉛酸電池在耗損後本身將成為污染源，為了配合環保理念推廣綠色能源及節能減碳教育，於是尋求乾淨且最具未來性之燃料電池，研發成為第二代可乘式的「燃料電池木車馬」（圖七、圖八）。其八連桿帶動腿部運動的機構，能仿照真實馬匹的外型與行走方式，實際行走呈現出傳統與現代，人文與科技整合，趣味又互動性頗高方式，吸引民眾觀賞乘座，以體驗燃料電池科技及其環保效益，進行能源及燃料電池教育之推廣。
能源教育活動
博物館時常會在展場中辦理各種科教活動的，以強調動手做及互動式的學習方式，運用多重感覺器官、從遊戲及體驗活動中學習方式，以及提供人際互動的機會，使得學習不再是枯燥乏味的事情，因此本館發展燃料電池發電機、燃料電池小火車及燃料電池木車馬教具，規劃各種科學闖關、體驗等多元科教活動，投入科工館內外各項能源教育，不僅相當吸引觀眾的注意，也成為活動的焦點（圖九、圖十）。
結論
其實大自然中蘊含了許許多多可再生利用之能源，這些能源除了取之不盡、用之不竭外，更重要的是能兼具潔淨與環保，而燃料電池具備潔淨無污染、高轉換效率、低噪音、燃料來源廣等特點，不但是解決永續能源的問題，更可以減少環境污染並防止全球的溫室效應的擴散，所以成為世界各國積極研發及教育的目標。教學是博物館的一項重要目標，應以多采多姿的展示及科教活動來吸引觀眾，積極投入學習，提昇學習的成效，進而才能輕鬆達成推廣能源教育。