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不是電池的燃料電池發電機

文/廖英凱

燃料電池(Fuel cell),是一種透過氧化還原反應將燃料中的化學能轉換為電能,而並非透過燃燒來推動發電機的電力生產方式。近年來常被廣泛討論的燃料例如氫、天然氣、甲醇等都能作為燃料使用。也因此,相比起鋰電池或鉛蓄電池這種二次電池(Secondary Battery),燃料電池在發電過程中必須不斷提供氧氣與燃料才能穩定發電,與其說這是一顆電池,倒不如說他比較像是個發電機吧。

但燃料電池由於體積比起汽柴油發電機小很多,發電過程安靜,僅有二氧化碳和水的排放,因此近年來的開發思維,均是想以燃料電池解決攜帶式電源不足的問題。例如美軍在沙漠戰爭因電子軍品的大幅使用,導致士兵身上需要背負到近十公斤的鋰電池。且鋰電池電量耗盡後就成了無用也不能隨意拋棄的重量負擔,但若以燃料電池取代,則可減輕至3.5公斤,且燃料等補給也較為簡單。以及近十年來,個人隨身電子產品的普及與耗電量的大幅提升遠超過了鋰電池等一次電池的容量發展。而燃料電池,正能以一種便於攜帶的行動電源方式,補足這樣的戶外臨時的電源需求。

目前工研院材化所蔡麗端組長的團隊所開發的「直接甲醇燃料電池發電機」(Direct-methanol fuel cell, DMFC),是讓甲醇和水通過通常是由鉑(Pt)和釕(Ru)組成的催化層。此時甲醇與水會在陽極上產生氧化反應形成氫離子、電子與二氧化碳,而氫離子被輸送穿過質子交換膜到達陰極,並在陰極與氧氣反應產生水。而陽極所產生的電子則透過外部線路經過用電設備再回到陰極而形成電流。在總反應過程中,消耗甲醇與氧氣,產生水、二氧化碳與電力,看起來就十足是個不用燃燒、蒸氣渦輪或內燃機的發電機了。而相比起其他輕便的電池或發電方式,甲醇燃料電池的能量密度更比起利用氫燃料電池或鋰離子電池高出10倍以上,這樣子的高能量密度,以及比起氫氣和鋰離子電池易儲存運送的燃料,更能滿足需長時間用電或備用用電的需求。

DMFC的化學反應示意圖。

DMFC的化學反應示意圖。

但DMFC的一個特色是,純甲醇其實無法直接參與反應被使用,需要有同莫爾數的水提供才能反應。而反應後則會再產生三倍的水量。如果甲醇燃料的濃度過高,質子交換膜輸送氫離子的效率也會下降而影響DMFC的發電功率。因此實際參與反應的甲醇燃料需要壓低在3-7%的濃度。但在這樣低濃度的狀況下,大部分攜帶的燃料都是無法提供能量的水,也因此將反應完成後所產生的水,再回收到陽極參與反應,就可以僅攜帶純甲醇而達到燃料攜帶的高效率了。對此,蔡麗端組長團隊則是利用膜電極組(Membrane Electrode Assembly, MEA)的結構設計和觸媒材料表面改質,來做到維持發電功率與反應水的穩定回收,在甲醇燃料的持續供應下,目前工研院材化所設計1W的DMFC,已可做到7000小時連續運轉的成效。

DMFC的連續運轉測試

DMFC的連續運轉測試

然而,電池設計往往會遇到能量與功率難以兼顧的抉擇。DMFC雖然利用甲醇當燃料而有高能量密度的表現,但燃料電池發電仰賴電池內部反應物和生成物的流動擴散,單一電池模組提供的功率有限,若需供應較大功率,則需串並聯多個電池模組,而使整個燃料電池的體積重量大幅增加。對此,蔡麗端組長的團隊,則是利用混成電路的方式,將鋰電池結合在DMFC的模組中,鋰電池可以將多餘的發電量儲存起來,在需要高功率輸出時,作為提供電量的電源,也可做為燃料電池內部許多主動元件與啟動前的備用電量。

目前燃料電池在國際上已開始被廣泛使用,例如300W的燃料電池可作為電力品質不穩地區的家戶緊急備用電源。而1000W的則可以用在室內廠房的重型機具電源,可免去鉛酸電池的重量與緩慢充電時間、電源線的接線困擾以及汽柴油引擎的廢氣汙染。蔡麗端組長表示,工研院材化所目前開發的1W~300W的DMFC,預期可以投入野外監測與戶外休閒等用途。例如與各地野外地震儀結合、與農委會黃金廊道合作,在水道閘門裝設監測器以精準即時管控水源運用,以及針對城市自來水複雜管路的監測儀器搭配。這些監測儀器有許多位於難以牽線的偏遠地區,位於地下與遮蔽處也難以運用太陽能,而持續監測與即時上傳的電力需求也遠超過鋰電池與鉛蓄電池的供應。而工研院材化所開發結合混成電路的DMFC除了能滿足這些監測儀器的用電需求,也可以應用於野外休閒生活,例如提供給微波爐使用,讓戶外野炊除了大鍋湯和烤肉以外,又多了許多便利的可能。

工研院材化所所開發的300W直接甲醇燃料電池發電機與USB供電式甲醇燃料電池發電機

工研院材化所所開發的300W直接甲醇燃料電池發電機與USB供電式甲醇燃料電池發電機

而這樣一個完整燃料電池的設計製作,團隊的成員需要涵蓋塗佈製程、高分子、觸媒等材料和化工人才,也需要能協助機構設計、電路與控制系統的機械、電子電機人才。面對這各有專長的20人團隊,蔡組長表示,最有意思的是對化工材料和機械系統人講話要不一樣,因為材料人的化學研究未知變數很大,需要很多嘗試與變數,所以他們的思考行事很天馬行空,但機械設計領域者則會很習慣先思考建立一個model才著手實驗,比較強調系統性的思維。來自各領域的戮力合作,也造就了這從材料到完整的系統,並以產業化為目標來發展的龐大計畫。

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