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氫能未來 Hydrogen Power & Fuel Cell創造明天

文/穆建偉 2008/07/07

為什麼各大車廠要競相發展氫能動力？汽/柴油引擎、油電混合系統、生質燃料都要消耗石油，且燒油就會排碳，甚至生質燃油還得使用可觀的農作物造成糧荒，所以Hybrid、Bio-Fuel絕對不會成為趨勢，反倒是最近相當熱門的LPG天然氣車種，可算是過渡時期中最具競爭力的設計。

此外，電動車雖然也正在積極發展中，但目前受限充電、蓄電的能力，續航力十分有限，短期要實現只能用於城市通勤的小型車，且由於各大先進國家都推廣單車搭配捷運，故未來成功的機率並不高。在此之中，大家不難發現前述的可行替代能源，均仍仰賴內燃機架構，實際上電力的運用相當稀少，而氫能則皆可提供發動機與馬達使用，因此誕生了Hydrogen Power（氫引擎）及Fuel Cell（燃料電池）兩種設計。

氫能動力是以氫和氧的化學反應形成，燃燒後又回歸為純水，因此是公認最佳的未來能源。

**各種能源車款比較**
種類	燃料電池Fuel Cell	氫氣引擎Hydrogen Power	油電混合動力Hybrid	天然氣LPG	E85酒精汽油
汽油	Honda FCX	BMW Hydrogen 7	Toyota Prius	VW Passat TSI Eco Fuel	Volvo
代表車款	使用氫氣轉化為電力驅動馬達，公認為最節能環保的終極目標，但需克服馬達出力與蓄電能力的限制。	內燃機引爆氫氣動能，具有和傳統汽油引擎相似的特性，為氫能時代最易推廣且為大眾所接受的設計。	組合汽油引擎與電動馬達雙動力，利用電能來減少引擎使用頻率，進而能夠降低油耗與減少空氣汙染。	搭配汽油引擎的雙動力設計，以天然氣售價便宜、行駛里程數高為賣點，目前歐洲地區正積極推廣中。	生質燃料的汽油引擎，使用約85：15的酒精、汽油混合，節能效果有限且成本較高，未來性並不看好。

Hydrogen 7採雙燃料模式，可進行汽油與氫氣兩種選擇，操作只需透過方向盤切換鍵即可。

內燃機沿用 Hydrogen Power

氫氣是質量最輕且最普遍的化學元素，構成了地球上百分之九十的物質，也就是碳氫化合物。它是極易燃燒的雙原子氣體，導熱能力非常強，同時高溫下相當活潑，與氧氣化合後可釋放出大量的熱能，所以為火箭燃料的構成之一，亦屬未來最具潛力的車用能源。

另一方面，以再生方式產生的氫氣非但不會對環境造成危害，燃燒過程中更不會出現討厭的二氧化碳，只是純淨的水，故氫氣是一個可永續供應的優質能源。按照氫氣的特性來看，不難想見它非常適合需要吸氣結合氧分子助燃、以火星塞燃爆高溫高壓混合氣的內燃機架構，主要與燃油不同之處，是氫引擎需要有極周密的儲氣設備，同時作動上液態氫是在進氣歧管處與空氣預混（定體積噴射），不似汽油為燃燒室混合。

關於氫引擎的儲氣設備，是要以特製鋼瓶裝載經過高壓壓縮的液態氫，定體積內當然是灌入的量愈多壓力愈大，這種鋼瓶需採中央有真空絕緣的雙層構造維持超低溫（約-253℃），容量8公升壓力即達到700bar。這8公升的行駛距離則有200公里以上，換算下來每公升氫氣的里程為25公里，至少節能效果是汽油引擎的2倍，但氫氣的成本不低，在現階段使用並無法「節費」。

Hydrogen Power車種的優點除節能外，開起來還保有傳統引擎的油門反應及拉轉快感（動力相對會犧牲一些），同時其造價不似燃料電池車昂貴，使用車型也沒限制且車重不致上升過多，不過Fuel Cell仍為終極目標，因為其效率更佳並可減少臭氧洞的擴散。

BMW Hydrogen 7是氫引擎的代表車種，目前已提供特定顧客在道路上使用。

氫引擎的作動特性是在進氣歧管與空氣混合，接著以專用高壓噴嘴注入燃燒室點火爆炸。

Hydrogen車款的高壓儲氣槽與輸送管路十分講究，這也是所有的技術所在。

電力驅動 Fuel Cell

燃料電池動力的特色，簡單說是以氫氧作用的化學反應，來產生大電流驅動馬達，這是由Ballard/Ford公司所研發，其核心則是一位於兩片石墨板間的PEM質子交換膜。PEM的一側供給氫氣，另一邊為利用套氣槽帶來大氣中的氧氣，使氫氣能以帶電粒子的型式穿透薄膜，進一步與氧氣化合成水並釋放電能；而由於這整個系統的體積相當龐大，搭配車型只能設定為單廂式，以全平底板放置所有零組件，車重也因此上升約300公斤。

Fuel Cell的組成大致可分成六大部份，以FF車而言車頭仍為動力源（馬達）所在，後方依序放置系統模組、燃料電池模組、動力分配單元（Fuel Cell電壓轉為電池儲存電壓）、高壓氣瓶與240V貴金屬電池。至於其所產生的400V以上電壓除供應驅動馬達以外，剩下的電力則回充於電瓶，做為瞬間加速與其他用電的來源；而Fuel Cell車種亦不需配置變速箱，為直接由馬達帶動，所以車速取決於馬達轉速，煞車減速反轉並有充電作用，撇開氫氣之外，它就是一部電動車。

Fuel Cell系統受限馬達出力（約100hp/22.0kgm），在目前的概念階段多搭載於中小型的單廂車款，但續航力已突破至300公里。其特點則是任何轉速都可維持峰值扭力，馬力同樣跟隨轉速成正比，13000轉的上限推算下來也有180km/h的能耐，它的耗能亦同於氫氣引擎，為每公升平均23.8～26.3公里。

在實際駕乘感受上，氫引擎與燃料電池車款有著截然不同的個性，前者與傳統車輛無異，也能產生運轉聲浪，不過動力會稍遜於汽油引擎；而後者就是一派電動車的感覺，安靜到一個不行，同時因為永遠保有最大扭力所致，起步、加速都堪稱輕快順暢，只是必須習慣無聲與不夠線性這兩項特點。

M.Benz A-Class Fuel Cell已在全球測試多年，成熟度也相當高，未來絕對是量產的試金石。

Fuel Cell的核心是PEM質子交換薄膜讓氫氧作用，最後以400V的高電壓驅動前輪馬達，出力則約在100hp/20.0kgm上下。

燃料電池動力有低溫難發的問題，目前的技術已可對應達零下 10度；而其發動則分成兩階段Pre-Charge，第一段是鼓風機導入含氧空氣，第二段為氫氣開始混合作用，待行車電腦顯示100%與電錶達到綠色範圍，就會在不知不覺中啟動馬達。

燃料電池的系統非常複雜且龐大，因此需要搭配A-Car這種底板全平的單廂車體，其從頭至尾的元件依序為馬達、系統模組、燃料電池模組、動力分配單元、氫氣瓶與高壓電瓶。

兩種氫動力比較

種類	氫氣引擎	燃料電池
性能	接近傳統動力	馬達出力較小
節能	1公升約25公里	1公升約25公里
續航力	400公里	200～300公里
生產成本	略高	極高
週邊搭配	少	複雜
體積/重量	略為增加	增加極多
使用車型	不限	單廂小型車

氫能車款目前都採租賃方式供名人使用，圖中就是Honda FCX首批車主的交車典禮，由社長福井威夫親自主持。

氫氣的取得以電解法為最佳，但加熱純水需耗費大量電力，故像採太陽能發電都是必要的節能手段。

氫能時代來臨配套措施關鍵

不論是氫引擎或燃料電池車款，最近都已推出實驗性質的量產版，如Honda FCX、BMW Hydrogen 7，兩者均採出租方式供名人使用來營造節能形象。實際上這兩種氫氣動力要付諸市售，恐怕是2012～2015年的事，而且這中間不只是車輛本身的研發，週邊的加氣站普及度、氫氣價格皆為能否推行的配套措施，如果此計劃成功的話，也算是另一次的工業革命了。

以加氣站來說，車廠必須與政界決策高層、能源產業協商廣設，然後還得想辦法壓低氫氣價格。目前發展氫能最力的德國，當地液態氫1公升為8歐元（約合台幣380元），售價是汽油的6倍，但氫氣的行駛里程只比汽油高2倍，故總花費要增加3倍，如此也失去節約的意義，降價自然是刻不容緩。

氫氣的分解有多種模式，並區分工業與純化兩大範圍，車用氫能使用前者即可，而這又分成電解、燒煤、甲烷重組等方式，其中加熱天然氣的重組甲烷成本最低，電解法則最簡單亦最乾淨，但令純水導電需消耗大量電力，所費相當驚人，故像BMW就選擇了燒煤提煉氫氣。事實上在未來有大量需求時，如各國政府願意投入水力、風力、太陽能、潮汐力支援電解法才是正道，我們相信這天一定會到來。

最後，氫引擎和燃料電池究竟何者為優？以用車的角度來看，目前Hydrogen Power確實比Fuel Cell的表現為佳，而且能做到加入汽油的雙燃料設計，不過Fuel Cell既然是終極目標，車廠一定會持續不斷改進，但電池容量與馬達出力是一大癥結，所以氫能時代的前10年，氫引擎必能獨領風騷！