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摘要：燃料电池必会给汽车动力带来一场革命，燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力装置。预期燃料电池会在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域发挥重要作用。同时，燃料电池有很好的市场前景。
关键词：燃料电池 电动车
前言
下世纪能源汽车最有发展前途的首推质子交换膜型 (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 燃料电池电动车(FCEV, Fuel Cell Electrical Vehicle)，质子交换膜型燃料电池具有高效率、常温动作、快速启动的优点，适合车辆力的需求。事实上，除了燃料电池电动车之外，似乎又找不到可以取代时下传统燃料技术汽车。
燃料电池技术的发展
在1839年，英国人W.Grove就提出了氢和氧反应可以发电的原理，这就是最早的氢-氧燃料电池(FC)。但直到20世纪60年代初，由于航天和国防的需要，才开发了液氢和液氧的小型燃料电池，应用于空间飞行和潜水艇。近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出，要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。燃料电池技术在21世纪上半叶 在技术上的冲击影响，将会类似于20世纪上半叶内燃机所起的作用。燃料电池必会给汽车动力带来一场革命，燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力装置。预期燃料电池会在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域发挥重要作用。同时，燃料电池有很好的市场前景，美国Arthur D.Little公司最新估计，2007年燃料电池在运输方面的商业价值将达到90亿美元。
燃料电池电动车发展的背景
目前大量生活消费的结果，造成地球温暖化的问题，作为20世纪文明象征之一的汽车虽带来各种便利，但其造成的负面影响同样也是很突出的。1997年12月在日本京都召开的防止地球温暖化COP3会议 (The 3rd session of the Conference of the Parties to the United Nation Framework Convention on Climate Change)，先进国家已达成在2010年减少5% Co2排放的共识，为达成既定的目标，各国都致力于核能发电设备的更新、太阳能发电、风力发电、生物科技与能源、高效率发电等新兴能源开发，核能发电因公害及安全顾虑，争议甚多，太阳能发电因能量转换效率问题，要普及化则需要再改进，为防止地球温暖化，污染严重的机动车辆似乎只有寄望于氢气能源了！事实上，20余年前BMW即从事氢气引擎开发，惟仍有若干技术瓶颈待突破致一直停滞不前，而燃料电池当时多为静置型发电厂 (磷酸盐型燃料电池) 使用，亦曾应用于太空领域，发展质子交换膜型燃料电池电动车则是最近几年的事，世界各大汽车厂莫不卯足全力发展燃料电池电动车，目前限于燃料电池与周边系统的成本仍然高昂，何时量产问市众说纷纭，无论如何，21世纪都将是氢气能源发展的时代。
燃料电池电动车的特征
l 直接能量转换，最高作动温度约80℃，不像传统内燃机引擎之高温燃烧现象
l 能量应用高效率，低污染排放，具备使用替代燃料可能性 (除纯氢气外，甲醇、汽油等液体燃料亦可经由重组为富氢气 (hydrogen-rich) 使用)
l 低负载状态下较传统内燃机引擎拥有较佳效率
l 以燃料电池取代传统内燃机引擎的车辆，省能源可达50%以上，CO2排放降低75%以上，大量减少有毒物质排放
l 燃料电池电动车补充燃料容易，可迅速获得动力，相较于传统电动车充电时间长的缺点，具机动性
燃料电池电动车的系统组成
组成燃料电池电动车的动力系统有三个关键零组件，即
l 重组器(reformer)：
将甲醇、汽油等液体燃料重组为富氢气(hydrogen-rich)气体燃料，提供予燃料电池反应。
l 燃料电池(fuel cell stack)：
燃料电池是燃料电池电动车的动力源，其提供氢气与空气中的氧气反应并产生电流与电压，同时产生废热(水)等副产物。
l 电力转换器(inverter／converter)：
将燃料电池产生的电力转换为直流电或交流电，或具备升压或降压以调整电力输出者。
燃料电池电动车普及化的课题
(1)氢气燃料的供给
日本经济产业省原来预估2010年底，燃料电池电动车可以达到5万台，2020年达到500万台的目标，目前看来似乎有些过热，各个车厂开始以较务实的态度对应这件事情。众所周知，燃料电池电动车系以燃料的氢气与空气的氧气反应，以其产生的电力推动马达而得以行驶者，相较于传统电动车，燃料电池电动车的燃料电池可视为小型发电厂，且燃料电池电动车可以改善传统电池过重、电能容量及长时间充电的缺点，燃料电池发电可视为水电解的逆反应，发电过程中只有水份的排放，是清净的动力能源。Toyota预定2003年燃料电池电动车商品化，且希望将价格訂在日币1000万元以下才具产品竞争力，惟短期的一至二年，燃料电池价格不易降至数百万日元内，同期从事研发工作的Honda、Daimler Chrysler、Ford等车厂都认为燃料电池电动车发展的难题是─氢气燃料的供给！特别是氢气供应站与氢气燃料的环境整备 (infrastructure)，燃料电池电动车可以纯氢气为燃料，抑或以碳氢系燃料如甲醇、天然气、汽油等经由重组取得富氢气燃料，其热值等性质虽各有所长，以储存性与管理而言，甲醇与高品质的汽油经由重组似乎较具优势。
(2)燃料重组
燃料重组，最大的问题在于重组过程中造成的高温现象，甲醇重组时温度约300℃，汽油重组时的温度则高达800℃(碳与氢分子键结强，不易打断)，已经在道路行驶测试(fleet test)的甲醇重组方式燃料电池电动车，因为高温而需要配置大型冷却风扇，衍生令人不快的噪音问题，虽然静肃性 (如：马达运转等) 较传统电动汽车优越，燃料重组时大型冷却风扇噪音问题亦不得不重视，又大型冷却风扇亦会造成能量消耗，燃料重组方式燃料电池电动车因兼顾能源效率与噪音问题，事实上、较Toyota 的Prius 的复合动力能源效率相异不大，看不出燃料电池电动车的优势，更何況燃料重组时并非百分之百的零污染，仍有一定量的CO2排出！以甲醇重组并完成日本道路行驶测试的Mazda认为“唯有以纯氢气作为燃料的燃料电池电动车才具有挑战性！”甲醇与汽油重组衍生的各种问题，特别是高温，是燃料电池电动车普及化的障碍，另外，高效率的重组器开发亦刻不容缓。
(3)纯氢气燃料储存方式
纯氢气燃料，似乎是燃料电池电动车未来可能普及化的燃料供应方式，然而氢气的储存却是另一问题点，目前即使是气密性最佳的燃料容器，放置一边很可能即漏失完毕！可能的现象是，边末有事未出门，隔边出门时氢气容量所剩无几甚至完全漏失完毕。氢气燃料储存方式有高压储氢(compressed hydrogen gas)，可能引发安全上的顾虑，理论上较高的压力储氢量越多，惟储氢材料、容器价昂，尤其是燃料电池电动车，这种移动式载具必需严肃考量碰撞的安全性；低温储氢，要储存氢气燃料于 -273℃环境且应考虑前述漏失问题，其所需低温储存处理的能量消耗亦不容忽视；较安全且可行的储氢合金(metal hydride)，其储存效率多在1.5~2.0wt%，储存效率仍有极大的改善空间。
(4)纯氢气燃料制造方式
依照日本经济产业省预估2020年达到500万台的燃料电池电动车目标，相当于一年需要37亿5000mm3的氢气，这样的消耗量单靠天然气提炼氢气是不可能符合需求，況且在精制氢气时亦会衍生一定数量的CO2排放，与降低CO2排放诉求的燃料电池电动车互为矛盾，CO2排放只是改变为燃料电池电动车以外发生的场所罢了！为了不增加制造纯氢气燃料时所带来的环境污染，以太阳能发电的电力对水产生电解制造纯氢气似乎可行！实际上，Honda 在美国加州的研发中心即利用太阳能发电制造纯氢气，并由供应站供给氢气进行相关实验，单以太阳能发电制造纯氢气即可获得一年约7600L，相当于每天20.8L氢气，以目前供给氢气1.0L行驶1.8km的实验车为例，每天可行驶37.4km，一年可累积里程13,680km，不过、配置在每台燃料电池电动车上的太阳电池面积需求量是车辆的4倍，太阳电池的能源利用效率与如何小型化又是另一个课题！
(5)燃料电池价格
目前燃料电池因需要使用一定量配方的贵重金属，燃料电池试作厂预估短期内不易降至量产化价格，燃料电池关键零组件中的膜组合体，贵重金属如何降低使用量，开发耐高温(200℃)与耐不纯物的质子交换膜等都是当前重要的课题。
结语
现阶段燃料电池电动车普及化最大的课题是，氢气的储存方式与供给体制。如何增加氢气储存效率(开发高效率储氢合金材料)与氢气供应站的普及化都是攸关燃料电池电动车技术能否普及化的因素。而欲促进燃料电池电动车普及化，现阶段与未来应朝下列几个方向发展：
l 增加重组过程中富氢气的比例
l 改善反应气体供应方式
l 改善氢气的使用效率
l 改善燃料系统对硫成分的抗性
l 缩短启动时间
l 动力系统的热管理
l 动力系统的最佳化设计
l 减少燃料电堆的容积与重量
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