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。燃料電池即是會中提出需要加強開發的一個解決方案。

燃料電池發展將以微小型為優先

以未來燃料電池的發展規劃來說[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。

具備取代鋰電池之潛力

如上所述，因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。所以採用更換燃料的動作來取代傳統二次電池充電的程序，將可大幅提升可攜式電子產品的續航力，這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，以甲醇燃料為例，其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，可以用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。

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。如圖一所示，其基本原理可以說是水電解的逆反應，也就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》 資料來源：工業局工安環保報導第五期

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。

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的應用環境。與傳統燃料電池的差異，主要來自於面對應用端的整合時，必須考慮應用端對微小型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。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已經在展場中亮過相，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議題，因此技術克服的困難點較高。

《圖三　燃料電池電池組示意圖》 資料來源：台大機械無動力污染實驗室http://w6.me.ntu.edu.tw/~dust/introduce.htm

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]

電池堆系統的設計

在燃料電池系統設計方面，傳統燃料電池組的串聯，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，面對多樣化的應用環境，高活性的空氣極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，所以美國交通部門在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，召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是近十多年的事，因此在原創相關專利均未過期的情況下，直接甲醇燃料電池的應用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警告訊息，這問題顯然會對微小型燃料電池的應用造成一定的衝擊。

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，但也得面對更嚴苛的規範，尤其在直接甲醇燃料電池系統的能量轉換效率上，以及因為使用甲醇為燃料所引發之相關問題，均是目前燃料電池系統設計所需解決與改善的問題。

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。

（作者為工研院工業材料研究所微小型燃料電池實驗室研究員）

參考資料：

[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).

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