近來3C應用產品的發展，強調行動資訊、即時影像傳輸等各方面功能的提升，導致目前做為行動電源的鋰離子電池電容量越來越不夠，因此對於未來3C產品的設計開發，尋求更高能量的行動電源或是更省電的元件與設計方式，成為各家業者競爭的重點。Intel也為此在2002年10月成立 Mobile PC Extended Battery Life Working Group，邀集各大筆記型電腦廠，就筆記型電腦未來的電力需求趨勢與行動電源供應系統的電能供給能力，進行規劃與討論，希望從各種不同的角度，解決未來電能容量不足的困擾。而燃料電池即是會中提出需要加強開發的一個解決方案。

燃料電池的原理

燃料電池是一種透過觸媒將化學能直接轉換成電能的發電裝置，它與二次電池不一樣，這是因為二次電池是把電能轉換成化學能儲存之後再釋放出來。燃料電池的基本原理可以說是水電解的逆反應，其真正的反應如(圖一)所示，是將氫氣透過觸媒的反應轉成質子跟電子，質子會走中間的電解質來到陰極，電子會走外部電路做功後到陰極，透過另外一顆觸媒把質子、電子跟氧氣轉化成水，單一cell的理論反應電位是1.21V。[1]-[2]

《圖一　燃料電池基本原理》

燃料電池的發展超過一百五十年，已經開發出數種不同的燃料電池系統，以電解質的種類來分有以下五種，包括：

這些燃料電池各有其優缺點與操作環境溫度的限制，因此可以應用的領域也有所不同。目前研發能量較高的首推質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池以及固態氧化物電解質燃料電池。所開發的應用目標面含跨大型發電廠，汽車用發電機，攜帶式電源，家用定置型電源，以及本文所要討論的微小型燃料電池。

燃料電池發展將以微小型為優先

以加拿大Ballard公司對未來燃料電池發展的規劃[3]，雖然微小型可攜式燃料電池的技術門檻最高，但是因為微小型的應用領域最廣，而且現階段市場接受度最高，所以未來整體燃料電池的發展，主要會以微小型燃料電池的應用先展開，促使更多的經費投入，並且在技術上反饋其他應用體系的燃料電池，提高燃料電池成本降低的步伐，之後攜帶型以及家用定置型燃料電池漸漸普及，最後才是汽車燃料電池的導入，因為汽車用燃料電池對成本的限制最高。（賴秋助）

微小型燃料電池技術概要與優勢

微小型燃料電池的基本架構與傳統燃料電池相同，基本上具有由觸媒、電解質膜所組成的膜電極組，將個別膜電極組串聯出適當電壓及功率的電池堆，以及為供應電池堆發電，而設計的燃料及空氣流道與燃料循環控制系統，循環控制系統如(圖二)所示，包括燃料槽、燃料循環系統、甲醇濃度及容量偵測、二氧化碳排放機構、陰極廢水處理或回收機構以及溫度感測等。其中膜電極組與電池堆供應應用系統所需的功率，而循環控制系統的設計是為了確保燃料電池能穩定供電，並且提供介面與系統溝通，提供最佳的應用環境。差異的部份，主要來自於面對應用端的整合時，必須考慮應用端對燃料電池的期望與限制。

《圖二　微小型燃料電池循環控制系統示意圖》

目前微小型燃料電池所鎖定的應用領域主要以3C產品，包括手機（尤其是3G手機）、PDA、筆記型電腦或是掌上型電腦等攜帶式電子資訊產品，就這些應用而言，其基本問題包括：燃料電池組裝完成後必須符合體積輕薄短小的要求、燃料補充的方式必須簡單安全、所產生的廢水必須有效處理、液態燃料的供應必須解決使用時系統倒置所衍生之方向性問題，此外因甲醇燃料的分解效率不高，亦需解決因為大量使用貴重金屬觸媒所造成的成本與系統體積的問題。

微小型燃料電池具備取代鋰電池之潛力

微小型燃料電池的原理有別於其他二次電池，實際上燃料電池是一座發電系統，所以只要有燃料存在便能提供額定的電源，此外燃料補充的方式應可以設計得很簡便。所以以更換燃料的動作取代傳統二次電池充電的程序，將可大幅提升使用者使用可攜式電子產品的續航力，也是目前燃料電池最被看好可以取代鋰電池的一項優點。再者如(圖三)的計算所示，因為甲醇燃料所具有的理論能量密度很高，若是不考慮循環系統的部分，將具有鋰離子電池理論能量密度的10倍，如果未來燃料電池更加成熟，整體發電效率提升，可以更少量的燃料提供更長的使用時間，如此可降低系統廠在進行產品設計時，免除電源供應不足的限制，進而開發出更具吸引力的應用產品。

《圖三　燃料電池與鋰離子電池能量密度比較》

微小型燃料電池發展現況與趨勢

目前微小型燃料電池的開發，主要有兩個方向，一是直接以甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池，如美國的MTI、Medies、Motorola，Hitachi、NEC、Toshiba、Sony，德國的Smart Fuel Cell以及我國工研院、核能所等。另一方面是以氫氣為燃料或將甲醇先轉換為氫氣再進行發電的系統，如Motorola、Casio、 Samsung、德國的太陽能研究所ISE等[4]。以甲醇為進料，可以透過化學觸媒的改質直接將甲醇轉化為氫氣，透過目前技術面較為有效率的氫氣質子交換膜燃料電池的電池堆，可以產生較大的功率密度；如(圖四)所示，為Motorola以及Casio所設計的甲醇改質器以及衍生之筆記型電腦可能設計型態，但是因為改質時需要局部超過200℃的高溫，以及內部氫氣的安全性，因此技術克服的困難點較高。而直接甲醇系統主要問題為功率密度小，甲醇濃度控制等，因此各廠家以自我核心技術的發揮，投入不同的解決方式，期待能有最佳的導入時機與效能。本文因為考量篇幅關係，以及就攜帶在使用者身上或是帶進航空器的安全考量而言，氫氣的問題會比甲醇燃料嚴重許多，因此將以直接甲醇系統做為敘述的主軸。

《圖四　甲醇改質器以及衍生之筆記型電腦可能設計型態》

直接甲醇燃料電池工作原理與應用現況

直接甲醇的的工作原理與圖一的質子交換膜燃料電池類似，只是在陽極部分通入的燃料為甲醇與水，而甲醇燃料透過觸媒的作用產生質子、電子與二氧化碳，而陰極的反應與氫氣系統完全相同；其整體反應式為：

公式:CH3OH+H2O+3/2O2----3H2O+CO2

目前全球利用直接甲醇燃料電池，發展可攜式電子產品的電源供應部分，投入的廠商非常多，目前測試中原型也有相當多組，圖五僅列出部分的成果作為參考。MTI是美國投入較為積極，且發展相當進步的公司，其開發主軸，主要以不須主動式元件應用，便可以達到高甲醇濃度運作的系統，提供較鋰離子電池更高的能量密度，以及有效的燃料補充方式，以應用於手機或PDA的產品，因為實際的技術細節並沒有揭露，我們只知MTI可以有效回收陰極的水到陽極，所以可以使用接近100％的純甲醇為燃料。

Motorola在直接甲醇燃料電池開發的重點，主要利用其LTCC技術，在陶瓷基板內，建構循環幫浦與管路，以有效整合燃料電池系統與降低整體體積，但是其最大發電功率也因為幫浦的設計限制，無法有效提升。日本NEC主要技術突破點是以奈米碳管（Carbon nanotube）為觸媒載體，因此可以大幅提昇觸媒效率，進而降低觸媒使用量，目前發展的主軸已經由手機轉為筆記型電腦的應用，92年6月也展出一台以10v％甲醇為燃料的燃料電池供應筆記型電腦，目前以300cc的甲醇燃料，可以供應系統五小時的運作。

Toshiba為全球第一個展示完整微小型燃料電池系統應用的廠商，早期展示的產品為PDA，今年二月已改為筆記型電腦的雛形，目前以純甲醇為燃料，透過回收水與甲醇濃度控制機制，進行燃料的循環控制。德國Smart Fuel Cell公司發展的方向與Toshiba相似，但是體積仍然稍嫌過大，目前以開發較小型的系統為主要目標，並尋找策略聯盟伙伴，以利燃料電池與應用系統進行有效的整合。這些廠商目前對微小型燃料電池的應用時程規劃，大部分設定在2004～2005年之間，以工研院材料所的估計，最早的應用時程應該在2004年第三季以後，而且初期的應用會以較高階的產品為導入點，而且應會以與鋰電池搭配的混合式電源為早期切入點。

國內微小型電池研發現況

在國內的研發現狀方面，政府在微小型燃料電池經費的投入，主要在工研院材料所以及中科院核能研究所的部分投入。工材所主要以建構一個完整產業為思考架構，所以舉凡觸媒材料、觸媒載體、質子交換膜、膜電極組的製作以及整體的系統均投入大量人力，企圖建構燃料電池產業應有的專利佈局，協助國內產業的建立，而目前也已經在觸媒、質子傳導膜以及燃料電池堆的設計方面取得相當的競爭優勢，甚至對於膜電極組的製作，也已建立相關大量製造的方法。而核能研究所主要偏重膜電極組的製造以及燃料電池組的設計，目前亦已建構相當的MEA製作能力。

學界在燃料電池研究方面，目前主要以元智大學的投入最為積極，但是在微小型燃料電池方面的努力，主要著重材料元件的開發，其他各校亦漸漸有教授投入相關觸媒研究以及燃料電池運作相關流場與熱流分析，而且漸漸以形成團隊的方式，企圖透過多領域的整合，提供燃料電池最適當的解。企業界方面，各系統廠均有投入人力進行評估，但是否投入適當人力進行應用開發，甚至投入燃料電池試做，目前則是混沌不明的，不過經過日本廠商的進展刺激，最近的投入動作似乎較為積極。

微小型燃料電池商品化所需克服的問題

微小型燃料電池的在可攜式電子產品的應用，在商品化的過程中所需克服的技術主要在以下幾個部份：

電池材料的開發

在材料面第一個問題，是甲醇的氧化觸媒效率太慢，造成直接甲醇燃料電池的發電功率過小，必須整合大量的燃料電池才能達到額定的功率需求，而且使用大量的貴重金屬觸媒，除了燃料電池的建構成本無法有效降低外，相對會使得整體系統體積太大，無法有效與系統整合，降低實用化的可能性，目前整體開發的目標以增加觸媒使用率，以及開發非貴重金屬觸媒兩方面著手，第一階段會以如何降低觸媒使用量的成功率最高。[5]-[7]

另一個材料面的問題是，目前所使用的質子交換膜，無法有效阻擋甲醇的穿透，因此造成使用時大量甲醇跑到陰極，除了降低陰極反應速率，也會降低燃料使用率，造成整體能量密度過低，無法與鋰離子電池的能量密度競爭，再者為了讓系統以較高能量運作，系統必須導入甲醇濃度控制循環系統，除增加系統成本，也會大幅增加系統體積，而且陰極所產生的廢水以及穿透過來的甲醇水必須做有效的處理，避免使用者或應用系統面對水氣污染的困擾，因此整體技術開發的重點都以尋找最有效抑制甲醇穿透的電解質膜，或是設計一個有效的循環控制系統，提供整體系統的水與燃料有效的整合，並且不會過度耗費功率，使系統效能維持可以與鋰電池競爭的基礎。目前質子傳導膜所使用的材料為杜邦的Nafion，而國外目前如日本，有相當多的化工廠投入新材料的開發，今年以來已有許多新產品出現，但是因為商業機密的問題，其實際情況仍有待深入觀察。

電池堆系統的設計

在燃料電池系統設計方面，傳統燃料電池組串聯所使用的機制，會限制燃料流動循環的方便性，以及整體體積無法薄型化，目前各家以開發平面式燃料電池堆為重點，如何建構一個可以量產的平面式燃料電池組，將會是微小型燃料電池能否應用的一個重要課題。此外如上述的甲醇濃度控制循環裝置陽極端產生的二氧化碳如何排除、陰極端產生的水如何控制以免造成使用者的困擾，這些相關議題必須在系統設計或是與應用端整合時一併考慮，且不可造成大量的電能損耗以及增加過多的系統體積，這些條件皆考驗著研發人員的智慧；而因為廠商都將此視為重要機密，也間接延緩全球技術的進步。

發電裝置可靠度

此外燃料電池發電裝置的可靠度也是一個目前較被忽視的問題，觸媒的高活性，面對多樣化的應用環境，空氣極的觸媒是否會受環境大氣的汙染，必須有一個適當的評估與解決方案，否則未來系統維護的成本，恐會造成使用者的排斥。

在市場的競爭方面，面對鋰離子電池的成本下降，以及未來奈米材料可能對鋰離子電池電容量的提升助益；加上目前鋰電池能量管理系統的更加效率化，可以有效提升鋰電池使用時間，或是相關電子元件因為半導體技術的提升，都會延緩電子產品對燃料電池的期待，比較顯著的例子就是Intel Centrino運算模式對筆記型電腦所提升的效能。[4]

使用法規、專利權與應用策略

在法規方面，可攜式電子產品常常必須跟隨使用者搭乘航空器，但是目前美國飛航安全法規規定，甲醇屬於危險管制物品，因此近年來為了促使攜帶式燃料電池的早日商品化，美國許多廠商這幾年正積極的遊說美國政府建立適當的安全規範或標準，所以美國交通部門再今年三月提出了一個以甲醇濃度為24v％以下的安全規範[8]，目前正與聯合國相關委員會進行協調修正，相信未來會提出一個包括燃料罐包裝、濃度、總量限制等規範，因為如果未來法規無法儘速修改，或是提出安全認證的標準，恐會拖延微小型燃料電池應用的時程。此外在日本方面，今年三月NEC、Toshiba、Sony等公司，招開一個日本國內有關微小型燃料電池標準的制定會議，希望透過目前日本對微小型燃料電池的投入，以及日本在3C電子產品設計的優勢，規範一套適當的標準，而這些可能會進而影響未來3C電子產品的設計規範，我國相關產業應投注適當的注意並及早因應，否則將喪失一次產業轉型的機會。

在專利佈局方面，因為直接甲醇燃料電池的開發僅有大約十幾年的努力，因此在原創相關專利均未過期的情況，顯然直接甲醇燃料電池的應用，未來必須面對專利權的限制，以最近日經電子的報導，美國DMFCC因為擁有南加大直接甲醇燃料電池的原始專利，已經開始向全球開發微小型燃料電池的公司發出訊息，這問題顯然會對微小型燃料電池的應用造成基本的衝擊。

在應用策略面的考量方面，微小型燃料電池目前屬於具備高能量但卻無法提供足夠的功率密度的發電系統，因此在一些追求小型化的應用產品如手機等，其進入障礙相對提高，對於較大的系統如筆記型電腦，又有需求功率太高，系統散熱規模的考量，因此如何適當評估燃料電池的優缺點，找出最佳的整合應用產品，可以作為各系統廠，面對微小型燃料電池應用世代來臨時深入評估的重點。

結論

整體而言，可攜式電子產品是燃料電池應用的一個絕佳載具，但是應用系統面對於燃料電池的需求，相對於傳統大型燃料電池供電系統，自有其較嚴苛的規範，尤其在直接甲醇燃料電池系統的能量轉換效率，以及因為使用甲醇為燃料所引發之相關問題，這些均是目前燃料電池系統設計所需解決與改善的問題。

從上面的分析，我們可以發現，目前在歐美的燃料電池發展方面，主要以個別獨立公司的創意，先行進行燃料電池系統的開發與佈局，而日本或韓國的發展模式，則主要以應用系統廠的體系進行應用系統整合開發，因此在雛型產品的設計方面，日韓系統較具整體性，也比較接近實際商品化的設計概念。考量實際微型燃料電池的技術開發，需要各種技術領域的整合，加上與應用端的介面問題，以及將來對於3C電子產業可能造成的衝擊，在開發微小型燃料電池時，需整合上中下游資源，以及區域產業體系的強處，植入燃料電池堆及燃料電池相關材料的整合開發，才能以最少的資源產出最大效益。

（作者任職於工研院工業材料研究所微小型燃料電池實驗室）

參考資料:Reference

[1] J.O'M. Bockris, S. Srinivsan, "Fuel Cells: Their Electrochemistry", McGraw-Hill, N.J. (1969).

[2] G. Hoogers, "Fuel Cell Technology Handbook", CRC Press,(2003).

[3] Ballard report to DOE workshop "Fuel Cell Portable Power" (2002).

[4] Darnell Group Inc., "Fuel Cell for Portable Power: Market, Manufacture and Cost" (2003).

[5] Proceedings of Power 2002, The Century Plaza Hotel, LA 9/29-10/2(2002).

[6] Fuel Cell Today Report:"CeBIT 2003-Portable Fuel Cells arise on Computer market", WWW.fuelcelltoday.com.

[7] M. Cropper, Fuel Cell Today Report: "Fuel Cell Market Survey: Portable Applications", WWW.fuelcelltoday.com.

[8] J. Paterson, "Regulating Portable Fuel Cell on Airplanes" Fuel Cell Catalyst, V3, N4(2003).