小型燃料電池發(fā)展趨勢(shì)

       近年來(lái)可攜式電子產(chǎn)品快速發(fā)展，包括手機(jī)、筆記型計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA），乃至數(shù)字相機(jī)及攝影機(jī)等，造就龐大的市場(chǎng)和商機(jī)；然而，隨著產(chǎn)品功能的增強(qiáng)，系統(tǒng)對(duì)于電能的需求更高，一個(gè)小而輕、續(xù)電時(shí)間更長(zhǎng)的電池，將是所有消費(fèi)者一致的要求。

　　微小型燃料電池系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

　　燃料電池的能量密度理論上可為鋰離子電池的五至十倍以上（因不同系統(tǒng)而異），目前技術(shù)上已可達(dá)三至五倍；此外，燃料電池無(wú)須電源充電，完全擺脫 充電的負(fù)擔(dān)與限制，取而代之的補(bǔ)充供電燃料僅需數(shù)秒鐘時(shí)間，為使用者提供極大的方便。因此，對(duì)微小型燃料電池而言，龐大的市場(chǎng)誘因和特性優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必大幅加 速相關(guān)技術(shù)的成熟發(fā)展。

　　燃料電池種類繁多，最適合可攜式微小型系統(tǒng)者，包括質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC）和直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell；DMFC），此二者皆能在室溫下運(yùn)作，具備體積小、重量輕、方便電池堆設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。其中，直接甲醇燃料電池以液態(tài)甲醇為燃料，體積能量密度約為液態(tài)氫的三至四倍，儲(chǔ)存與運(yùn)送遠(yuǎn)較氫氣方便及安全，且取得容易，成本低，因此更符合可攜式電子產(chǎn)品的需求。此外，利用微型重組器（Micro Reformer）將甲醇轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氫氣燃料，都是微小型燃料電池可能的發(fā)展方向；下文將著重在直接甲醇燃料電池（DMFC）的討論上。
　　

        DMFC發(fā)展的技術(shù)瓶頸

　　DMFC的工作原理與質(zhì)子交換膜燃料電池類似，只是在陽(yáng)極部份進(jìn)入的燃料為甲醇與水，而甲醇燃料透過(guò)觸媒的作用產(chǎn)生質(zhì)子、電子與二氧化碳，其陰 極的反應(yīng)則與氫氣系統(tǒng)完全相同。微小型燃料電池要進(jìn)入商品化的階段前，仍然面臨若干技術(shù)瓶頸有待克服，目前主要的問題臚列如下。

　　一、甲醇穿透

　　由于甲醇穿透現(xiàn)象，使得電池通過(guò)電壓（overpotential）增高，可使用電位多在0.4V以下，電池效率因而受限，同時(shí)也造成燃料損 耗。目前甲醇穿透的問題朝二個(gè)方向解決：發(fā)展質(zhì)子交換膜材料技術(shù)，使之具備高質(zhì)子導(dǎo)電率及降低甲醇穿透率；控制甲醇燃料的濃度，以降低甲醇穿透量。

　　二、水滿溢（WateRFlooding）

　　DMFC陽(yáng)極產(chǎn)生1單位的質(zhì)子將會(huì)牽引出約2.5單位的水或甲醇到達(dá)陰極，同時(shí)陰極反應(yīng)也會(huì)生成水，過(guò)多的水將阻礙氧氣進(jìn)入觸媒層而造成陰極效 能大幅下降，此稱為水滿溢現(xiàn)象。此問題目前以主動(dòng)的增加循環(huán)系統(tǒng)之空氣流動(dòng)帶離過(guò)多的水為主，但因而會(huì)耗掉系統(tǒng)較大的功率，所以MTI公司開發(fā)以膜電極體 （MEA）的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行控制。

　　三、效能

　　目前DMFC的陽(yáng)極效能偏低，所以包括NEC等公司皆以觸媒或觸媒載體的開發(fā)，嘗試提供更大的功率密度；奈米技術(shù)的應(yīng)用將有助于觸媒效能的提 升，是值得注意的發(fā)展方向。此外，系統(tǒng)操作溫度為影響DMFC效能的另一重要因素，但是以3C電子產(chǎn)品的應(yīng)用而言，溫度需要適當(dāng)?shù)目刂?，所以系統(tǒng)的熱循環(huán) 或熱管理也是目前積極處理的問題。

　　四、燃料與水的處理

　　由于甲醇濃度管控得宜能減少甲醇穿透，加上可攜式電子產(chǎn)品不容許陰極生成的水造成滲漏情形，所以實(shí)際系統(tǒng)須透過(guò)相當(dāng)多的控制邏輯，以達(dá)到整體甲醇與水的供給和濃度控制平衡的目的。

　　主動(dòng)vs.被動(dòng)

　　為了因應(yīng)可攜式產(chǎn)品的應(yīng)用，目前DMFC系統(tǒng)發(fā)展主要分為主動(dòng)式及被動(dòng)式，以下分別說(shuō)明之。

　　一、主動(dòng)式直接甲醇燃料電池

　　主動(dòng)式DMFC系統(tǒng)示意圖如附。陽(yáng)極操作在適當(dāng)?shù)募状紳舛龋s3～6％vol）下，另有一燃料槽貯存高濃度甲醇溶液；陽(yáng)極循環(huán)包括三通路：高濃 度甲醇、陰極回收水，以及重復(fù)循環(huán)燃料；在常態(tài)運(yùn)作下，陽(yáng)極燃料透過(guò)幫浦Pf帶動(dòng)循環(huán)并排除生成之二氧化碳，于燃料濃度過(guò)低或存量過(guò)少時(shí)，則分別透過(guò)幫浦 Pm與Pw將高濃度甲醇及陰極回收的水加入陽(yáng)極，維持電池系統(tǒng)的運(yùn)作。另一方面，陰極的氧氣可來(lái)自風(fēng)扇或壓縮器強(qiáng)制空氣循環(huán)。

　　主動(dòng)式DMFC的好處是，可藉由高濃度甲醇提高系統(tǒng)能量密度，并且藉由電池堆設(shè)計(jì)增高輸出功率；缺點(diǎn)則是動(dòng)用許多耗能組件，降低系統(tǒng)凈電能輸出，同時(shí)較復(fù)雜且占空間。

　　二、被動(dòng)式直接甲醇燃料電池

　　被動(dòng)式DMFC循環(huán)主要依靠重力、毛細(xì)現(xiàn)象或自然擴(kuò)散的方式，將燃料與空氣傳送至電極表面進(jìn)行反應(yīng)，于室溫條件下操作。這類系統(tǒng)主要針對(duì)膜電極 體（MEA）的材料和微結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，藉由親、疏水材料特性以及燃料和水的濃度差異，控制擴(kuò)散速率，并盡量降低甲醇穿透效應(yīng)，以提升能量密度。不過(guò)，被動(dòng) 式DMFC系統(tǒng)之缺點(diǎn)在于無(wú)法提供較大的功率密度，同時(shí)技術(shù)門坎亦相當(dāng)高。

　　普及化的未來(lái)趨勢(shì)

　　除了上述關(guān)鍵技術(shù)必須突破外，微小型燃料電池要進(jìn)入市場(chǎng)尚須面對(duì)成本、法規(guī)，以及使用者習(xí)慣的問題。目前DMFC成本仍非常高，需要在觸媒及相關(guān)材料發(fā)展上有所突破。而整體系統(tǒng)的體 積或外圍輔助組件的大小與成本，均有賴更多的創(chuàng)意與發(fā)現(xiàn)，才能使DMFC真正普及化。

　　除此之外，甲醇燃料的毒性以及該產(chǎn)品的應(yīng)用特性，在進(jìn)入商品化之前均須通過(guò)各項(xiàng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證以及相關(guān)法律的規(guī)范。目前，美國(guó)、日本和歐陸許多機(jī)構(gòu)都已積極投入法規(guī)制訂及整合的工作，預(yù)期DMFC的未來(lái)發(fā)展將日趨精進(jìn)。