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浅析小型燃料电池发展趋势

2019/10/16 12:05:311588

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（ProtonExchangeMembraneFuelCell；PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DirectMethanolFuelCell；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（MicroReformer）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。二、被动式直接甲醇燃料电池被动式DMFC循环主要依靠重力、毛细现象或自然扩散的方式，将燃料与空气传送至电极表面进行反应，于室温条件下操作。这类系统主要针对膜电极体（MEA）的材料和微结构进行设计，藉由亲、疏水材料特性以及燃料和水的浓度差异，控制扩散速率，并尽量降低甲醇穿透效应，以提升能量密度。不过，被动式DMFC系统之缺点在于无法提供较大的功率密度，同时技术门坎亦相当高。 普及化的未来趋势 除了上述关键技术必须突破外，微小型燃料电池要进入市场尚须面对成本、法规，以及使用者习惯的问题。目前DMFC成本仍非常高，需要在触媒及相关材料发展上有所突破。而整体系统的体积或外围辅助组件的大小与成本，均有赖更多的创意与发现，才能使DMFC真正普及化。除此之外，甲醇燃料的毒性以及该产品的应用特性，在进入商品化之前均须通过各项测试标准的认证以及相关法律的规范。目前，美国、日本和欧陆许多机构都已积极投入法规制订及整合的工作，预期DMFC的未来发展将日趋精进。