燃料電池：通訊產品中的微型燃料電池
92/07/09
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薛康琳｜
工業技術研究院材料科學研究所
彭裕民｜
工業技術研究院材料科學研究所
太空科技所用的設備和材料是人類智慧的結晶，它所用的電源不是市面上所用的柴油發電機，也不是汽車啟動用的鉛酸電池，它的電源是燃料電池及太陽能電池。推動太空船的燃料電池用氫氣和氧氣為燃料，氫氣和氧氣在燃料電池內進行電化學反應，生成水，並且釋放出電和熱。燃料電池實際上是一個能源轉換器，它將燃料所含的化學能轉換成電能和熱能。
燃料電池裡有三個重要的元件：陰極、薄膜、和陽極。氫氣在陽極進行的是氧化反應，氧化反應將氫氣氧化成氫離子。薄膜隔離陰陽兩個電極，避免陰陽兩極接觸到而短路，它的另一功用是輸送在陽極所生成的氫離子到陰極。氧氣在陰極進行還原反應，與由陽極傳來的氫離子結合生成水。這氧化還原反應所產生的電流，就會由電池釋放出來推動連接到電池的電子設備。
燃料電池與一般市面上所看到的電池有甚麼不同呢？燃料電池可以看作是一個化學發電機，它最大的特點就是它的反應物，即燃料，是與電池本體分開的。電池內的電極和薄膜本身在輸出電能時並不會產生變化，只要燃料電池的燃料源源不斷，就可以持續發電。一般的乾電池或是充電電池在輸出電能時，陰極或陽極會產生化學變化而逐漸消耗掉，乾電池用完之後便得丟棄，充電電池則必須充電以後才能再使用。若要延長電池的供電時間，燃料電池只需加大燃料的體積就可以，電池本身不需要變動。若是乾電池或是充電電池，電池本身就需要加大。
燃料電池的另一優點是它具有很高的能量密度，也就是說它在單位體積或單位重量中所具有的能量很高，這裡的能量密度單位是每公升電池所產生的能量，以瓦小時／升表示。鉛酸電池與鎳鎘電池所產生的能量很低，鋰電池有較高的能量密度，氫／空氣、鋅／空氣、甲醇／空氣等燃料電池則產生很高的能量密度。
在今日電子產品日漸小型化、多功能化的趨勢下，對電池的要求也日漸升高。目前手機、筆記型電腦所用的電池，在整個產品的體積及重量上已占了相當的比例，在可見的未來，電池將成為攜帶式電子產品小型化的瓶頸。目前正在蓬勃發展的攜帶式電子產品，包括手機、掌上型電腦、數位相機、筆記型電腦、隨身聽等電子通訊產品，鋰電池、鎳氫電池和鎳鎘電池是這些產品目前所使用的電源。這些電池輸出電壓的高低和使用時間的長短，依序為鋰電池、鎳氫電池、鎳鎘電池，雖然鋰電池的價格最高，但是它的性能也最好，已成為可攜式電子產品電源的主流。
然而鋰離子電池在一九九○年問世後，能量密度的提升遠較電子產品的發展為慢，目前也因奈米技術的材料創新，而有所突破，然而目前市面上鋰電池的能量密度已相當接近發展的極限500～600瓦小時／升。以筆記型電腦為例，過去十年來，由於處理器速度不斷提高，耗電量已隨之增加幾十倍之多。相對地，鋰離子電池的能量密度僅提高了三倍左右。由於電池技術發展明顯落後，尋求其他替代技術成為廠商迫切的課題。
電池在這方面的應用除了需要輕、薄外，還需要更高的安全與方便性。電池的大小輕重直接影響到電子產品使用時間的長短，以及體積、重量的大小，甚至銷售量。由於產品功能的提升，對電力的需求也愈來愈大，例如使用鋰離子電池的第三代手機通訊時間僅可達一百分鐘，但重量卻因電池加大而增加至150克。在在顯示現行的二次電池，已無法滿足功能日益複雜化電子產品的需求。
燃料電池在理論上的能量密度是鋰電池的10倍。因此，目前美、日、歐各國廠商都積極投入燃料電池在可攜式電子資訊產品中的應用開發。燃料電池的發展已有150年以上的歷史，直到一九六○年代才有比較密集而廣泛的研究，主因是當時美國太空總署選定燃料電池做為太空船的電力來源。
其後在近半世紀的發展中，燃料電池出現了多種形式，除了早期的鹼性燃料電池（AFC）外，尚有已在測試中的磷酸燃料電池（PAFC），正在發展中的質子交換膜燃料電池（PEMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固態氧化物燃料電池（SOFC），和近來倍受矚目的直接進料甲醇燃料電池（DMFC）等。
目前已有220座以上的磷酸燃料電池發電廠散布在世界各個角落運作測試中，一些磷酸燃料電池已有超過四萬小時的運轉紀錄。由於燃料電池的運轉很安靜，污染也小，這些電廠都裝設在旅館、大型建築物或是國家公園內。
直接進料甲醇燃料電池因為3C電子產品的蓬勃發展及需求，在近年內開始有積極的研究在進行。直接進料甲醇燃料電池與前述的氫氧燃料電池大同小異，最大的不同點是直接進料甲醇燃料電池的陽極反應是甲醇的氧化反應。直接進料甲醇燃料電池是這些燃料電池中最適合作為電子通訊產品的電源，因為這些燃料電池除了電池材料不一樣外，它們操作的溫度也有相當大的差異。
質子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及固態氧化物燃料電池的操作溫度都在攝氏100度以上，故不適合作為電子通訊產品的電源。直接進料甲醇燃料電池的操作溫度範圍則在合適的室溫到攝氏80度左右。除此以外，直接進料甲醇燃料電池直接使用甲醇為燃料，不需燃料的前處理程序，這使得直接進料甲醇燃料電池很容易微小化，而成為電子通訊產品電源最佳的選擇。
直接進料甲醇燃料電池在使用上與普通電池最大的不同是它只需補充燃料，不需充電，所以實際上是一個小型發電機。理論上，燃料電池可使用無限次數。直接進料甲醇燃料電池另一個優點是能量密度可達鋰離子電池的10倍，體積重量則視燃料容器的外型與容量而定，因此應用在電子產品設計上的限制將大幅降低，可望引發許多新的產品設計，產生「質」的變化。
例如，由於其能量密度高，能設計出更輕薄化的產品，亦不再需要有充電的考量，而最大的變化是燃料補充的方式將可多樣化地發展，這些都是可以預見的。除了甲醇之外，也可以使用其他醇類或碳氫化合物。但是因為甲醇的放電效率最高，在通訊電子產品上的應用仍以甲醇最實際。
目前美、日、德都有微型燃料電池在電子通訊產品中應用的概念設計。例如美國Motorola使用直接甲醇燃料電池作為手機的電源，仿效鋼筆墨水管設計方式，補充燃料時只需抽換像墨水管的燃料容器即可。日本Casio考慮在筆記型電腦上使用可抽換的燃料卡匣，燃料電池與筆記型電腦設計成為一體。德國ISE則將燃料電池裝在手提攝影機上。因此，廠商開發重點除電極、薄膜等關鍵原材料外，系統產品機構的重新思考亦是重要的環節。
直接進料甲醇燃料電池的優點很多，許多公司已發表他們的概念設計。然而直接進料甲醇燃料電池距實際商業化的產品仍有一段距離，這是因為仍有許多尚待解決的技術問題。雖然理論上直接進料甲醇燃料電池的能量密度將近5,000瓦小時／升，但是因為所用的材料，包括觸媒、電極結構、薄膜等電池元件不盡理想，使得真正的能量密度遠低於此，放電效率也只是差強人意。美、日、德等國的政府及公司，均投入相當的人力及物力嘗試解決這些技術問題。
燃料電池科技是二十一世紀最重要的能源科技，人們更期待這種綠色能源能早日對民生用途有所貢獻。然而由於成本、可靠度及許多技術仍待突破，近年來各型燃料電池的應用，包括軍用和商用發電、汽機車、家庭電器及攜帶型電子產品等，都有倍數的研發經費投入，尤其是美國、歐洲、加拿大、日本、中國大陸、韓國等都紛紛將燃料電池列為國家重點計畫。我國國科會、經濟部技術處、能源會、工業局、中研院、工研院、中科院、核研所等也提供研發經費或提出學術與應用研究的開發計畫。
微型燃料電池技術目前仍然屬於積極創新的階段，無論是從零組件、材料的開發與應用，或是系統設計的整合與改進，均有相當大幅度的改善空間。且目前燃料電池的運用範圍正在不斷擴大中，任何與電池、電力有關的產品，均有可能是燃料電池替代的潛在市場。
各國燃料電池的發展都設法結合區域的特性與該國原有的市場與技術優勢，例如美國以車用、商業發電的應用最具競爭優勢。日本近年來在小型攜帶用燃料電池上有很大的進展，符合日本電子產品輕、薄、短、小的設計優勢。
我國是世界最主要的攜帶型電子產品設計與製造大國，如筆記型電腦、手機、PDA、數位相機等都具世界競爭優勢，機車、自行車及小型發電系統也是世界主要的研發與生產大國，最有利於發展以直接進料甲醇燃料電池為主的小型攜帶式燃料電池。接近市場，結合具競爭力的核心技術，是我國發展燃料電池很重要的策略。
燃料電池是未來最被看好的能源科技，世界各先進大國均策略性地投入相當高的研發經費在燃料電池的研究上。我國目前對燃料電池的開發投入及策略行動正積極規劃中，希望能結合國內產學研各界做整合性的投入，以掌握關鍵技術。政府對於國內最具運用燃料電池科技潛力的產業，也應該提供政策支持及研發經費補助，以加速燃料電池技術在國內的發展。
微小型燃料電池的研發與產業化，需要許多不同的專業，從學術研究、應用研究到產品設計，進而安全測試與品質驗證，都需要整體性深入的探討。惟有透過整合才有機會形成一個堅實且貫穿上中下游的研究，透過知識分享與資源分享來加速落實學術卓越與產業效益。
