創業創新育成雙月刊 第46期2009年10月號（p38〜41）全文　
全文下載：P38 燃料電池 有環保概念.pdf 　作者：游李興（能碩科技公司總經理）

燃料電池的趨勢與創新

一、引言：循環型社會

燃料電池（Fuel Cell，FC）是利用氫氣和氧氣的化學反應「安靜發電」來產生電力和熱能。由於並非燃燒化石燃料，因此幾乎不會產生氮氧化物等有害物質，對環境造成的負擔相當輕微，更不會像核能發電一樣會產生放射性廢棄物。再者，木材等所含的生質能、家畜的糞尿或廚餘…等，只要將其Methanation（甲烷化）便可有效利用，二氧化碳排放量也可減少1／2以上，在日本實現循環型社會的成果是相當顯者。

日本政府大力推廣燃料電池

由於日本的燃料電池似乎就可以普遍應用於運輸、工廠及一般家庭等廣泛的領域，其中若能運用大眾交通車則大幅降低成本就指日可待了！日本傾國家之力推動1000W家用瓦斯（現場製氫）燃料電池也號稱未來量產普及價為50〜60萬日圓（含附贈熱回收水箱35萬日圓）。

二、技術特性：燃料（多元）、電力（分散）、製氫（現場）

除了環保之外，由於是外部供給的氫氣燃料和氧氣燃料，因此燃料電池最大的特性就在於可透過「外部燃料」發出源源不絕的穩定電力及熱能。

目前，氫氣的供給方法是燃料電池開發的關鍵。氣態氫的鋼瓶需要耐高壓且重（150大氣壓將6000L壓縮成40L於40kg鋼瓶），儲氫合金則笨重（6000L約60kg）且昂貴（可能達台幣60萬）。在地球上以單體狀態存在的氫氣比例極少，平常氫氣幾乎都是以與其他元素形成化合物的狀態存在，除了「水」之外就是碳氫化合物，所以燃料電池大多從各種碳氫化合物中，以「重組」（Reforming）方式取得氫氣，常用的是可再生的能源如甲醇（Methanol）等酒精類（Alcohol）、甲烷（Methane）、丙烷（Propane）與環己烷（Cyclohexane）等LNG（液化天然氣），其中一般家庭在都市區域使用NG（Natural Gas；天然瓦斯；天然氣），在沒有天然瓦斯的區域則常採用的LNG或LPG（液化石油氣）。雖然甲醇及天然氣的重組（Reform）製氫技術非常複雜，但是使用上與一般汽機車引擎（內燃機）「加油」類似。

潔淨的熱與電 安靜又舒適

目前一般停電時的備用電源通常採用柴油引擎發電機等，然而由於噪音、排放氣體、沒保養容易壞…等因素導致根本無法於日常使用。若平時改用NG運轉的燃料電池，遇到災害時可切換至備用的LPG，比平常不使用而僅於緊急狀況備用的柴油發電機（吵雜且難聞）安靜舒適許多。所以，日本採用燃料電池的特點就在「分散電力（及其風險）」「潔淨的熱與電（就近可用）」「多元燃料（可再生）」。

三、發展趨勢：產業用熱電、可攜備援偏遠、大眾交通車

由日本FCDIC（燃料電池開發資訊中心）出版的「圖解燃料電池」書中特別提到定置型燃料電池（含回收熱之產業利用）及其展望。其中，終年全天候需要熱能的產業將是日本的主要應用領域，舉凡飯店、旅館、醫院、學校…等設施均可，其特徵在於其「夏季」時的日常營運中同時需要電力和大量的熱能。日本名古屋榮華盛頓廣場飯店，於1999年導入100千瓦PAFC（磷酸型燃料電池）、日本大阪市內的NTT西日本大阪醫院早在1996年導入200千瓦PAFC、更早還有1992年位於大阪的梅田中心大樓便也導入 200千瓦PAFC、三田休閒中心（Mycalbore）位於日本兵庫縣三田市的研修、住宿設施、游泳池、健身房等亦於1999年導入，名古屋大學 1998年導入、奈良縣立醫科大學則於1997年導入。

熱電共生也可移動，或攜帶到沒有電源的偏遠場所進行營業創造價值。日本 TOSHIBA（東芝）已將燃料電池運用於罐裝飲料自動販賣機，其內安裝了以LPG來運轉的PEMFC（質子交換膜燃料電池），發電產生的電力用於冷藏，而排出的熱能則用於加熱。

另外，日本松下電工已開發出用於戶外250W的PEMFC，該製品最大的特徵在於燃料採用液化丁烷氣，可和用於卡式瓦斯爐的鋼瓶裝瓦斯共用，需要時只要到超級市場購買即可。

甲醇當燃料 啟動速度更快

現行以瓦斯現場製氫啟動時間需要20〜30分鐘需要有替代方案，其中甲醇可作為燃料電池的燃料，是可行性最高的物質之一，採用甲醇製氫所需溫度為300℃左右（水蒸氣重組法），而瓦斯或汽油重組所需溫度為600℃以上。重組溫度越低則越可節省非燃燒不可的燃料，其啟動時間只需約10分鐘，將會是易於建構起動性及負載響應性均優異的系統。

目前日本也是傾向採用NG現場製氫（不必運送高壓純氫），做為FC車加氫站的氫氣供應方案。但是與轎車相比，較可行是的FC巴士車。由於巴士幾乎僅會繞行固定的路線，因此加氫站只要設置一個就足夠了。也由於是公共交通設備，也較容易取得導入資金的援助，可暫時避免與汽油車及柴油車正面進行價格競爭。另外也必須考慮目前技術可達到的水平，例如 FC系統雖然已朝向小型化發展，但體積仍舊比現存的汽車引擎大上許多。正因為巴士車體龐大，所以易於搭載仍在開發中的FC。

四、創新機會：製氫（跨領域）、加水產氫（創新）、利基（創意）、商品（專業）

家用或可攜式所需的現場製氫技術較難，是因為需要橫跨工學院諸多領域（化工、熱流、金屬機械、電子、電力、控制）的理論精算、動態模擬及感測控制。最難的是如何透過Integration（整合）控制即時On-Demand（根據需求）適量地製氫以供應進入Stack發電，並與其內的電池形成互補的HYBRID（混合）動力，不但需要回收來自FP（Fuel Processor；燃料處理器）與Stack的副產物（水與熱）促成BOP（Balance Of Plant；系統平衡），更不可放過陽極殘氫（對Stack而言濃度偏低），全部回收後方可達80%的總體效率。

EnerMaster認為，有時由技轉來的技術，還不如自有團隊培養出的摸索能力，及瞭解其如何改進到盡善的關鍵。

無需感測控制 有助安規認證

為了避免碳氫燃料製氫感測控制技術拖慢FC的商品推廣，EnerMaster也鍥而不捨並終於提出有別於昂貴且屬於「強鹼」水溶液的「硼氫化鈉」燃料「加水產氫」的替代方案，也實驗證實「無需觸媒」的「低鹼」「低溫」加水「可控制產氫速度」並適用於諸多「燃料包型態」的原創型專利，這在全球可謂首創！最重要的是採用「被動元件」的架構，簡單到完全「無需感測控制」，將容易通過商品化安規認證。

技術層次複雜（跨領域）的燃料電池在未量產前的開始階段，因價格昂貴，多被應用在未被滿足且價值頗高之利基市場。

EnerMaster於工商時報的《燃料電池商品化分工專輯》反覆說明英國VollerEnergy雖然是以純氫為燃料的100W燃料電池產品創業起家，但是公司上市後就迅速買下LPG現場製氫技術，發展淨輸出高達800W，其應用則延伸到居住休憩需要電與暖氣（1000W）的移動型休閒房車、遊艇等特定族群的利基市場，之後又開發出發電800W同時可供熱水（60℃）以應用於更普及的定置型住宅、工地等市場，與日本家用燃料電池（熱電共生效率高達80%）功能上不分軒輊。


EnerMaster認為VollerEnergy繞過甲醇現場製氫（300℃）而直接跳級到較難的LPG現場製氫（600℃）其實是一大冒險，很可能因為買下技轉而來的不熟悉技術導致商品化時間不斷延長而把資金燒完，從公司網站上看來似乎 VollerEnergy準備授權（賣設計而不談接單）等廠商接棒解決商品化過程中諸多自己也不清楚的困擾（否則應該是找資金或合作）。

由於使用不便的「純氫」很難普及，導致沒有經濟規模的電池堆Stack未能量產而變貴，發展Stack技術的廠商在現場製氫技術上並無解決的能力或優勢，發展Stack卻沒有量產績效時也就更難取得更多資源另行發展製氫方案。

EnerMaster致力專注於「系統商品化之專業分工」（如下表所示）且持續堅守著「買得到」的Stack雖然貴，但只要掌握「買不到」的現場製氫（便利方案），就有足夠多的市場讓更多的Stack製造商看到有量可降低成本，與類似 EnerMaster的「純正」系統廠（下游）合作時便可專注於Stack（上游），而不是像現在普遍「上游兼下游（缺系統專業）」或「下游兼上游（自用的量不具規模）」導致難以分工合作（外賣的量就有限）。

比較項目	商品化設計（優點）	非商品化設計（缺點）
啟動電力	二次電池沒電時仍可啟動	當電池沒電就無法啟動
HYBRID	僅用1kW的FC可輸出瞬間3kW	採用貴一倍之3kW的FC
快充電池	HYBRID需要電池能邊用邊快充	否則電池很快沒電可HYBRID
保護電池	使電池免於被充壞的切換電路	太少時容易充壞電池
FC外接UPS	可採用穩定的UPS現成品(無需訂作)	FC通常無法跟UPS分離單獨使用
FC整合UPS	可選擇內建UPS模組(省卻多餘成本)	外接UPS技術簡單但增加成本
遠端監控	無需外接PC即上網讓遠端監控	外掛一台專用PC才能上網傳輸
控制觸媒製氫	自動控制在負載即時需要的氫氣量	固定製氫量導致氫氣過多或不足
不同純度氫源	可同時外接異種氫源：氫氣罐供氫、加水產氫、甲醇製氫	只能適合特定純度的氫源，否則FC發電量無法維持滿載
電力指示燈	無需PC就可看見瞬間FC發電量	無法得知FC發電還是電池供電
氫氣洩漏	內建可偵測並警報及顯示洩漏	缺偵測、有警報無顯示、外接
燃料使用時間	無限制(可邊用邊抽換/添加)	若無並聯則需關機更換補充
燃料殘餘量	顯示並警報燃料殘餘用量不足	否則不知何時該更換補充燃料
自動防護	殘餘燃料不足則自動關機防護	否則持續拉載將有損Stack壽命
自動活化	免加濕架構簡單但必須活化	超過兩週就難承受滿載發電
安全與認證	兼具全球性法規要求及情境安全	示範過後仍難接單量產銷售

表／游李興（EnerMaster總經理）提供