“燃料電池(Fuel cell)”在一般消費(fèi)者心中的模樣，或許最好的詮釋方式為只聞其聲不見(jiàn)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(duì)環(huán)境保護(hù)所具有的重大意義。但其實(shí)燃料電池的技術(shù)并不復(fù)雜，早在 1838 年就由德國(guó)化學(xué)家提出概念，美國(guó)航太總署 NASA 在這半世紀(jì)以來(lái)也將它使用在衛(wèi)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，主要還是在于現(xiàn)有的幾種燃料各有各的缺點(diǎn)。
燃料電池的原理與限制
燃料電池的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，以最簡(jiǎn)單的氫燃料電池為例，在陽(yáng)極處氫原子會(huì)被催化劑分解為氫離子和電子，電子通過(guò)回路形成電流，而氫離子則是穿過(guò)一層電解質(zhì)薄膜到陰極，并重新吸收電子與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生水。氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化成水產(chǎn)生的能量，便由此直接以電能的形式釋放出來(lái)了。
(圖片來(lái)源：達(dá)志影像)
雖然氫氣的利用方式簡(jiǎn)單，但能源的儲(chǔ)存是一大問(wèn)題，目前為止仍然無(wú)法安全地以極高的密度運(yùn)輸氫氣，因此大幅降低了它的實(shí)用性，于是就有了直接甲醇燃料電池(Direct-methanol fuel cells, DMFC)的設(shè)計(jì)。DMFC 在技術(shù)上和氫燃料電池很像，只是把氫氣換成了甲醇，透過(guò)鉑和釕組成的催化劑后，產(chǎn)生氫離子和二氧化碳，并由氫離子通過(guò)電離子薄膜到另一邊與氧作用產(chǎn)生水，并在過(guò)程中發(fā)電。
DMFC 的特點(diǎn)，是能源密度高，而且在各種環(huán)境下(-97.0℃ 到 64.7℃)都能保持液態(tài)。然而它也有缺點(diǎn)，就是甲醇在高濃度下會(huì)直接穿過(guò)電解質(zhì)薄膜與另一邊的氧氣反應(yīng)，降低電壓，所以利用時(shí)必須將甲醇與水配成大約 3% 濃度的溶液，將甲醇直接穿過(guò)薄膜的損耗降到最低。但這么一來(lái)就表示燃料中有絕大部分是不參與反應(yīng)的水，非常地浪費(fèi)體積與重量啊!
改良結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓燃料電池更接近你我
工研院材化所蔡麗端組長(zhǎng)與其所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，改變了電解質(zhì)膜與電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且改變了觸媒表面的材料，讓燃料電池在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的水，可以被回收利用，回到陽(yáng)極去稀釋高濃度的純甲醇參與反應(yīng)，如此一來(lái)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(xù)供應(yīng)下，目前設(shè)計(jì)出來(lái)的 1W 功率 DMFC，已經(jīng)可以做到 7,000 小時(shí)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
除此之外，雖然 DMFC 有著非常高的能量密度，但其實(shí)單一模組能提供的功率會(huì)被化學(xué)反應(yīng)所需的時(shí)間限制，所以并不算太高;如果要串連多個(gè)模組的話，又會(huì)大幅增加體積、重量與復(fù)雜度。因此工研院團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)內(nèi)多裝了一顆鋰電池，在平時(shí)可以將多余的發(fā)電量?jī)?chǔ)存起來(lái)，而在需要高電力輸出的時(shí)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(dòng)前的備用電力。
▲ 直接甲醇燃料電池(DMFC)。(圖片來(lái)源：解密?chē)?guó)家寶藏)
蔡麗端組長(zhǎng)表示，目前工研院材化所開(kāi)發(fā)的 1W~300W DMFC，預(yù)期可以在野外監(jiān)測(cè)和戶外休閑上使用。例如在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，無(wú)法從電網(wǎng)供電的地震儀，或是水道閘門(mén)上用來(lái)精確控制供水量的監(jiān)測(cè)器等。燃料電池在供電上遠(yuǎn)比太陽(yáng)能或風(fēng)力要來(lái)得穩(wěn)定，而且體積小電力足，如果是露營(yíng)的時(shí)候帶上一臺(tái)的話，可能連用微波爐都不是問(wèn)題。或許燃料電池與我們生活的距離，已經(jīng)沒(méi)有那么遙遠(yuǎn)了。
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