燃料电池特性

燃料电池（Fuel Cell）不是一般电池，其实是一台只要提供燃料便可持续供应电力的新型「发电机」，亚太燃料电池（APFCT）执行长黄林辉表示，燃料电池就是一座小型的直流电发电机，可进行能源转换供电而不具储存电能特性，其内部零件相当精简，一般不会超过7个。燃料电池的发电原理是藉由渗透性薄膜两侧分别供应氢与氧，由储氢器提供燃料，利用氢和氧诱发化学反应产生电力。美商国家仪器（NI）绿能项目工程师林广哲强调，燃料电池需要保持一定的湿度及恒温环境，才能达到有效发电效能。燃料电池运作时温室气体排放量低，能量密度可达锂电池的10倍，可长时间持续供电，续航力高、稳定且安静，有别于太阳能或是风力系统需仰赖大自然环境的间歇发电特性，排出物则是水蒸气和废热为主。燃料电池发电所排出的废热可经过储存后，作为梳洗热水和供暖热气使用，藉由热回收设计提高整体能源利用率至70％以上。

《图一 PEMFC运作原理示意图 》 数据源：亚太燃料电池

燃料电池种类

目前燃料电池按其使用电解质的种类，主要可分为质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC）、直接甲醇燃料电池（Direct Methanel Fuel Cell；DMFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell；SOFC）、碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell；AFC）、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）等为主，其中又以PEMFC、DMFC和SOFC较多为厂商与研究机构所开发。

SOFC使用non-porous 金属氧化物，通常以氧化铁或二氧化锆为电解质，操作温度高（800℃～1000℃），发电效率为45～65％，适合应用在大型或是定置型发电系统，常用于电热共生系统、车辆辅助动力及分散型电厂。PEMFC又可称为固体高分子电解质燃料电池（Polymer Electrolyte Fuel Cell；PEFC），使用质子交换膜（Proton Exchange Membrane）高分子聚合物作为电解质，属低温型（一般室温～120℃），发电效率约为40～50％；DMFC使用离子交换膜作为电解质，亦属低温操作（50℃～100℃），发电效率约为20～30％。PEMFC和DMFC等主要应用于3C消费电子领域作为便携设备电池替代方案，以及分布式发电设备等。

堆栈（stack）或混合（hybrid）架构

由于单一燃料电池仅能产生约1V电力，因此大多数燃料电池应用均需要并列或串行1颗以上电池的堆栈（Stack）架构，以输出较高的电力，若以多组PEM构成电池堆栈，可产生较高电压。高效能的堆栈将包含数百组电池，甚可包含数千组电池堆栈架构，满足运输、商业，与工业级电力应用所需。

此外，主要应用在3C消费电子领域的DMFC，能量密度虽比锂电池来得好，不过发电效能仍有待提升，厂商多数采取混合式（Hybrid）系统架构，亦即让燃料电池整合高功率密度的锂电池模块加以应用。在一般情况下，锂电池可单独充电使用；或者也可以单独添加燃料以燃料电池供电；也可让锂电池跟燃料电池同时供应电力，提供更大的电力输出；或者让后者承担电压尖峰负载的瞬间变化，以有效发挥燃料电池发电效能。Sony于今年2月底便展示新一代Hybrid燃料电池样品，就以控制芯片控制燃料电池混合架构的转换效能，自动切换电源供应模式。台湾的亚太燃料电池也开发燃料电池与镍氢电池，并应用在复合动力电动轮椅上。亚太燃料电池执行长黄林辉预测，由于燃料电池结构简单，未来燃料电池可能朝向类似PC的组装架构进一步发展。

《图二 DMFC电动自行车系统整合验证机台 》 数据源：美商国家仪器；台湾原子能委员会核能研究所

燃料电池应用领域

欧美日各国正计划逐渐摆脱对石油燃料的重度依赖，加上全球暖化危机迫在眉睫，以及中小型分布式电源供应方案的推波助澜，燃料电池已成为各国替代能源的主要考虑之一，现在全球主要汽车集团与能源公司几乎都在研发燃料电池技术。亚太燃料电池（APFCT）执行长黄林辉表示，现在是后京都议定书时代，节能减碳已成为轻型车辆产业摆脱代工进一步升级的契机。

燃料电池应用领域可涵盖分布式发电系统、电动车辆、UPS、交通运输工具、产业定置化发电及动力系统、机器人、工具机械、可携式电子、航空与军事等，应用范围相当广泛，例如手机发射基地台便是很好的应用推广项目，位于偏远地带的通讯设施也需要稳定的紧急电力供应系统，燃料电池即可作为选项之一。目前可携式燃料电池多应用于军事用途，在民生用途上主要以游艇、Motor Home等作为辅助电源。例如南韩三星SDI和三星电子4月便展示一款军用甲醇燃料电池，重量只有3.5公斤，能让一位士兵连续正常使用72个小时以上，比起一般电池重量8～10公斤轻便许多。不过现在燃料电池应用领域市占率最高的是发电系统，约占60％左右。

《图三 DMFC E-BIKE系统架构图 》 数据源：美商国家仪器；台湾原子能委员会核能研究所

DMFC E-BIKE系统架构图

全球燃料电池市场发展概况

根据市调机构Freedonia Group预测，今年全球燃料电池市场规模将成长至25.8亿美元，预估到2014年，全球燃料电池系统市场规模可达135.5亿美元，平均年复合成长率为43％。根据「富士经济」调查数据预测指出，2020年小型燃料电池日本市场规模将达1070万台，销售额为145亿日圆。美国以燃料电池车辆、定置型发电系统及军事用途作为市场应用发展主轴，其燃料电池着重于PEMFC、SOFC与储氢技术；同时北美地区也积极发展燃料电池备用电源系统，技术多以纯氢PEMFC系统为主。亚洲国家则以各类运输车辆、3C产品、定置型和小型发电系统以及家用系统作为市场应用发展主轴，发展技术类型涵盖PEMFC、SOFC、DMFC、储氢技术及关键材料技术。

日本在发展小型燃料电池技术上成果显著，应用领域也以家用热电共生系统作为代表，其容量多以1kW居多。1kW燃料电池其实是迈向替代能源的入门规格，因此日本推动家用燃料电池订定规格便以1kW作为突破点。3月25日日本大阪燃气、京瓷、丰田和爱信精机 4家企业已宣布将联合开发下一代家用SOFC燃料电池，预计在2015年之前进入商业化阶段。至于在可携式DMFC商业化进程上亦有明显进展，Toshiba 4月起已开始量产手机专用的外部充电型可携式小型燃料电池，并计划在今年年底，推出内建燃料电池的可携式产品。由于成果显著，日本的小型燃料电池规格也将在今年6月为国际电器标准会议（IEC）表决通过成为国际标准。

欧洲及日本也在积极开发燃料电池小型车研发计划，燃料电池电动机车已进入量产出货阶段。亚太燃料电池执行长黄林辉指出，燃料电池电动机车会比汽车更早进入商业化阶段，前者以低压设计架构为核心。燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle；FCV）也是汽车集团积极开发的应用项目，注重动力性能、燃料效率、供电续航力等技术性能。不过FCV市场利基仍有待观察，因为燃料电池汽车仍不具价格竞争力，其开发成本约为50～100万美元，预估量产后燃料电池系统价格需降至50～100美元/kW，才有条件进入商业化阶段。

《图四 PEMFC电池组示意图 》 数据源：亚太燃料电池（APFCT）

台湾厂商发展概况

《图五 亚太燃料电池执行长黄林辉表示，亚太燃料电池早在轻型车辆应用领域发展布局，目前在燃料电池两轮机车应用领域发展成果显著，在100瓦～12千瓦的燃料电池发电能力位居全球领先》

国外燃料电池厂商市场集中度低，多处于研发阶段，台湾燃料电池产业亦处于起步阶段，产业供应链主要以电池组、燃料电池系统组装为主，且多数集中开发小型燃料电池发电机和载具设计。亚太燃料电池和博研燃料电池开发电动车载具设计、大同世界科技开发发电机载具设计，大部分以PEMFC的氢气燃料为基础，像是真敏国际、亚太燃料电池、博研燃料电池等也在开发氢能的PEMFC发电机组。另外关键零组件业者包括盛英的双极板、汉氢的储氢罐、亚太燃料电池的储氢罐和电池组、大同世界科技的重组器等。大同世界科技则继续集中开发PEMFC电池组、电源转换器和DC-AC逆变器（converter/inverter）以及热能转换应用，亚太燃料电池则积极开发复合动力电动机车。亚太燃料电池执行长黄林辉指出，亚太燃料电池很早就在轻型车辆应用领域发展布局，目前在燃料电池两轮机车应用领域发展成果显著，在100瓦～12千瓦的燃料电池发电能力位居全球领先，目前最大竞争对手便是从汽车领域深入机车燃料电池开发的Honda。黄林辉认为，台湾应发挥既有完整健全的机车产业链，顺势扩展燃料电池在机车应用领域的技术发展。

台湾原子能委员会核能研究所SOFC实验室则已成功开发出台湾首款SOFC固态氧化物燃料电池，单颗电池可承受温度达800℃，最大功率密度可达每平方公分500毫瓦，此外台达电和新普科技持续开发DMFC技术。不过主攻DMFC研发的胜光科技已在去年12月解散，对于拓展DMFC应用产生不小影响。

燃料电池测试要点

在数据撷取系统进行原始数据的数字化之前，必须先为燃料测试系统准备多项需要讯号处理的量测作业。美商国家仪器（NI）绿能项目工程师林广哲表示，燃料电池测试系统，往往需要数百项量测作业进行精确监控，测试系统可能需要数百组数据撷取传感器与控制功能，测试大气压力和液体压力、氢燃料湿度、含氧量、操作温度，还有燃料电池堆栈的输出电压与电流等。因此测试系统必须监控燃料电池的多种状态，一般测试所进行的测试参数正不断增加，这都需要精确撷取实时效能与操作特性的相关信息。测试系统亦必须提供弹性的数据撷取、监控，控制功能，以精确控制燃料电池的操作与实验过程；任何测试系统均应进行校准，以确保其可进行精确且有效的量测。亚太燃料电池执行长黄林辉亦指出，燃料电池组的可靠度、关键零件的监测、以及电池组的效能监测，会是燃料电池量测试的重点项目。

《图六 SOFC燃料电池测试系统的操作接口示意图 》 数据源：美商国家仪器；Advanced Measurements

林广哲进一步指出，处于研发阶段的燃料电池，必须注意多点量测以及隔离功能（isolation）等测试要点。多点量测亦即多颗燃料电池堆栈而成的模块，每颗需经过相关电池操作测试，在研发过程中，燃料电池测试作业可进行能源输出的参数描述（Characterize）与优化，并可延长电池堆栈的使用寿命。isolation功能是区隔每颗燃料电池测试过程，确保量测仪器与人员之安全，并强化自动化测试效能。林广哲说明指出，隔离功能测试是燃料电池堆栈的重点之一，以针对数百伏特的共模拒斥（Common-mode rejection）进行电压量测，藉此工程师不仅可读取1～10V的多个信道，亦能维护电池堆栈之间达数百伏特的隔离功能。制造应用则必须监控电池堆栈，以确保该堆栈可通过设计规格。

林广哲并且指出，无论是在R&D、Development、validation、test等阶段，燃料电池都需要相适应的测试工具，也因为燃料电池规格技术尚未底定，因此相关量测工具也必须具备弹性且客制化的设计架构特性，因应燃料电池变动性较高的测试过程。例如SOFC在实验研发阶段，常需因应不同的实验条件和运转程序而调整程序架构，因此负责控制系统升温启动、稳态运转、安全机关与系统安全保护之控制系统，需要更高弹性和简易使用接口特性。

《图七 美商国家仪器（NI）绿能项目工程师林广哲表示，处于研发阶段的燃料电池，必须注意多点量测以及隔离功能（isolation）等测试要点。也因为燃料电池规格技术尚未底定，因此相关量测工具也必须具备弹性且客制化的设计架构，因应燃料电池变动性较高的测试过程》

NI测试工具架构与应用现况

由于燃料电池测试系统可涵盖100～1000个以上的信道，因此数据撷取系统亦必须能够随之扩充。这些系统亦具有必须进行衰减与放大作业的讯号，所以模块化是目前燃料电池测试系统的必要条件，量测人员才能够随着生产与检验技术，修改或变更相关系统。简言之，简单化、模块化、弹性化是燃料电池测试工具的必要条件。

美商国家仪器便以虚拟仪控软件定义硬件为基础，推出图形化系统弹性设计架构，整合满足燃料电池各阶段多点量测和隔离功能的测试需求。林广哲强调，NI针对燃料电池量测需求所设计的虚拟仪控方案，便搭配LabVIEW图形化接口软件以及包含Compact FieldPoint和Compact RIO的PAC硬件，具备实时系统及模块化特性，透过点选方式即可自行设定实验参数，符合燃料电池研发及各阶段的弹性化需求。这些NI测试工具均可将其点值参数藉由LabVIEW呈现相关图表变化，并可主动按照参数设定提供进一步控制监控设计功能。此外，Compact RIO内嵌的FPGA芯片，可协助SOFC实验工程师定义FPGA时减少PID算法控制组件数量，并且藉由LabVIEW FPGA软件模块，针对模拟和数字I/O，建立客制化的频率、触发、同步化、控制与讯号处理功能，不必局限于其他硬件描述语言而有效节省开发时间。

《图八 SOFC燃料电池测试系统的历史趋势显示示意图 》 数据源：美商国家仪器；Advanced Measurements

SOFC燃料电池测试系统的历史趋势显示示意图林广哲进一步指出，燃料电池测试所得相关数据可结合NI开发的DIAdem数据库储存软件，利用二进制数据管理格式（Technical Data Management；TDM）储存测试数据，并且使用此TDM储存API，将数据以数据库结构的型式储存，以利未来方便进行后续分析、检视与汇整，并能执行脱机分析与报表产出。

这可配合NI提供软件模块测试信道数较高的数据记录与监控LabVIEW DSC（Datalogging and Supervisory Control）模块，内建高信道数数据撷取、数据记录、接口，与安全功能，适用于燃料电池数据记录与监控的多项测试需求。在发展SOFC功能测试站过程中，台湾原子能委员会核能研究所SOFC实验室便以NI的LabVIEW搭配可程序化自动控制器PAC软件，并采用多种通讯接口的FieldPoint 及Compact FieldPoint，以直觉式操作方式让SOFC实验室工程师有效缩短平台开发时程。硬件方面NI的CompactRIO可程序化自动控制器，在嵌入式控制与撷取系统有更进一步的革新。至于在SOFC量产化时的测试需求，NI的单卡式RIO（Single Board RIO）也准备就绪，适用于大量的嵌入式控制与撷取应用。

《图九 台大机械系燃料电池机车动力测试实况 》 数据源：美商国家仪器；台大机械系

数据源：美商国家仪器；台大机械系

燃料电池商业化难题尚待克服亚太燃料电池执行长黄林辉指出，目前燃料电池发展的最大问题是：燃料电池所需之纯氢气体该如何供应？其回充站及供应系统建设能否到位？美商国家仪器绿能项目工程师林广哲则表示，价格过高、发电量尚未满足市场需求、产品寿命过短，仍是燃料电池商业化之前必须克服的技术难题。

此外黄林辉表示，燃料电池机车应用需要建立严格的安全标准法规把关才有可能，燃料电池也必须要有相当程度的汽车产业经济规模作为支撑，才能尽早实现商业化阶段。无论如何，政府愿不愿意积极推动参与，更是燃料电池能否成为新世代节能减碳替代方案的关键因素。