燃料電池於物聯網之應用

 

刊登日期:2017/2/5
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物聯網之介紹與市場
物聯網(IoT),顧名思義,即是將各種物品之資訊透過網路連結起來進行管理,更詳細的說,則是以各種資訊感測器(Sensors)將物理世界的狀態,即時感知並傳輸至網際網路,以智慧化識別、定位、跟蹤、監控和管理,亦即將實體之各種物品與感測器等,如同人類之神經末梢般,利用網路(神經網絡)將資訊傳入資訊終端(大腦),進行分析判讀並決定回應方式。

較為完整之觀念,為1999年美國麻省理工學院Auto-ID中心之Ashton博士於寶潔公司之演講中所提出,他敘述了將現實世界之種種狀態,以各種無線感測器透過網路連結整合之系統;以及“Internet of Things”物聯網這個目前眾所周知的名稱,至此,物聯網之概念才算正式建立。
 
根據資料傳輸之順序,物聯網可分為三階或六層。三階之分類為感知層、網路層與應用層(圖一),每階可再細分為兩層而成六層。依照順序分別為 ① 識別層(Coding Layer)、② 感測層(Perception Layer) 、③ 網路層(Network Layer)、④ 中介軟體層( Middleware Layer ) 、⑤ 應用層( Application Layer ) 、⑥ 商業層( Business Layer )。
 
物聯網之市場潛力驚人,在未來十年全世界各領域之產值將高達 8兆美元(圖三),應用十分廣泛(圖四),包含:①智慧生活,如前段所提到之 Philips智慧照明及結合人機互動與自然互動之智慧家庭等,讓未來人類之生活更為便利;⑤智能防災系統,利用物聯網整合遍布各地區之感測器,於災害發生初期或發生前通知人們進行處理或避難,降低人命傷亡,其中智能防災系統實為我國所需盡速開發之重要領域。


圖三、物聯網之未來市場規模
圖三、物聯網之未來市場規模

 
物聯網之電力供應–燃料電池
無論未來是何種網路協定為主要的連線方式,皆必須有良好之電力供應,才能維持物聯網之各端點(End Point;即感測層)與節點(Node;將感測器之資訊集中接收並傳遞至後端系統,屬網路層)間之資訊聯繫。由於耗電/傳輸量之不同,以下將分為節點與端點兩者進行說明。
1. 節點
目前與未來物聯網節點類似之設備為電信基地台,根據其約千瓦等級之耗電量評估,所適用之電源方案可能為PV+蓄電池/鋰電池,或者結合燃料電池使用;而以長期供電之穩定性而言,則以燃料電池較占優勢。例如國內中興電工所推出之質子交換膜燃料電池(PEMFC)產品,利用甲醇重組器轉換為高利用效率之氫氣提供電力,同時兼顧燃料可攜性與操作性能。

然而,就未來節點之數量與耗電量而言,甲醇重組氫系統之尺寸與成本皆非最佳方案,以直接甲醇燃料電池( DMFC )將甲醇直接轉換為電能,在對應較小瓦數(數瓦~數十瓦)應用上更具尺寸與成本優勢。DMFC單位發電功率雖較 PEMFC低,但對應節點之電力需求則已足夠,適用於節點之產品有德國 SFC Energy之EFOY Pro 系統,以及工研院所發展之 20W~100W DMFC系統(圖五)。
 
2. 端點
在端點部分,一般認為較為可能之電源供應方式有二,一為利用電池之方式,例如PV結合鋰電池、燃料電池或是空氣電池等;二為藉由網路線(若與節點間為有線連結)供電方式( Power over Ethernet; PoE )。
 
在電源之選擇上,端點與節點之需求相似且更為嚴苛,因其數量更多使得維護上難度增加。若功耗在接近W級之範圍(例如傳輸距離較遠或資料量較大等情境), DMFC為較合適之解決方案,如工研院所發展之 0.5W~5W DMFC 系統(圖七),其小尺寸可與端點之感測器做整合,並配合應用端之功耗需求調整而不致明顯加大尺寸。燃料部分則與節點電源方案相同,採用能量密度與可攜性高之甲醇,有利於---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


 
圖七、工研院發展之0.5W~5W DMFC系統(可整合感測器)
圖七、工研院發展之0.5W~5W DMFC
系統(可整合感測器)

 
作者:張嵩駿、林俊男、蔡麗端 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」362期,更多資料請見下方附檔。


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