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氫燃料電池車乾淨上路     撰文╱艾胥利(Steven Ashley)

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    戴姆勒克萊斯勒公司的測試車隊。該公司的F-Cell車系以及其他車商的氫燃料電池車款,正上路試車中。
     
    往德國萊朋(Nabern)的路上,除了沿途設置的自動測速照相機外,似乎沒有其他事物,能令貝雷塔收起滿臉的笑容。車子駛入美景如畫的斯瓦比亞村近郊之際,他低聲說道:「請在這兒減速。」貝雷塔正率領一組人馬,為戴姆勒克萊斯勒公司的氫燃料電池車隊,進行全球測試,這支車隊由60輛最新型的F-Cell系列氫燃料電池汽車組成。測試的目的,在使汽車製造商得以於各類駕駛條件下,評估這款零污染與能源效益兼具的車種。這位頂著一頭鬈髮的工程師,熱切地想讓試乘者體驗F-Cell優異的直線加速性能,這是在引擎蓋下裝了電動馬達的好處之一。不過,得等脫離了測速照相機銳利電眼的監測範圍,才能實車操演。

    儘管F-Cell採用高科技推進系統,其性能及操控感卻與豐田的Corolla、福特的Focus或其他傳統小型房車相去不遠。因此,F-Cell感覺起來不太像下世代的原型車,比較像是一般市售車。要說有任何不尋常之處,唯一的線索,就是壓縮機會發出罕有的「赫…赫…」聲。貝雷塔打包票,原廠工程師一定會很快讓這怪聲消失。

    在追求極致潔淨車的路上,戴姆勒克萊斯勒公司並不孤獨。汽車業經過10年專注的研發,已跨越了里程碑,催生出第一支儼然具有上路實力的燃料電池測試車隊。再過不久,20輛本田汽車最新款的FCX與30輛福特汽車FCV燃料電池動力車的芳蹤,就會出現在高速公路上。通用汽車計畫明年在美國紐約市都會區提供13輛評估用的燃料電池車。已有30輛戴姆勒克萊斯勒公司出廠的燃料電池巴士,穿梭在歐洲10個城市的街頭,他們很快還將再添三輛生力軍,陸續於中國北京與澳洲伯斯加入服務的行列。 
    同時,幾乎所有其他的車商,也正從事數款原型車的開發。以豐田汽車為首,日產、雷諾、福斯、三菱與現代汽車亦不落人後。汽車製造商力求這項技術臻於完美,所投資的手筆之大可見一斑。據報導,全球目前共有600~800輛處於測試階段的燃料電池車。供應商亦已著手開發並供應原型車必備的零件。若一切順利,這些開發成果將可達成在10年後讓燃料電池車邁入初次商品化的目的。

    面對政府越趨嚴格的廢氣排放管制、石油短缺會步步進逼的預期,以及溫室氣體可能引發的全球暖化災變,汽車業界與各國政府於過去10年間,已投下數百億美元,催生潔淨又能有效推進的動力技術,期能取代內燃機引擎(詳見2002年12月號〈改變世界的概念車〉)。然而,對於產業界生產完全環保車款的實際動機,以及這樣不遺餘力的研發,是否真足以於近期內獲致成功,評論家依然多所質疑。有人認為,在燃料電池車上所下的功夫,不過是車商為了以後照樣能有生意做,而放出的煙幕彈,這種猜疑遲遲揮之不去。車商高階主管則回應,他們預見,長遠下來沒有比氫燃料電池汽車更佳的選擇:因為所有實用的替代產物,例如結合內燃機引擎與電化學電池的複合動力車,仍舊是燃燒石化燃料,並且會產生二氧化碳與製造污染。


    絆腳石
    在德國萊朋至法蘭克福這段約225公里的高速公路上行駛兩小時,F-Cell與典型內燃機引擎汽車之間最顯著的區別,便足以顯現出來。不到90分鐘,F-Cell就會因耗盡燃料而在路肩動彈不得,而且很難找到補充燃料的處所。F-Cell和所有氫氣動力車系所攜帶的氫氣,均不足以滿足車主所期望的至少480公里的續航力。而且由於充氣服務站仍然數量稀少又距離遙遠,燃料的補充就是個大問題。因此,儘管汽車製造商勾勒出光明的願景,又喊出樂觀的口號,眾多技術與市場上的挑戰,仍不免延誤燃料電池房車推出的時程,即便不到幾十年,至少也要好幾年。

    在豐田Prius與本田雅哥Hybrid車系的車主,能將愛車折價換購更環保的車種之前,汽車製造商與供應商,必須先設法找出可充份提升車上攜帶貯氫能力的方法,再把燃料電池動力傳動系統的價位,壓低至現有成本的1/100;同時,還得將動力裝置的運轉壽命延長五倍,並且增加運動休旅車以及其他重型車動力系統的輸出能量。最後,要駕駛這些車輛,全世界的加油站,也全都得換成裝填氫氣的基礎設施才行。

    這一切在短期內能否萬事俱備?連一些汽車製造商都持保留態度。豐田汽車先進技術事業群的美國區經理賴納特表示:「大量量產可能是25年後的事。我不奢望成本能充份減低,而對於氫氣貯存課題的對策、以及如何在車體內塞進這些龐大的設備,又不減其市場性,我也感到十分悲觀。」從一個現象可明顯看出,燃料電池車仍是在進展中的產物:幾乎所有車商代表,都要求政府增加對基礎研究與氫氣分裝設備的投資,以協助他們克服難關。

    車用氫燃料電池的核心,是一片薄薄的氟碳聚合物,稱為質子交換膜(PEM),它身兼電極(用以傳遞電荷)與防止氫燃料與氧混合的阻障物等雙重功能。當隔膜表面的觸媒使氫原子上的電子游離時,即產生電力,供應燃料電池汽車動力。接著,電荷載子(氫離子或質子)穿透隔膜,與氧氣和一個電子結合而形成水,這也是唯一產生的廢料。多個單電池單體組合起來,則成為所謂的電池組。

    PEM燃料電池可將導入燃料中55%的能量轉化為功輸出,因而獲得工程師的青睞;內燃機的效率則為30%左右。其他優點還包括運轉溫度較低(80℃)、安靜且安全性佳、操作容易以及維修需求低。

    燃料電池車要於2015年前開始銷售的展望,則有賴於隔膜技術的改良。燃料電池組的成本中,隔膜所佔比率達35%。研究人員列出若干必要加強之處,例如減低隔膜兩側的燃料穿透度;提升隔膜的化學與機械穩定性,使之更為耐用;抑制非預期之次反應,以及提高對燃料雜質或反應中多餘副產物(如一氧化碳)等污染的耐受性。而最重要的,就是要能全面降低成本。

    去年秋天,關於隔膜技術「重大突破」的新聞,在燃料電池研發界引起騷動。坐落於美國加州山景城的小公司「聚合燃料」(PolyFuel)宣佈,該公司已研製出聚合物碳氫化合物隔膜,號稱比目前的全氟化隔膜具有更優越的性能,且成本更低廉。聚合燃料執行長巴爾科姆得意地笑著說:「這玩意兒看起來活像個三明治捲。」他自豪地舉出一堆理由,說明那玻璃紙般的隔膜,性能為何比一般的全氟化隔膜,尤其是杜邦知名的Nafion材質,來得優異。

    較之於現有的隔膜製品,碳氫化合物隔膜可於更高的溫度下使用(高達95℃),因此可以使用較小型的散熱器。巴爾科姆宣稱,其壽命比氟碳製品長50%,產生的動力也多出10~15%,並可於濕度更低的環境下運轉(因此問題較少)。此外,氟碳隔膜的成本約為每平方公尺300美元,聚合燃料研製的材質成本卻可能只有一半。雖然很多其他研究人員仍對碳氫化合物隔膜存疑,本田最新款的FCX系列燃料電池車卻已經開始採用了。

    觸媒的難題
    PEM隔膜的另一運作關鍵,則是鍍於隔膜兩面的薄層鉑觸媒,佔電池組成本的四成。觸媒同時幫助來自燃料的氫與來自空氣的氧分子分解、解離、釋放或接受質子與電子,而發生氧化反應。在隔膜的氫氣側,氫分子(即兩個氫原子)必須連接於兩個緊鄰的觸媒部位,從而釋出帶正電的氫離子(即質子)穿透隔膜。氫離子與一個電子和氧配對時,氧氣側便發生複雜的反應,然後產生水。這個反應可能生成過氧化氫之類的有害副產物,進而損傷燃料電池元件,因此必須巧妙地予以控制。

    由於貴金屬成份的成本不斐,研究人員正絞盡腦汁降低鉑的含量。他們不僅致力於尋覓提升觸媒活性的方法,好以較少的用量達到相同的輸出動力,還嘗試做出不會經時耗損,又能避免次反應污染隔膜的安定觸媒結構。3M公司的研究人員最近成功提升了觸媒的活性,他們製作出具有奈米結構的隔膜,表面密佈著細微的柱狀物,大幅增加了催化面積。其他研究工作則著重於別的材料,涵蓋鈷或鉻等非貴金屬,以及成份為嵌於多孔複合物結構中的微小顆粒的觸媒。

    提高車上的氫氣貯存量
    燃料電池車擁護者最大的憂慮之一,是工程師如何能將足夠的氫弄上車,以達到消費者所要求的行車里程數。640公里左右的路程,需5~7公斤的氫,當今燃料電池原型車卻只能承載2.5~3.5公斤。加拿大溫哥華市的燃料電池組大廠巴拉德動力系統公司執行長坎貝爾表示:「沒人確知如何在合理的容積範圍內,使貯氫量倍增。」

    常溫下,氫氣通常以高度壓縮氣體的形式貯存於壓力瓶中。現有複合物壓力瓶的壓縮容量,約為每平方公分352公斤重,許多工程團隊正嘗試使其倍增。不過,兩倍的壓縮量並不等於兩倍的存量。以-253℃貯氫的液態氫系統已測試成功,但卻有重大的缺陷:燃料所產生的能量中,約有1/3必須用來維持低溫,使氫得以保持液態。且儘管這些系統具有厚重的絕熱措施,每日從封口蒸發而損耗的氫氣量,約為總存量的5%。

    幾種替代的貯氫技術正在開發中,但尚未有令人驚豔的進展。通用汽車研發與計畫部門副總伯恩斯指出:「實驗室裡的展示品,距離一套設計完善、價格合理、持久耐用又輕巧的貯氫系統,還有段不小的差距。」

     

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