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微型燃料電池新選擇——RMFC

2006/08/05 經濟部能源局 點閱人次: 726

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█撰文:顏貽乙 █圖片提供:工研院能環所

燃料電池常被稱譽為21世紀明日之星,其外帶燃料的特點,使其具可連續長時間發電應用的優勢,同時其功率密度高於傳統二次電池(如鋰電池、鎳氫電池或其他二次電池),成為3C產品突破現有體積容量瓶頸之新選擇。

目前最被看好的燃料電池大致可分為:質子交換膜燃料電池(PEMFC或PEM)、直接甲醇燃料電池(DMFC)及固態氧化物燃料電池(SOFC)等。一般認為PEMFC是未來將取代內燃機車輛,同時也是小型定置型(分散式供電力系統)或可移動式電力供應用的主要技術;DMFC則是微小型電力供應3C產品的主要技術,而SOFC是中大型定置型(分散式供電力系統)高溫(約800℃)運轉電力供應的主要技術。

就應用面而言,前述3種主要之燃料電池可因應用面的特殊需求或特別設計而可使其更廣泛的使用,例如SOFC可應用於飛機之輔助電力,原因是SOFC可共同使用原有航空燃油做為其發電之進料能源,而DMFC可應用於可攜帶之二次電池的充電器設計,原因是它的甲醇燃料便於攜帶。PEMFC則可應用於微型燃料電池,原因是PEMFC電力密度高,唯一要克服的是它需要攜帶足夠的氫氣能源。現在有種甲醇微型重組器設計可克服氫氣攜帶量的瓶頸,因此本文以甲醇微型重組器設計所配合PEMFC之組合(RMFC)為分析介紹主題。

DMFC之現有技術障礙

何以RMFC(PEMFC配合微型重組器之組合)可以成為3C電力的新選擇?如此一來大家一定要問DMFC與RMFC到底之間的不同點在哪裡?哪一型比較有競爭力?而它們之間的優缺點比較又如何?以下茲就兩者之優缺點進行分析探討,並說明影響兩者未來競爭力之可能變數。

DMFC最被看好的優勢在於它採用液態甲醇做為直接燃料,其燃料電池之工作原理與PEMFC最大的差異在於內部甲醇重組產氫,所謂內部重組意思是甲醇分子分解重組過程直接在電池內陽極端進行產氫,而分裂甲醇的過程所必要之反應熱能源即由電池本身供給,分裂之產物必須由陽極端電池出口有效排出,以利於後續燃料補給及產氫的反應。前述之直接甲醇進料電池特性帶來了許多技術上的瓶頸,這些瓶頸削弱了甲醇液態進料方面攜帶的優勢,首先是內部甲醇重組產氫無可避免的使原有燃料電池電力因內部消耗(Over Potential)而衰減其輸出功率,例如氫燃料之PEMFC單位電池活性面積電力密度可達250~1,000mW╱cm2(視燃料成分與操作條件而異),DMFC的功率密度卻僅有25~100mW╱cm2左右,兩者差異達10倍,除非相當微小電力之應用(如手機),否則越大電力應用(如手提電腦)對DMFC越不利,因此宜改成外掛式(非內建式)供電設計。

其次是甲醇穿透問題多年來一直是DMFC的剋星,不易克服,氫離子需藉由水的攜帶穿過分隔陰陽極之高分子膜,然而過程中甲醇容易伴隨,目前為了避免甲醇穿透量,需多加研究,其中包括控制甲醇濃度,或增加隔離甲醇與高分子膜之觸媒隔離層,或利用斥水梯度避免甲醇穿透,諸如此類多為治標的方式,而衍生之附加組件卻可能造成系統設計的複雜度。再其次是產物CO2排出問題,縱使甲醇溶液可以採被動式(不用泵)供給,但甲醇內部重組產生之氣態CO2卻可能於微孔層碳紙觸媒間堆積覆蓋觸媒而導致利用率的降低,若採用主動式(使用泵)循環液態甲醇溶液,則無可避免增加系統設計與控制的複雜度,體積也因此大增。最後是燃料電池的CO毒化問題,CO是甲醇重組將碳原子與水之氧原子產生CO2時之中間產物,CO會暫時性毒化白金觸媒,雖然觸媒可加釕原子(或其他金屬觸媒)協助毒化觸媒之CO反應脫離觸媒,然而因產生之CO濃度高,導致燃料電池不得不增加考量觸媒的含量,一般DMFC單位活性面積之觸媒含量是PEMFC之10倍左右。

RMFC之優勢特點

因為DMFC有上述之缺點,於是採用微型甲醇重組器之PEMFC成了微型燃料電池的另一選擇,此種組合簡稱RMFC,它同樣是攜帶甲醇溶液,克服攜氫的困難,但採用外部重組(也就是微小型甲醇重組器),完全避免甲醇溶液直接進入電池所導致前述DMFC的問題。首先,為了維持PEMFC原有之電力密度,避免電池電力內能因重組需求而衰減。其次,提高重組溫度,增加甲醇之氫氣轉化率,氫氣濃度可因其重組溫度及採用之化學劑量比而決定氫氣濃度,例如蒸氣重組(氫氣濃度高)或自熱重組溫度可低至2~300℃等。

再其次是於外部重組的同時,重組後之氣體可增加CO選擇性氧化,降低CO濃度,避免過多觸媒暫時性毒化的問題、減少觸媒用量,或可採用具抗CO毒化之較高溫燃料電池(120~180℃)。由於微型甲醇重組器之溫度高於常溫(200~300℃),仍有幾項技術需要加以克服:首先是啟動時間,微型甲醇重組器需要快速啟動方能迎合實用需求,啟動時為了加速升溫,可於微型甲醇重組器上層加裝觸媒燃燒快速加熱,但不論DMFC或RMFC啟動並不能滿足不斷電瞬時的需求,因此啟動時仍需借助一微型可充電電池克服啟動瞬間的需求,或可採用混合燃料電池與二次電池的方式減少燃料電池的功率需求。

RMFC應用於攜帶型電腦之機會

目前已有許多知名的研發單位或公司投入微型燃料電池的開發,然而DMFC技術瓶頸仍源自甲醇穿透高分子薄膜所致,此技術瓶頸10多年來仍無具體突破,現已有許多研究集中於RMFC,如日本知名電子公司Casio即是一例,Casio之卡夾式RMFC設計概念即成功的將電池設計導入手提電腦結構體。有鑑於此,工研院能環所現已積極規劃投入設計此PEMFC應用之新領域,此技術可望帶給攜帶型電腦新的選擇及新的希望。(作者為工研院能環所新能源組副組長暨燃料電池研究室主任)


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