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淺析小型燃料電池發展趨勢

2026-04-13 17:42:584199

jinnianlaiyouyukexieshidianzichanpinshichangdepengbofazhan，chuangzaochupangdadedianchishichangshangji，jiayijiyoudegeleiercidianchiyouruoganxianzhi，shideweixiaoxingranliaodianchibeijiyuhouwang。benwenjiangjieshaoweixiaoxingranliaodianchidezhuyaofazhanqushi，yijishangpinhuadejishupingjingheshichangkaolv。

近年來可攜式電子產品快速發展，包括手機、筆記型計算機、個人數字助理（PDA），乃至數字相機及攝影機等，造就龐大的市場和商機；然而，隨著產品功能的增強，係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。 微小型燃料電池係統發展趨勢 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（因不同係統而異），目前技術上已可達三至五倍；此外，燃料電池無須電源|穩(wen)壓(ya)器(qi)充(chong)電(dian)，完(wan)全(quan)擺(bai)脫(tuo)充(chong)電(dian)的(de)負(fu)擔(dan)與(yu)限(xian)製(zhi)，取(qu)而(er)代(dai)之(zhi)的(de)補(bu)充(chong)供(gong)電(dian)燃(ran)料(liao)僅(jin)需(xu)數(shu)秒(miao)鍾(zhong)時(shi)間(jian)，為(wei)使(shi)用(yong)者(zhe)提(ti)供(gong)極(ji)大(da)的(de)方(fang)便(bian)。因(yin)此(ci)，對(dui)微(wei)小(xiao)型(xing)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)而(er)言(yan)，龐(pang)大(da)的(de)市(shi)場(chang)誘(you)因(yin)和(he)特(te)性(xing)優(you)勢(shi)，勢(shi)必(bi)大(da)幅(fu)加(jia)速(su)相(xiang)關(guan)技(ji)術(shu)的(de)成(cheng)熟(shu)發(fa)展(zhan)。燃料電池種類繁多，最適合可攜式微小型係統者，包括質子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell；PEMFC）和直接甲醇燃料電池（DirectMethanolFuelCell；DMFC），此二者皆能在室溫下運作，具備體積小、重量輕、方(fang)便(bian)電(dian)池(chi)堆(dui)設(she)計(ji)等(deng)優(you)點(dian)。其(qi)中(zhong)，直(zhi)接(jie)甲(jia)醇(chun)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)以(yi)液(ye)態(tai)甲(jia)醇(chun)為(wei)燃(ran)料(liao)，體(ti)積(ji)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)約(yue)為(wei)液(ye)態(tai)氫(qing)的(de)三(san)至(zhi)四(si)倍(bei)，儲(chu)存(cun)與(yu)運(yun)送(song)遠(yuan)較(jiao)氫(qing)氣(qi)方(fang)便(bian)及(ji)安(an)全(quan)，且(qie)取(qu)得(de)容(rong)易(yi)，成(cheng)本(ben)低(di)，因(yin)此(ci)更(geng)符(fu)合(he)可(ke)攜(xie)式(shi)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)的(de)需(xu)求(qiu)。此(ci)外(wai)，利(li)用(yong)微(wei)型(xing)重(zhong)組(zu)器(qi)（MicroReformer）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，隻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dian子zi與yu二er氧yang化hua碳tan，其qi陰yin極ji的de反fan應ying則ze與yu氫qing氣qi係xi統tong完wan全quan相xiang同tong。微wei小xiao型xing燃ran料liao電dian池chi要yao進jin入ru商shang品pin化hua的de階jie段duan前qian，仍reng然ran麵mian臨lin若ruo幹gan技ji術shu瓶ping頸jing有you待dai克ke服fu，目mu前qian主zhu要yao的de問wen題ti臚lu列lie如ru下xia。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；控製甲醇燃料的濃度，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dan位wei的de水shui或huo甲jia醇chun到dao達da陰yin極ji，同tong時shi陰yin極ji反fan應ying也ye會hui生sheng成cheng水shui，過guo多duo的de水shui將jiang阻zu礙ai氧yang氣qi進jin入ru觸chu媒mei層ceng而er造zao成cheng陰yin極ji效xiao能neng大da幅fu下xia降jiang，此ci稱cheng為wei水shui滿man溢yi現xian象xiang。此ci問wen題ti目mu前qian以yi主zhu動dong的de增zeng加jia循xun環huan係xi統tong之zhi空kong氣qi流liu動dong帶dai離li過guo多duo的de水shui為wei主zhu，但dan因yin而er會hui耗hao掉diao係xi統tong較jiao大da的de功gong率lv，所suo以yiMTI公司開發以膜電極體（MEA）的設計方法進行控製。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，嚐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，係統操作溫度為影響DMFC效能的另一重要因素，但是以3C電子產品的應用而言，溫度需要適當的控製，所以係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(you)於(yu)甲(jia)醇(chun)濃(nong)度(du)管(guan)控(kong)得(de)宜(yi)能(neng)減(jian)少(shao)甲(jia)醇(chun)穿(chuan)透(tou)，加(jia)上(shang)可(ke)攜(xie)式(shi)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)不(bu)容(rong)許(xu)陰(yin)極(ji)生(sheng)成(cheng)的(de)水(shui)造(zao)成(cheng)滲(shen)漏(lou)情(qing)形(xing)，所(suo)以(yi)實(shi)際(ji)係(xi)統(tong)須(xu)透(tou)過(guo)相(xiang)當(dang)多(duo)的(de)控(kong)製(zhi)邏(luo)輯(ji)，以(yi)達(da)到(dao)整(zheng)體(ti)甲(jia)醇(chun)與(yu)水(shui)的(de)供(gong)給(gei)和(he)濃(nong)度(du)控(kong)製(zhi)平(ping)衡(heng)的(de)目(mu)的(de)。主動vs.被動為了因應可攜式產品的應用，目前DMFC係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係統示意圖如附。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，維持電池係統的運作。另一方麵，陰極的氧氣可來自風扇或壓縮器強製空氣循環。主動式DMFC的好處是，可藉由高濃度甲醇提高係統能量密度，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組件，降低係統淨電能輸出，同時較複雜且占空間。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麵進行反應，於室溫條件下操作。這類係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，控製擴散速率，並盡量降低甲醇穿透效應，以提升能量密度。不過，被動式DMFC係統之缺點在於無法提供較大的功率密度，同時技術門坎亦相當高。 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麵對成本、法規，以及使用者習慣的問題。目前DMFCchengbenrengfeichanggao，xuyaozaichumeijixiangguancailiaofazhanshangyousuotupo。erzhengtixitongdetijihuowaiweifuzhuzujiandedaxiaoyuchengben，junyoulaigengduodechuangyiyufaxian，cainengshiDMFC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製訂及整合的工作，預期DMFC的未來發展將日趨精進。