前言：
21世紀能源危機警鐘響起，各種新興替代能源紛紛出現，除水力、火力、風力、核能到太陽能發電外，近年來燃料電池已成為國際上爭相研發的重要科技，而當中又以可應用於3C產品的微小型直接甲醇燃料電池最受矚目。不過燃料電池欲於3C產品普及化仍有一段時日，技術尚未成熟，業者仍須面臨諸多挑戰…
本文：
在眾多新興綠色能源中，燃料電池的低污染特性，最被人期待能；而低污染、高效率、高壽命、免充電特性，更吸引不少業者爭相投入開發應用，尤其在可攜式電子產品應用中，對長效電力需求不斷升高，能量密度是鋰電池10倍的直接甲醇燃料電池，未來將有機會逐漸取代3C產品鋰電池應用。
地球能源危機 綠色能源抬頭
全球經濟活絡與科技的快速發展，致使人類對能源需求有增無減。尤其是半世紀來，石油化工及交通業發展，石油不僅影響世界經濟，同時也影響到人類日常生活各個層面。能源危機已悄悄蔓延在地球每個角落，國際組織也紛紛呼籲各國政府制定相關能源政策，減少化石能源浪費；而石油導致二氧化碳全球暖化問題，專家學者們不得不開始致力探究綠色能源開發。
替代石油能源的種類有很多，但各自有發展上的侷限與問題，水力發電易受到地形、雨量多寡影響，而且大舉建置又會對生態環境造成破壞，在整個發電結構及發電量所佔比率較低；風力發電面對風向和風力時常改變，無法將能量集中；火力發電會排放粉粒及粉煤灰外，還會排放二氧化硫和氮氧化物，有環境汙染和溫室效應問題；核能發電有核廢料處理與安全問題；太陽能發電先天的缺點就是轉換效率不佳，需要廣大面積才能收集到所要的能量，甚至季節天候因素，都會中斷或影響太陽能供應。
而具低污染、低噪音、免充電、高效率、壽命長與適用範圍廣，和可以分散式供電的燃料電池(fuel cell)，不經過熱能的形式，直接轉換成電能，能減少能量在轉換過程中的損耗，也可避免不完全燃燒所帶來的污染，既乾淨又環保，國際上已成為爭相研發的重點科技。
簡單的說，燃料電池就是1個發電機，可替代汽車的內燃機，取代筆記型電腦的電池、手機電池、計算機、汽機車、游艇…等設備的用電需求，儼然是明日之星。
燃料電池 以燃料維持電力
燃料電池顧名思義就是依靠添加燃料，維持其電力，原理類似發電機結構，由正/負兩電極及電解質所構成的電化學反應系統。不像一般非充電電池用完即丟，也不用像充電電池一樣，沒有電還需要繼續充電。
燃料通常是氫氣、或非氫燃料(如甲醇、乙醇、天然氣或其他的碳氫化合物)，由於燃料電池是藉由氫及氧的化學反應發電，發電過程僅會產生「水」，因此不會產生污染問題，也沒有傳統電池等待充電的耗時問題，是極具發展前景的新能源，目前主要被應用於車輛及高污染發電工具上，而未來另一個取代目標，則鎖定3C消費性電子產品，替代目前用量極大的鋰電池。
燃料電池的發展歷史，最早可追溯到1839年，英國法官威廉．葛羅夫爵士(Sir William Grove)在電解水實驗中意外發現，把電解產物氫氣和氧氣留置在兩極，再將兩極接上電表，竟然可以量到1伏特左右的電壓，因而發明了燃料電池。
燃料電池內部重要核心元件包括：陽極、陰極以及2個電極間的薄膜，三者經過熱壓形成電極模組，再於外側加上1層導氣流場板，就可構成單電池。
其運作原理，也就是充滿電解液的陰/陽2電極，氫氣從陽極進入，氧氣或空氣由陰極進入燃料電池，藉催化劑作用，讓陽極的氫原子分解成2個氫質子(proton)與2個電子(electron)，電子沿外部電路流動到陰極，質子被氧吸引到薄膜另一邊，在陰極催化劑作用下，氫質子、氧及電子間反應產生水分子排放物。
燃料電池種類繁多，依電解質種類可分為鹼液燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)、固態氧化物燃料電池(SOFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMC)…等6種，但反應原理大致相同。不同種類燃料電池，有不同的特性、操作溫度與使用上的優點，因此用途就不盡相同。
微小型可攜式燃料電池 取代鋰電池趨勢
近年來各種行動裝置的功能不斷增加，對電力的需求也就不斷提高，可攜式電子產品電力需求預估將以超過15%速度增加，而鋰電池技術推進，每年卻只能增加8~10%，遠遠落後3C電子產品的用電需求量。
鋰電池除了能量密度不符要求外，沒電時需要充電、以及層出不窮的鋰電池危安事件、及電池容量衰退問題。一般NB使用條件，在40oC環境溫度下100%充電，1年後容量將少35%，大幅縮小使用時間。而小型可攜式燃料電池無須充電、高效率、高能量密度、壽命長，已成為不少廠商替代鋰電池電源技術的重要選擇。另外燃料電池低噪音及低溫室氣體排放量特性，在講求環保、節源的時代潮流下，燃料電池作為可攜式產品電源供應，市場的發展潛力令各界期待。
而眾燃料電池中，最適合3C可攜式微小型系統者，就屬直接甲醇燃料電池最具發展潛力。直接甲醇燃料電池以甲醇為燃料，體積能量密度為液態氫3~4倍，屬於低溫型，操作溫度在攝氏80度，除具備能在室溫下運作的優點外，亦有體積小、重量輕…等優點。另外無污染、成本低、取得容易，儲存與運送都比氫氣來得安全。
另外直接甲醇燃料電池的高能量密度，理論值能量密度高達4,780Wh/L，相當於鋰離子電池10倍，目前技術上可做到3~5倍水準。使用時間為鋰電池2倍以上；供電及待機時間長特性，適合應用於手提電腦、行動電話、數位相機與PDA…等行動裝置。跟鋰電池需要花數小時進行充電特性相較，小型燃料電池可真正做到無須充電、移動性更佳，讓消費者可享受到更持久的電源服務。
小型燃料電池初期主要鎖定在汽車產業應用，以減少二氧化碳排放，包括日本、美國、歐盟…等國家，都在發展無環境污染的甲醇燃料電動車。近年則把焦點轉向可攜式電子產品如手機、筆記型電腦中，取代鋰電池應用。
東芝和日本電氣，已經開發出以燃料電池發電的筆記型電腦原型，新力、日立和三星…等公司，都積極地研發微燃料電池技術。美國市場研究機構ABI Research，針對小型燃料電池產業前景調查報告中預測，2012年全球將有13.5%筆記型電腦電源，使用小型燃料電池，預計2012年全球超小型燃料電池，出貨量將達到1.2億個。
直接甲醇燃料電池 為因應可攜式產品應用，直接甲醇燃料電池(DMFC)還可細分為主動式直接甲醇燃料電池與被動式直接甲醇燃料電池2種。早期開發多集中在主動式DMFC，但由於甲醇水溶液的循環系統較為複雜，體積重量不易縮減，被動式DMFC也漸被重視。 參考資料來源：
直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell；DMFC)的能源密度可超過1,000Wh/kg，為日後高效能可攜式產品延長供電最佳解決方案。其系統組成可分成4大部分，其1為由數片Fuel Cell堆疊成Stack的燃料電池本體，其2為電能控制系統，包含電力轉換、能源管理控制、溼度控制、負載控制元件…等；其3為燃料供應與水、熱管理元件…等周邊設備，主要構成元件包括：負責甲醇燃料輸送的Pump、和Fan、Blower及監控甲醇濃度的感測器，其4為燃料供應系統，包括甲醇燃料罐及純水罐。
比較2種優/缺點，主動式的燃料電池利用複雜的BOP和 EMS系統嚴格地管理與控制，整體效能高，相對成本也就非常昂貴；至於被動式的燃料電池系統，主要利用毛細原理及重力運作，無法像主動式模式，徹底發揮燃料電池的發電特性，因此效能較差，但價格比主動式便宜許多。而就產品目前市場應用來看，用於10W以上的3C電子產品，多採用為主動式DMFC；低功率產品則是採用被動式DMFC架構。
就小型燃料電池3C市場應用趨勢而言，將以應用於NB市場的滲透率最高，日本目前仍是3C用燃料電池的主要產出國家，尤其在100W以下、3C應用的小型燃料電池技術。勝光科技、南亞電路板、新普科技、大同世界科技、台達電…等國內企業，也積極參與小型燃料電池研發。
直接甲醇燃料電池 成本昂貴
燃料電池是否能在3C消費性電子產品普及化應用，仍面臨諸多挑戰。首先是甲醇穿透問題，增加電池通過電壓，減低電池效率，也造成燃料損耗問題。其次，水滿溢現象也是個大困擾，電池陽極產生1單位的質子，就會產生2.5單位的水到陰極，加上陰極反應也會產生水，過多的水阻礙氧氣進入觸媒層，因而降低陰極效能。另外，DMFC陽極效能偏低，業者也設法開發更大功率觸媒或觸媒載體，以增加陽極效能。
而如果面對尖峰負載的電力需求，燃料電池無法立即增加填充燃料量，此外，置於低溫( 0℃以下)環境下，燃料電池無法起動時，必須藉助電池作為主電源。而甲醇燃料具有毒性，在商品化前，必須通過測試標準認證及相關法律規範。
撇除上述技術問題外，可攜式燃料電池目前仍無法商業化原因，最大問題則是成本仍居高不下，平均每瓦發電成本還要40美元。業界樂觀預期，燃料電池量產化後，2010年價格有機會降到每瓦發電成本只要3美元，不過不少業者都認為，現階段仍要克服許多小型燃料電池觸媒及相關材料技術應用問題，想實現量產、低價化，最快還要等到2011年，才有可能壓低市價達消費者能接受的程度，不然消費者是不會輕易放棄可免費充電的二次電池，而去花錢購買昂貴的燃料補充盒。
因此，在燃料電池價格尚未壓低前，導入階段將與鋰電池搭配成混合系統(Hybrid System)方式，亦即由鋰電池支援尖峰用電需求，而燃料電池供應其它連續用電；或是當找不到插座時，燃料電池可扮演如同AC Adaptor或電池充電器角色，燃料電池與鋰電池間將是互補性關係、而非替代性產品。
單純的燃料電池獨立供應，必需要等到技術更為純熟、價格更有競爭力時，才有可能由其完全供應系統電力，預期獨立供電產品的燃料電池，要到2010年才會有顯著發展成果。
整體而言，直接甲醇燃料電池技術發展腳步，除技術提升外，也要有完備的DMFC產業價值鏈奧援，由於諸多關鍵材料與元件仍須從國外進口，下游3C系統廠商對燃料電池應用採取保守觀望態度，都會減緩小型燃料電池在市場的普及速度。
建議未來小型燃料電池產業發展的推動措施，可以積極整合資源，並與燃料電池上、中、下游廠商形成策略聯盟，共同推動3C用燃料電池商品化，並利用台灣低成本量產技術，爭取進入國際燃料電池大廠的分工體系；最後，做好技術專利布局，讓台灣技術走出國際。
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