豪華昂貴、高性能的車，終將是廢鐵一堆...。也許大家會直接聯想到電動車，可是大家所熟知的鋰電池，

目前已經開發到接近理論值的瓶頸，在苦無對策之下，燃料電池的發展，似乎為這種絕境燃起了一線曙光。

撰文◎張有祥 攝影◎元智大學燃料電池中心鍾國濱博士、DCT黃彰傑先生 版面構成◎李詰

提起燃料電池也許有人聽過藉由氫氧混合產生動力的概念車，但燃料電池如何產生能量，我想絕大多數的人都不太了解！

燃料電池的發展早自1839年英國法官威廉在實驗中就發現了燃料電池的發電原理；簡單來說就是將電解水產生氫和氧的過程反向操作，並進而產生電、水與熱，由於必須補充在電池內的燃料，所以稱為燃料電池。

燃料電池的實際應用在1960年代便開始用於美國太空計畫，1965年太空船雙子星五號﹝GEMINI Ⅴ﹞便是利用燃料電池完成航行任務的最好例子。

而日本豐田﹝TOYOTA﹞與本田﹝HONDA﹞於2002年底，分別推出以燃料電池為主能源的轎車豐田FCHV、本田FCX，並於日本及美國以銷售、租賃的方式推行。燃料電池的首要問題是成本太高，每個月租金需花費到1萬美金左右，產生每千瓦功率的成本，燃料電池幾乎是傳統內燃機的5倍以上，高達300美元左右。但對於這個未來可能會是汽車主要能源的科技產品，你卻不能不了解它。

高效率，無污染的能源科技

燃料電池有兩項符合時代趨勢的特點：

1. 效率高

傳統內燃機﹝發電機﹞要將例如煤、燃油、瓦斯等物質的化學能轉變為電能的發電過程，是由燃料混合氧、先轉變為熱能、機械能，再轉變為電能的複雜程序，因此一般只有30%左右的效率。

反之，燃料電池的能量轉換效率非常高，它是利用輸入燃料混合氧，不經過轉換機械能便能持續產生熱能及電力，也不須傳統二次電池所需的充放電程序。以氫氣及氧氣為燃料，利用觸媒加速反應速率，燃料電池可直接將化學能轉變為電能，其效率可接近40%，若再包括回收餘熱，效率更可輕易超過65%。而且只要正常使用下，燃料提供無虞，目前依照官方說法並無使用時間上的限制。

2. 乾淨

燃料電池的發電過程幾乎沒有造成任何污染。如果以11百萬瓦燃料電池的發電廠為例，電廠運轉的氮氧化物排放量為1PPM，也沒有硫氧化物及粒狀污染物，比目前最清潔的天然氣發電廠還乾淨，同時具備低噪音、安靜等特色。

汽車工業應用以氧氣燃料電池為主

燃料電池可區分為以下幾種：

鹼液型﹝AFC，alkaline fuel cell﹞、磷酸型﹝PAFC，phosphoric acid fuel cell﹞、質子交換膜型﹝PEMFC，proton exchange membrane fuel cell﹞、熔融碳酸鹽型﹝MCFC，molten carbonate fuel cell﹞、固態氧化物型﹝SOFC，solid oxide fuel cell﹞，以上燃料電池皆以內涵的電解質作為分野，所以在工作溫度上也有所不同，汽車工業應用最為廣泛的就是質子交換膜型﹝PEMFC﹞，我們稱為氫氧燃料電池，此種電池與其他燃料電池相較，具有重量輕、體積較小、啟動快﹝溫度﹞與機組材料選擇性大﹝塑膠﹞等優點，目前正積極應用於車輛動力系統、發電機組與較小型攜帶式電力裝置上。

質子交換膜型﹝PEMFC﹞其反應式如下：

陽極 H2 + → 2H + 2e-

陰極 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O

全反應 1/2 O2 + H2 → H2O

質子交換膜型﹝PEMFC﹞燃料電池為了加速電極的反應，電極中通常會加入催化劑如鉑﹝白金﹞，但由於PEMFC內需含水分，所以操作溫度必須控制在100℃以下，此時鉑容易產生不完全反應並製造出一氧化碳﹝CO﹞，進而失去催化的效果，因此多加入銠或銥等貴金屬於鉑之中，如此一來成本就向上攀升。

質子交換膜型﹝PEMFC﹞燃料電池也不適合使用含碳元素的燃料如：柴油；所以搭載以柴油為來源的燃料電池，比起以氫為燃料的機會也比較少出現在汽車科技上。

燃料電池在汽車上的技術

由於燃料電池本身就是一個發電裝置，能驅動馬達提供汽車動力，而現今的燃料電池車馬達上大多具備汽電共生的技術，將反應時釋放的廢熱回收成電能回收到電瓶內， 提供加速或爬坡時電力補足，將動能轉變為電力回充在電池裡，提升燃料電池車的總效率。

舉個實例，Hy-wire是通用汽車﹝GM﹞於2002年北美國際車展上，首次推出的概念車Autonomy實體化產品，而這部概念車是第一款從頭開始設計便採用燃料電池作為驅動系統的車型，當然也是第一款江燃料電池與線傳操控技術相結合的車型。

燃料電池徹底改變燃油發動機原理，在動力系統上，Hy-wire運用全球最豐富的氫作為燃料來源，燃料電池組安裝在底盤的後方，可連續產生直流電共94千瓦的動力﹝尖峰值129千瓦﹞，相當於126匹馬力的功率來驅動馬達。

以Autonomy概念車為基礎所開發成實際可駕駛的Hy-wire，它們之間最大的差異在於電池組體積與續航力，原本Autonomy概念將燃料電池、氫氣儲存瓶、驅動馬達及煞車系統，放進長450公分、15公分厚度的空間內，而接近現實的Hy-wire必須將厚度改為28公分，在放置燃料電池組的尾部還要再加厚為43公分才有足夠的空間。三個圓柱形儲存氫氣罐可承受5000psi的壓力，使得原本Autonomy的480公里行駛距離大幅減少，實際Hy-wire只能達到130公里，這也是燃料電池遇到最麻煩的儲存問題。

Hy-wire重量為1900公斤，單就這部概念車已經申請了30多項專利。

現在傳統內燃機也有以氫氣為主要燃料的設計，如福特﹝FORD﹞的Model U以12.2：1高壓縮氫氣內燃機﹝Hydrogen Internal-Combustion Engine﹞為主要動力來源， 加上雙重降溫的系統作用於機械增壓機組上，使得動力輸出相當優異。如果再加上燃料電池的驅動馬達，就是一部以氫氣為燃料的混合動力車，就能容易解決單一電動馬達動力表現不佳的困擾，並同時達到使用替代能源及無污染交通工具的目標。

10年內夢想成真

由於燃料電池只排出水蒸氣，不會像傳統汽車排出導致地球變暖的碳氧化合物，因此不論在環保或是能源的應用下，都被視為最理想的未來汽車科技，世界上許多知名的汽車廠商都在致力於這種車的開發。如通用、戴姆勒克萊斯勒﹝Daimler Chrysler﹞、豐田、日產﹝Nissan﹞、本田等汽車公司，都已成功開發出燃料電池車，並且成功的將其量產化。

我們可能在2004年就能得到許多使用燃料電池的手機、PDA...等3C產品，而汽車呢？目前在輸出功率、電動馬達、續航力、甚至在體積上的問題都不算首要。在部分燃料電池專利解套，加上奈米技術的精進後，有可能大幅降低成本，現在所遇到的困難點並不是燃料電池所需的燃料取得，而是在氫氣站普及化與儲存方式遇到了問題，氫氣成本雖然低且效率高，可是將氣體液化的過程昂貴，且高壓儲存也具有潛在的危險性，這就是目前燃料電池所要克服的難題之一。

通用汽車技術研發部門副總裁Larry Burns曾表示，在2010年之前只要降低燃料電池的成本，就能讓燃料電池汽車成為任何人都負擔得起，並普及於任何道路上的交通工具，且讓我們拭目以待。

本文節錄自《Smart Car汽車誌》雙週刊NO.40 2003.2.20→3.5 p.64~P.67