“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并不復雜，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，主要還是在于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，電子通過回路形成電流，而氫離子則是穿過一層電解質薄膜到陰極，并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。
(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，于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后，產生氫離子和二氧化碳，并由氫離子通過電離子薄膜到另一邊與氧作用產生水，并在過程中發電。
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。但這么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，并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，所以并不算太高;如果要串連多個模組的話，又會大幅增加體積、重量與復雜度。因此工研院團隊在系統內多裝了一顆鋰電池，在平時可以將多余的發電量儲存起來，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。
▲ 直接甲醇燃料電池(DMFC)。(圖片來源：解密國家寶藏)
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閑上使用。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臺的話，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，已經沒有那么遙遠了。
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