兼具理想與現實--元智大學「燃料電池中心」

▓撰文：鐘國濱、楊添福 ▓圖片提供：元智大學燃料電池中心

2006年，美國前副總統高爾的紀錄片「不願面對的真相（An Inconvenient Truth）」上映之後，獲得廣大迴響，全球暖化帶來的氣候變遷、嚴重天災，讓人們不得不正視「人類」是全球暖化肇因的最大源頭。「全球暖化」的確是本世紀最嚴重的問題，人類產生的溫室氣體如一條厚毯包住了地球，使得地球溫度一直上升，此一論點已獲氣候變遷學者之一致認同。

在「能源有限」與「全球暖化」的雙重壓力下，新能源發展成為政府與業者殷切期盼的希望。雖然水力、風力、太陽能等再生能源之開發利用過程中對環境面影響最小，也具備用之不竭之潛力，然而季節性、區域性與時效性等因素侷限全面普及化之可能。若尖鋒多餘電力轉成氫能儲存，並於離峰時經燃料電池以產生電能，將加速無碳社會之來臨。

燃料電池靠電化學反應產生電能，無須燃燒，利用氫氣（或酒精）和空氣發生反應，以電子流動產生電流、水和熱量，完全零污染。其作用如同電池，且優於電池，即只要燃料，就可以產生電能，為一能源轉換裝置，並無傳統電池受限循環充電壽命以及丟棄之環保問題，轉換效率可達50～80％。前述優點眾所皆知，然尚未普及的原因與元智大學提出之因應歸納如下。

次世代高溫型技術發展

目前燃料電池為因應氟系高分子電解質於適當濕度環境操作之特性，而需於低溫操作（＜80℃），然低溫工作將導致產物水排除不易、燃料中雜質對電極之毒化、電化學反應速率不彰等缺點。相較於低溫操作，高溫操作（120～180℃）的燃料電池因能排除上述缺點，而成為主流趨勢。

目前之低溫電池系統若進行高溫操作，首先面臨問題為氟系高分子電解質在低濕度環境下將大幅降低離子導性，致使電池性能遠低於低溫，因此開發低濕或無濕環境之高分子電解質為首要關鍵。新式高分子電解質亦需伴隨類似之電極漿料（Binder），因此膜電極組（電解質＋電極）備製技術也將隨之調整，以確保電池持久穩定操作。鑑於世界潮流，元智大學率先於2005年投入相關之研究，除針對關鍵性材料進行開發，並結合國內專業燃料電池業者「微電國際」與日本知名燃料電池測試系統業者「CHINO」，分別進行高溫電池耐溫性之測試與高溫測試機台之開發，而元智大學於此新技術之發展，亦激勵國內其他研發單位與業者之投入。

全模組化燃料電池結構

除針對關鍵材料與技術發展外，燃料電池能否成功量產普及關鍵在於產品價格及使用壽命。面對消費性產品電力大小不等之需求，一般燃料電池業者多以開發數種產品規格因應之，此舉除增加開發成本並轉嫁為售價外，傳統封閉式之結構亦不利電池功能受損時，消費者需自行拆卸與維修。面對上述缺失，元智大學與國內業者肯亞實業合作開發，領先國內外發展出全模組甲醇燃料電池發電系統，不同於學校於2004年所開發出手機用燃料電池充電器與市面上之非模組發電系統（智慧燃料電池），該產品除將電池單元本體模組化，外圍結構更領先國際商品，達成結構模組化之設計。此一革命性商品若問市，將提早落實燃料電池模組化的理想，消費者可自行拼湊10～100瓦發電系統，以應用於個人數位助理（PDA）、Notebook大小不等能量需求之產品，大幅降低燃料電池開發成本與售價，使得燃料電池世代提早來臨。

多樣性燃料電池教育模組

多數民眾對於使用燃料電池產品持保留態度，除擔心氫氣外洩引燃外，使用上之不便性亦是顧慮因素。教具為燃料電池教學時重要的輔助工具，不同於目前市面上之同類型教具，元智大學與集廣企業共同投入多樣性教具產品開發。該技術採活動式防漏設計，易於更換其中之核心組件——膜電極組。使用端亦可置入自行開發之膜電極組並進行簡易實驗。再者，該技術採用透明壓克力板之結構設計，有利於消費者進行內部結構之觀察，並瞭解簡單反應，即能轉換化學能為電能而直接利用，以消弭使用者不安心態，未來將以落實模組化系列為主軸，進一步降低開發成本與售價。（作者為元智大學機械工程學系助理教授及中央大學機械工程學系博士生）