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前言
便携式电子产品大多使用锂离子电池或是镍氢电池，不过目前锂离子电池的能量密度发展已经接近理论极限，比较之下燃料电池还有极大的能量密度发展空间，例如甲醇与相同体积锂离子电池蓄电量比较，甲醇拥有20倍左右的发热量，若以20%的电力转换效率，它可以产生数倍的电气能量，此外燃料电池不需要冗长的充电时间，而且对资源回收与削减电池使用量都具有正面贡献，因此微型燃料电池的发展受到全球重视。
便携式电子产品用微型燃料电池主要分成:被动与主动式直接甲醇(Methanol)燃料电池(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)和附设燃料改质器高分子电解质燃料电池(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)两种。本文介绍利用MEMS技术制作阀、改质器、喷射器等微型燃料电池组件，以及微型燃料电池的发展动向。
DMFC的特性
系统结构
DMFC分成被动式与主动式两种，主动式DMFC提供空气与燃料电池，结构上几乎没有任何动态组件，具体方法首先将混合比例调整过的甲醇水溶液注入燃料槽内，接着利用毛细管现象将燃料输送到电池，此时为获得高能量密度，常用手段是提高甲醇水溶液的浓度，然而如此一来甲醇从阳极通过高分子电解质膜层(PEM: Polymer Electrolyte Membrane)到阴极时，渗出「Methanol Cross Over」现象非常严重，该现象电气上相当于燃料电池内部短路，因此输出与效率会大幅下跌。
主动式DMFC则使用泵(Pump)、阀(Value)等动态组件，将空气与燃料输送到电池。图1是主动式DMFC系统结构，具体方法首先将浓度接近100%的甲醇注入燃料槽内，再用水稀释后输送到电池，甲醇水溶液利用泵循环，它的浓度被控制在一定范围内(大约数wt%左右)，如此就可以持续获得高能量密度的燃料，同时还可以抑制Methanol Cross Over现象，换句话说甲醇水溶液是利用泵循环顺利排除碳酸气体并提燃料，接着再用泵强制将空气输送到阴极，生成水则回收再使用(Recycle)。
图1 主动式DMFC系统结构
微型燃料阀
1W至数W等级微型燃料电池的燃料供给系统，要求小型、低消费电力等特性，可行方法例如以压缩空气、或是具备适当蒸汽压力的液态蒸汽，或是利用弹簧将燃料加压，燃料槽与电池之间设置常态关闭阀(Normal Cross Value)，它可以随着电池的需求打开阀门提供适量的燃料给电池，因此阀门必需具备以下要件:a.半导体芯片大小；b.低消费电力；c.可以对应加压液体使阀门关闭；d.高量产性。
有关上述(b)与(d)项低消费电力与量产性等要求，研究人员针对压电与电磁方式进行检讨。基本上压电方式、电磁方式必需使用压电、磁石等组件，制作上不适合半导体的加工制程；加热方式结构比较简单，而且变位与力学也都符合上述要求，不过液体系统热能会散逸，不易达成低消费电力目标，因此研究人员最后决定采用静电方式驱动微型阀门。
静电方式主要课题是低驱动电压化，虽然静电动作器(Actuator)本身几乎不会消耗电力，然而一旦提高驱动电压，升压电路本身就会消耗电力。
降低驱动电压的方法除了缩减静电间隙之外，还需要降低动作器的刚性，如此一来低刚性动作器就同时符合上述(b)(d)项，以及(c)项「可以对应加压液体使关闭阀门动作」的要求。
图2是具备压力平衡结构微型燃料阀断面图，如图所示已加压的燃料一旦注入阀门，利用燃料的压力，静电动作器内会出现开启阀门的力量，如果没有特殊设计，动作器的刚性很低时，燃料一旦流入阀门就会任意打开。
如图2所示阀门利用燃料的压力平衡隔膜(Balance Diaphragm)举升，呈密封状态压力平衡室的体积减少，使压力上升静电动作器朝下方推挤，此时静电动作器正、背面的受压面积差，静电动作器内出现关闭阀门的力量，由此可知微型燃料阀是利用静电动作器正、背面的压力平衡达成常态关闭(Normal Cross)要求，根据试验结果显示压力平衡机构可以有效动作，入口压力即使低于20kPa也能够维持关闭状态，阀门的驱动电压大约是30~60V。
图2 具备压力平衡结构微型燃料阀
附设燃料改质器的PEFC特性
附设燃料改质器的PEFC可以使炭化氢系燃料改质产生氢，再将氢输送到电池发电。便携式电子产品用微型燃料电池使用下列反应式构成的甲醇水蒸汽反应改质：
由于水蒸汽改质反应属于吸热反应，因此必需使用触媒燃烧器当作热源，此外水蒸汽改质反应的副生成物「一氧化碳」会使PEFC的触媒毒化，此时为去除一氧化碳，所以设置选择氧化反应器或是氢分离膜。图3是附设燃料改质器PEFC的内部结构。
图3 附设燃料改质器PEFC的内部结构
虽然附设燃料改质器PEFC系统比较复杂，不过它具备下列优点:
·以氢作燃料的PEFC输出密度比DMFC高数倍甚至1位数以上，如果整合燃料改质器，理论上可以达成比DMFC系统更高的输出密度。
·附设燃料改质器PEFC系统还可以使用丁烷(Butane)、乙醇(Athanol)等甲醇以外的碳化氢燃料发电。
有关燃料改质器的研究开发，以美国Pacific Northwester国立研究所(PNNL)、LECUNT、日本CASIO、东北大学等单位最积极，例如日本CASIO公司使用玻璃基板开发大小约20×20mm甲醇改质微型反应堆(Reactor)、选择氧化反应堆以及触媒燃烧器，接着再将这些组件组合成发电量为2.5W的燃料改质器。
图4是利用MEMS将燃料改质反应堆、触媒燃烧器、隔热结构一体化的燃料改质器结构，基本上它是在MEMS技术制成的自我支撑薄膜上，进行改质反应与触媒燃烧，甲醇水蒸汽改质的场合，它可以使反应单元与周围隔热获得200~300℃的温度，因此大幅缩减它的热容量，例如宽300μm长7mm的流道加热至300℃时，可以降低0.64W左右必要电力，1个流道利用微型加热器(Micro Heater)加热至300℃时，流道周围基板的温度只有室温左右的热度而已。 |
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