功能vs.電池功率的難題迫在眉睫

隨著手持式裝置如智慧型3G手機、PDA手機、數位相機、Netbook等廣泛普及，加上功能更為多元豐富，工程師常面臨一方面需要將更多的應用功能，整合在機構工程師或造型設計師所決定的外形尺寸中；另一方面，也由於更多的應用諸如多媒體影音播放、Wi-Fi/BT、GPS、HDTV及更大尺寸顯示螢幕等的應用，迫使工程師要進一步整合更高電池功率以及電源管理，以滿足消費者對待機時間和工作時間的要求。

然而，手持式電子裝置的電池功率發展趨勢，就以最廣為使用的鋰離子電池（Li-ion Battery）而言，每年電容量成長幅度約10％上下，並且已經發展到了接近理論的極限，以普遍利用的尺寸約45×50×4mm而言，約提供1000～1200mAh電容量，頂多到1500～1800mAh就達極限，而這種電池已是所有可充電化學電池中能量密度最高的。但是對照電量的需求，以近幾年手機上的發展而言，每年約成長30％。因此，這便造成了如圖一所示的電力落差（Power gap）。更何況未來手持式裝置會整合更多需求更高電量的應用，如「投影手機」的功能，因此必須發展有迴異於鋰離子電池的電力或是電池系統。

《圖一　電力需求與電池電量提供所形成的電力落差示意圖》

電力需求與電池電量供應落差促使新世代電池技術發展

回顧電池的發展歷史，在1990年代以前，鎳鎘電池（Ni-Cd）及鎳氫電池（Ni-MH）主要是提供如隨身聽類別所使用。到了1990年代初，因為筆記型電腦及攝錄機等「Power Eater」的發展，需求更高能量密度的電池（以當時觀點而言），前述的電池已不敷使用。因此power gap進一步催生新世代鋰離子充電電池技術的演進及發展，並導引自鋰離子電池問世以來在手機、PDA及數位相機等領域的應用。至於下一個power gap在哪裡？何時會發生？雖然對於這個時間點業界有許多不同觀點，甚至落後於原先2007～2008年間的估計，（如圖二所示），但相信會很快到來。

以近年來最為蓬勃發展的手機產業而言，不過短短數年間，其聚合了許多應用及功能（convergence）。如3G多功能手機的發展已經可以支援多個air interface，包括GSM、EDGE、UMTS、HSPA等多波段連接，以及透過Wi-Fi、BT、USB介面等進行其它相連。此外，手機相機則整合複雜的相機引擎和高功率發光的閃光燈來拍攝高品質照片；而GPS的結合應用，亦促使更多導航及地圖瀏覽的應用。至於多媒體方面，高速應用處理器則提供強大的音／視訊處理能力，以支援數位電視（DTV）訊號和MPEG音訊編解碼；隨著數據傳輸速度的增加，手機的視訊電話功能甚至投影功能也將實現。於是，電量需求與電池電量差距已逐漸擴大到醞釀另一個電池技術的催生。

但以目前手持式電子裝置發展的電力需求觀點而言，未來需求數倍於現有的電池能量密度，除非有突破性技術。例如日前報載麻省理工學院的2名材料學專家，發現鋰離子荷電後，在電池材料裡緩慢移動是造成充電緩慢的主因。因此他們設計將硫酸鋰鍍膜，讓離子迅速穩定地流向通道入口，快速抵達電極、釋放電力。此技術可於2～3年內引領更小、更輕、載電量更高的鋰電池問世，以及幾分鐘就充電完成的筆電和超小型手機世代的到來。不然，Fuel Cell絕對是一個重要的發展選項。

《圖二　電量跳躍式需求成長促使新世代電池技術演進及發展 》 資料來源：Nikkei Asia Electronics，2005

可攜式能源發展趨勢

各式不同技術的電池，其能量密度也不同。以密封式鉛酸電池（Sealed Pb）而言，其能量密度約為30Wh/kg；鎳鎘電池（Ni-Cd）能量密度約為50Wh/kg；鎳氫電池（Ni-MH）能量密度約為80Wh/kg；以上三種電池，其充電時間均約為8小時。至於鋰離子電池（Li-ion）能量密度約為120Wh/kg；鋰聚合物電池（Adv. LPB）能量密度可達200Wh/kg；這兩種電池，其充電時間都約為2小時。

以上一節所討論的電力需求推估，為滿足未來各式應用的需求，電池電量大約必須5～6倍（約1000-1200Wh/k）於目前能量最高的鋰離子電池，且充電時間必須遠小於目前鋰離子電池的2小時。以此電池容量而言及充電時間的需求來看，燃料電池的高能量密度及補充燃料可持續提供電力的特性，符合未來發展的趨勢及要求，詳如圖三所示。

《圖三　可攜式能源發展趨勢示意圖》

什麼是燃料電池?

電池可分為化學電池與物理電池兩類。其中，物理電池係指太陽能電池、熱感應電力電池及原子力電池；化學電池可分為一次電池、二次電池。如圖四所示。

所謂「一次電池」是指電池內參與化學反應的物質無法重複使用，放電完時電池的壽命即告結束。這一類包括鹼性電池、碳鋅電池、鋰電池、氧化銀電池與水銀電池等。所謂「二次電池」又叫作充電電池，亦即電池電力用完時，可以再次充電使用的電池。這一類包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池與鋰電池等。而燃料電池也算是化學電池的一種，係利用電化學反應把氫與氧結合成水，將化學能轉換成電能，即水電解過程的逆向反應。只不過是燃料電池雖然稱為「電池」，其實是發電的系統裝置，利用添加燃料以產生其電力，一但電化學開始反應就不斷放電，並不會儲存電量，並且是穩定的電壓輸出，無法因應如開機瞬間的peak power，因此實際上使用時一般必須搭配如鋰離子電池的二次電池，如圖五所示，可採用串接式或是並接式。串接式燃料電池屬於低額定，就像備援的充電裝置，最主要是希望延長電池的使用時間；並接式燃料電池屬於高額定，燃料電池在負載高時分擔部份出功率，目的在於提高整體的能量密度。

《圖四　燃料電池與一、二次電池比較圖 》 資料來源：改繪自圖解燃料電池百科，全華科技圖書，2004

《圖五　燃料電池與鋰離子電池混成的功率與能量密度模式》

燃料電池工作原理

燃料電池的運作原理，也就是電池含有陰陽兩個電極，分別充滿電解液，而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構成。其所需的燃料是「氫」，氫由燃料電池的陽極進入，氧氣（或空氣）則由陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用，使得陽極的氫原子分解成兩個氫質子（proton）與兩個電子（electron），其中質子被氧「吸引」到薄膜的另一邊，電子則經由外電路形成電流後，到達陰極。在陰極催化劑之作用下，氫質子、氧及電子，發生反應形成水分子，因此水可說是燃料電池唯一的排放物，如圖六所示。由於燃料電池是經由利用氫及氧的化學反應，產生電流及水，不但完全無污染，也避免了傳統電池充電耗時的問題，是目前最具發展前景的新能源方式，這可說是「氫的科技」。

《圖六　燃料電池的工作原理示意圖》

燃料電池的化學反應式如下所示：

《公式一》

放電曲線I-V curve及功率密度曲線圖如圖七所示。其中，理論電壓值與實際I-V curve之間的Voltage loss主要原因包括燃料的cross-over、反應的動力學、內阻等因素。其中，在低電流時產生效率的峰值，約在0.9V～1.0V；在電流密度約為1.0時，有功率的峰值表現。

《圖七　燃料電池的放電曲線I-V curve及功率密度曲線圖》

燃料電池的種類

目前燃料電池依照電解質的不同，可分為鹼性燃料電池（Alkaline Fuel Cell；AFC）、質子交換膜燃料電池或固體高分子型燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC或PEFC）、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）及固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell；SOFC）等五種。各種燃料電池的種類與特性如下表所示：

《表一　燃料電池的種類與特性比較表 》 - BigPic:599x598 資料來源：台灣電池燃料資訊網，http://www.tfci.org.tw/Fc/class.asp，2009

手持式電子裝置上的微直接甲醇燃料電池μDMFC

如表一所示，採用質子交換膜方式（PEFC）的燃料電池，其操作溫度約在室溫至80℃。直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell；DMFC）是屬於PEFC的一種，直接使用甲醇水溶燃料，可在常溫及常壓下操作、增加使用上的安全性。相較於其他種類的燃料電池，除具低污染及高能量密度之特性外，DMFC不必經過任何前加工處理程序，複雜性大為減低，使得DMFC設計易於小型化，進而成為3C可攜式電源供應系統研發重點。其工作原理如下圖八所示：

《圖八　直接甲醇燃料電池工作原理示意圖》

直接甲醇燃料電池的化學反應式如下：

《公式二　》

DMFC在陽極反應需要水，而陰極會產生水。問題是以淨反應而言，理論上會產生2倍過多的水淹沒陰極，造成效能降低。事實上，因為燃料cross over的問題，在陰極所產生的水，約3～4倍。因此陰極水回收的機制成了燃料電池的效能關鍵以及重要發展議題。

μDMFC陰極水回收的方式

如前所述，在陰極所產生的水必須有效回收，現在依照陰極水回收機制，可將直接甲醇燃料電池區分為被動式與主動式水回收系統，如圖九所示。此外，因為主動式水回收機制功耗大，亦有改良型的半主動式系統設計。

《圖九　主動式與被動式水回收機制差異》

所謂被動式水回收系統，係利用材料科學上的毛細原理或是機構設計方式，使用重力原理促使燃料流動，達成陰極水回收目的，不需藉助主動元件如壓縮機或汞浦（Compressor or Pump），系統較簡單且體積小，一般以用在移動性較高、出功率需求較小的手機、數位相機及MP3為居多，代表的廠商有Toshiba、Fujitsu、Hitachi、MTI及Sony等。而主動式水回收系統，係藉助主動元件如汞浦或是風扇，促使燃料流動及達成陰極水回收目的，如圖十所示。因為主動元件BOP必須消耗一定比例的系統功耗（約10～20％），系統較複雜，一般用在出功率需求較大些的筆記型電腦和DVD player等，代表的廠商有SFC、Toshiba、Samsung、LG、Sanyo等。此外，亦有改良式的半主動水回收系統設計，主要是改良BOP為功耗較小的主動元件，例如以Blower或是小型風扇（Fan）取代壓縮機或是汞浦。適合用在中低出功率需求的系統。

《圖十　主動式水回收設計系統架構方塊示意圖》

微直接甲醇燃料電池商業化面臨之挑戰

過去數年，可攜式微直接甲醇燃料電池的技術，例如電極CO毒化、觸媒轉換效率、質子交換膜、燃料濃度及cross over等問題，有顯著的進步，並且有效的降低成本及價格。另一方面，在2005年底及2006年，國際電工委員會（IEC）、國際民航組織（ICAO）和國際航空運輸協會（IATA），分別起草了允許在客機中搭載和使用可攜式燃料電池和燃料盒的新條例，允許可以在飛機上攜帶200ml甲醇燃料儲存盒2個，使燃料電池商業化的進展因為法規的訂定而展露曙光。

然而，μDMFC燃料電池在邁向商業化的應用過程，特別是在可攜式的手持電子裝置上，不論成本、體積、效率、使用年限、競爭技術等必須也要進一步考量。