工業材料雜誌四月號 推出「散熱」及「燃料電池」技術專題

刊登日期:2014/4/9
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散熱技術專題
隨著行動智慧裝置朝高速化、多功能化及輕薄化等方向發展,以往不太需要散熱方案的平板電腦及智慧型手機目前也需要熱解決方案。光是智慧型手機全球一年的出貨量即高達10億支以上,可見市場龐大。不過其散熱方案有別於傳統PC及筆電的散熱,由於不能有風扇,且可用的散熱面積及厚度均相當有限,因此目前只能靠薄型散熱材料及機殼來做熱管理方案。為因應其散熱需求,具可撓、可壓縮的超高導熱人造石墨片、超薄型熱管及超薄型均熱板是目前相關業者極力發展的產品。而除了散熱問題外,由於行動智慧裝置使用時需貼近皮膚,也使得其散熱設計成為額外挑戰。

工業材料雜誌四月號企劃「散熱」技術專題,針對現今行動智慧裝置所對應的薄型散熱材料及元件需求,特別就超高導熱人造石墨片之發展及其應用、薄型熱管及均熱板之發展趨勢及智慧型手機散熱設計等做一完整之介紹。另外,具高效率的微噴霧冷卻技術一直是業者持續關注的散熱議題,微噴霧冷卻系統主要是藉由液體的液-汽相變化運作,因此可以達到比單一相流體系統還高的熱通量移除率,並針對其目前發展趨勢及關鍵元件的製作技術與相關應用做一介紹。

伴隨行動智慧裝置不斷朝高功能化及輕薄化方向發展,其衍生的熱管理問題也受到更大的重視,因此如何在極薄及有限的空間下,處理晶片、背光模組及電池等元件之散熱及均溫問題,皆考驗著系統設計者。人造軟性石墨片具有優越的熱傳導性能,高達1,600 W/m•k的熱傳導率遠優於天然石墨片,材料密度約1.9 g/cm3,並具備柔軟性、可撓性以及EMI遮蔽效果,因此恰可滿足薄型化及高功能化行動智慧裝置之散熱需求。「超高導熱人造石墨片之發展與應用」一文介紹人造軟性石墨片之原料、碳化及石墨化製程、基本特性及其應用,以及工研院材化所在人造石墨片之發展,讓讀者對這項近年來極為熱門的高性能散熱石墨材有進一步之瞭解。

電子與資訊產品發展快速且市場瞬息萬變,幾年前還是主流的桌上型與筆記型電腦,如今銷售已大不如前,取而代之、嶄露頭角的則是平板電腦與智慧型手機等手持式行動裝置。台灣電子散熱產業亦因為桌上型與筆電市場的萎縮而導致成長趨緩,陷入瓶頸。因此,現今已有許多散熱製造業者轉向開發薄型化之熱管或均熱板,盼其產品導入行動裝置中,發揮其高熱擴散性與均溫性。「薄型熱管與均熱板之發展趨勢及近況」一文針對近年來薄型熱管及均熱板之發展趨勢與其未來潛在運用市場作一詳細介紹,期望能趕上行動裝置之熱潮,並且有效解決其熱管理問題,進一步提升平均工作頻率,帶來極大之商機,並帶動產業轉型。

智慧型手機近幾年迅速成長,已佔全球手機市場的14%,在功能及速率上也不斷提升。由於智慧型手機朝輕薄短小及功能提升的趨勢發展,使得手機發熱密度不斷增加,也使得散熱問題受到重視。除了散熱問題,由於手機等產品使用時需貼近皮膚,對人體造成不適,可攜式裝置的散熱設計因此成為額外挑戰。「智慧型手機散熱設計」一文針對可攜式裝置散熱進行實例分析,以Apple iPhone 5及Samsung Galaxy S3兩款智慧型手機為例,詳細比較兩者在散熱設計及材質應用上之差異,也提出目前的散熱技術限制及未來值得注意的散熱技術應用。

凝結液回收之應用為國際企業發展的重要趨勢,而將凝結液轉換成微液滴型態的技術,由於相當契合散熱系統的應用需求,可透過與微機電製程及表面處理技術的結合,形成一種結構簡潔、容易組裝、低噪音、耐用之霧化器。「微噴霧冷卻技術之發展及應用」一文首先從專利資料庫檢索,分析領導群之專利權人的佈局狀態,敘述微噴霧冷卻技術發展現況。並針對該霧化器的關鍵元件—多孔膜片,提供電鑄、蝕刻、雷射等製程比較,並搭配鎳基合金、不銹鋼膜、鈦金屬膜等材料,以因應未來多元液體的操作需求。藉由流體微液滴化,大幅提升反應面積,除了改善現有產品的能源使用效率之外,亦可開發出嶄新的科技領域。

燃料電池技術專題
燃料電池為一高效率且潔淨的發電裝置,只要能源源不斷地供應燃料,燃料電池便可持續供電,目前在家用定置型系統之總效率可達95%,並具良好的節能減碳效果,是目前公認可同時解決能源穩定供給及環境問題的最佳解答之一。根據Fuel Cell Today的統計,近三年來燃料電池系統的出貨量都有超過50%的成長,而市場調查報告預估,燃料電池市場至2018年之產值將由2013年的6.3億美元左右增至25.4億美元,燃料電池已然成了一個新興產業,且其產值正逐年擴大。然而,在燃料電池大量應用普及前,仍需解決系統設置成本過高的問題,解決的方案除藉由共用元件、大量生產以降低系統的元件成本外,如何開發一高效能的膜電極組(MEA)以減少材料成本、簡化系統及延長使用壽命更是關鍵之技術研發重點。

工業材料雜誌四月號企劃「燃料電池」專題,分析現今燃料電池之主要應用市場及未來成長潛力,同時介紹國內外直接甲醇燃料電池(DMFC)及高分子質子交換膜燃料電池(PEMFC)在系統應用、膜電極組及新型觸媒材料之開發方向及現況,以提供國內能源領域相關業者了解燃料電池之應用市場,並作為燃料電池業者在相關材料技術開發之參考,以促成台灣燃料電池產業化。

燃料電池作為長久發展的電能技術之一,過往一直因生產成本高、使用壽命有限等問題而限制其市場發展空間,自2003年歐洲開始提倡氫能經濟後,燃料電池由不被重視逐漸回到社會大眾視野,在定置型應用與運輸工具應用上展現出獨有的技術特性,擺脫過往市場規模小、無法有效形成足夠獲利支援廠商營運的困境。全球燃料電池在2013年已有超過12萬套的出貨實績,出貨數量相較於2012年成長55.8%。「燃料電池應用潛力市場商機初探」一文分別由可攜式產品、定置型應用與運輸工具應用三大類市場出發討論,觀察2014年可能的市場觀察重點與未來可能性。

由於近年綠色能源產業之興起,全球對於潔淨能源之需求與日俱增,使得各種綠能技術蓬勃發展,其中直接甲醇燃料電池(DMFC)為極具市場應用潛力之技術之一,由於用途廣泛,目前已有多家廠商投入開發,並導入綠能市場。「直接甲醇燃料電池膜電極組及系統應用現況」一文首先針對DMFC相關應用進行分析,簡述現今相關應用現況以及可能之競爭產品,並分析現階段DMFC系統發展受限之主因。接著針對工研院材化所在DMFC整合系統之進展、膜電極組與其製程之開發現況進行詳盡介紹,並導入相關實際驗證及進行市場應用情境,評估系統運作之功能需求與耐受性,逐步朝向商品化努力,以期早日投入利基市場之應用!

質子交換膜燃料電池(PEMFC)目前在緊急備用電力、家用定置型熱電共生系統及燃料電池汽車的應用已獲得良好成效,欲達成全面商業化則必須進一步降低成本及簡化操作複雜性,而免加濕系統開發則是使PEMFC技術實用化之根本途徑,「PEMFC免加濕膜電極組之開發及應用」一文藉由了解PEMFC中的水傳輸機制,指出PEMFC在免加濕技術之關鍵問題,並針對質子交換膜、觸媒層、氣體擴散層以及膜電極組結構,概述當前國際間之研究方向及開發現狀,並介紹工研院材化所於免加濕膜電極組的開發現況與應用,以供讀者參考。

燃料電池反應動力活性之改善關鍵是觸媒材料之催化活性,長期以來以Pt負載在碳上之觸媒被廣泛的應用,但其價格昂貴及資源稀少性是為課題,因此尋求便宜、高活性且具高穩定性之觸媒材料為提升燃料電池性能之根本途徑。「燃料電池觸媒材料的開發現況」一文首先探討燃料電池中氫氣氧化、甲醇氧化與氧氣還原反應其觸媒之設計原則與開發現況,針對觸媒奈米結構與載體型態對催化活性與穩定性之影響做深入研究分析,了解當前雙金屬與多元金屬觸媒系統之進展與瓶頸,最後提出燃料電池觸媒材料具有潛力之未來發展方向。

氫能燃料電池特別報導
全球氣候變遷迅速且能源價格浮動上漲,以替代能源技術達到節能減碳目標已成為各先進國家之重要議題,追求乾淨、安全能源的腳步不曾停頓,以氫能作為燃料的燃料電池不但近零碳排放,而且供電穩定,還可整合在再生能源系統成為能源儲存與利用重要的一環。在日、德、美、韓等多國政府的持續拓展與投入下,每年不斷有新的建設與規劃出爐,同時燃料電池應用也進入商業化階段,朝普及化使用穩步前進。

工業材料雜誌四月號的「氫能燃料電池」特別報導,與「燃料電池」技術專題前呼後應,詳細介紹燃料電池標準發展與測試能量、低成本燃料電池雙極板技術,以及儲氫材料及應用系統技術之現況。盼能順應此國際發展,乘勢而起,除了建立國內市場與國際供應鏈的重要地位,更可為國內製造業注入新血脈並大幅增加就業人口。

燃料電池產業是一新興的能源產業,對消費者而言,考量點除了價格外,就是性能與使用上的便利安全。對於政府而言,訂定相關的標準來規範產品品質,保障消費者的權益與安全,是最基本的工作;對燃料電池業者而言,瞭解自家產品所適用的規範,符合相關產品標準,才能讓燃料電池商品成功上市,獲得消費者信任,進而打開國際市場。「燃料電池標準發展與測試能量現況」一文分別詳述國內外燃料電池相關標準的發展現況,並彙整國內目前的測試能量,以供各界參考,一同為建置國內燃料電池測試環境而努力!

質子交換膜燃料電池(PEMFC)目前裝置成本仍高,故降低成本及發展可量產型的組件與模組技術一直是商業化量產應用的最重要課題,其中雙極板(Bipolar Plate)正是一項燃料電池組中非常關鍵的組件。「低成本燃料電池雙極板技術發展現況」一文以商品化低成本的角度介紹國內外雙極板的發展現況,說明目前市場上兩種雙極板材料---複合碳板與金屬雙極板在製程與材料上的考量,作為未來技術發展與生產製造相關人員之參考。

氫氣儲存是氫氣在生產、運送和氫能應用循環中的關鍵元素。氫的安全及高效率儲存問題一直是影響氫能開發和利用的重要需求。目前針對不同的終端應用,氫氣儲存技術還需要克服許多問題,其中單位體積和重量的儲氫量為最重要的挑戰,儲氫的成本也是氫能終端使用可否接受的關鍵點。「儲氫材料及應用系統技術發展現況」一文分析儲氫的技術需求,並列出各種儲氫材料(如金屬儲氫材料、吸附型儲氫材料及有機液態儲氫)與系統發展現況,以及近日已布局商轉及示範的應用案例,讓讀者對儲氫技術發展有更全面的瞭解。

主題專欄
除了上述兩大技術專題及特別報導之外,其他精采內容尚包括:提供全球及中國大陸在電動二輪車及電動巴士的出貨、生產、模組及銷售分布等數據分析之「動力鋰電池在電動二輪車和電動巴士市場商機分析」,可作為台灣廠商在思考未來商機時的參考;另外,3D列印技術近年持續火紅,「光固化技術在積層製造的現況與應用」一文即針對光固化積層製造技術及其材料作一深入淺出之介紹,透過此文可讓讀者對積層製造技術與材料發展現況有更深一層的了解;「非晶型碳材在電動車的應用現況」一文主要探討兩種電動車鋰離子電池用負極碳材料---石墨碳材及非晶型碳材現階段在市場上的應用,並根據材料本身前驅物與製程上的不同,彙整導致結構及物性差異之比較,以及搭配正極材料後在薄型全電池測試平台上進行電性測試之成果;「從World Smart Energy Week 2014看二次電池、太陽電池最新趨勢」一文則是工業材料雜誌與材料世界網結合工研院多位產業、技術專家,遠赴日本參加全球最受矚目的能源大展—World Smart Energy Week 2014之展覽現場及研討會場之深入報導,文中重點彙整展會亮點展品和最新技術發展趨勢,值得參考,更多深入內容則歡迎連線材料世界網。

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