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DMFC燃料電池Stack設計&奈米觸媒及其效能研究

2007/07/8

以下資料截錄至 http://www.iner.gov.tw/html/03_ResearchFields/eetc/b_02_research/b_02_reserach_04_03.htm

直接甲醇燃料電池(DMFC)奈米觸媒及其效能研究
國內外現況
1.國外發展現況：
　　目前國際大廠NEC，HITACHI，IBM，Sanyo 及歐洲Smart Fuel Cell (SFC)公司皆積極發展可攜式之小型DMFC。NEC公司開發出之DMFC，置於筆記型電腦底部，燃料匣則置於後端之燃料電池。強調發展以Carbon Nanohorn為載體的DMFC，由於Carbon Nanohorn可以使奈米顆粒之白金觸煤均勻地分散，故DMFC功率密度可達70mW/cm2@50�aC，輸出功率約為10W，燃料匣容量250c.c.，使用30wt.%的甲醇水溶後，可以運轉使用約10h。其燃料電池設計之主要特徵為與筆記型電腦一體成型之超薄平面型結構，雖然燃料匣更換使用相當容易，但使用30wt.%甲醇水溶後之燃料匣過大是其主要缺點。該公司並預計2007年，可以商品化。
　　HITACHI公司發展之小型DMFC，主要是供電源給手機、PDA及筆記型電腦使用，輸出功率從數瓦到十瓦不等。其DMFC設計主要著重於燃料匣方便更換為主(設計5c.c.和25c.c.兩種燃料匣供手機、PDA與筆記型電腦使用)，強調使用安全、簡單及可再利用。該公司並預計2007年，可以商品化。
　　企業合作研發成果，有IBM及Sanyo公司合作研發應用於筆記型電腦之DMFC電源供應系統，Sanyo公司研發DMFC 電池本體，而IBM公司研發電源管理系統，其發電功率為12W，並以16V定電壓功率輸出。並強調此系統使用100 wt.%甲醇作為燃料。
Smart Fuel Cell (SFC)公司是目前將DMFC產品商業化之公司，其DMFC電源供應系統發電功率為50W，輸出電壓為12V。因輸出功率較高，且體積較大(38×15×26 cm)，該公司將此商品定位為攜帶式DMFC電源供應系統。特點除能供應3C電子產品電源，並能對車用鉛酸電池進行充電，更適合使用於野外露營、臨時交通號誌的運作、工地照明及氣象觀測站等戶外供電設備。
2.國內發展現況：
　　勝光 (Antig)科技公司主要將DMFC Stack模組化，並結合臺灣印刷電路板製程之優勢，製作平面式DMFC模組。目前該公司準備研發出“Media Bay DMFC筆計型電腦”原型機，DMFC尺寸與CD-ROM體積相同，預計能供應5W之電源?筆計型電腦使用。
　　工研院材料所研發之DMFC，應用電子構裝產業相關材料與技術，開發出可自動化量產、組裝的燃料電池堆製作方式，可以在1.3cm的厚度下整合燃料電池，工研院設計的電源轉換器效率宣稱超過95％。據材料所表示，預估未來相關技術整合後，可降低燃料電池3成體積。同時，預計設計流道板以塑膠材料製作，可節省燃料電池15％的成本。
　　元智大學成立之燃料電池中心，培育燃料電池研發人才每年50人，以配合台灣工業界燃料電池人才之需求。此研究中心不僅建立燃料電池相關教學實驗設備，亦研發出DMFC手機充電器，供手機充電使用。

技術原理與應用及為何要執行此計畫
　　甲醇(Methanol)的化學式為CH3OH，是常溫常壓下結構最簡單的液態有機化合物，儲存方便、來源豐富且生產銷售網路完整，是理想的再生燃料(Renewable Fuel)。而直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)是不需先經過任何燃料重組裝置，直接使用甲醇進行電化學反應發電的一種環保發電系統，它使用甲醇水溶液作為反應燃料加入陽極側，經觸媒作用產生氫離子(H+)，當氫離子穿過電解質至陰極側時，與空氣中氧氣觸媒作用生成水及熱，因電解質的絕緣特性，當氫離子穿過電解質至陰極側時，電子群則外接電路形成電流並負載發電。
　　由於DMFC系統結構簡單，電源供應穩定及燃料補充方便，因此，特別適合作為可攜式移動電源。而3C產品領域之快速發展，功能複雜且耗電量大，對小型攜帶式電源需求殷切，故本所目前積極研發DMFC應用於3C電子產品電源供應系統，建立核研所新能源研發關鍵技術。

簡單現況介紹及目前進度
　　核能研究所自2002年起開始推動奈米科技在燃料電池之發展與應用，其中直接甲醇燃料電池(DMFC)主要目標，為發展3C電子產品用之可攜式電源。此研發科專計畫為期5年，分3階段進行，第一階段為建立膜電極組(Membrane Electrode Assembly, MEA)製程技術，第二階段為研發DMFC疊堆電池組(DMFC Stack)，第三階為發展可攜式DMFC電池系統整合，以期能發展應用於3C電子產品電源供應系統。

依據上述核研所三階段發展目標，本所歷年發展成果如下：
2002年：實驗掌握觸媒劑理想配方及建立MEA網印塗佈技術，將觸媒劑塗佈於質子交換膜上，使MEA製程技術適用於網印自動化生產。
2003年：製作完成一由4個cell串接之呼吸式（Air-breathing Type）電池組，體積只有70×80×25 mm，最大功率為1200mW，並藉由電路設計製作之升壓器，將DMFC電池組輸出電壓提升至3.6V，可使手機連續通話使用。
2004-2005年：1.精進完成一呼吸式（Air-breathing Type）電池組，體積可縮小至50×70×14 mm，最大功率為350mW，以方便手機之充電使用。2.完成DMFC Stack設計組裝與測試，採用較不繡鋼端板減少40%重量且耐酸鹼腐蝕之鈦板作為電池組之電極端板，並配合自製高功率密度之MEA，已可使一18-cell Short Stack (80×80×51 mm) 最大輸出功率於70℃達33W（使用3wt.%甲醇水溶液及空氣)。

未來發展目標
　　研發10-20W DMFC系統，以應用於筆記型電腦或DVD Player電源供應系統為目標，且將進一步提升DMFC輸出功率至20-50W，使DMFC能廣泛成為可攜式電源供應系統。