隨著人類移動資訊通訊的需求發展，每個人隨身所需攜帶的能源需求正急劇增加，最近美國國防部便希望可以找到提供軍人20W隨身電源，並希望可以在4公斤的重量內提供可以操作四天(約2000Wh)的解決方案；此外近年來Intel一直希望可以找到將筆記型電腦的操作時數提升到八小時的解決方案，而燃料電池似乎是這些問題的重要解答。
燃料電池的機會與挑戰
新經濟體的快速崛起與發展，人類所面對的能源問題正急劇的惡化，在新的能源未被發現之前，如何節能以及開發高能源轉換效率的技術變的非常重要；而燃料電池正是有效提昇能源轉換效率的首選，也因此美國積極推動燃料電池電動汽車的開發，希望可以有效降低運輸工具所消耗的能源，另一方面也希望因此降低汽車所帶來的汙染問題。我國政府這幾年透過國科會、能源局、經濟部等部會積極推動燃料電池的開發，其開發之技術涵蓋PEMFC、DMFC及SOFC等。然而燃料電池的應用正面臨著成本太高、使用壽命需要更多驗證的艱難挑戰，因此開發適當的燃料電池應用機會，以加速燃料電池的商品化，一直是燃料電池技術發展的重要里程碑，一來可以因此建立燃料電池的產業，加速燃料電池成本降低技術的開發，另外也可以透過燃料電池實際的使用，深入研究燃料電池操作壽命的影響因素，據以開發具競爭力的家用或車用的燃料電池系統，將燃料電池的應用真正帶入人類的生活，減緩溫室效應以及能源需求的成長。
燃料電池是一種發電系統，其所使用的燃料是高含氫的物質，透過電化學觸媒的轉換，直接將燃料的化學能轉換為氫能，不經過燃燒轉成機械能，轉換效率也較高，安靜且污染少，然而燃料電池的大量應用正面臨著成本太高、使用壽命需要更多驗證的艱難挑戰，因此開發適當的燃料電池應用，以加速燃料電池的商品化，一直是燃料電池技術發展的重要里程碑。一來可以因此建立燃料電池的產業，加速燃料電池成本降低技術的開發，另外也可以透過燃料電池實際的使用，深入研究燃料電池操作壽命的影響因素，據以開發具競爭力的家用或車用的燃料電池系統，將燃料電池的應用真正帶入人類的生活，減緩溫室效應以及能源需求的成長。因此積極尋找燃料電池的應用機會，降低燃料電池的成本，提升燃料電池的轉換效率以及提升系統的操作壽命，找到燃料電池的最佳運作模式，是目前燃料電池開發首要之工作。
各種可攜式燃料電池系統的進展
1. 氫氣質子交換膜燃料電池系統
氫氣燃料電池的最大優點是反應速率極快，所以膜電極組(Membrane Electrode Assembly，MEA)的功率高，電池堆體積小，但缺點是氫氣的攜帶不易。傳統的作法是以儲氫罐搭配金屬儲氫材料為主軸，其中低溫釋氫儲氫材料的儲氫能力為重要指標，因為儲氫材料釋氫要吸熱；如果是高溫儲氫釋氫，將需要考慮熱的來源，而燃料電池本身是低溫系統，所以會限制釋氫溫度。很不幸的目前已知的低溫釋氫材料其儲氫量普遍太低，含儲氫罐的儲氫密度大約僅在1.2 w%附近，整體儲氫之能量理論密度僅達400Wh/kg，相較目前的鋰電池系統並不佔優勢。不過儲氫罐是一種安全且成熟的攜氫方法，目前仍有很多廠商積極推動其應用，包括國內的漢氫科技開發儲氫罐及儲氫材料，如圖一所示。國外則有Canon公司研究嘗試如何將Fuel cell與相機結合，如圖二所示，但是因為儲氫罐的問題，要變成普遍使用的系統是需要在商業模式以及技術方面有更多的投入，比如充填、運送、以及取得容量的進一步提升。
因為儲氫材料難找，所以日本的渡邊教授積極開發利用鋁粉與水反應產生氫氣的方法，嘗試解決氫氣攜帶的問題，這個做法也受到日立Maxell以及Aquafairy公司的採用，嘗試與筆記型電腦或是手機結合。產氫的另一個方法便是利用改質器直接將醇類烷類等化合物直接轉換成氫氣，目前有Ultracell、Casio、Motorola 投入此研發，Ultracell並已有商品開始販售，如圖三所示，以改質器做為隨身產氫方法的缺點是改質器操作溫度一般高於250℃，所以需要一點時間升溫；另外就是因為水回收不易，以較低溫的甲醇改質為例，其理論能量密度會被水稀釋。
2. 直接氧化燃料電池系統
氣態或固態的燃料一般而言並不好攜帶，液態燃料是相對較為方便攜帶，所以直接甲醇燃料電池以及直接甲酸燃料電池或甲醇改質燃料電池，都是為了改善燃料攜帶輸送的問題。甲酸燃料電池最早由伊利諾大學的Rice Group所開發，他們發現以PtPd的觸媒可以有效分解甲酸，因為甲酸僅有兩個電子所以電位高而且其反應速度也較快所以MEA的功率密度較高，其缺點為甲酸的理論能量密度先天就不好，僅有1700 Wh/kg，2100Wh/L；但是甲酸穿透質子交換膜的能力相對較差，所以燃料的使用效率較高，可以提升其競爭力。目前Tekion公司取得伊利諾大學的授權，正積極開發相關產品中，不過相信甲酸燃料電池的系統不會更簡單於甲醇系統，因此一些相關技術問題可以參考甲醇系統，不過其甲酸穿透如果比較小，相對於甲醇系統，其實更適合於開發被動式系統。
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| ▲圖一、漢氫公司HB-SC0100-Q儲氫罐，含100L H2 |
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| ▲圖二、Canon所開發之小型燃料電池系統 |
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| ▲圖三、Ultracell 所開發之XX25 RMFC系統 |
3. 鹼性燃料電池系統
以固態質子交換膜為電解質系統的燃料電池系統，在面對液態的燃料時通常會有幾個問題：(1)高酸度限制觸媒必須使用貴重金屬，也因此限制了可以使用的集電材或雙極板材料種類，(2)另外這些燃料在酸性系統的轉換效率普遍不佳，目前僅氫氣、甲醇、甲酸找到適當的觸媒可以使用，因為CO毒化的問題大力的抑制反應速率。如果可以改為固態鹼性電解質膜，則一般金屬在鹼性的環境中耐受性很好，所以可以利用卑金屬做為電化學轉換觸媒，降低MEA的成本，而且在鹼性系統中空氣極的反應速率較快，所以鹼性系統的功率密度較高。但由於固態鹼性離子傳導膜的傳導性普遍不佳，亦即其電阻較高，通常需要添加KOH等為電解質，但是這些鹼金屬鹽類遇到CO2時會沉降造成電阻再度升高，也因此鹼性燃料電池被優先使用在太空船中，因為其燃料為液態氫以及液態氧所供應，不需考慮CO2的困擾。目前Acta公司有考慮以CsCO3等高解離度的碳酸鹽來維持陽極端的鹼性環境，其後續發展值得觀察。
▼表一、各種燃料電池系統之特性與突破點分析
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系統
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理論能量密度
操作點轉換能量密度
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BOP需求
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突破點
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儲氫材料
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·660Wh/kg(2% 儲氫量不含罐體)
·385 Wh/kg (0.7V)
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·需要收集廢熱對儲氫罐加熱
·須有壓力調節閥件
·系統保濕的需求
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·儲氫材料能力需大幅提升至目前的三倍
·儲氫罐輕量化與高導熱化
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金屬粉產氫(Al)
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·1222 Wh/kg
·713 Wh/kg (0.7V)
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·需要水量比理論值多
·需要控制氫氣產生量與需求間之搭配
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·燃料轉換成氫之效率
·STACK中之氫氣使用/傳輸效率
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化學氫
NaBH4
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·3600 wh/kg
·2100 Wh/kg (0.7V)
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·需要水量比理論值多
·需要適當的產氫反應器設計
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·氫氣產出速率控制
·燃料轉換成氫之效率
·STACK中之氫氣使用效率
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改質器產氫
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·3840Wh/kg
·1920 Wh/kg (0.6V)
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·需要250 C之Reformer
·需要控制氫氣產生量與需求間之搭配
·低溫啟動加熱系統
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·產氫速度及依需求調控之技術需提升
·系統開關對MEA的影響
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甲醇
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·6000Wh/kg
·2000Wh/kg (0.4V)
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·需要進行水回收管理
·需進行甲醇燃料濃度控制以提升功率
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·功率密度需要再提升
·BOP元件的低成本與壽命提升
·系統的自動調控能力
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甲酸
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·1700Wh/kg
·700Wh/kg (0.6V)
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·需要進行水回收管理
·需進行甲酸燃料濃度控制以提升功率
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·大幅提昇操作電壓以提升能量密度
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乙醇
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·8250Wh/kg
·3618 Wh/kg (0.5V)
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·需要設計陽極排水
·需進行乙醇燃料濃度控制以提升功率
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·開發不需添加metal hydroxide Salt之陰離子傳導膜
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資料來源：工研院材化所/工業材料雜誌第250期
透過整理的表一可以看到，如果可以用氫氣做為燃料，其放電功率與轉換效率都很高，但是目前除了以硼氫化鈉的系統開發的比較完整而且其能量密度也相較較高外，其他的系統均被理論值做了很大的限制。此外，甲醇改質器部分最近ultra cell已經開始販售其供電系統，選用高溫質子交換膜的好處是可以沒有陰極淹水的困擾，也不需加濕，未來在改質器的Turn down ratio以及MEA相關技術的提升，相信此系統具有在一些需要長期用電及不需時常開關機應用場合的競爭力，如果透過適當的混成供電設計，相信會更加簡化系統的設計。
相同的以醇類為燃料的系統具有攜帶方便，能量密度高的優點，但是目前直接氧化燃料電池(DEFC, DMFC, DFAFC)相關原型機種的轉換效率均僅達20%左右，未來透過MEA效能的提升、系統自我整合控制技巧的提升，相信還有很大的成長空間，但是液態燃料也引進方向性的限制，這部份的應用限制雖然在被動式設計導入解決了相關問題，但是整體仍須研究人員花心思與使用端共同思考最適化設計，才能早日看到燃料電池的普及應用。綜觀國內產業型態以及產業的競爭力，將燃料電池的開發建立在個人攜帶式電子產品或個人行動資訊的能量需求滿足上，是國內發展氫能技術成功的最佳方法，也因此雖然燃料電池技術開發風險極高，但也使新普、大同、台達、勝光、奇鋐、南亞、亞太、遠茂等多家公司，積極投入燃料電池技術的開發，相信這些資源與信念的投入，將可為我國的能源產業建立蓬勃發展的基礎。
