小型燃料电池发展趋势
近年来由于可携式电子产品市场的蓬勃发展,创造出庞大的电池市场商机,加以既有的各类二次电池有若干限制,使得微小型燃料电池被寄予厚望。本文将介绍微小型燃料电池的主要发展趋势,以及商品化的技术瓶颈和市场考虑。
近年来可携式电子产品快速发展,包括手机、笔记型计算机、个人数字助理（PDA）,乃至数字相机及摄影机等,造就庞大的市场和商机;然而,随着产品功能的增强,系统对于电能的需求更高,一个小而轻、续电时间更长的电池,将是所有消费者一致的要求。
微小型燃料电池系统发展趋势
燃料电池的能量密度理论上可为锂离子电池的五至十倍以上（因不同系统而异）,目前技术上已可达三至五倍;此外,燃料电池无须电源|稳压器充电,完全摆脱充电的负担与限制,取而代之的补充供电燃料仅需数秒钟时间,为使用者提供极大的方便。因此,对微小型燃料电池而言,庞大的市场诱因和特性优势,势必大幅加速相关技术的成熟发展。
燃料电池种类繁多,最适合可携式微小型系统者,包括质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell;PEMFC）和直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell;DMFC）,此二者皆能在室温下运作,具备体积小、重量轻、方便电池堆设计等优点。其中,直接甲醇燃料电池以液态甲醇为燃料,体积能量密度约为液态氢的三至四倍,储存与运送远较氢气方便及安全,且取得容易,成本低,因此更符合可携式电子产品的需求。此外,利用微型重组器（Micro Reformer）将甲醇转化产生氢气燃料,都是微小型燃料电池可能的发展方向;下文将着重在直接甲醇燃料电池（DMFC）的讨论上。
DMFC发展的技术瓶颈
DMFC的工作原理与质子交换膜燃料电池类似,只是在阳极部份进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,其阴极的反应则与氢气系统完全相同。微小型燃料电池要进入商品化的阶段前,仍然面临若干技术瓶颈有待克服,目前主要的问题胪列如下。
一、甲醇穿透
由于甲醇穿透现象,使得电池通过电压（overpotential）增高,可使用电位多在0.4V以下,电池效率因而受限,同时也造成燃料损耗。目前甲醇穿透的问题朝二个方向解决：发展质子交换膜材料技术,使之具备高质子导电率及降低甲醇穿透率;控制甲醇燃料的浓度,以降低甲醇穿透量。
二、水满溢（Waterflooding）
DMFC阳极产生1单位的质子将会牵引出约2.5单位的水或甲醇到达阴极,同时阴极反应也会生成水,过多的水将阻碍氧气进入触媒层而造成阴极效能大幅下降,此称为水满溢现象。此问题目前以主动的增加循环系统之空气流动带离过多的水为主,但因而会耗掉系统较大的功率,所以MTI公司开发以膜电极体（MEA）的设计方法进行控制。
三、效能
目前DMFC的阳极效能偏低,所以包括NEC等公司皆以触媒或触媒载体的开发,尝试提供更大的功率密度;奈米技术的应用将有助于触媒效能的提升,是值得注意的发展方向。此外,系统操作温度为影响DMFC效能的另一重要因素,但是以3C电子产品的应用而言,温度需要适当的控制,所以系统的热循环或热管理也是目前积极处理的问题。
四、燃料与水的处理
由于甲醇浓度管控得宜能减少甲醇穿透,加上可携式电子产品不容许阴极生成的水造成渗漏情形,所以实际系统须透过相当多的控制逻辑,以达到整体甲醇与水的供给和浓度控制平衡的目的。
主动vs.被动 为了因应可携式产品的应用,目前DMFC系统发展主要分为主动式及被动式,以下分别说明之。
一、主动式直接甲醇燃料电池
主动式DMFC系统示意图如附。阳极操作在适当的甲醇浓度（约3～6％vol）下,另有一燃料槽贮存高浓度甲醇溶液;阳极循环包括三通路：高浓度甲醇、阴极回收水,以及重复循环燃料;在常态运作下,阳极燃料透过帮浦Pf带动循环并排除生成之二氧化碳,于燃料浓度过低或存量过少时,则分别透过帮浦Pm与Pw将高浓度甲醇及阴极回收的水加入阳极,维持电池系统的运作。另一方面,阴极的氧气可来自风扇或压缩器强制空气循环。
主动式DMFC的好处是,可藉由高浓度甲醇提高系统能量密度,并且藉由电池堆设计增高输出功率;缺点则是动用许多耗能组件,降低系统净电能输出,同时较复杂且占空间。
