【解密科技宝藏-创新科技专案】“燃料电池（Fuel cell）”在一般消费者心中的模样，或许最好的诠释方式为只闻其声不见其人，它不像锂电池已融入我们的生活中，也不若充电电池对环境保护所具有的重大意义。但其实燃料电池的技术并不复杂，早在 1838 年就由德国化学家提出概念，美国航太总署 NASA 在这半世纪以来也将它使用在卫星、太空船上等尖端科技上。燃料电池之所以难以走入一般生活中，主要还是在于现有的几种燃料各有各的缺点。
燃料电池的原理与限制
燃料电池的原理其实很简单，以最简单的氢燃料电池为例，在阳极处氢原子会被催化剂分解为氢离子和电子，电子通过回路形成电流，而氢离子则是穿过一层电解质薄膜到阴极，并重新吸收电子与氧气反应产生水。氢气和氧气转化成水产生的能量，便由此直接以电能的形式释放出来了。
（图片来源：达志影像）
虽然氢气的利用方式简单，但能源的储存是一大问题，目前为止仍然无法安全地以极高的密度运输氢气，因此大幅降低了它的实用性，于是就有了直接甲醇燃料电池（Direct-methanol fuel cells, DMFC）的设计。DMFC 在技术上和氢燃料电池很像，只是把氢气换成了甲醇，透过铂和钌组成的催化剂后，产生氢离子和二氧化碳，并由氢离子通过电离子薄膜到另一边与氧作用产生水，并在过程中发电。
DMFC 的特点，是能源密度高，而且在各种环境下（-97.0℃ 到 64.7℃）都能保持液态。然而它也有缺点，就是甲醇在高浓度下会直接穿过电解质薄膜与另一边的氧气反应，降低电压，所以利用时必须将甲醇与水配成大约 3% 浓度的溶液，将甲醇直接穿过薄膜的损耗降到最低。但这么一来就表示燃料中有绝大部分是不参与反应的水，非常地浪费体积与重量啊！
改良结构设计，让燃料电池更接近你我
工研院材化所蔡丽端组长与其所领导的团队，改变了电解质膜与电极的结构设计，并且改变了触媒表面的材料，让燃料电池在燃烧过程中产生的水，可以被回收利用，回到阳极去稀释高浓度的纯甲醇参与反应，如此一来就可以以未稀释的高浓度甲醇作为燃料。在甲醇燃料的持续供应下，目前设计出来的 1W 功率 DMFC，已经可以做到 7,000 小时的连续运转。
除此之外，虽然 DMFC 有着非常高的能量密度，但其实单一模组能提供的功率会被化学反应所需的时间限制，所以并不算太高；如果要串连多个模组的话，又会大幅增加体积、重量与复杂度。因此工研院团队在系统内多装了一颗锂电池，在平时可以将多余的发电量储存起来，而在需要高电力输出的时候，则可以用锂电池提供额外的电力，或是做为燃料电池启动前的备用电力。
▲ 直接甲醇燃料电池（DMFC）。（图片来源：解密科技宝藏）
蔡丽端组长表示，目前工研院材化所开发的 1W~300W DMFC，预期可以在野外监测和户外休闲上使用。例如在一些偏远地区，无法从电网供电的地震仪，或是水道闸门上用来精确控制供水量的监测器等。燃料电池在供电上远比太阳能或风力要来得稳定，而且体积小电力足，如果是露营的时候带上一台的话，可能连用微波炉都不是问题。或许燃料电池与我们生活的距离，已经没有那么遥远了。
（首图来源：解密科技宝藏）
