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E世代的智慧要求──直接甲醇小型燃料電池系統的發展

2004/11/05 經濟部能源局 點閱人次: 603

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▓撰文:賴秋助 ▓圖片提供:工研院材料研究所

近年來由於可攜式電子產品市場的蓬勃發展,創造出龐大的電池市場商機,加以既有的各類二次電池有若干限制,使得微小型燃料電池被寄予厚望。本文將介紹微小型燃料電池的主要發展趨勢,以及商品化的技術瓶頸和市場考量。

近年來可攜式電子產品快速發展,包括手機、筆記型電腦、個人數位助理(PDA),乃至數位相機及攝影機等,造就龐大的市場和商機;然而,隨著產品功能的增強,系統對於電能的需求更高,一個小而輕、續電時間更長的電池,將是所有消費者一致的要求。

微小型燃料電池系統發展趨勢

燃料電池的能量密度理論上可為鋰離子電池的五至十倍以上(因不同系統而異),目前技術上已可達三至五倍;此外,燃料電池無須電源充電,完全擺脫充電的負擔與限制,取而代之的補充供電燃料僅需數秒鐘時間,為使用者提供極大的方便。因此,對微小型燃料電池而言,龐大的市場誘因和特性優勢,勢必大幅加速相關技術的成熟發展。

燃料電池種類繁多,最適合可攜式微小型系統者,包括質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell;PEMFC)和直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell;DMFC),此二者皆能在室溫下運作,具備體積小、重量輕、方便電池堆設計等優點。其中,直接甲醇燃料電池以液態甲醇為燃料,體積能量密度約為液態氫的三至四倍,儲存與運送遠較氫氣方便及安全,且取得容易,成本低,因此更符合可攜式電子產品的需求。此外,利用微型重組器(Micro Reformer)將甲醇轉化產生氫氣燃料,都是微小型燃料電池可能的發展方向;下文將著重在直接甲醇燃料電池(DMFC)的討論上。

DMFC發展的技術瓶頸

DMFC的工作原理與質子交換膜燃料電池類似,只是在陽極部份進入的燃料為甲醇與水,而甲醇燃料透過觸媒的作用產生質子、電子與二氧化碳,其陰極的反應則與氫氣系統完全相同。微小型燃料電池要進入商品化的階段前,仍然面臨若干技術瓶頸有待克服,目前主要的問題臚列如下。

一、甲醇穿透
由於甲醇穿透現象,使得電池通過電壓(overpotential)增高,可使用電位多在0.4V以下,電池效率因而受限,同時也造成燃料損耗。目前甲醇穿透的問題朝二個方向解決:發展質子交換膜材料技術,使之具備高質子導電率及降低甲醇穿透率;控制甲醇燃料的濃度,以降低甲醇穿透量。

二、水滿溢(Waterflooding)
DMFC陽極產生1單位的質子將會牽引出約2.5單位的水或甲醇到達陰極,同時陰極反應也會生成水,過多的水將阻礙氧氣進入觸媒層而造成陰極效能大幅下降,此稱為水滿溢現象。此問題目前以主動的增加循環系統之空氣流動帶離過多的水為主,但因而會耗掉系統較大的功率,所以MTI公司開發以膜電極體(MEA)的設計方法進行控制。

三、效能
目前DMFC的陽極效能偏低,所以包括NEC等公司皆以觸媒或觸媒載體的開發,嘗試提供更大的功率密度;奈米技術的應用將有助於觸媒效能的提升,是值得注意的發展方向。此外,系統操作溫度為影響DMFC效能的另一重要因素,但是以3C電子產品的應用而言,溫度需要適當的控制,所以系統的熱循環或熱管理也是目前積極處理的問題。

四、燃料與水的處理
由於甲醇濃度管控得宜能減少甲醇穿透,加上可攜式電子產品不容許陰極生成的水造成滲漏情形,所以實際系統須透過相當多的控制邏輯,以達到整體甲醇與水的供給和濃度控制平衡的目的。

主動vs.被動 為了因應可攜式產品的應用,目前DMFC系統發展主要分為主動式及被動式,以下分別說明之。

一、主動式直接甲醇燃料電池
主動式DMFC系統示意圖如附。陽極操作在適當的甲醇濃度(約3~6%vol)下,另有一燃料槽貯存高濃度甲醇溶液;陽極循環包括三通路:高濃度甲醇、陰極回收水,以及重複循環燃料;在常態運作下,陽極燃料透過幫浦Pf帶動循環並排除生成之二氧化碳,於燃料濃度過低或存量過少時,則分別透過幫浦Pm與Pw將高濃度甲醇及陰極回收的水加入陽極,維持電池系統的運作。另一方面,陰極的氧氣可來自風扇或壓縮器強制空氣循環。

主動式DMFC的好處是,可藉由高濃度甲醇提高系統能量密度,並且藉由電池堆設計增高輸出功率;缺點則是動用許多耗能元件,降低系統淨電能輸出,同時較複雜且佔空間。

<插入圖:主動式DMFC循環系統>

二、被動式直接甲醇燃料電池
被動式DMFC循環主要依靠重力、毛細現象或自然擴散的方式,將燃料與空氣傳送至電極表面進行反應,於室溫條件下操作。這類系統主要針對膜電極體(MEA)的材料和微結構進行設計,藉由親、疏水材料特性以及燃料和水的濃度差異,控制擴散速率,並儘量降低甲醇穿透效應,以提升能量密度。不過,被動式DMFC系統之缺點在於無法提供較大的功率密度,同時技術門檻亦相當高。

普及化的未來趨勢

除了上述關鍵技術必須突破外,微小型燃料電池要進入市場尚須面對成本、法規,以及使用者習慣的問題。目前DMFC成本仍非常高,需要在觸媒及相關材料發展上有所突破。而整體系統的體積或週邊輔助元件的大小與成本,均有賴更多的創意與發現,才能使DMFC真正普及化。

除此之外,甲醇燃料的毒性以及該產品的應用特性,在進入商品化之前均須通過各項測試標準的認證以及相關法律的規範。目前,美國、日本和歐陸許多機構都已積極投入法規制訂及整合的工作,預期DMFC的未來發展將日趨精進。(作者為工研院材料研究所博士)

圖1:主動式DMFC循環系統


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