【解密科技寶藏】燃料電池大進擊:工研院改良結構與材料,提升使用效率與便利性

作者 | 發布日期 2015 年 05 月 20 日 14:34 | 分類 電池 follow us in feedly

【解密科技寶藏-創新科技專案】「燃料電池(Fuel cell)」在一般消費者心中的模樣,或許最好的詮釋方式為只聞其聲不見其人,它不像鋰電池已融入我們的生活中,也不若充電電池對環境保護所具有的重大意義。但其實燃料電池的技術並不複雜,早在 1838 年就由德國化學家提出概念,美國航太總署 NASA 在這半世紀以來也將它使用在衛星、太空船上等尖端科技上。燃料電池之所以難以走入一般生活中,主要還是在於現有的幾種燃料各有各的缺點。



燃料電池的原理與限制

燃料電池的原理其實很簡單,以最簡單的氫燃料電池為例,在陽極處氫原子會被催化劑分解為氫離子和電子,電子通過迴路形成電流,而氫離子則是穿過一層電解質薄膜到陰極,並重新吸收電子與氧氣反應產生水。氫氣和氧氣轉化成水產生的能量,便由此直接以電能的形式釋放出來了。

下載自路透(圖片來源:達志影像

雖然氫氣的利用方式簡單,但能源的儲存是一大問題,目前為止仍然無法安全地以極高的密度運輸氫氣,因此大幅降低了它的實用性,於是就有了直接甲醇燃料電池(Direct-methanol fuel cells, DMFC)的設計。DMFC 在技術上和氫燃料電池很像,只是把氫氣換成了甲醇,透過鉑和釕組成的催化劑後,產生氫離子和二氧化碳,並由氫離子通過電離子薄膜到另一邊與氧作用產生水,並在過程中發電。

DMFC 的特點,是能源密度高,而且在各種環境下(-97.0℃ 到 64.7℃)都能保持液態。然而它也有缺點,就是甲醇在高濃度下會直接穿過電解質薄膜與另一邊的氧氣反應,降低電壓,所以利用時必須將甲醇與水配成大約 3% 濃度的溶液,將甲醇直接穿過薄膜的損耗降到最低。但這麼一來就表示燃料中有絕大部分是不參與反應的水,非常地浪費體積與重量啊!

 

改良結構設計,讓燃料電池更接近你我

工研院材化所蔡麗端組長與其所領導的團隊,改變了電解質膜與電極的結構設計,並且改變了觸媒表面的材料,讓燃料電池在燃燒過程中產生的水,可以被回收利用,回到陽極去稀釋高濃度的純甲醇參與反應,如此一來就可以以未稀釋的高濃度甲醇作為燃料。在甲醇燃料的持續供應下,目前設計出來的 1W 功率 DMFC,已經可以做到 7,000 小時的連續運轉。

除此之外,雖然 DMFC 有著非常高的能量密度,但其實單一模組能提供的功率會被化學反應所需的時間限制,所以並不算太高;如果要串連多個模組的話,又會大幅增加體積、重量與複雜度。因此工研院團隊在系統內多裝了一顆鋰電池,在平時可以將多餘的發電量儲存起來,而在需要高電力輸出的時候,則可以用鋰電池提供額外的電力,或是做為燃料電池啟動前的備用電力。

國家寶藏配圖

▲ 直接甲醇燃料電池(DMFC)。(圖片來源:解密科技寶藏)

蔡麗端組長表示,目前工研院材化所開發的 1W~300W DMFC,預期可以在野外監測和戶外休閒上使用。例如在一些偏遠地區,無法從電網供電的地震儀,或是水道閘門上用來精確控制供水量的監測器等。燃料電池在供電上遠比太陽能或風力要來得穩定,而且體積小電力足,如果是露營的時候帶上一台的話,可能連用微波爐都不是問題。或許燃料電池與我們生活的距離,已經沒有那麼遙遠了。

(首圖來源:解密科技寶藏) 

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