近来3C应用产品的发展，强调行动资讯、即时影像传输等各方面功能的提升，导致目前做为行动电源的锂离子电池电容量越来越不够，因此对于未来3C产品的设计开发，寻求更高能量的行动电源或是更省电的元件与设计方式，成为各家业者竞争的重点。Intel也为此在2002年10月成立Mobile PC Extended Battery Life Working Group，邀集各大笔记型电脑厂，就笔记型电脑未来的电力需求趋势与行动电源供应系统的电能供给能力，进行规划与讨论，希望从各种不同的角度，解决未来电能容量不足的困扰。而燃料电池即是会中提出需要加强开发的一个解决方案。

燃料电池的原理

燃料电池是一种透过触媒将化学能直接转换成电能的发电装置，它与二次电池不一样，这是因为二次电池是把电能转换成化学能储存之后再释放出来。燃料电池的基本原理可以说是水电解的逆反应，其真正的反应如(图一)所示，是将氢气透过触媒的反应转成质子跟电子，质子会走中间的电解质来到阴极，电子会走外部电路做功后到阴极，透过另外一颗触媒把质子、电子跟氧气转化成水，单一cell的理论反应电位是1.21V。 [1]-[2]

《图一 燃料电池基本原理》

燃料电池的发展超过一百五十年，已经开发出数种不同的燃料电池系统，以电解质的种类来分有以下五种，包括：

这些燃料电池各有其优缺点与操作环境温度的限制，因此可以应用的领域也有所不同。目前研发能量较高的首推质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池以及固态氧化物电解质燃料电池。所开发的应用目标面含跨大型发电厂，汽车用发电机，携带式电源，家用定置型电源，以及本文所要讨论的微小型燃料电池。

燃料电池发展将以小型为优先

以加拿大Ballard公司对未来燃料电池发展的规划[3]，虽然微小型可携式燃料电池的技术门槛最高，但是因为微小型的应用领域最广，而且现阶段市场接受度最高，所以未来整体燃料电池的发展，主要会以微小型燃料电池的应用先展开，促使更多的经费投入，并且在技术上反馈其他应用体系的燃料电池，提高燃料电池成本降低的步伐，之后携带型以及家用定置型燃料电池渐渐普及，最后才是汽车燃料电池的导入，因为汽车用燃料电池对成本的限制最高。（赖秋助）

微小型燃料电池技术概要与优势

微小型燃料电池的基本架构与传统燃料电池相同，基本上具有由触媒、电解质膜所组成的膜电极组，将个别膜电极组串联出适当电压及功率的电池堆，以及为供应电池堆发电，而设计的燃料及空气流道与燃料循环控制系统，循环控制系统如(图二)所示，包括燃料槽、燃料循环系统、甲醇浓度及容量侦测、二氧化碳排放机构、阴极废水处理或回收机构以及温度感测等。其中膜电极组与电池堆供应应用系统所需的功率，而循环控制系统的设计是为了确保燃料电池能稳定供电，并且提供介面与系统沟通，提供最佳的应用环境。差异的部份，主要来自于面对应用端的整合时，必须考虑应用端对燃料电池的期望与限制。

《图二 微小型燃料电池循环控制系统示意图》

目前微小型燃料电池所锁定的应用领域主要以3C产品，包括手机（尤其是3G手机）、PDA、笔记型电脑或是掌上型电脑等携带式电子资讯产品，就这些应用而言，其基本问题包括：燃料电池组装完成后必须符合体积轻薄短小的要求、燃料补充的方式必须简单安全、所产生的废水必须有效处理、液态燃料的供应必须解决使用时系统倒置所衍生之方向性问题，此外因甲醇燃料的分解效率不高，亦需解决因为大量使用贵重金属触媒所造成的成本与系统体积的问题。

微小型燃料电池具备取代锂电池之潜力

微小型燃料电池的原理有别于其他二次电池，实际上燃料电池是一座发电系统，所以只要有燃料存在便能提供额定的电源，此外燃料补充的方式应可以设计得很简便。所以以更换燃料的动作取代传统二次电池充电的程序，将可大幅提升使用者使用可携式电子产品的续航力，也是目前燃料电池最被看好可以取代锂电池的一项优点。再者如(图三)的计算所示，因为甲醇燃料所具有的理论能量密度很高，若是不考虑循环系统的部分，将具有锂离子电池理论能量密度的10倍，如果未来燃料电池更加成熟，整体发电效率提升，可以更少量的燃料提供更长的使用时间，如此可降低系统厂在进行产品设计时，免除电源供应不足的限制，进而开发出更具吸引力的应用产品。

《图三 燃料电池与锂离子电池能量密度比较》

微小型燃料电池发展现况与趋势

目前微小型燃料电池的开发，主要有两个方向，一是直接以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池，如美国的MTI、Medies、Motorola，Hitachi、NEC、Toshiba、Sony，德国的Smart Fuel Cell以及我国工研院、核能所等。另一方面是以氢气为燃料或将甲醇先转换为氢气再进行发电的系统，如Motorola、Casio、 Samsung、德国的太阳能研究所ISE等[4]。以甲醇为进料，可以透过化学触媒的改质直接将甲醇转化为氢气，透过目前技术面较为有效率的氢气质子交换膜燃料电池的电池堆，可以产生较大的功率密度；如(图四)所示，为Motorola以及Casio所设计的甲醇改质器以及衍生之笔记型电脑可能设计型态，但是因为改质时需要局部超过200℃的高温，以及内部氢气的安全性，因此技术克服的困难点较高。而直接甲醇系统主要问题为功率密度小，甲醇浓度控制等，因此各厂家以自我核心技术的发挥，投入不同的解决方式，期待能有最佳的导入时机与效能。本文因为考量篇幅关系，以及就携带在使用者身上或是带进航空器的安全考量而言，氢气的问题会比甲醇燃料严重许多，因此将以直接甲醇系统做为叙述的主轴。

《图四 甲醇改质器以及衍生之笔记本电脑可能设计型态》

直接甲醇燃料电池工作原理与应用现况

直接甲醇的的工作原理与图一的质子交换膜燃料电池类似，只是在阳极部分通入的燃料为甲醇与水，而甲醇燃料透过触媒的作用产生质子、电子与二氧化碳，而阴极的反应与氢气系统完全相同；其整体反应式为：

公式:CH3OH+H2O+3/2O2----3H2O+CO2

目前全球利用直接甲醇燃料电池，发展可携式电子产品的电源供应部分，投入的厂商非常多，目前测试中原型也有相当多组，图五仅列出部分的成果作为参考。MTI是美国投入较为积极，且发展相当进步的公司，其开发主轴，主要以不须主动式元件应用，便可以达到高甲醇浓度运作的系统，提供较锂离子电池更高的能量密度，以及有效的燃料补充方式，以应用于手机或PDA的产品，因为实际的技术细节并没有揭露，我们只知MTI可以有效回收阴极的水到阳极，所以可以使用接近100％的纯甲醇为燃料。

Motorola在直接甲醇燃料电池开发的重点，主要利用其LTCC技术，在陶瓷基板内，建构循环帮浦与管路，以有效整合燃料电池系统与降低整体体积，但是其最大发电功率也因为帮浦的设计限制，无法有效提升。日本NEC主要技术突破点是以奈米碳管（Carbon nanotube）为触媒载体，因此可以大幅提升触媒效率，进而降低触媒使用量，目前发展的主轴已经由手机转为笔记型电脑的应用，92年6月也展出一台以10v％甲醇为燃料的燃料电池供应笔记型电脑，目前以300cc的甲醇燃料，可以供应系统五小时的运作。

Toshiba为全球第一个展示完整微小型燃料电池系统应用的厂商，早期展示的产品为PDA，今年二月已改为笔记型电脑的雏形，目前以纯甲醇为燃料，透过回收水与甲醇浓度控制机制，进行燃料的循环控制。德国Smart Fuel Cell公司发展的方向与Toshiba相似，但是体积仍然稍嫌过大，目前以开发较小型的系统为主要目标，并寻找策略联盟伙伴，以利燃料电池与应用系统进行有效的整合。这些厂商目前对微小型燃料电池的应用时程规划，大部分设定在2004～2005年之间，以工研院材料所的估计，最早的应用时程应该在2004年第三季以后，而且初期的应用会以较高阶的产品为导入点，而且应会以与锂电池搭配的混合式电源为早期切入点。

国内微小型电磁研发现况

在国内的研发现状方面，政府在微小型燃料电池经费的投入，主要在工研院材料所以及中科院核能研究所的部分投入。工材所主要以建构一个完整产业为思考架构，所以举凡触媒材料、触媒载体、质子交换膜、膜电极组的制作以及整体的系统均投入大量人力，企图建构燃料电池产业应有的专利布局，协助国内产业的建立，而目前也已经在触媒、质子传导膜以及燃料电池堆的设计方面取得相当的竞争优势，甚至对于膜电极组的制作，也已建立相关大量制造的方法。而核能研究所主要偏重膜电极组的制造以及燃料电池组的设计，目前亦已建构相当的MEA制作能力。

学界在燃料电池研究方面，目前主要以元智大学的投入最为积极，但是在微小型燃料电池方面的努力，主要着重材料元件的开发，其他各校亦渐渐有教授投入相关触媒研究以及燃料电池运作相关流场与热流分析，而且渐渐以形成团队的方式，企图透过多领域的整合，提供燃料电池最适当的解。企业界方面，各系统厂均有投入人力进行评估，但是否投入适当人力进行应用开发，甚至投入燃料电池试做，目前则是混沌不明的，不过经过日本厂商的进展刺激，最近的投入动作似乎较为积极。

微小型燃料电池商品化所需克服的问题

微小型燃料电池的在可携式电子产品的应用，在商品化的过程中所需克服的技术主要在以下几个部份：

电池材料的开发

在材料面第一个问题，是甲醇的氧化触媒效率太慢，造成直接甲醇燃料电池的发电功率过小，必须整合大量的燃料电池才能达到额定的功率需求，而且使用大量的贵重金属触媒，除了燃料电池的建构成本无法有效降低外，相对会使得整体系统体积太大，无法有效与系统整合，降低实用化的可能性，目前整体开发的目标以增加触媒使用率，以及开发非贵重金属触媒两方面着手，第一阶段会以如何降低触媒使用量的成功率最高。 [5]-[7]

另一个材料面的问题是，目前所使用的质子交换膜，无法有效阻挡甲醇的穿透，因此造成使用时大量甲醇跑到阴极，除了降低阴极反应速率，也会降低燃料使用率，造成整体能量密度过低，无法与锂离子电池的能量密度竞争，再者为了让系统以较高能量运作，系统必须导入甲醇浓度控制循环系统，除增加系统成本，也会大幅增加系统体积，而且阴极所产生的废水以及穿透过来的甲醇水必须做有效的处理，避免使用者或应用系统面对水气污染的困扰，因此整体技术开发的重点都以寻找最有效抑制甲醇穿透的电解质膜，或是设计一个有效的循环控制系统，提供整体系统的水与燃料有效的整合，并且不会过度耗费功率，使系统效能维持可以与锂电池竞争的基础。目前质子传导膜所使用的材料为杜邦的Nafion，而国外目前如日本，有相当多的化工厂投入新材料的开发，今年以来已有许多新产品出现，但是因为商业机密的问题，其实际情况仍有待深入观察。

电池堆系统的设计

在燃料电池系统设计方面，传统燃料电池组串联所使用的机制，会限制燃料流动循环的方便性，以及整体体积无法薄型化，目前各家以开发平面式燃料电池堆为重点，如何建构一个可以量产的平面式燃料电池组，将会是微小型燃料电池能否应用的一个重要课题。此外如上述的甲醇浓度控制循环装置阳极端产生的二氧化碳如何排除、阴极端产生的水如何控制以免造成使用者的困扰，这些相关议题必须在系统设计或是与应用端整合时一并考虑，且不可造成大量的电能损耗以及增加过多的系统体积，这些条件皆考验着研发人员的智慧；而因为厂商都将此视为重要机密，也间接延缓全球技术的进步。

发电装置可靠度

此外燃料电池发电装置的可靠度也是一个目前较被忽视的问题，触媒的高活性，面对多样化的应用环境，空气极的触媒是否会受环境大气的污染，必须有一个适当的评估与解决方案，否则未来系统维护的成本，恐会造成使用者的排斥。

在市场的竞争方面，面对锂离子电池的成本下降，以及未来奈米材料可能对锂离子电池电容量的提升助益；加上目前锂电池能量管理系统的更加效率化，可以有效提升锂电池使用时间，或是相关电子元件因为半导体技术的提升，都会延缓电子产品对燃料电池的期待，比较显著的例子就是Intel Centrino运算模式对笔记型电脑所提升的效能。 [4]

使用法规、专利权与应用策略

在法规方面，可携式电子产品常常必须跟随使用者搭乘航空器，但是目前美国飞航安全法规规定，甲醇属于危险管制物品，因此近年来为了促使携带式燃料电池的早日商品化，美国许多厂商这几年正积极的游说美国政府建立适当的安全规范或标准，所以美国交通部门再今年三月提出了一个以甲醇浓度为24v％以下的安全规范[8]，目前正与联合国相关委员会进行协调修正，相信未来会提出一个包括燃料罐包装、浓度、总量限制等规范，因为如果未来法规无法尽速修改，或是提出安全认证的标准，恐会拖延微小型燃料电池应用的时程。此外在日本方面，今年三月NEC、Toshiba、Sony等公司，招开一个日本国内有关微小型燃料电池标准的制定会议，希望透过目前日本对微小型燃料电池的投入，以及日本在3C电子产品设计的优势，规范一套适当的标准，而这些可能会进而影响未来3C电子产品的设计规范，我国相关产业应投注适当的注意并及早因应，否则将丧失一次产业转型的机会。

在专利布局方面，因为直接甲醇燃料电池的开发仅有大约十几年的努力，因此在原创相关专利均未过期的情况，显然直接甲醇燃料电池的应用，未来必须面对专利权的限制，以最近日经电子的报导，美国DMFCC因为拥有南加大直接甲醇燃料电池的原始专利，已经开始向全球开发微小型燃料电池的公司发出讯息，这问题显然会对微小型燃料电池的应用造成基本的冲击。

在应用策略面的考量方面，微小型燃料电池目前属于具备高能量但却无法提供足够的功率密度的发电系统，因此在一些追求小型化的应用产品如手机等，其进入障碍相对提高，对于较大的系统如笔记型电脑，又有需求功率太高，系统散热规模的考量，因此如何适当评估燃料电池的优缺点，找出最佳的整合应用产品，可以作为各系统厂，面对微小型燃料电池应用世代来临时深入评估的重点。

结论

整体而言，可携式电子产品是燃料电池应用的一个绝佳载具，但是应用系统面对于燃料电池的需求，相对于传统大型燃料电池供电系统，自有其较严苛的规范，尤其在直接甲醇燃料电池系统的能量转换效率，以及因为使用甲醇为燃料所引发之相关问题，这些均是目前燃料电池系统设计所需解决与改善的问题。

从上面的分析，我们可以发现，目前在欧美的燃料电池发展方面，主要以个别独立公司的创意，先行进行燃料电池系统的开发与布局，而日本或韩国的发展模式，则主要以应用系统厂的体系进行应用系统整合开发，因此在雏型产品的设计方面，日韩系统较具整体性，也比较接近实际商品化的设计概念。考量实际微型燃料电池的技术开发，需要各种技术领域的整合，加上与应用端的介面问题，以及将来对于3C电子产业可能造成的冲击，在开发微小型燃料电池时，需整合上中下游资源，以及区域产业体系的强处，植入燃料电池堆及燃料电池相关材料的整合开发，才能以最少的资源产出最大效益。

（作者任职于工研院工业材料研究所微小型燃料电池实验室）

参考资料: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).