功能vs.电池功率的难题迫在眉睫

随着手持式装置如智慧型3G手机、PDA手机、数位相机、Netbook等广泛普及，加上功能更为多元丰富，工程师常面临一方面需要将更多的应用功能，整合在机构工程师或造型设计师所决定的外形尺寸中；另一方面，也由于更多的应用诸如多媒体影音播放、Wi-Fi/BT、GPS、HDTV及更大尺寸显示萤幕等的应用，迫使工程师要进一步整合更高电池功率以及电源管理，以满足消费者对待机时间和工作时间的要求。

然而，手持式电子装置的电池功率发展趋势，就以最广为使用的锂离子电池（Li-ion Battery）而言，每年电容量成长幅度约10％上下，并且已经发展到了接近理论的极限，以普遍利用的尺寸约45×50×4mm而言，约提供1000～1200mAh电容量，顶多到1500～1800mAh就达极限，而这种电池已是所有可充电化学电池中能量密度最高的。但是对照电量的需求，以近几年手机上的发展而言，每年约成长30％。因此，这便造成了如图一所示的电力落差（Power gap）。更何况未来手持式装置会整合更多需求更高电量的应用，如「投影手机」的功能，因此必须发展有回异于锂离子电池的电力或是电池系统。

《图一 电力需求与电池电量提供所形成的电力落差示意图》

电力需求与电池电量供应落差促使新世代电池技术发展

回顾电池的发展历史，在1990年代以前，镍镉电池（Ni-Cd）及镍氢电池（Ni-MH）主要是提供如随身听类别所使用。到了1990年代初，因为笔记型电脑及摄录机等「Power Eater」的发展，需求更高能量密度的电池（以当时观点而言），前述的电池已不敷使用。因此power gap进一步催生新世代锂离子充电电池技术的演进及发展，并导引自锂离子电池问世以来在手机、PDA及数位相机等领域的应用。至于下一个power gap在哪里？何时会发生？虽然对于这个时间点业界有许多不同观点，甚至落后于原先2007～2008年间的估计，（如图二所示），但相信会很快到来。

以近年来最为蓬勃发展的手机产业而言，不过短短数年间，其聚合了许多应用及功能（convergence）。如3G多功能手机的发展已经可以支援多个air interface，包括GSM、EDGE、UMTS、HSPA等多波段连接，以及透过Wi-Fi、BT、USB介面等进行其它相连。此外，手机相机则整合复杂的相机引擎和高功率发光的闪光灯来拍摄高品质照片；而GPS的结合应用，亦促使更多导航及地图浏览的应用。至于多媒体方面，高速应用处理器则提供强大的音／视讯处理能力，以支援数位电视（DTV）讯号和MPEG音讯编解码；随着数据传输速度的增加，手机的视讯电话功能甚至投影功能也将实现。于是，电量需求与电池电量差距已逐渐扩大到酝酿另一个电池技术的催生。

但以目前手持式电子装置发展的电力需求观点而言，未来需求数倍于现有的电池能量密度，除非有突破性技术。例如日前报载麻省理工学院的2名材料学专家，发现锂离子荷电后，在电池材料里缓慢移动是造成充电缓慢的主因。因此他们设计将硫酸锂镀膜，让离子迅速稳定地流向通道入口，快速抵达电极、释放电力。此技术可于2～3年内引领更小、更轻、载电量更高的锂电池问世，以及几分钟就充电完成的笔电和超小型手机世代的到来。不然，Fuel Cell绝​​对是一个重要的发展选项。

《图二 电量跳跃式需求成长促使新世代电池技术演进及发展 》 数据源：Nikkei Asia Electronics，2005

可携式能源发展趋势

各式不同技术的电池，其能量密度也不同。以密封式铅酸电池（Sealed Pb）而言，其能量密度约为30Wh/kg；镍镉电池（Ni-Cd）能量密度约为50Wh/kg；镍氢电池（Ni-MH）能量密度约为80Wh/kg；以上三种电池，其充电时间均约为8小时。至于锂离子电池（Li-ion）能量密度约为120Wh/kg；锂聚合物电池（Adv. LPB）能量密度可达200​​Wh/kg；这两种电池，其充电时间都约为2小时。

以上一节所讨论的电力需求推估，为满足未来各式应用的需求，电池电量大约必须5～6倍（约1000-1200Wh/k）于目前能量最高的锂离子电池，且充电时间必须远小于目前锂离子电池的2小时。以此电池容量而言及充电时间的需求来看，燃料电池的高能量密度及补充燃料可持续提供电力的特性，符合未来发展的趋势及要求，详如图三所示。

《图三 可携式能源发展趋势示意图》

什么是燃料电池?

电池可分为化学电池与物理电池两类。其中，物理电池系指太阳能电池、热感应电力电池及原子力电池；化学电池可分为一次电池、二次电池。如图四所示。

所谓「一次电池」是指电池内参与化学反应的物质无法重复使用，放电完时电池的寿命即告结束。这一类包括碱性电池、碳锌电池、锂电池、氧化银电池与水银电池等。所谓「二次电池」又叫作充电电池，亦即电池电力用完时，可以再次充电使用的电池。这一类包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池与锂电池等。而燃料电池也算是化学电池的一种，系利用电化学反应把氢与氧结合成水，将化学能转换成电能，即水电解过程的逆向反应。只不过是燃料电池虽然称为「电池」，其实是发电的系统装置，利用添加燃料以产生其电力，一但电化学开始反应就不断放电，并不会储存电量，并且是稳定的电压输出，无法因应如开机瞬间的peak power，因此实际上使用时一般必须搭配如锂离子电池的二次电池，如图五所示，可采用串接式或是并接式。串接式燃料电池属于低额定，就像备援的充电装置，最主要是希望延长电池的使用时间；并接式燃料电池属于高额定，燃料电池在负载高时分担部份出功率，目的在于提高整体的能量密度。

《图四 燃料电池与一、二次电池比较图 》 数据源：改绘自图解燃料电池百科，全华科技图书，2004

《图五 燃料电池与锂离子电池混成的功率与能量密度模式》

燃料电池工作原理

燃料电池的运作原理，也就是电池含有阴阳两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。其所需的燃料是「氢」，氢由燃料电池的阳极进入，氧气（或空气）则由阴极进入燃料电池。经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成两个氢质子（proton）与两个电子（electron），其中质子被氧「吸引」到薄膜的另一边，电子则经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子，因此水可说是燃料电池唯一的排放物，如图六所示。由于燃料电池是经由利用氢及氧的化学反应，产生电流及水，不但完全无污染，也避免了传统电池充电耗时的问题，是目前最具发展前景的新能源方式，这可说是「氢的科技」。

《图六 燃料电池的工作原理示意图》

燃料电池的化学反应式如下所示：

《公式一》

放电曲线I-V curve及功率密度曲线图如图七所示。其中，理论电压值与实际I-V curve之间的Voltage loss主要原因包括燃料的cross-over、反应的动力学、内阻等因素。其中，在低电流时产生效率的峰值，约在0.9V～1.0V；在电流密度约为1.0时，有功率的峰值表现。

《图七 燃料电池的放电曲线I-V curve及功率密度曲线图》

燃料电池的种类

目前燃料电池依照电解质的不同，可分为碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell；AFC）、质子交换膜燃料电池或固体高分子型燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC或PEFC）、磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell；PAFC）、溶融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell；MCFC）及固态氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell；SOFC）等五种。各种燃料电池的种类与特性如下表所示：

《表一 燃料电池的种类与特性比较表 》 - BigPic:599x598 资料来源：台湾电池燃料资讯网，http://www.tfci.org.tw/Fc/class.asp，2009

手持式电子装置上的微直接甲醇燃料电池μDMFC

如表一所示，采用质子交换膜方式（PEFC）的燃料电池，其操作温度约在室温至80℃。直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell；DMFC）是属于PEFC的一种，直接使用甲醇水溶燃料，可在常温及常压下操作、增加使用上的安全性。相较于其他种类的燃料电池，除具低污染及高能量密度之特性外，DMFC不必经过任何前加工处理程序，复杂性大为减低，使得DMFC设计易于小型化，进而成为3C可携式电源供应系统研发重点。其工作原理如下图八所示：

《图八 直接甲醇燃料电池工作原理示意图》

直接甲醇燃料电池的化学反应式如下：

《公式二 》

DMFC在阳极反应需要水，而阴极会产生水。问题是以净反应而言，理论上会产生2倍过多的水淹没阴极，造成效能降低。事实上，因为燃料cross over的问题，在阴极所产生的水，约3～4倍。因此阴极水回收的机制成了燃料电池的效能关键以及重要发展议题。

DMFC阴极水回收的方式

如前所述，在阴极所产生的水必须有效回收，现在依照阴极水回收机制，可将直接甲醇燃料电池区分为被动式与主动式水回收系统，如图九所示。此外，因为主动式水回收机制功耗大，亦有改良型的半主动式系统设计。

《图九 主动式与被动式水回收机制差异》

所谓被动式水回收系统，系利用材料科学上的毛细原理或是机构设计方式，使用重力原理促使燃料流动，达成阴极水回收目的，不需借助主动元件如压缩机或汞浦（Compressor ​​or Pump），系统较简单且体积小，一般以用在移动性较高、出功率需求较小的手机、数位相机及MP3为居多，代表的厂商有Toshiba、Fujitsu、Hitachi、MTI及Sony等。而主动式水回收系统，系借助主动元件如汞浦或是风扇，促使燃料流动及达成阴极水回收目的，如图十所示。因为主动元件BOP必须消耗一定比例的系统功耗（约10～20％），系统较复杂，一般用在出功率需求较大些的笔记型电脑和DVD player等，代表的厂商有SFC、Toshiba、 Samsung、LG、Sanyo等。此外，亦有改良式的半主动水回收系统设计，主要是改良BOP为功耗较小的主动元件，例如以Blower或是小型风扇（Fan）取代压缩机或是汞浦。适合用在中低出功率需求的系统。

《图十 主动式水回收设计系统架构方块示意图》

微直接甲醇燃料电池商业化面临之挑战

过去数年，可携式微直接甲醇燃料电池的技术，例如电极CO毒化、触媒转换效率、质子交换膜、燃料浓度及cross over等问题，有显著的进步，并且有效的降低成本及价格。另一方面，在2005年底及2006年，国际电工委员会（IEC）、国际民航组织（ICAO）和国际航空运输协会（IATA），分别起草了允许在客机中搭载和使用可携式燃料电池和燃料盒的新条例，允许可以在飞机上携带200ml甲醇燃料储存盒2个，使燃料电池商业化的进展因为法规的订定而展露曙光。

然而，μDMFC燃料电池在迈向商业化的应用过程，特别是在可携式的手持电子装置上，不论成本、体积、效率、使用年限、竞争技术等必须也要进一步考量。