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。燃料电池即是会中提出需要加强开发的一个解决方案。

燃料电池发展将以小型为优先

以未来燃料电池的发展规划来说[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。

具备取代锂电池之潜力

如上所述，因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。所以采用更换燃料的动作来取代传统二次电池充电的程序，将可大幅提升可携式电子产品的续航力，这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，以甲醇燃料为例，其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，可以用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。

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。如图一所示，其基本原理可以说是水电解的逆反应，也就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》 数据源：工业局工安环保报导第五期

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。

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的应用环境。与传统燃料电池的差异，主要来自于面对应用端的整合时，必须考虑应用端对微小型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。 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已经在展场中亮过相，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议题，因此技术克服的困难点较高。

《图三 燃料电池电池组示意图》 资料来源：台大机械无动力污染实验室http://w6.me.ntu.edu.tw/~dust/introduce.htm

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]

电池堆系统的设计

在燃料电池系统设计方面，传统燃料电池组的串联，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，面对多样化的应用环境，高活性的空气极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，所以美国交通部门在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，召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是近十多年的事，因此在原创相关专利均未过期的情况下，直接甲醇燃料电池的应用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警告讯息，这问题显然会对微小型燃料电池的应用造成一定的冲击。

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，但也得面对更严苛的规范，尤其在直接甲醇燃料电池系统的能量转换效率上，以及因为使用甲醇为燃料所引发之相关问题，均是目前燃料电池系统设计所需解决与改善的问题。

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。

（作者为工研院工业材料研究所微小型燃料电池实验室研究员）

参考资料：

[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).

延 伸 阅 读

燃料电池让笔记本永不断电 让笔记本电脑永不断电，这是多年来的梦想，大部分厂商都表示2004年到2005年，笔记本燃料电池将会进入实用阶段，届时，笔记本连续工作8个小时以上将是家常便饭。本文中介绍了各大厂商最近的发展成果。 改变世界的概念车 如今，汽车科技将引发另一场革命：这次革命的动力不是石油，而是氢气。燃料电池将氢原子分解成质子和电子，用以推动马达，而排放出来的只是水蒸气，将可使汽车变得更加环保，或许还会更便宜。本文选自科学人杂志，带你了解这种科技为何如此具有革命性。 燃料电池膜极体（MEA）制作技术 质子交换膜燃料电池近年在关键技术上屡有突破，已快接近商品化之阶段，预估2010年将有美金110亿元之市场，商机庞大不容轻易忽视。 MEA是质子交换膜燃料电池的核心，大概占燃料电池制造成本的37%，因此可说是燃料电池中最重要的关键组件，也是燃料电池发电效能主要决定因素。本文提供了深入的技术介绍。 燃料电池专题报导 燃料电池被很多人推估会是水力、火力与核能以外的第四种主要发电系统；也有欧美公司认为电动车的成败完全要靠燃料电池为能源。此一国科会《科学发展》月刊的专题报导中，将报导由碳能朝向氢能的燃料电池、锌空气燃料电池、燃料电池与电动车辆及电极膜组等议题。

相关组织网站	元智大学燃料电池中心 工研院工业材料研究所电池材料研发领域 工研院能资所燃料电池与氢能研究室