直接甲醇小型燃料電池系統(tǒng)發(fā)展趨勢

    近年來由于可攜式電子產(chǎn)品市場的蓬勃發(fā)展，創(chuàng)造出龐大的電池市場商機，加以既有的各類二次電池有若干限制，使得微小型燃料電池被寄予厚望。本文將介紹微小型燃料電池的主要發(fā)展趨勢，以及商品化的技術(shù)瓶頸和市場考慮。

    近年來可攜式電子產(chǎn)品快速發(fā)展，包括手機、筆記型計算機、個人數(shù)字助理（PDA），乃至數(shù)字相機及攝影機等，造就龐大的市場和商機；然而，隨著產(chǎn)品功能的增強，系統(tǒng)對于電能的需求更高，一個小而輕、續(xù)電時間更長的電池，將是所有消費者一致的要求。

微小型燃料電池系統(tǒng)發(fā)展趨勢

    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)上已可達三至五倍；此外，燃料電池無須電源充電，完全擺脫充電的負擔與限制，取而代之的補充供電燃料僅需數(shù)秒鐘時間，為使用者提供極大的方便。因此，對微小型燃料電池而言，龐大的市場誘因和特性優(yōu)勢，勢必大幅加速相關(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作，具備體積小、重量輕、方便電池堆設計等優(yōu)點。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，儲存與運送遠較氫氣方便及安全，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，只是在陽極部份進入的燃料為甲醇與水，而甲醇燃料透過觸媒的作用產(chǎn)生質(zhì)子、電子與二氧化碳，其陰極的反應則與氫氣系統(tǒng)完全相同。微小型燃料電池要進入商品化的階段前，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，同時也造成燃料損耗。目前甲醇穿透的問題朝二個方向解決：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陽極產(chǎn)生1單位的質(zhì)子將會牽引出約2.5單位的水或甲醇到達陰極，同時陰極反應也會生成水，過多的水將阻礙氧氣進入觸媒層而造成陰極效能大幅下降，此稱為水滿溢現(xiàn)象。此問題目前以主動的增加循環(huán)系統(tǒng)之空氣流動帶離過多的水為主，但因而會耗掉系統(tǒng)較大的功率，所以MTI公司開發(fā)以膜電極體（MEA）的設計方法進行控制。

三、效能
目前DMFC的陽極效能偏低，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)品的應用而言，溫度需要適當?shù)目刂疲�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，所以實際系統(tǒng)須透過相當多的控制邏輯，以達到整體甲醇與水的供給和濃度控制平衡的目的。

    主動vs.被動 為了因應可攜式產(chǎn)品的應用，目前DMFC系統(tǒng)發(fā)展主要分為主動式及被動式，以下分別說明之。

一、主動式直接甲醇燃料電池
    主動式DMFC系統(tǒng)示意圖如附。陽極操作在適當?shù)募状紳舛龋�約3～6％vol）下，另有一燃料槽貯存高濃度甲醇溶液；陽極循環(huán)包括三通路：高濃度甲醇、陰極回收水，以及重復循環(huán)燃料；在常態(tài)運作下，陽極燃料透過幫浦Pf帶動循環(huán)并排除生成之二氧化碳，于燃料濃度過低或存量過少時，則分別透過幫浦Pm與Pw將高濃度甲醇及陰極回收的水加入陽極，維持電池系統(tǒng)的運作。另一方面，陰極的氧氣可來自風扇或壓縮器強制空氣循環(huán)。

    主動式DMFC的好處是，可藉由高濃度甲醇提高系統(tǒng)能量密度，并且藉由電池堆設計增高輸出功率；缺點則是動用許多耗能組件，降低系統(tǒng)凈電能輸出，同時較復雜且占空間。

二、被動式直接甲醇燃料電池
    被動式DMFC循環(huán)主要依靠重力、毛細現(xiàn)象或自然擴散的方式，將燃料與空氣傳送至電極表面進行反應，于室溫條件下操作。這類系統(tǒng)主要針對膜電極體（MEA）的材料和微結(jié)構(gòu)進行設計，藉由親、疏水材料特性以及燃料和水的濃度差異，控制擴散速率，并盡量降低甲醇穿透效應，以提升能量密度。不過，被動式DMFC系統(tǒng)之缺點在于無法提供較大的功率密度，同時技術(shù)門坎亦相當高。

普及化的未來趨勢

    除了上述關(guān)鍵技術(shù)必須突破外，微小型燃料電池要進入市場尚須面對成本、法規(guī)，以及使用者習慣的問題。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)品的應用特性，在進入商品化之前均須通過各項測試標準的認證以及相關(guān)法律的規(guī)范。目前，美國、日本和歐陸許多機構(gòu)都已積極投入法規(guī)制訂及整合的工作，預期DMFC的未來發(fā)展將日趨精進。（作者為工研院材料研究所博士）