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台湾可携式燃料电池的发展现况与市场挑战
 

【作者: 籃貫銘】2007年07月27日 星期五

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近年来,由于环保意识渐趋主流,加上传统石化能源已面临短缺的局面,因此具有可再生性与低污染优势的「再生能源」便因应而起,成为主流能源之外的第二选择,以解决当前日趋严重的环境污染问题,并降低因能源短缺所造成生产成本提高的情形。而在众多再生能源中,燃料电池因具有低环境因素与便于携带的优势,成为再生能源里应用最广泛的能源之一。


第一个燃料电池的诞生,可追溯至1839年时英国法官和科学家William Robert Grove爵士所发明的电解系统开始,这个装置透过电解过程逆转的方式产生了电能,而这便是现在我们称为燃料电池的第一个装置,距今168年。在这接近两世纪的时间里,燃料电池的技术有了相当程度的进步,不仅在电能转换的效率上有大幅的提升,其科学材料和制造技术也都渐趋成熟,应用的领域也逐渐从中大型的专用发电机组转向小型可携的方向发展。而本文即针此发展趋势做报导,一探台湾目前小型可携式的微型燃料电池发展现况,并记述台湾在此领域的市场契机与发展困难。


近年来,由于环保意识渐趋主流,加上传统石化能源已面临短缺的局面,因此具有可再生性与低污染优势的「再生能源」便因应而起,成为主流能源之外的第二选择,以解决当前日趋严重的环境污染问题,并降低因能源短缺所造成生产成本提高的情形。而在众多再生能源中,燃料电池因具有低环境因素与便于携带的优势,成为再生能源里应用最广泛的能源之一。

以3C消费性装置为主要目标市场

目前市场上的燃料电池种类甚多,应用的领域也有所区别。以小型燃料电池来说,通常指的是发电效能在1kw以下的燃料电池,其应用的领域涵盖甚广,从携带型的发电机组、交通工具的电源系统,到一般个人使用的消费性电子装置的充电设备皆可适用。而在消费性电子应用领域上,由于个人用的行动电子装置数量众多,几乎每个人都会同时携带如手机、PDA、笔记本电脑及可携式媒体播放器等,至少3至5个电子装置外出,因此该领域成为可携式微型燃料电池目前积极主攻的目标市场。


《图一 利用可携式燃料电池系统运作的PSP游戏机》
《图一 利用可携式燃料电池系统运作的PSP游戏机》

专门提供直接甲醇燃料电池(DMFC)解决方案并致力于模块零组件化的胜光科技(Antig)就认为,燃料电池一定要走向消费性市场,则整体的产业链才会出现,否则燃料电池就只会停留在特殊的高阶应用上,整体成本将不会下降。胜光科技事业发展副总麦伯尔尼(Brent McKendry)表示,胜光科技主要目标是低电力(Low Power)应用的市场以及部分的中电力(Mid Power)市场。他指出,低电力市场的电压需求通常都在150w以下,也就是以消费性电子(Consumer)为主的市场,如笔记本电脑(Laptop)、PDA等;而中电力则是以替代电池为目的,如UPS、小型发电机等。


麦伯尔尼进一步说明,他表示,胜光科技要做的是大量应用的市场(Mass Market),不是要针对金字塔顶端的小众需求。他认为,多数的消费性装置因可携的特性都会有电源的问题,尤其当人们外出的时候,这个问题更会被彰显,而燃料电池正好可以解决这个问题。他也以数字单眼相机为例表示,假设一个摄影任务需要在郊外进行,且工作的时间长达数小时,此时便很适合使用燃料电池来进行供电。「也许这样的应用数字相机厂就有意愿采用。」他说道。


《图二 胜光科技事业发展副总麦伯尔尼(Brent McKendry)认为,可携式消费性电子都会有电源的问题,尤其外出的时候,这个问题更会被彰显,而燃料电池正好可以解决这个问题。》
《图二 胜光科技事业发展副总麦伯尔尼(Brent McKendry)认为,可携式消费性电子都会有电源的问题,尤其外出的时候,这个问题更会被彰显,而燃料电池正好可以解决这个问题。》

甫于今年6月中旬成立的生态电能股份有限公司,为PC散热模块大厂奇鋐科技所转投资,是专门提供微型燃料电池周便设备(BOP)解决方案的零组件商。生态电能同样也看好燃料电池在商业市场(commercial)的发展空间,执行长陈建安表示,生态电能主攻的市场也是消费性电子。他指出,相较于欧美,亚洲的燃料电池市场比较朝向商业市场发展。尤其是日本及韩国,很早就已经着手设计消费性电子用的燃料电池,且有相关的原型展出。台湾必定也要朝向消费性领域发展,这也是台湾的优势所在。同时他也认为,台湾比日、韩更有机会在此一市场胜出。


DMFC技术为发展主流

燃料电池的发电技术种类甚多,针对的市场也有所差异。以目前小型可携的应用领域来看,则以直接甲醇燃料电池(DMFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)及微型甲醇重组燃料电池(RMFC)三种燃料电池为多,其中DMFC技术为目前台湾主流的燃料电池技术。


《图三 台湾自制3.5W的DMFC可携式燃料电池原型,将于2008年量产上市。》
《图三 台湾自制3.5W的DMFC可携式燃料电池原型,将于2008年量产上市。》

生态电能执行长陈建安表示,当初生态电能决定投入燃料电池市场时,曾对许多的燃料电池技术进行评估,最后决定发展DMFC技术。他表示,因为DMFC的工作温度低,相对的安全性就高,因此适合用在可携式的应用上,尤其是3C消费性电子。而自2002年便着手于DMFC技术开发的核能研究所直接甲醇燃料电池系统整合计划主持人陈长盈博士也表示,DMFC具有三个优点,第一、操作温度低,第二、液态燃料,能量密度高,第三、启动速度快。


《图四 生态电能执行长陈建安表示,DMFC的工作温度低,相对的安全性就高,适合用在可携式的应用上》
《图四 生态电能执行长陈建安表示,DMFC的工作温度低,相对的安全性就高,适合用在可携式的应用上》

陈博士进一步解释道,DMFC技术最大的优点就是能量密度高,相对于使用氢气的燃料电池来说,DMFC并不需要携带钢瓶来进行燃料补充,仅需要携带少量的甲醇即可,这对商业化来说是个重要的因素。过去使用氢气的燃料电池便是因为燃料携带的问题而限制了商业化的发展。再者,使用液态燃料也有助于基础建设的布设,他表示,日后若燃料电池产业成型,则使用液态燃料的相关基础建设会比使用气体的基础建设容易达成。


《图五 核能研究所直接甲醇燃料电池系统整合计划主持人陈长盈博士表示,DMFC具有操作温度低、液态燃料能量密度高、启动速度快等优点。》
《图五 核能研究所直接甲醇燃料电池系统整合计划主持人陈长盈博士表示,DMFC具有操作温度低、液态燃料能量密度高、启动速度快等优点。》

而除了DMFC蔚为主流外,使用甲醇重组技术的RMFC也在近几年开始受到重视。RMFC与DMFC同样是使用甲醇为燃料,但RMFC会先行将甲醇分解为氢气,再以氢气来进行电能反应,因此其核心的反应组件还是以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为主。与DMFC相比,RMFC具有更高的工作温度,因此所产生的电能更高,所能应用的领域也更广。但由于工作温度高的问题,因此也在小型化的过程中具有一定的困难存在,若日后能突破此一障碍,则RMFC技术也有大规模进入消费性市场的机会。


脱离组件开发 进入系统整合阶段

核能研究所自2002年便开始DMFC燃料电池相关的研发工作,成立初期以研发MEA制程为主,第二阶段为建立DMFC堆栈电池组的技术,目前已进入第三阶段系统整合期,已完成16-cell至25-cell堆栈电池组,并在今年推出40 W的可携式DMFC电源供应系统。陈长盈博士表示,目前核研所已经进入了系统整合期,也就是将几个燃料电池主要的核心组件,如MEA、DMFC电池堆栈组等做整合,做出完整的燃料电池系统。他表示,以进度来看,目前系统整合期已算是初步完成了。


《图六 核能研究所今年所推出40 W的可携式DMFC电源供应系统。》
《图六 核能研究所今年所推出40 W的可携式DMFC电源供应系统。》

相同的进度也出现在其他的燃料电池厂商上。胜光科技自2003年成立之后,便开始积极的推动台湾燃料电池零组件供应链成形,除了自行研发PCB制程的发电模块外,也与台湾几家的零组件提供商合作,推出完整的系统产品。而其与奇鋐、思博科技合作的第一个小型燃料电池系统「Begini」已完成了工程样品,并预计在今年底量产上市,未来将交由奇鋐挂名销售。胜光科技事业发展副总麦博恩表示,胜光科技在03-04年间主要的工作内容为推动供应链产生,并在05年推出一个内嵌的NB用的燃料电池原型,接下来几年将会更积极的与系统商合作,推出燃料电池系统。


除了胜光科技所设计的「Begini」之外,近年来积极跨足燃料电池市场的中强光电也已有笔记本电脑专用的燃料电池系统产品推出,据中强科技表示,该产品最快也会在2008年量产推出。而为奇鋐提供BOP解决方案的生态电能也透露,除了「Begini」的推出外,未来还会有专门以手机为目标市场的燃料电池系统推出,目前已有原型的版本,同样也预计在2008年正式上市。


《图七 中强光电所研发的笔记本电脑专用的燃料电池系统产品》
《图七 中强光电所研发的笔记本电脑专用的燃料电池系统产品》

采用开放性的研发架构

相较于国外燃料电池封闭的研发环境来说,台湾的燃料电池则属于开放性的研发架构,不仅招募各家零组件厂投入共同合作,同时也欢迎同领域的业者加入竞争。一手倡导此开放架构成型的胜光科技就表示,采用开放性架构才能真正达到降低制造成本的目的。胜光科技事业发展副总麦伯尔尼指出,胜光科技所针对的是大量的市场,是数万件出货量,而不是几十件的小市场。因此需要多数人共同投入,让这个市场早日成型,而不是像日、韩关起门来自己做。他表示,使用封闭方式的成功机率相对而言较小,而且成本也不容易压低。他也以台湾PC市场为例指出,台湾的PC市场之所以成功,便是采用开放性架构。


开放性的架构可以加速产品研发上市的时程。他举「Begini」为例表示,该系统便是结合了胜光、奇鋐、思柏等三家之力所共同研发而成。该系统由胜光提供Stack、奇鋐设计BOP、思柏则负责EMS的处理,仅用2年半不到的时间便有成果发表,最重要的是成本比单独研发要低很多。「若日后有厂商能够提供更低价的解决方案,我们也欢迎他加入。」陈建安说道。


《图八 思柏科技总经理吴静逸表示,非常欢迎相关的零组件厂商投入,尤其是模拟讯号设计及电源管理的芯片设计商。》
《图八 思柏科技总经理吴静逸表示,非常欢迎相关的零组件厂商投入,尤其是模拟讯号设计及电源管理的芯片设计商。》

专门提供燃料电池EMS及传感器(Sensor)解决方案的思柏科技也对实行开放性架构的研发策略表示认同,思柏科技总经理吴静逸表示,思柏非常欢迎相关的零组件厂商投入,尤其是模拟讯号设计及电源管理的芯片设计商。他指出,未来燃料电池产业开始大量成长时,相关的零组件需求也会增加,届时单一的厂商并无法负担整个系统的零件设计,尤其是IC设计这个领域。他也表示,未来思柏将会专注在控制IC及传感器的提供,将模拟讯号与电源控制的部份交由相关的厂商负责。


台湾可携式型燃料电池的发展挑战

关键MEA材料仍为国外掌控

DMFC燃料电池最关键的零组件便是膜电极组(MEA),其重要性与人体的心脏等同,为决定燃料电池发电性能的核心组件。目前MEA的成本依然非常吃重,几乎占整个燃料电池系统的六成左右,因此如何掌握并降低MEA的制作成本便成为燃料电池能否大量进入市场的关键问题。


《图九 胜光科技所研发的PCB燃料电池模块,其中MEA材料占了将近6成的成本。》
《图九 胜光科技所研发的PCB燃料电池模块,其中MEA材料占了将近6成的成本。》

核研所陈长盈博士表示,核能所最早便是从事MEA的开发,但主要的研发内容为涂布技术的改良,所使用的MEA材料仍是由国外进口。主要的原因是目前台湾并没有厂商在从事MEA材料的制造,虽然有少数的台湾厂商尝试自制,但仍是在实验阶段,且价格跟成本与国外仍有差距。陈博士表示:「MEA材料要自制有一定的困难存在。」他指出,国外的大厂,如杜邦等,在MEA材料的制造上已相当成熟,是国际的知名品牌,台湾厂商很难与之竞争。就算日后台湾拥有自制的能力,也势必会面临品牌竞争的问题。


胜光科技事业发展副总麦博恩也表示,目前MEA的成本仍很难降低,除了须仰赖进口的问题外,最主要的原因是市场仍未形。他指出,因为产量没有出来,便很难跟上游厂商谈优惠,若将来全球的市场已有一定的规模,相信MEA价格也会开始下降。胜光科技副总经理郑志诚则表示,目前燃料电池的零组件自制率为70%,日后将会提高至90%以上,但MEA则仍须仰赖进口。


特殊零组件不易取得且价格偏高

由于燃料电池属新兴产品,且并未有固定且通用的零组件规格,必须因应系统设计来做专用的开发,因此也造成零组件成本高居不下。在DMFC燃料电池系统架构内,除了MEA之外,接口设备(BOP)和甲醇燃料盒 (Cartridge)等的内部零组件组皆属于特殊应用组件,必须另外开发,因此在制造上也相对困难。


《图十 思柏科技所设计的控制电路,其所对应的许多零组件皆须另行设计生产。》
《图十 思柏科技所设计的控制电路,其所对应的许多零组件皆须另行设计生产。》

工研院工业材料研究所研究主任赖秋助表示,因为市场还未出现大规模的成长,因此许多零组件只能进行小量的生产,相对而言,成本就高。加上许多厂商都对燃料电池的发展持观望态度,因此也不愿意贸然开模进行生产。他以负责燃料输送的零组件帮浦(Pump)为例表示,当初在设计BOP系统时,也针对Pump的厂商进行过访查,但厂商的反应都不积极,而燃料电池在微型化的过程中,Pump的缩小也是非常关键的问题,因此发展便受到限制。


生态电能执行长陈建安表示,台湾的技术一直都不是问题,重点是在零组件的取得以及成本的考虑上。「这也是为何要采用开放性架构的理由,因为越多的零组件厂商投入,这个市场成功的机会就越大」陈建安强调。


市场仍未明朗 系统厂态度保守

近来年,虽然投入燃料电池相关领域研发的厂商及研究单位已有一定数量的成长,但整体而言,发展的速度仍旧缓慢,主要的原因是大家对市场仍持观望的态度。不久前才参与过日本燃料电池展览会的陈长盈博士就表示,根据他的观察,日本燃料电池产业的研发脚步有出现「放慢」的状况。他认为有两个可能,一者是最后的成品即将上市;再者为研发过程出现问题,而他认为后者的可能居多。他也指出,日本所遭遇的问题有可能是制造成本过高以及错估市场发展。


工研院工业材料研究所研究主任赖秋助也表示,燃料电池的普及仍有一段路要走,尤其是落实到一般消费者阶层,还需要相当的时间来发展。他认为关键是在系统厂身上,他指出,由于系统厂所针对的为一般消费者,因此必须系统厂接受了燃料电池的应用后,才有可能推广至一般消费者。但他也表示,虽然目前多数的系统厂都已经着手燃料电池的研究,但态度并不积极,仅仅是以研究的角度在处理,并未有商业化的考虑。


《图十一 核研所自制的手机用DMFC燃料电池充电器,将针对行动工作者提供备用电力。》
《图十一 核研所自制的手机用DMFC燃料电池充电器,将针对行动工作者提供备用电力。》

一直看好燃料电池市场发展的胜光科技也无法预估大量市场何时会出现,事业发展副总麦博恩表示,真正的大量市场何时会出现他并不知道,但他认为也许在2010年会有初步的规模出现。他指出,2008年会是关键的一年,因为首波的产品会在今年面市。同时他也透露,胜光目前正与系统商积极的进行合作,最快将在这一两年有成果发表。


终端消费者对燃料电池不熟悉

胜光科技事业发展副总麦伯尔尼表示,目前燃料电池发展的一个关键问题就是消市场对于燃料电池仍不熟悉,甚至还有许多人连燃料电池是什么都没听过。他指出,「教育市场」便是一个很重要的作为。这并不是胜光科技单独可以胜任的事,还需要更多的第三方一同共襄盛举。


需与其它能源解决方案相抗衡

不单是燃料电池自身技术的发展外,燃料电池也必须与其它的能源解决方案相较,否则难以进入主流市场。核研所陈长盈博士表示,燃料电池面临的另一个问题便是其他省能方案的挑战。以现行的锂电池来说,其节电技术不断的提升,使用的时间越来越长,因此燃料电池就很难有切入的机会,加上若成本不能具有优势,那市场成功的机会就不大。他也以英特尔为例指出,英特尔目前正积极推动省能计划,包含45奈米等措施,都会延后燃料电池进入市场的时机。


台湾可携式型燃料电池的市场契机

产业结构完整 零组件开发快速

台湾早期从事计算机组装和零组件的代工生产,已拥有一定程度的零组件开发能力,加上近年晶圆与IC设计产业高度成熟后,台湾已具备了完整的电子零组件供应链,因此若要选择一地来进行燃料电池零组件的开发,则台湾是最好的选择。


《图十二 胜光科技营销副理蔡舒薇说道表示,台湾具备良好的零组件供应能力,适合使用开放式的方式进行。》
《图十二 胜光科技营销副理蔡舒薇说道表示,台湾具备良好的零组件供应能力,适合使用开放式的方式进行。》

胜光科技营销副理蔡舒薇说道:「这就是台湾最具优势的地方」她表示,当初会选择开放性架构来进行燃料电池的研发,便是看好台湾在零组件上的供应能力,而且台湾也适合使用开放式的方式进行。她指出,由于台湾的厂商几乎都是中小型的企业,并没有如三星或新力这般大规模的公司,因此无法由一家或二家公司单独来进行燃料电池的制造,最好的方式就是把产品拆开来做。再者,台湾在零组件的制造能力是很强的,可以很快就找到适合的供货商。


具成本优势 量产能力高

「假若燃料电池的问题是在于价格的话,那么对台湾来说就是个机会。」陈长盈说道。他表示,台湾在低价化的能力是很强的,只要把握住这个切入点,那么将来就会有一番作为。工研院赖秋助主任也同样认为台湾在低价化的确具有优势,他笑着说:「台湾最厉害的一点就是把东西做便宜。无论什么东西交给台湾来做,都可以砍掉一半,甚至三分之二的成本,这对产品要进入市场是非常重要的关键。」


思柏科技总经理吴静逸也指出,台湾在价格上的竞争力是很强的,只要有市场,技术都不是问题。他也以自有的解决方案为例表示,目前思柏是世界上唯一能同时提供DMFC的水位感测计与甲醇浓度计的公司,而且所使用的材料也是世界最便宜的。


使用开放架构 有利竞逐标准制定

目前燃料电池仍属于实验性开发阶段的产业,未有全球化的共通标准出现,仅少数几家公司自行着手研发提供,并未有大规模的量产出现。而台湾由于实行开放性架构的方式,由零组件端切入,因此相当有机会造成大规模的市场,进而成为DMFC燃料电池零组件标准的制定者。


《图十三 胜光科技将模块零组件化 便是希望能带起标准的制定。》
《图十三 胜光科技将模块零组件化 便是希望能带起标准的制定。》

「这可能是台湾首次有机会在标准制定上获得主动权。」胜光科技营销副理蔡舒薇说道。她指出,包含英特尔在内,都对燃料电池的应用开始有积极动作。英特尔已成立了一个行动计算机电池寿命延长计划工作小组(Mobile PC Extended Battery Life (EBL) Working Group),对如何延长行动计算机的使用时间进行研究,其中燃料电池便是一项重点项目,而胜光科技便是其中一个会员。


而在台湾,由胜光科技主导的开放性架构工作小组目前已有24家国内外厂商加入,并积极在DMFC燃料电池的专利布局上做努力。


寻求早期立基市场 扩大应用范围

由于台湾地小人稠,人口的聚集密度很高,相对的,各项基础建设(如水电等)的取用性也很高,因此使用可携式燃料电池的机会相对就低。但由于目前可携式的电子装置甚多,加上每一种装置都使用各自的充电规格,因此造成行动工作者在进行充电时的困扰,必须携带各式充电设备才能因应,而这便是目前可携式燃料电池最好的切入点。


生态电能执行长陈建安表示,此时若能提供一个单一的行动充电装置给各项行动电子设备进行充电,相信将能解决多数人的需求。核研所陈长盈博士也表示,要一开始就跨入大规模的消费性市场并不容易,先期应该先从诉求备用电源及充电装置开始切入,寻求早期的立基市场,日后再因应需求进行扩大。


《图十四 胜光与奇鋐、生态电能、思博科技合作的小型燃料电池系统「Begini」已完成了工程样品,并预计在今年底量产上市。》
《图十四 胜光与奇鋐、生态电能、思博科技合作的小型燃料电池系统「Begini」已完成了工程样品,并预计在今年底量产上市。》

结论

胜光与奇鋐、生态电能、思博科技合作的小型燃料电池系统「Begini」已完成了工程样品,并预计在今年底量产上市。


在环境保护与寻求替代能源的呼喊中,燃料电池应声而起,成为目前能源市场闪耀的新星。但在众家厂商积极推广的状况下,面临的困难依旧很多,其中最大的问题就是市场的接受度依然很低,多数的人连燃料电池是什么都不知道,因此在推广上就非常困难。工研院赖秋助主任就表示,对人们来说环保跟能源的议题太大,也离的太远,因此最好的方式是告诉他们燃料电池很方便,是一种不一样的电池,这样进入市场的机会才大。


陈长盈博士也表示,事实上推动燃料电池的意义不大,只是一种手段而已,真正的目的是要促成氢能产业成型,真正的把当前的环境问题和能源问题解决。而要促成这个产业成型,最好的方式便是把燃料电池带进用户身上,让这个需求逐渐成长。而台湾由于自身优势的因素,将非常有机会在全球的氢能源上占有举足轻重的地位。


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