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DMFC燃料電池邁入量產　產品安規進展成商品化最後關鍵

【王智弘】 | 2007.05

近年來各國在商品化的發展重心，多半以直接甲醇燃料電池(DMFC)為主，且現階段量產技術及供應鏈結構均已成形，惟仍須提高耐久性、可靠性、安全性，並降低生產成本，方能進一步讓產品更加成熟。

今年2月，號稱全球燃料電池業界最重要的指標性展會－第三屆Fuel Cell Expo，在日本東京登場。有別於以往，各家系統廠爭相展示原型機種的盛況，今年會場的主角，反倒是零組件與製造設備商，顯得較為活躍。儘管主辦單位並未針對此一現象多作解釋，然而，許多觀察入微的市場人士早已嗅出，一場跨國性的燃料電池商品化之戰，即將引爆。

已連續三屆參與該項盛會的核能研究所直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)系統整合計畫主持人陳長盈(圖1)分析，造成上述現象的主要原因兩種看法，一種是認為燃料電池相關技術已經成熟，這兩年已有機會進入商品化，因此系統廠認為不須再多作宣傳，專心準備量產並積極進行最後測試動作；另一種則認為燃料電池技術仍未成熟且價位太高，所以短期之內，無法與鋰電池抗衡，因而系統廠決定退回觀望，但仍將持續投入研發。

量產結構成形  DMFC蓄勢待發

兩種看法，何者為真，並無定論，但多數參與此次展會的市場人士，均抱持樂觀看法。陳長盈表示，燃料電池技術已發展多年，距離商品化時間已不遠，再加上攜帶甲醇搭乘飛機的法規已露曙光，因而以前者的可能性較高。他進一步指出，此次展會中，僅勝光科技(Antig)展示其12∼18瓦的電力包(Power Pack)及其開放式實驗平台，其餘參展廠商多為膜電極組(MEA)、雙極板(Bipolar Plate)、堆疊電池組(Stack)、周邊零組件(BOP)，以及測試與量產設備製造商。顯見燃料電池產業鏈已然成形，一旦時機成熟，便可迅速生產，進入商品化階段。

工研院能源與環境研究所(以下簡稱能環所)新能源技術組副組長顏貽乙(圖2)也認為，今年會場中所展示的製造機台、設備隨處可見，顯示日本燃料電池產業鏈已延伸至上游原材料及設備商，產業鏈已經完整，商品化腳步已近。

而唯一在會場中展出系統產品的勝光科技產品管理專案經理沈科呈(圖3)則表示，這是量產前的特殊現象，代表各家業者均在鴨子滑水，因而相關製造設備業者如此活躍。

至於這些展示的機台為何種燃料電池技術的量產設備，業者則看法不一，有的認為日本政府在定置型質子交換膜燃料電池(PEMFC)發電系統的推廣不遺餘力，應該是PEMFC技術；有的則表示，先前日系業者所展示的原型機種多半是DMFC技術，因此斷定為DMFC製造設備。然而，且不論何者為真，至少此一轉變對燃料電池業者而言，不啻為一項令人振奮的消息。

台灣SOC DMFC工作小組  已具量產能量

與日本燃料電池產業的發展相比，台灣在全球燃料電池的技術發展上其實毫不遜色。尤其在研究單位、產業聯盟，以及由南亞科技(Nanya)、勝光科技、思柏科技(Syspotek)和錡宏科技(AVC)等4家公司為首的SOC(System on Cell) DMFC工作小組等共同投入下，相關研發能量的累積相當快速。不僅原型(Prototyping)產品的發展與全球同步，在商品化的進展上，也具有舉足輕重的代表性。

目前，全球僅德國Smart Fuel Cell與美國Mesoscopic Devices兩家公司正式對外銷售DMFC電池發電系統。但以前者為例，其系統體積均較龐大，雖曾公布一款20瓦的小型系統，但因價位過高且怕被抄襲，僅提供軍方使用，尚未商品化販售。

而台灣方面，則以勝光與SOC DMFC工作小組所推出的DMFC可攜式發電系統Begini為代表。沈科呈表示，目前Begini已以工程樣品(Engineering Sample)方式開始接單，價格約新台幣6萬元。但考量現階段市場發展情形，目前僅選擇性的供貨，多半以國外訂單為主。

事實上，Begini系統的推出對台灣發展燃料電池而言，具有重大意義。包括日本燃料電池主力廠商東芝(Toshiba)，以及韓國三星都相當感興趣，甚至在此次日本燃料電池展會上，唯一剩下的展示機也被搶購，足見此項產品的吸引力。

勝光科技行銷副理蔡舒薇進一步指出，其實Begini發電系統不僅是一項單純的商品，同時也是電池包裝(Pack)技術的入門，工程師只要再配合該公司所推出的開放式實驗平台，即可學習包裝技術的專業知識。因此，Begini的工程樣品主要會先釋給初期合作的燃料電池系統廠，而隨著工作小組成員更加豐富、Begini系統更臻完善後，將會陸續在第二、三季開放，讓更多業者訂購。

此外，除單獨型可攜式電池發電系統外，先前勝光也於今年3月底燃料電池系統設計研討會暨春季小型展示會上，展示一款與筆記型電腦基座(Docking Station)融為一體的DMFC電池系統。有別於先前所展示的Media Bay電池包型式，與基座融為一體的設計在使用上顯得更為具體。蔡舒薇表示，這將是全球燃料電池業者導入筆記型電腦應用時，初步設計取向，未來再逐步轉為Media Bay的設計方式。

至於筆記型電腦應用的Media Bay電池包究竟能否成形，沈科呈表示，相關技術進展相當順利。SOC DMFC工作小組日前更透過製程技術的突破，開發出尺寸較前一代更小的電池組，對Media Bay的應用將有非常大的助益。而這項重要進展的相關成果，將會於今年6月分舉行的台灣小型燃料電池研討會上公開。

以目前設計於筆記型電腦應用的架構來看，主要仍是採用鋰電池與DMFC混合式(Hybrid)供電架構。陳長盈指出，這種架構將會一直存在，主要因為燃料電池啟動時，仍須要鋰電池帶動其運作。至於鋰電池的角色是備用還是啟動，關鍵則在於燃料電池的發電效率，若燃料電池發電效率不彰，則鋰電池主要則是做為備用電池使用，反之，若燃料電池發電效率愈來愈好，則鋰電池就會退居啟動電池角色。

至於筆記型電腦的應用究竟要使用多大功率的燃料電池，則須視系統效能而定。沈科呈表示，以目前的Windows XP系統跟未來Vista作業系統而言，兩者對電力的需求就有很大差異，因此要以系統本身要求的輸出功率來決定。不過，他也強調，以英特爾(Intel)對筆記型電腦電池的要求來看，大約是在20∼25瓦，也就是說，筆記型電腦的混合式供電設計只要達到此一範圍即可。因此，燃料電池開發商即可在此一前提下，力圖成本的縮減，並達到微型化的要求。

儘管在產品及技術的成熟度上迭有斬獲，但若真要能在消費者手中使用，恐怕還有一段路要走。因此，SOC DMFC工作小組目前便以商品化為前提，與有意投入發展燃料電池的業者共同合作，發展出更具整合度更高、系統效能更好的產品。

目前工作小組是以每3個月完成一項課題的進展速度，持續與相關系統廠或零組鍵廠合作。此外，為了強化關鍵零組件方面的技術能量，今年起也開始廣納國外的研究機構加入研發行列。蔡舒薇指出，原先工作小組成員係以架構出台灣燃料電池產業鏈為目的，如今產業鏈架構已成形，亟需更多關鍵零組件的研發能量加入，而國外研究單位在這方面發展仍較為先進，特別是MEA部分，可藉此加快系統整合的速度。

陳長盈也表示，台灣要在燃料電池市場占有一席之地，不能靠一家廠商單打獨鬥。若各自閉門造車，不僅須投入龐大研發經費及資源，且所取得的研發材料成本，亦所費不貲。而藉由聯盟的力量，才可整合相關零組件廠的資源，在系統完成與產品銷售的共同目標下，取得較低的材料成本，早日實現商品化目標。

持續強化關鍵零組件效能

由此可知，為了讓燃料電池產品更符合消費者的期待，提高關鍵零組件的效能已是刻不容緩的工作，其中耐久性(Durability)與可靠性(Reliability)更是首要項目。

在耐久性方性面，各國要求程度不一，以日本、德國規格較高，至少須達3,000∼5,000小時，而其主要影響關鍵則在於膜電極組(MEA)發電效率的持久度。陳長盈指出，若將燃料電池的電池組比喻為一顆引擎，MEA的功率密度則是影響引擎效能的最大因素。

以現今SOC DMFC工作小組所使用的MEA為例，目前主要由杜邦(DuPont)供應，其功率密度為40mW/cm2，換算為一片MEA發電量，約為0.5瓦，發電效率仍顯不足。因此，杜邦近年也積極投入改良，目標在今年達到70mW/cm2，讓同樣大小的電池發電量可提高一倍左右。沈科呈強調，目前Begini的發電效率，已可達客戶方面所要求的3,000小時，且衰減程度僅20%。

此外，隨著燃料電池市場的增溫，許多國外業者也紛紛加入MEA開發行列，包括PolyFuel、Tokuyama，以及台灣核能研究所等均提出改善MEA效能之產品。

然而，長久以來，MEA的甲醇穿透(Crossover)現象，一直是DMFC的剋星，不易克服，因而使其面臨電池壽命短、發電效率衰退等問題。而解決此一問題的根本之道，須仰賴質子交換膜(Membrane)業者的技術突破才能達成，因而讓DMFC的商品化進展增添變數。

顏貽乙表示，質子交換膜技術，主要由杜邦所掌握，目前仍面臨相當大的瓶頸，儘管有其他國外業者投入研發並推出新產品，但僅是品質好壞的差異，仍無法解決根本問題。他強調，燃料電池若要商品化，絕不能有基礎材料科學的問題阻礙在前面。

對此，沈科呈指出，目前已有業者可達到100mW/cm2的功率密度，因此技術上應可突破，但關鍵還在於MEA業者是否願意將技術公開、產品是否能順利量產，以及成本結構可否達到量產要求。他強調，儘管MEA的進展掌握在相關廠商的手中，然而只要市場及客戶需求足夠，將成為技術進展的最大推動力量。陳長盈也認為，隨著愈來愈多業者積極投入，彼此間的刺激與競爭也將愈形激烈，技術突破的機會亦將大幅增加。

安全是商品化唯一的路

至於產品的可靠性方面，其實也涵蓋了耐久性及安全性，而是否通過相關安全測試規範，將是最主要的評估指標。然而，由於全球燃料電池市場尚未成形，且現今應用產品多以軍用市場為主，因此，目前除德國萊因()具有一套簡易的測試規範外，並無國際標準的安全測試規範可以依循。

沈科呈表示，DMFC燃料電池商品化的相關技術與量產結構均已就緒，目前已採工程樣品銷售，而未來能否大量出貨，安全測試規範將是重要關鍵。陳長盈也指出，今年日本燃料電池展中，NTT DoCoMo在專題演講時也不斷強調電池耐久性、可靠性與安全性的重要，顯見DMFC若沒有通過品質安全測試，將無法在3C電子產品市場中使用。

有鑑於此，建立國際通用的安全測試標準，已是當前燃料電池業界的當務之急。事實上，國際相關的安全規範早已進入制訂程序，其主要可分為系統與燃料兩個部分。蔡舒薇表示，燃料部分在2006年聯合國就已通過相關運輸規範，而國際航空組織原本也預計於2007年開始允許旅客攜帶甲醇搭乘飛機，但受到國際恐怖行動影響，實施時程已延後至2008年。

不過，隨著歐美各國對於出入境管制日益嚴格，市場人士擔心將影響此一規範實施的可能性。對此，蔡舒薇指出，若相關規範未通過，其影響層面須視市場而定，例如在軍用或較先進應用產品等利基型市場，可藉由其他技術來避免其影響。但若要大量運用至消費性產品時，就一定要被解決，而屆時消費市場的力量，將是促成其通過的最大的推力。

至於系統測試規範，主要是UL、IEC等單位在進行制定工作，預計將於2007年下半年正式頒布。而台灣SOC DMFC工作小組也積極參與國際性的標準制訂工作，同步建構國際認證的基礎建設，並掌握相關測試數據，避免台灣業者再度淪為標準的跟隨者。

RMFC趁虛而入

就在DMFC即將邁入商品化的最後關頭，一項結合質子交換膜燃料電池(PEMFC)高功率密度特性，以及DMFC甲醇燃料易攜帶優點的新技術－甲醇重組型燃料電池(Reformed Methanol Fuel Cell, RMFC)，也以黑馬之姿，來勢洶洶，目標即是解決DMFC甲醇穿透問題。

目前包括日本卡西歐與美國UltraCell，均已推出相關原型及產品。台灣方面，則有大同世界科技及工研院能環所積極投入。顏貽乙表示，RMFC不但可解決DMFC甲醇穿透所造成的電池壽命縮短、發電效率不彰，以及一氧化碳(CO)毒化白金觸媒等問題，且沒有儲氫問題，更不須受制於國外材料科學的技術進展，是可攜式燃料電池發展的新選擇(表1)。

陳長盈則認為，RMFC結合PEMFC與DMFC兩種技術優點，改用甲醇作為燃料，再經由甲醇重組器產生氫氣進行發電。從工作原理上來看，相當具有發展潛力，但關鍵在於甲醇重組器的設計良窳及體積，若能將之小型化，就有可能脫穎而出。

顏貽乙也指出，RMFC甲醇重組器的設計技術是最重要的關鍵。為了達到微型化，必須把觸媒均勻地塗布在非常小的流道上，技術上相當困難，未來將利用微機電(MEMS)技術來加以克服。

然而，相較於DMFC商品化進展，已如箭在弦上，RMFC的發展則仍待時間發酵，因此短期內並不會對DMFC造成影響。至於甲醇穿透問題，是否將成為DMFC商品化的最大致命傷，反倒是想投入的業者最關心的焦點。對此，沈科呈表示，每一種燃料電池技術都有其優缺點，端賴設計者如何從系統設計端將缺點一一解決，而隨著處理方式的不同，也相影響系統結構，因此須視系統端的應用需求，來加以權衡。

此外，量產成本是否能達到使用者接受程度，也是另一關鍵。沈科呈進一步指出，以現今UltraCell一台25瓦的RMFC系統售價為新台幣20多萬元，與勝光推出的Begini一台只要新台幣6萬6,000元相比，高下立判。因此，商品化的關鍵，除了產品技術必須達成外，製造成本的合理性，同樣要考量。

掌握產品規格制定權  確立研發地位

不可諱言，對這些投入燃料電池先進技術的廠商而言，即使產品真正商業化，也仍有風險存在。究竟市場能否成形？需求是否增加？都仍是未知數。當然，風險愈高，相對利潤也就愈大。若待產品或市場成熟才投入則為時已晚，利潤相對較低。

因此，即便產品的安全性、可靠性、耐久性與價格均可達到期預目標，如何讓整體燃料電池需求市場迅速成形，亦是另一個必須面臨的重要課題。陳長盈認為，大廠的率先投入，將具有帶頭效應，讓其他業者了解產品的可行性，進而群起效尤。

目前，台灣在燃料電池的發展上幾乎與全球同步，尤其在DMFC燃料電池的研發成果上更甚具代表性，若能延續此一能量，精益求精，將有機會在國際燃枓電池市場中，掌握標準制訂的主導角色。

(詳細圖表請見新電子科技雜誌254期5月號)

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