兩岸氫能與燃料電池產業合作 - 國家政策研究基金會

兩岸氫能與燃料電池產業合作 - 國家政策研究基金會:

兩岸氫能與燃料電池產業合作
黃鎮江
國立台南大學綠色能源科技學系所長
摘要
       台灣自然資源匱乏,能源嚴重依賴進口,目前還要面臨減碳的壓力,因此對於潔淨之替代能源的發展,格外積極。相較於其他新能源項目,氫能與燃料電池產業仍屬萌芽階段,然而以其潔淨、高效率、來源廣泛的特性已吸引了全球關注,並投入大量的人力、財力、物力進行開發。台灣經過十多年氫能與燃料電池技術的發展,涵蓋上、中、下游的產業鏈已初具規模,其中不乏國際知名廠商,已成為氫能與燃料電池技術研發最為活躍地區之一。本文首先針對台灣氫能與燃料電池綠能產業的發展現況以及所面臨的困境進行研析,並提出因應措施;其次,從兩岸具備技術、產業分工與互補角度,配合大陸豐富資源與和廣大市場的條件,分析未來合作與開發後兩岸在全球氫能與燃料電池產業之競爭力,最後,本文對兩岸氫能與燃料電池技術產業合作與交流模式提出具體建議。 

壹、前言

       馬總統的中程減碳目標,2025年全國二氧化碳排放量下降至2000年的水準,是一項很艱鉅的任務,這需要統籌部署、從多方面著手,例如節約能源、提高能源效率,廣植樹木、擴大碳匯,調整能源結構、提高低碳能源配比等。從技術層面而言,達成低碳能源目標的一項重要的工作是調整台灣能源結構,包括擴大再生能源、核能和氫能的配比。其中氫能的發展和利用對台灣減碳目標有實質的幫助主要表現在以下兩個方面,一是氫直接取代石油用於運輸工具燃料;二是用氫提高再生能源利用效率。由於再生能源的不穩定性,使得太陽能、特別是風能很難利用,目前很大一部分再生能源發的電不能上網,白白浪費。目前正在積極研究的再生能源發電(不穩定的低品質的電)-電解水製氫-燃料電池高效發電(高質量、高品質的電),將使再生能源確實成為推動國家經濟的動力,而不像現在,示範成分多,實際效果小。

       為了取得未來氫經濟的主導地位,各國無不大幅增加投入學術研究與產業開發的能量藉以增加技術進展的速度與強度,以美、日、歐為代表的科技先進國家都已經將氫能與燃料電池提升到國家能源戰略層面加以規劃,從2003年起,國家級或跨國級的氫能計畫陸續啟動,例如,2003年美國發表了氫燃料倡議(Hydrogen Fuel Initial) ,並啟動兩項國家級氫能計畫,「自由車與燃料解放夥伴計畫(FreedomCAR and Fuel Partnership)」與「氫燃料電池與基礎設施技術計畫(Hydrogen, Fuel Cell & Infrastructure Technologies Program, HFCIT)」,日本則在2002年起推動氫與燃料電池示範運行計畫(Japan Hydrogen and Fuel Cell Demonstration Project, JHFC),歐盟在第七期框架計畫(7th Framework Program)1中則將氫與燃料電池列為能源研究領域之優先推動項目。

       相較於太陽光電與風力發電產業,全球氫能與燃料電池產業目前仍屬萌芽期。依據Freedonia Group報告預測,2013年全球對於燃料電池的需求將快速成長,其中2008~2013年各地區平均成長率都達20%以上,在大陸方面將大幅成長48.1%,日本以32.7%的成長率為次之。就總需求量來看,歐洲依然是燃料電池的主要市場,預期會有5.05億美元的需求量,日本及美國對於燃料電池的需求量則分別為4.73億美元及4.47億美元,這三個區域占全球總需求量的七成以上。若從應用端來看,2008年主要產品需求為發電系統供電機組、工業用發電機及車輛電力供應,在2013年時由於燃料電池技術成熟帶動市場需求增加,其中在小型可攜式燃料電池市場成長最為快速,較2008年成長60.8%,超越在車輛應用需求,不過發電系統供電機組仍是燃料電池產品最大市場。

       兩岸在傳統能源技術,包括電廠技術、汽車工業等,落後歐美國家甚多;而在新能源項目中的太陽能與風力發電技術,要趕過技術領先的先進國家亦非易事,相對地,兩岸氫能與燃料電池技術與先進國家處於同一起跑線,因此,藉此兩岸經貿論壇平台,及早規劃、共同合作,這將會是兩岸超越歐美強國的一個良機。

貳、台灣產業發展現況

       根據經濟部能源局分析,台灣氫能與燃料電池產業將從2008年萌芽期將發展到2011年的新台幣40億元、2016年的130億元產值,將使台灣氫能與燃料電池產品技術、產業規模在國際占有重要地位。台灣具有完整的氫能與燃料電池產業供應鏈,上、中、下游有近30家以上的廠商,如表1所示,其中部分廠商投入氫能與燃料電池產業已近十年。
表1 台灣氫能與燃料電池產業供應鏈
供應鏈
原材料
(上游)
電池組件
(中游)
系統應用
(下游)
周邊商品
主要廠商
Membrane
Stack
FC系統
氫氣供應
安矩科技
台達電
思柏科技
三福氣體
南亞電路板
南亞電路板
奇鋐
聯華
MEA
大同世界科技
大同世界科技
亞東
南亞電路板
光騰光電
能碩科技
中油
遠茂光電
博研燃料電池
台達電
甲醇供應
光騰光電
鼎佳
光騰光電
伊默克
觸媒
中興電工
揚光綠能
李長榮公司
安矩科技
亞太燃料電池
亞太燃料電池
甲醇燃料罐
GDL
重組器
工研院
奇鋐
碳能科技
大同世界科技
核研所
儲氫合金罐
雙極板
碧氫科技
真敏國際
川飛
盛英、鼎旭、恩良
熱交換器
鼎佳
亞太燃料電池
 
高力熱處理
中興電工
 
資料來源:台灣燃料電池夥伴聯盟,2009年。
       在系統應用部分包括了亞太燃料電池、博研科技、台全電機(電動車載具設計)、大同世界科技、台達電子、真敏國際(定置型發電機設計)、中興電工等;至於燃料電池的三大核心組件(雙極板、質子交換膜、氣體擴散層)及重要的周邊零組件方面,盛英、恩良投入複合材料雙極板;碳能研發氣體擴散層;安炬科技、光騰、南亞則投入質子交換膜開發;高力熱處理可提供板式熱交換器做熱回收應用。以下就台灣各應用領域發展逐一介紹。

(一)定置型發電機組

       真敏國際2002年引進加拿大Ballard的燃料電池開始進行相關技術研發,2003~2008年推出1kW、5kW、5~10kW及10kW燃料電池長時效不斷電系統,鎖定全台4萬個基地台作為10kW氫燃料電池發電系統的銷售重心。

圖2 真敏國際10kW定置型燃料電池發電機,資料來源:真敏國際股份有限公司
       鼎佳能源公司經由工研院能環所技轉於2009年發表6kW緊急備用電力燃料電池發電機,合作之關鍵零組件供應商包括碳能科技、碧氫科技、光騰光電及盛英公司。鼎佳的產品可結合家用天然氣重組器作為家用發電機,功能與日本家用1kW發電機相似;另外發電機亦可結合可攜式甲醇重組器,轉為移動式發電機。鼎佳公司也與國內電信公司合作建立燃料電池示範系統,包括新竹消防局、交大應用化學實驗室合作,未來除了拓展國內市場,也希望能打開日本、美國及大陸市場。

       大同世界科技投入研發以甲醇或乙醇為燃料、功率1.5~5kW之重組器燃料電池發電機,以作為緊急備用與不斷電系統使用,目前已擁有多項燃料電池相關的專利,包括燃料電池、燃料電池系統、重組器、變頻器與重組觸媒等方面(圖3)。

圖3 大同世界科技氫能與燃料電池產品,資料來源:大同世界科技股份有限公司
       中興電工開發展之核心技術分為四大領域:(a)氫能系統(儲氫與產氫)、(b)燃料電池、(c)電源管理系統與(d)廢熱回收製冷系統。中興電工為美國IdaTech公司燃料電池系統之代理商,此外,亦與加拿大Ballard公司進行合作協議。2009年中興電工參與經濟部能源局之燃料電池示範運轉計畫,包括氫能風光屋與有線電視機房備用電力等兩項,其中,氫能風光屋之重要目的乃宣示綜合能源發電系統之可行性,也就是經由風能與太陽能發電後,電力儲存於蓄電池內,電力可用於夜間路燈或辦公室照明,一旦遭遇風量過低或陰雨天致使發電量不足時,將啟動甲醇重組型燃料電池系統,補充所缺電力。至於有線電視機房備用電力乃設置在財經網股份有限公司之備用電力機房中,用以取代現有部分的UPS系統。市電斷電時,燃料電池系統共可提供16kW備用電力保證攝影棚現場機器可持續運作,直至市電恢復供電。機房中之廣播設備、空調及照明設備則由UPS與柴油發電機負責供應備用電力。此示範運行案有兩大重點,一是驗證燃料電池系統之可行性與經濟效益,二是與傳統蓄電池與柴油發電機置於同一地點、於相同斷電情境下,作公正之相互驗證。

       豫德實業公司引進日本FC-R&D可攜式燃料電池作為緊急電源(EPS)使用,另針對1kW燃料電池以下的產品,做廣泛的市場應用商品化,其中,定置型用途有室內備用、醫院、消防局等備用電池應用,可攜式用途有露營等夜間攜帶照明用及備用電池應用等。

(二)小型可攜式電源

       台灣在這部分主要以DMFC技術發展為主,而國內投入的廠商包括有思柏科技、奇鋐科技、揚光綠能、新普科技及核研所。其中,思柏科技承接勝光科技技術進行DMFC產品開發,於2009年成功開發可攜式燃料電池FCS5可攜式燃料電池(DMFC)充電器,功率為1~5W,可應用在手機、NB、3C產品,具備無線、移動性特色。其量產的FCS5為可用於工業及戶外的直接甲醇燃料電池,如緊急照明燈、GPS、無線寬頻路由器、行動數位影音電視、監視器及感應器等(圖4)。
  
       圖4 思柏科技氫能與燃料電池產品,資料來源:思柏科技股份有限公司
(三)輕型燃料電池車輛
       在各種利基型運輸載具的開發與應用潮流中,美國與加拿大偏重燃料電池堆高機等廠房倉庫用車,亞洲國家則偏向電動自行車、電動機車與電動輪椅等小型車輛。台灣目前投入輕型燃料電池車輛以機車為主,也是目前推動的重點項目之一。國內開發燃料電池機車整車廠商有亞太燃料電池以及博研,台全電機則是開發機車用燃料電池系統的鼓風機與水泵等,其中亞太燃料電池從2000年至今已開發多款燃料電池機車,ZES V.b車款採用燃料電池(氫)加電池的混合雙系統,如此可解決燃料電池需要啟動時間外,也可降低燃料電池的能量需求(圖5)。


圖5 亞太燃料電池機車ZES V,圖片由亞太燃料電池科技股份有限公司
       另外,ZES Ⅳ.5與ZES V.0車款均已完成國內整車性能試驗,無論充電(更換燃料罐)時間、續航力與燃料供應系統均有顯著的進步,其續航力可達81公里、最高速率近50公里/小時,更換低壓儲氫罐時間可小於1分鐘,亞太燃料電池公司未來將持續改善整車性能,其中包括減輕整車重量。

(四)產氫與儲氫設施

       在氫能技術開發方面,台電公司與工研院合作建造再生能源製氫展示系統,碧氫科技開發重組型氫氣產生機,漢氫科技研發與生產合金儲氫罐,以及開發小型3C用合金儲氫罐,川飛與亞太燃料電池也可供應儲氫罐產品。

       工研院則完成開發1~3kW之天然氣、甲醇與液化石油氣重組器,可整合定置型之燃料電池發電系統。中油公司嘉義煉研所與工研院南分院都已建立小型加氫站示範應用系統,供應地區測試驗證與發展評估。在應用推廣方面,台電公司樹林的綜合研究所,已建立之再生能源與氫能利用展示系統持續運轉驗證中,該系統擁有20kW太陽光電發電系統與10kW風力發電機,利用再生能源電力電解水製氫,儲存於大量合金儲氫罐中,供應5kW燃料電池發電機使用。三福氣體公司由於執行工業局主導性計畫,已於2006年在桃園蘆竹完成一座實驗型25支組充氫工廠。

       光騰光電公司所開發的質子交換膜型水電解產氫器,在德國漢諾威「2009氫能暨燃料電池展」中首度展出(HGM氫氣產生器、HGM-600、HGL-1000)即接獲德國、英國、荷蘭、奧地利、挪威等多國客戶樣品訂單,主要訂單來自三個應用區塊,首先是結合風力、太陽能發電,搭配儲能供應燃料電池使用;其次是工業上的應用,取代原有儲氫鋼瓶;第三是示範加氫站,其中示範加氫站採用太陽能屋結合產氫器的方式。
 
圖5 光騰光電氫能與燃料電池產品,資料來源:光騰光電股份有限公司。
參、台灣產業發展之挑戰與機遇

3.1 挑戰
  1. 氫與燃料電池的市場化仍面臨生產成本居高不下難題,因此,進入此一產業必須有長期抗戰之準備,同時積極尋求燃料電池產業初期市場化商機和資源,並通過完善產業鏈來促進技術與管理的進步。簡言之,燃料電池的研發相當燒錢,要比誰的氣比較長,廠商必須有足夠的資金支援,才有機會撐到需求大量浮現的市場爆發期,然而台灣氫能與燃料電池產業多屬中小企業,因此,經營起來十分辛苦。
  2. 台灣潛在競爭對手眾多,其中,日本、韓國經濟技術實力雄厚,對先期市場早已虎視眈眈,例如,日本松下電器的家用熱電共生燃料電池系統計劃2012年進入中國市場,韓國則積極推動車用PEMFC和MCFC電廠技術,其他國家如印度、新加坡、馬來西亞也將燃料電池技術列為國家戰略能源技術給予重點扶持。此外,台灣還將面對大陸同業者競爭。實施新能源革命,發展低碳經濟,大陸無論如何都不會錯過利用這一千載難逢的歷史機遇實施跨越式發展戰略,被譽為第四代發電技術的燃料電池技術自然受到關注。
  3. 政府產業政策之支持對氫與燃料電池市場化初期具有關鍵性影響,因此,通過積極反饋產業最新發展資訊予決策者,形成外部誘因,促使政府適時提出氫與燃料電池產業發展政策,至為重要。

3.2 機遇
  1. 眾所周知,美國在氫能與燃料電池技術領域處世界領先地位,這必將對台灣相關企業發展產生推動作用,特別是在技術資源和產業鏈層面。例如,亞太燃料電池第二大股東是美國杜邦公司,台灣高力熱處理公司與美國BloomEnergy的合作就是證明。
  2. 台灣製造業發達,機電、資訊產業在國際市場佔有重要地位。這為燃料電池技術的發展創造了良好的條件。導入燃料電池技術後,將提升產品的能源使用效率和環保品質,增強國際競爭力。
  3. 台灣先進的品牌管理經驗將在氫與燃料電池產業發展過程中發揮重要作用。任何一個新產業的興起,都會產生一個或幾個有影響力的品牌,佔據產業鏈上某環節的最大份額。新興的氫與燃料電池產業同樣遵循這一規律。從台灣成功的品牌建設案例、開發燃料電池的熱情和投入上看,台灣氫與燃料電池產業有可能誕生像宏基、捷安特這樣的世界知名品牌。
肆、產業發展政策
       2009年立法院通過「再生能源發展條例」,行政院並推動「能源國家型計畫」、「綠色能源產業旭升方案」、「燃料電池示範運行補助」等多項重大能源措施,證明台灣在發展能源產業的決心,同時也為氫能與燃料電池產業挹注一股推力。

4.1 相關政策之推動

(一)再生能源發展條例

       立法院於2009年6月12日三讀通過「再生能源發展條例」,主要規範包括擘劃未來20年內,台灣再生能源發電裝置容量將新增650~1,000萬瓩,以大幅提升台灣再生能源使用;並運用再生能源電能收購機制、獎勵示範及法令鬆綁等方式加強民眾設置再生能源的誘因。此條例更定義氫能為「指以再生能源為能量來源,分解水產生之氫氣,或利用細菌、藻類等生物之分解或發酵作用所產生之氫氣,做為能源用途者」;燃料電池定義為「指藉由氫氣及氧氣產生電化學反應,而將化學能轉換為電能之裝置」;其中第十一條明定針對具發展潛力之再生能源發電設備,於技術發展初期階段提供示範補助法源依據。

(二)綠色能源產業旭升方案

       「綠色能源產業旭升方案」為台灣第三波新興產業發展計畫,選定太陽光電、LED光電照明、風力發電、生質燃料、氫能與燃料電池、能源資通訊及電動車輛等為重點產業,在未來五年內,政府將投入新台幣250億元推動再生能源與節約能源之設置及補助,並投入技術研發經費200億元,以產值規模估計,將可望帶動民間投資2,000億元以上。

(三)能源國家型科技計畫
       2009年6月10日行政院國科會委員會議通過「能源國家型科技計畫」,規劃從2009年起的五年內,投入新台幣300億元以上,進行能源科技策略、能源技術、節能減碳及人才培育等四大方向的研究。在這項計畫投入的經費中,約有150億元的經費將投注在能源技術上,包括太陽能、風力發電、生質能源、海洋能源、氫能系統、核能工程、地質能源等等。其中氫能系統包括有儲氫技術、產氫技術、運送技術、氫能載具(燃料電池、氫內然機)。

4.2 燃料電池實證計畫
(一)燃料電池與氫能應用示範驗證
       經濟部能源局從2009開始三年內投入新台幣3億元推動燃料電池產品示範驗證,針對國內企業建置燃料電池發電系統示範運轉進行經費補助,並成立「燃料電池示範運轉與推動辦公室」,協助執行相關補助申請作業,主要補助自行組裝完成示範運轉驗證裝置容量達1kW以上之燃料電池發電系統,申請示範運轉驗證之燃料電池發電系統補助金額以該系統設置費用之50%為上限。政府希望藉此一示範驗證計畫,協助業界提升技術能量,並整合國內上、中、下游產業。
表2 燃料電池汽車與燃料電池機車發展之比較2 
製造商
車型
年度
數量
說明
戴姆勒克萊斯勒(美國)
汽車
2012
10,000
開始販售
戴姆勒克萊斯勒(德國)
汽車
2015
 
大量生產
福特汽車(美國)
汽車
2015
 
快速商業化
通用汽車
(美國)
汽車
2015
 
已具商業化能力
汽車
2025
 
大量生產
本田(日本)
汽車
2010
12,000(in USA)
開始生產
現代(韓國)
汽車
2010
 
2009年道路測試
豐田(日本)
汽車
2015
 
售價預估US$50,000
台灣
機車
2010
30
社會實證

(二)氫能與燃料電池機車技術標準實證

       世界主要國家推動燃料電池交通工具主要以乘客車、巴士為主,反觀台灣產業規模與結構,無庸置疑,機車將是台灣最具有競爭力的運輸用燃料電池產品,這可以從產品獨特與技術領先兩方面說明。首先,在技術領先方面,台灣已多年投入燃料電池電動機車的研發,無論在燃料電池技術發展、專利佈局、成本掌控、以及供氫環境已經有成熟且完整之規劃,在國際間位居領先地位,其次,由於目前國際間燃料電池在運輸工具之發展著重在汽車,如表2所示,因此,台灣根本沒有必要和這些國際車廠企業作競爭,基本上,發展燃料電池汽車並不具可行性,相對地,燃料電池機車與現有國際間發展之燃料電池汽車具有明顯市場區隔性,機車產業的技術層次與市場規模且完全符合台灣發展現況,因此,燃料電池機車在台灣的發展絕對具有技術領先與產品獨特的絕對優勢。

       據此,台灣經濟部標準檢驗局於2009年能源國家型計畫提出「氫能與燃料電池機車技術標準實證與實車確證及監理制度研發與3E效益評估計畫」作為「前瞻能源產業產品標準與檢測技術先期研究及導入」之延伸計畫,將透過結合分散式氫能系統之燃料電池機車實際運行模式建立全球第一部完整燃料電池機車標準,包括燃料電池電動機車整車性能、電池組、儲氫罐之檢驗標準等至少36項標準;另依據實際騎乘情形試驗規劃氫能與燃料電池機車交通監理制度。
伍、結論

       兩岸在傳統能源技術,包括電廠技術、汽車工業等,已落後歐美國家甚多;而在新能源項目中的太陽能與風力發電技術,要趕過技術領先的先進國家亦非易事,相對地,兩岸氫能與燃料電池技術與先進國家處於同一起跑線,因此,藉此兩岸經貿論壇平台,及早規劃、共同合作,這將會是兩岸超越歐美強國的一個良機。

       台灣氫能與燃料電池產業擁有完整供應鏈,從上游到下游包括貴金屬觸媒、質子交換膜等、燃料電池組及其零組件、控制系統與周邊零組件、定置型發電系統、攜帶型電源產品、交通運輸工具等,除了上游原材料技術外,台灣產業界擁有豐富的量產經驗與成本優勢,切入中下游產品市場具有相對優勢,且台灣地區在發電機、電子資訊與機車等產業已有良好基礎,導入燃料技術後,具有能源效率與環保的特色,產品將更具國際競爭力。其次,台灣於2009年通過「再生能源發展條例」,並推動「能源國家型計畫」、「綠色能源產業旭升方案」等多項重大措施,為氫能與燃料電池產業挹注一股推力,更有助於帶動台灣氫能與燃料電池產業的發展。

       針對兩岸氫能與燃料電池產業合作策略,提出建議如下:
  1. 台灣現階段正積極發展與國際燃料電池具差異性之利基產品,並推動獨創技術規範與標準,藉以領先國際,以燃料電池電動機車為例,台灣方面相關技術標準漸次草擬,兩岸宜積極合作藉以形成兩岸共同標準,漸次邁向國際標準,此部份在不損及雙方權益下,多鼓勵兩岸產學研界共同參與相關會議,以掌握技術發展與標準規範,為產品建立與國際接軌的契機。
  2. 大陸重點發展轎車用燃料電池,台灣在發展用於小型交通工具、備用電源10kW以下燃料電池方面具有優勢,在產品功能上具有強烈互補性,因此,兩岸在關鍵技術領域合作攻關,將可形成擁有自主技術的完整產業鏈。
  3. 大陸龐大的市場潛力與台灣先進的品牌管理經驗,再加上和兩岸新能源政策之推動,將有助於兩岸在全球氫與燃料電池產業之布局與發展,兩岸宜就綠能產業及早進行國民待遇或納入ECFA項目協商,以創造優勢互補、合作共贏。

  1. 歐盟的跨國科研合作計畫「框架計畫(Framework Program)」是會員國與會員國間科研合作計畫的重要平台。
  2. 汽車資料取自Kerry-Ann Adamson, Gemma Crawley, March 2006, “Fuel Cell Market Survey: Light Duty Vehicles.”,機車資料取自於亞電公司內部資料

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