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2011 年 11 月 23 日 / ctkuo

汽車與生質能源(六) – 燃料電池車

Honda FCX Clarity,市面上第一款氫氣燃料電池車 (圖片來源)

作者:歐陽孚 / 編輯:郭致廷、楊卓儒
在前幾篇文章中我們已經介紹過了彈性燃料車(生質酒精)生質柴油車油電混合車丁醇車與瓦斯車,這次讓我們來認識一種完全不同的動力源:燃料電池(Fuel Cell)。燃料電池車(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV),是一種使用電力的車輛,但它與一般的純電力車(Electric Vehicle, EV)不同的是,EV完全依賴「充電」手續來增加電池的能量;而FCEV比較類似內燃機車輛,是在車輛上儲備「燃料」,在車輛運作時才將其轉化為電能。FCEV最為令人興奮的特質是它在行駛中僅會產生水蒸氣與熱能,不會造成任何空氣污染。

什麼是燃料電池

(圖片來源:維基百科)

燃料電池是一種電化學裝置,是透過兩種反應原料的化學性質(還原電位)差異形成電位差、產生直流電流 。一般電池(battery)的反應原料儲存在裝置內,因此當化學物質都消耗完畢時,電池就”沒電了”。然而「燃料電池」的設計是讓反應物與生成物源源不絕地流入與流出,本身並不包含儲存原料的裝置。燃料電池的反應物是氫氣(H2)與氧氣(O2),生成物則只有水(H2O),依據反應溫度與使用的電解質可以將其劃分成很多類,但車輛工業最有興趣的是「質子交換膜式(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)」,這種裝置的反應溫度相對於其他設計較低,有利快速達到工作溫度啟動車輛。同時,PEMFC燃料的能量有55%能被利用,相較於傳統內燃機的30%高出一大截。以下是一則簡短介紹燃料電池的影片:

http://static.discoverymedia.com/videos/components/hsw/4836-title/snag-it-player.html?auto=no

影片來源:HowStuffWorks

 

氫氣燃料電池車輛 vs. 氫氣內燃機車輛

因此我們可以說FCEV基本上就是把燃料電池搬到EV上、取代一般電池。又由於燃料電池的主要原料是高壓鋼瓶內的氫氣與空氣中的氧氣,因此也有人稱它為「氫氣車」。然而這個說法有一個不周全的地方,就是氫氣也可以作為內燃機車輛的燃料。例如:BMW Hydrogen 7就是一款使用液態氫作為燃料的內燃機車輛;但其實在此之前,氫氣內燃機已廣泛應用在火箭的推進器上,是一種非常優異的液體燃料。

目前商品化的氫氣燃料電池乘用車只有Honda FCX Clarity ,目前已經可以在美國、日本、歐洲見到它的身影,其他車商都還停留在原型車或概念車的階段。有趣的是FCX只租不賣,以美國為例,每個月的租金是600 USD,且限定在南加州使用。這台車目前全球總數不超過200輛,Honda預估要到2018年才能真正量產。有人估計一台FCX的造價至少在12萬到14萬美金之間(這只是最保守的數字),也就說它的價格仍然超過一般消費者可以負擔的範圍,因此我認為現階段市面上的FCX只能算是先導測驗的試作品。除了乘用車外,車商們也發展氫氣公車,然而目前也都是小規模生產與示範營運而已。

Toyota的燃料電池巴士 (圖片來源)

台灣公司「亞太燃料電池科技 (APFCT)」目前也研發出了使用低壓金屬儲氫瓶的燃料電池機車,對於台灣燃料電池技術的在地化發展與全球競爭都有積極意義。

APFCT ZES Scooter,燃料電池機車 (圖片來源)

氫氣車的挑戰

首先,前面提到的製造成本過高是一大問題,壓低車輛造價與售價是能否吸引夠多早期採納者進入市場的關鍵。此外,行駛里程也很重要,一般而言300英里(480公里)是一台乘用車添滿油箱後大約能行駛的距離,然而目前的燃料電池車還離這個目標很遠。氫氣的儲存完全不同於汽油、柴油、丁醇…等可以儲存在常溫常壓下的液體燃料,必須要維持在高壓環境下才能夠節省儲存空間,然而目前能夠承受高壓的儲存槽都相當笨重。液態氫是另一個可行方案,如BMW Hydrogen 7就是一例,但液態氫必須要保持在低溫環境中(-253 C),這需要比加壓更多的能量輸入,整體看來並不划算。

再來,是每種替代能源都要面對的「後勤系統」問題,如何讓加氣站更為普及,如何讓氫氣由生產地點安全、便宜地送到加氣站,相關硬體建設必定需要投入龐大的資本才能推動。再退一步來思考更為基本的問題:要從哪兒找來足夠的氫氣呢?氫氣如果是循石化路徑生產,那麼就算車輛本身是零二氧化碳排放,整體來看可能也不環保。生質產氫是一個可能的做法,對環境也較為友善,也有助生質能源的發展,但需要多久才能建立「充足的」原物料供應體系則是未知數。當氫氣車市場逐漸擴大時,充足的氫氣來源會成為巨大的挑戰。

車商們的賭注

雖然已經有乘用車與公車問世,但這些都只能算是試作而已。經歷數十年的發展至今,已有福特(Ford)、通用(General Motor)…等大型車商收手不玩,或是刪減投入的研究資源。由目前的發展趨勢看來,車輛的發展趨勢是從使用液體燃料的內燃機車輛、邁向內燃機與發電機並存的油電混合車輛、最終演變成完全捨棄內燃機的電力車輛。然而能夠協助我們抵達最終極目標的手段,會是改頭換面的一般電池、還是突飛猛進的燃料電池,則是車商們的大哉問。有些車商預期電池的容量可以向上成長,也有車商堅信「液體燃料」才是最穩固的方式,不同的技術發展方向,反映了車商們對未來車市的不同賭注。

這場角力的輸贏對車商而言當然是幾家歡樂幾家愁,但對人類整體而言應該都是有利的。燃料電池就算最終不能滿足車輛需求,也可以用於其他發電用途,其乾淨、零排放的特性是最大優勢。而車上的相關電動設備發展也可以幫助純電力車的發展,因此我們仍然可以樂觀看待燃料電池的成長。

延伸閱讀
汽車與生質燃料(一)美國汽油名稱的數值比較低?淺談汽油
汽車與生質燃料(二)我的車可否加酒精?彈性燃料車
汽車與生質燃料(三)什麼車可以加生質柴油?
汽車與生質燃料(四)油電混合車
汽車與生質燃料(五)丁醇車與瓦斯車
汽車與生質燃料(七)結語
氫燃料電池車乾淨上路 (科學人2005年4月號)
加滿氫再上路 (科學人2007年5月號)
台灣燃料電池資訊網

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