燃料電池特性

燃料電池（Fuel Cell）不是一般電池，其實是一台只要提供燃料便可持續供應電力的新型「發電機」，亞太燃料電池（APFCT）執行長黃林輝表示，燃料電池就是一座小型的直流電發電機，可進行能源轉換供電而不具儲存電能特性，其內部零件相當精簡，一般不會超過7個。燃料電池的發電原理是藉由滲透性薄膜兩側分別供應氫與氧，由儲氫器提供燃料，利用氫和氧誘發化學反應產生電力。美商國家儀器（NI）綠能專案工程師林廣哲強調，燃料電池需要保持一定的濕度及恆溫環境，才能達到有效發電效能。燃料電池運作時溫室氣體排放量低，能量密度可達鋰電池的10倍，可長時間持續供電，續航力高、穩定且安靜，有別於太陽能或是風力系統需仰賴大自然環境的間歇發電特性，排出物則是水蒸氣和廢熱為主。燃料電池發電所排出的廢熱可經過儲存後，作為梳洗熱水和供暖熱氣使用，藉由熱回收設計提高整體能源利用率至70％以上。

《圖一　PEMFC運作原理示意圖 》 資料來源：亞太燃料電池

燃料電池種類

目前燃料電池按其使用電解質的種類，主要可分為質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC）、直接甲醇燃料電池（Direct Methanel Fuel Cell；DMFC）、固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell；SOFC）、鹼性燃料電池（Alkaline Fuel Cell；AFC）、磷酸型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell；PAFC）、溶融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell；MCFC）等為主，其中又以PEMFC、DMFC和SOFC較多為廠商與研究機構所開發。

SOFC使用non-porous 金屬氧化物，通常以氧化鐵或二氧化鋯為電解質，操作溫度高（800℃～1000℃），發電效率為45～65％，適合應用在大型或是定置型發電系統，常用於電熱共生系統、車輛輔助動力及分散型電廠。PEMFC又可稱為固體高分子電解質燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell；PEFC），使用質子交換膜（Proton Exchange Membrane）高分子聚合物作為電解質，屬低溫型（一般室溫～120℃），發電效率約為40～50％；DMFC使用離子交換膜作為電解質，亦屬低溫操作（50℃～100℃），發電效率約為20～30％。PEMFC和DMFC等主要應用於3C消費電子領域作為可攜式裝置電池替代方案，以及分散式發電設備等。

堆疊（stack）或混合（hybrid）架構

由於單一燃料電池僅能產生約1V電力，因此大多數燃料電池應用均需要並列或串列1顆以上電池的堆疊（Stack）架構，以輸出較高的電力，若以多組PEM構成電池堆疊，可產生較高電壓。高效能的堆疊將包含數百組電池，甚可包含數千組電池堆疊架構，滿足運輸、商業，與工業級電力應用所需。

此外，主要應用在3C消費電子領域的DMFC，能量密度雖比鋰電池來得好，不過發電效能仍有待提升，廠商多數採取混合式（Hybrid）系統架構，亦即讓燃料電池整合高功率密度的鋰電池模組加以應用。在一般情況下，鋰電池可單獨充電使用；或者也可以單獨添加燃料以燃料電池供電；也可讓鋰電池跟燃料電池同時供應電力，提供更大的電力輸出；或者讓後者承擔電壓尖峰負載的瞬間變化，以有效發揮燃料電池發電效能。Sony於今年2月底便展示新一代Hybrid燃料電池樣品，就以控制晶片控制燃料電池混合架構的轉換效能，自動切換電源供應模式。台灣的亞太燃料電池也開發燃料電池與鎳氫電池，並應用在複合動力電動輪椅上。亞太燃料電池執行長黃林輝預測，由於燃料電池結構簡單，未來燃料電池可能朝向類似PC的組裝架構進一步發展。

《圖二　DMFC電動自行車系統整合驗證機台 》 資料來源：美商國家儀器；台灣原子能委員會核能研究所

燃料電池應用領域

歐美日各國正計劃逐漸擺脫對石油燃料的重度依賴，加上全球暖化危機迫在眉睫，以及中小型分散式電源供應方案的推波助瀾，燃料電池已成為各國替代能源的主要考量之一，現在全球主要汽車集團與能源公司幾乎都在研發燃料電池技術。亞太燃料電池（APFCT）執行長黃林輝表示，現在是後京都議定書時代，節能減碳已成為輕型車輛產業擺脫代工進一步升級的契機。

燃料電池應用領域可涵蓋分散式發電系統、電動車輛、UPS、交通運輸工具、產業定置化發電及動力系統、機器人、工具機械、可攜式電子、航空與軍事等，應用範圍相當廣泛，例如手機發射基地台便是很好的應用推廣項目，位於偏遠地帶的通訊設施也需要穩定的緊急電力供應系統，燃料電池即可作為選項之一。目前可攜式燃料電池多應用於軍事用途，在民生用途上主要以遊艇、Motor Home等作為輔助電源。例如南韓三星SDI和三星電子4月便展示一款軍用甲醇燃料電池，重量只有3.5公斤，能讓一位士兵連續正常使用72個小時以上，比起一般電池重量8～10公斤輕便許多。不過現在燃料電池應用領域市佔率最高的是發電系統，約佔60％左右。

《圖三　DMFC E-BIKE系統架構圖 》 資料來源：美商國家儀器；台灣原子能委員會核能研究所

全球燃料電池市場發展概況

根據市調機構Freedonia Group預測，今年全球燃料電池市場規模將成長至25.8億美元，預估到2014年，全球燃料電池系統市場規模可達135.5億美元，平均年複合成長率為43％。根據「富士經濟」調查資料預測指出，2020年小型燃料電池日本市場規模將達1070萬台，銷售額為145億日圓。

美國以燃料電池車輛、定置型發電系統及軍事用途作為市場應用發展主軸，其燃料電池著重於PEMFC、SOFC與儲氫技術；同時北美地區也積極發展燃料電池備用電源系統，技術多以純氫PEMFC系統為主。亞洲國家則以各類運輸車輛、3C產品、定置型和小型發電系統以及家用系統作為市場應用發展主軸，發展技術類型涵蓋PEMFC、SOFC、DMFC、儲氫技術及關鍵材料技術。至於歐盟市場的燃料電池應用發展主軸著重於汽車與定置型發電系統，技術類型著重於SOFC、PEMFC及關鍵材料以及儲氫技術。

日本在發展小型燃料電池技術上成果顯著，應用領域也以家用熱電共生系統作為代表，其容量多以1kW居多。1kW燃料電池其實是邁向替代能源的入門規格，因此日本推動家用燃料電池訂定規格便以1kW作為突破點。3月25日日本大阪燃氣、京瓷、豐田和愛信精機 4家企業已宣布將聯合開發下一代家用SOFC燃料電池，預計在2015年之前進入商業化階段。至於在可攜式DMFC商業化進程上亦有明顯進展，Toshiba 4月起已開始量產手機專用的外部充電型可攜式小型燃料電池，並計畫在今年年底，推出內建燃料電池的可攜式產品。由於成果顯著，日本的小型燃料電池規格也將在今年6月為國際電器標準會議（IEC）表決通過成為國際標準。

歐洲及日本也在積極開發燃料電池小型車研發計劃，燃料電池電動機車已進入量產出貨階段。亞太燃料電池執行長黃林輝指出，燃料電池電動機車會比汽車更早進入商業化階段，前者以低壓設計架構為核心。燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle；FCV）也是汽車集團積極開發的應用項目，注重動力性能、燃料效率、供電續航力等技術性能。不過FCV市場利基仍有待觀察，因為燃料電池汽車仍不具價格競爭力，其開發成本約為50～100萬美元，預估量產後燃料電池系統價格需降至50～100美元/kW，才有條件進入商業化階段。

《圖四　PEMFC電池組示意圖 》 資料來源：亞太燃料電池（APFCT）

台灣廠商發展概況

《圖五　亞太燃料電池執行長黃林輝表示，亞太燃料電池早在輕型車輛應用領域發展佈局，目前在燃料電池兩輪機車應用領域發展成果顯著，在100瓦～12千瓦的燃料電池發電能力位居全球領先》

國外燃料電池廠商市場集中度低，多處於研發階段，台灣燃料電池產業亦處於起步階段，產業供應鏈主要以電池組、燃料電池系統組裝為主，且多數集中開發小型燃料電池發電機和載具設計。亞太燃料電池和博研燃料電池開發電動車載具設計、大同世界科技開發發電機載具設計，大部分以PEMFC的氫氣燃料為基礎，像是真敏國際、亞太燃料電池、博研燃料電池等也在開發氫能的PEMFC發電機組。另外關鍵零組件業者包括盛英的雙極板、漢氫的儲氫罐、亞太燃料電池的儲氫罐和電池組、大同世界科技的重組器等。大同世界科技則繼續集中開發PEMFC電池組、電源轉換器和DC-AC逆變器（converter/inverter）以及熱能轉換應用，亞太燃料電池則積極開發複合動力電動機車。亞太燃料電池執行長黃林輝指出，亞太燃料電池很早就在輕型車輛應用領域發展佈局，目前在燃料電池兩輪機車應用領域發展成果顯著，在100瓦～12千瓦的燃料電池發電能力位居全球領先，目前最大競爭對手便是從汽車領域深入機車燃料電池開發的Honda。黃林輝認為，台灣應發揮既有完整健全的機車產業鏈，順勢擴展燃料電池在機車應用領域的技術發展。

台灣原子能委員會核能研究所SOFC實驗室則已成功開發出台灣首款SOFC固態氧化物燃料電池，單顆電池可承受溫度達800℃，最大功率密度可達每平方公分500毫瓦，此外台達電和新普科技持續開發DMFC技術。不過主攻DMFC研發的勝光科技已在去年12月解散，對於拓展DMFC應用產生不小影響。

燃料電池測試要點

在資料擷取系統進行原始資料的數位化之前，必須先為燃料測試系統準備多項需要訊號處理的量測作業。美商國家儀器（NI）綠能專案工程師林廣哲表示，燃料電池測試系統，往往需要數百項量測作業進行精確監控，測試系統可能需要數百組資料擷取感測器與控制功能，測試大氣壓力和液體壓力、氫燃料濕度、含氧量、操作溫度，還有燃料電池堆疊的輸出電壓與電流等。因此測試系統必須監控燃料電池的多種狀態，一般測試所進行的測試參數正不斷增加，這都需要精確擷取即時效能與操作特性的相關資訊。測試系統亦必須提供彈性的資料擷取、監控，控制功能，以精確控制燃料電池的操作與實驗過程；任何測試系統均應進行校準，以確保其可進行精確且有效的量測。亞太燃料電池執行長黃林輝亦指出，燃料電池組的可靠度、關鍵零件的監測、以及電池組的效能監測，會是燃料電池量測試的重點項目。

《圖六　SOFC燃料電池測試系統的操作介面示意圖 》 資料來源：美商國家儀器；Advanced Measurements

林廣哲進一步指出，處於研發階段的燃料電池，必須注意多點量測以及隔離功能（isolation）等測試要點。多點量測亦即多顆燃料電池堆疊而成的模組，每顆需經過相關電池操作測試，在研發過程中，燃料電池測試作業可進行能源輸出的參數描述（Characterize）與最佳化，並可延長電池堆疊的使用壽命。isolation功能是區隔每顆燃料電池測試過程，確保量測儀器與人員之安全，並強化自動化測試效能。林廣哲說明指出，隔離功能測試是燃料電池堆疊的重點之一，以針對數百伏特的共模拒斥（Common-mode rejection）進行電壓量測，藉此工程師不僅可讀取1～10V的多個通道，亦能維護電池堆疊之間達數百伏特的隔離功能。製造應用則必須監控電池堆疊，以確保該堆疊可通過設計規格。

林廣哲並且指出，無論是在R&D、Development、validation、test等階段，燃料電池都需要相適應的測試工具，也因為燃料電池規格技術尚未底定，因此相關量測工具也必須具備彈性且客製化的設計架構特性，因應燃料電池變動性較高的測試過程。例如SOFC在實驗研發階段，常需因應不同的實驗條件和運轉程序而調整程式架構，因此負責控制系統昇溫啟動、穩態運轉、安全機關與系統安全保護之控制系統，需要更高彈性和簡易使用介面特性。

《圖七　美商國家儀器（NI）綠能專案工程師林廣哲表示，處於研發階段的燃料電池，必須注意多點量測以及隔離功能（isolation）等測試要點。也因為燃料電池規格技術尚未底定，因此相關量測工具也必須具備彈性且客製化的設計架構，因應燃料電池變動性較高的測試過程》

NI測試工具架構與應用現況

由於燃料電池測試系統可涵蓋100～1000個以上的通道，因此資料擷取系統亦必須能夠隨之擴充。這些系統亦具有必須進行衰減與放大作業的訊號，所以模組化是目前燃料電池測試系統的必要條件，量測人員才能夠隨著生產與檢驗技術，修改或變更相關系統。簡言之，簡單化、模組化、彈性化是燃料電池測試工具的必要條件。

美商國家儀器便以虛擬儀控軟體定義硬體為基礎，推出圖形化系統彈性設計架構，整合滿足燃料電池各階段多點量測和隔離功能的測試需求。林廣哲強調，NI針對燃料電池量測需求所設計的虛擬儀控方案，便搭配LabVIEW圖形化介面軟體以及包含Compact FieldPoint和Compact RIO的PAC硬體，具備即時系統及模組化特性，透過點選方式即可自行設定實驗參數，符合燃料電池研發及各階段的彈性化需求。這些NI測試工具均可將其點值參數藉由LabVIEW呈現相關圖表變化，並可主動按照參數設定提供進一步控制監控設計功能。此外，Compact RIO內嵌的FPGA晶片，可協助SOFC實驗工程師定義FPGA時減少PID演算法控制元件數量，並且藉由LabVIEW FPGA軟體模組，針對類比和數位I/O，建立客製化的時脈、觸發、同步化、控制與訊號處理功能，不必侷限於其他硬體描述語言而有效節省開發時間。

《圖八　SOFC燃料電池測試系統的歷史趨勢顯示示意圖 》 資料來源：美商國家儀器；Advanced Measurements

林廣哲進一步指出，燃料電池測試所得相關數據可結合NI開發的DIAdem資料庫儲存軟體，利用二進位資料管理格式（Technical Data Management；TDM）儲存測試資料，並且使用此TDM儲存API，將資料以資料庫結構的型式儲存，以利未來方便進行後續分析、檢視與彙整，並能執行離線分析與報表產出。這可配合NI提供軟體模組測試通道數較高的資料記錄與監控LabVIEW DSC（Datalogging and Supervisory Control）模組，內建高通道數資料擷取、資料記錄、介面，與安全功能，適用於燃料電池資料記錄與監控的多項測試需求。

在發展SOFC功能測試站過程中，台灣原子能委員會核能研究所SOFC實驗室便以NI的LabVIEW搭配可程式化自動控制器PAC軟體，並採用多種通訊介面的FieldPoint 及Compact FieldPoint，以直覺式操作方式讓SOFC實驗室工程師有效縮短平台開發時程。硬體方面NI的CompactRIO可程式化自動控制器，在嵌入式控制與擷取系統有更進一步的革新。至於在SOFC量產化時的測試需求，NI的單卡式RIO（Single Board RIO）也準備就緒，適用於大量的嵌入式控制與擷取應用。現在核研所已成功研發不須額外感測器的DMFC樣品，此外，亞太燃料電池的測試機台亦採用NI的LabVIEW軟體及相關硬體測試工具。

《圖九　台大機械系燃料電池機車動力測試實況 》 資料來源：美商國家儀器；台大機械系

燃料電池商業化難題尚待克服

燃料電池技術多處於研發階段，距離大量商業化目標仍有一段路要走。燃料電池必須在系統小型化、降低MEA材料及電池組製造成本、突破耐久性等，相關產品才有市場競爭力。像是SOFC製造成本仍高，耐久性問題未待解決，目前尚未進入使用階段。還有燃料電池內作為主要催化劑材料的鉑（Platinum）價格依舊過高、不同的燃料電池燃料來源也阻礙了市場的接受度。亞太燃料電池執行長黃林輝指出，目前燃料電池發展的最大問題是：燃料電池所需之純氫氣體該如何供應？其回充站及供應系統建設能否到位？美商國家儀器綠能專案工程師林廣哲則表示，價格過高、發電量尚未滿足市場需求、產品壽命過短，仍是燃料電池商業化之前必須克服的技術難題。

此外黃林輝表示，燃料電池機車應用需要建立嚴格的安全標準法規把關才有可能，燃料電池也必須要有相當程度的汽車產業經濟規模作為支撐，才能盡早實現商業化階段。無論如何，政府願不願意積極推動參與，更是燃料電池能否成為新世代節能減碳替代方案的關鍵因素。