氫動力捲土重來?燃料電池商用化障礙分析

資料來源：Goo 車訊網 2012/04/30

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文許鴻德

在21世紀的前幾年，被視為最清潔的「氫動力」成為汽車產業的希望所寄、德國BMW集團更投入了數十億歐元的研發經費，然而電池動力卻成了之後的科技主流，氫動力也淡出了主流媒體的視線。不過德國車廠並未放棄氫動力，不論是在2011年的法蘭克福車展、還是2012年日內瓦車展，Mercedes車廠都高調發表了氫動力概念車，並承諾將在2014年量產燃料電池車輛。在沈寂了數年之後，氫動力能否捲土重來？

Daimler集團主席Dieter Zetsche經常大聲呼籲氫動力的好處，Mercedes車廠也推出一系列相關概念車型。
未來汽車的動力來源將是什麼？多數專家同意「氫動力」的種種優點看似是完美解答，但即使各大車廠傾全力研發（BMW已投入超過10億歐元、還準備再投入10億歐元），在燃料電池誕生已超過30年的今天、似乎仍有幾大障礙無法克服。多數人相信氫動力車改變世界的那一天應該在30到40年後，「大家說『氫動力』是未來的希望，在我的眼中、氫動力永遠都是未來的幻影」J.D. Power的研究員Walter McManus繼續說：「換句話說，『氫動力』只會在科幻小說中出現！」體認到類似氫動力的全新動力來源無法在幾年內改變世界，幾年前多數車廠也收起幻想與不切實際，審慎考慮以現有技術為基礎、提供給消費者面對油價危機的立即解答。包括Hybrid汽電混合動力引擎、先進柴油引擎與使用改良燃料（包括植物油或氫氣）的內燃機引擎是目前檯面上的選擇。

除了普通消費者之外，美國軍方也開始測試氫動力車輛的實用性。
德國車廠不放棄氫動力技術
截至目前為止，Hybrid混合動力系統與純電池動力仍是節能車輛市場的主流技術，但為數不少的汽車製造商從未放棄使用「氫能源」作為未來的零排放能源。Daimler集團主席Dieter Zetsche在2011年法蘭克福汽車展對全球媒體大談特談「氫能源的好處」，他還表示將氫能源轉化為電力的燃料電池是唯一能保留駕駛者之前習慣的續航里程、動力輸出和行駛舒適度的替代性能源：「除了沒有廢氣排放，氫動力提供了消費者過去駕駛車輛所習慣的一切！氫是宇宙中最常用的元素，每個國家都可以製造氫能源（而不必仰賴中東石油巨頭）並且永不枯竭。因此它是最平民化的燃料」。去年Daimler集團推出了一款鷗翼概念車F125，這款車可靠氫燃料電池和電池動力驅動，加滿一次可行駛600英哩之遠。無獨有偶，日前德國財經雜誌《WirtschaftsWoche》在報導中引用某知情人士表示，GM與BMW集團有望合作研發使用於民用車的氫燃料電池技術，未來BMW將投入研究經費以交換GM擁有的相關技術。

過去BMW集團主張開發以氫氣為燃料的內燃機引擎、而非以氫燃料電池轉換成電力來驅動電動馬達的方式（多數其他車廠的氫動力研發方向），BMW的代表作是2000年推出的BMW 750hL。
G.M集團負責燃料電池業務的執行董事Charles Freese在接受訪問時證實GM的確已經與BMW集團進行過討論，未來雙方將致力降低該氫動力技術的生產成本：「過去15年來我們一直在研發燃料電池系統，未來我們會大力推廣該技術」。BMW和GM以前曾與Daimler集團聯手開發雙模混合動力系統，研究成果之後用於GM旗下的大型SUV車型。過去BMW集團主張開發以氫氣為燃料的內燃機引擎、而非以氫燃料電池轉換成電力來驅動電動馬達的方式（多數其他車廠的氫動力研發方向），BMW的代表作是2000年推出的BMW 750hL，這款車可說是BMW展現當時氫動力技術的代表作：該車搭載一具排氣量5.4公升、可使用汽油與液態氫兩種燃料的V12引擎，後座行李箱內則有一個容量為140公升的液態氫冷凍儲存槽。然而在與GM集團合作之後，BMW很可能轉而投效氫燃料電池的行列。

氫動力的種種優點
使用石油燃料（汽油或柴油）內燃機為汽車動力來源的最大缺點，當屬不論是汽油、柴油、醇燃料（甲醇與乙醇）與甲莞在燃燒後都會產生碳氧化物（COx）的污染物，但用氫氣作燃料的排放物只有水，氫氣動力一口氣解決了兩個基本問題：所排放廢氣的污染問題（車輛廢氣已成為全球主要空氣污染源之一）和石化燃料的可持續使用問題（如今石油資源日益枯竭，油價長期看漲）。氫具有非常高的能量密度，釋放的能量足以使汽車引擎運轉，因此許多科學家預言，以氫為能源的燃料電池是本世紀汽車的核心技術，它對汽車工業的革命性意義就相當於1960年代CPU對於資訊工業一般重要。而且氫為二次能源（可循環使用），既容易取得（直接由太陽能電解海水即可獲得）又不導致環境污染，堪稱最理想的汽車燃料來源！氫燃料電池擁有電動車與氫氣動力來源的優點，卻沒有氫氣直接燃燒的相關技術限制，可說是目前最具可行性的氫動力技術。燃料電池的最大優勢就在於轉換效率高出內燃機引擎近四倍！工作過程不涉及燃燒、無機械損耗，比蒸汽機、內燃機等能量轉換效率要高得多。

除了概念車之外，Mercedes車廠也嘗試過替量產車型換上氫動力系統。
由Toyota等車廠的實驗得出結論，汽油引擎效率從油箱到車輪為16％、而氫燃料電池車為60％！燃料電池也很少需要維修，因為氫氣未含腐蝕性雜質，也沒有積碳阻塞燃燒室。世界上首款量產燃料電池車型：Honda FCX Clarity已於2008年夏天問世、並提供給美國洛杉磯的特定顧客貸款購買。上市之前FCX的預訂名單包括許多名流大亨，許多人相信一旦氫氣加氣站逐漸普及化，你我駕駛燃料電池車輛的那一天不用再等太久。許多讀者可能好奇種種跡象顯示「氫能源」將成為新工業時代的基礎，那為什麼電池動力車輛目前仍聲勢浩大？純電池動力汽車得到更多關注的原因之一是目前這類產品已在市場上銷售：Nissan Leaf推出至今超過一年，而BMW i系列等其他車型也將在兩年之後問世。GM集團的歐洲品牌Opel也開始接受Opel Ampera（Chevrolet Volt的孿生兄弟）的訂單。但對於銷售眾多大型SUV產品的GM及還擁有Freightliner品牌商用車的Daimler集團而言，石化燃料價格越來越貴對於他們的業務來說是「真正的威脅」，特別是對大型商用車來說，現有的二次電池重量太重而且續航能力有限、因此無法解決問題。

GM集團高層於2010年證實他們正在測試體積小、重量輕、成本低的「實用化導向型」燃料電池系統。
加氣站普及將成為未來成敗關鍵
雖然已投資近20億美元於燃料電池開發，GM集團對於其「氫動力」計畫仍相對低調，同時也研發插電式混合動力和電池動力系統。不過GM集團高層於2010年證實他們正在測試體積小、重量輕、成本低的「實用化導向型」燃料電池系統（昂貴的鉑催化劑用量已從80克減少到30克），預估可在2015年實現量產並用於民用車型。雖然燃料電池的量產成本逐漸降低，但氫動力車輛距離真正商用化還有一個最大障礙：氫氣的儲存技術障礙與氫氣加氣站嚴重不足。氫氣儲存技術的問題在於：在室溫與室壓下，氫是以氣體狀態存在、而氣體狀態的氫元素有著「能量密度太低（即每單位體積的氫氣所含能量低於石油太多）」的問題，就算冷卻到零下253度，每單位體積的液態氫所含的能量密度仍只是相同體積石油的25％、這意味著氫動力汽車必需搭載普通汽車大上4倍的油箱（還有維持低溫狀態的技術瓶頸）才能擁有相同的續航距離，過去BMW研發人員的首要課題就是如何在車上保存低溫液態氫並儘可能縮小油箱體積？另一個難題是如何確保液態氫在冷凍儲存槽輸送到引擎燃燒室的過程中沒有洩漏或是蒸發？

Honda FCX Clarity已於2008年夏天問世、並提供給美國洛杉磯的特定顧客貸款購買。
2000年BMW開發出新一代的冷凍儲存槽（Cryotank）已經取得這方面關鍵性技術的突破！由於車內的氫氣儲存設備太重，氫動力車輛只有在有加氣站網路密集的市場才能滿足日常用車需求，也難怪Daimler集團主席Dieter Zetsche大聲呼籲：「技術已經有了，現在我們需要的是氫氣加氣站」。德國燃料電池和氫能協會的政策董事James Warner日前表示德國境內將開始大量建設氫能源的相關基礎設施，Daimler集團也已經於工業用氣供應廠商Linde合作、計畫未來三年在德國建設二十幾個公共站加氣站。Toyota、Honda、Daimler和Hyundai/KIA車廠則共同表示有能力在2015年左右在美國市場推出量產化氫動力車型，但是加氣站基礎設施的佈建緩慢可能使這一時間表發生變化。看來你我若想要早一天享受氫動力的種種好處，恐怕還要向政府單位多多施壓。