【汽車基礎教室】燃料電池 ( 上)

石油沒了怎麼辦?

          在二十世紀的人類生活中,電與石油這兩種新興資源已經與人類活動密不可分了,不過到了二十一世紀,科學家都預言未來沒石油了,那未來人類會採用何種更新的資源來當動力呢?

石油真的會用完嗎?

        雖然很多科學家都說,石油再過5~60年就會用完,真的嗎?其實不然,我們知道石油都是古代生物遺骸的沉積物,而生物最多的地方在哪裡?你總不會以為在陸地吧?地球上生物最多的地方在海洋,所以就算陸地上的石油真的在5~60年後再也挖不出來,海洋的石油應該還是很多。

不過雖然海洋石油很多,但開採成本勢必較陸地高出好幾倍,因此而提高的汽油價錢勢必高到消費者無法負擔的程度,而且石油除了拿來當燃料之外,其他的石油聚合物產品更是需要石油,所以大概再過3~40年石油越來越貴後,石油的用途就不會是燃料了。

現在的燃料電池已經不佔車室空間了喔。

用不完的燃料

        其實在中南美的人早就不擔心沒汽油的問題了,他們用的是甲醇/就是酒精/就是台灣人所知道喝了會瞎眼的假酒原料,甲醇可以從植物提煉,所以不會有枯竭的問題。

那甲醇燃料跟汽油有什麼不同呢?首先,一般車的供油管路並不能抵抗甲醇的侵蝕,管路必須是不鏽鋼製品才行,在美國,為了推廣甲醇燃料,通常會將這多出來的成本自行吸收,如果不吸收,車價就會多出1000多元美金。

用甲醇有哪些優點呢?第一,它比汽油便宜。第二,它的出力比汽油大一些。第三,甲醇車可以各種比例使用汽油及甲醇,是所有汽油代替方案中可以直接混用汽油的少數案例,不像瓦斯車有氣瓶及油箱占空間。第四,甲醇是液體,傳統加油站不需改裝,可以直接儲存甲醇。第五,甲醇可溶於水,甲醇火災可用水直接撲滅。第六,甲醇燃燒完全,NOxHCCO等有毒氣體幾乎沒有,完全符合未來『零』空污的排氣要求。

燃料電池就是這麼裝上車的。

        那甲醇的缺點呢?第一,它有毒,喝下去輕則失明,重則死亡。第二,甲醇比汽油難發動,所以在中南美有些人會加一些汽油在油箱內以利發動。第三,有些國家食用農作物都不夠吃了,更別說種植甲醇農作物了。第四,雖然甲醇燃燒乾淨,但CO2還是會大量產生,在溫室效應越來越嚴重的情況下,CO2的法定排放量勢必越來越低,未來一般人的CO2配額勢必管制。

不過小編倒是很看好甲醇燃料的未來,只要未來石油越來越少,汽油越來越貴,勢必會讓很多人選擇以甲醇做燃料,而且現行引擎要用甲醇早就不是問題了,所以在純氫燃料電池尚未成熟前,引擎這東西還會活好一陣子,不過是改燒甲醇罷了。

這就是燃料電池的分解圖,那一片片的就是高分子陽離子交換膜片,片數越多電力越大。

不排廢氣的只有一種       
雖然甲醇幾乎沒有枯竭的問題,也幾乎沒有空氣污染的問題,但只要是以碳氧化合產生動力的方式,那就無法避免CO2的產生,但在溫室效應的前提下,遲早是會禁止一般人排放CO2的﹙應該不包括呼吸,烤肉就不知道了﹚,所以還是要有其他的解決之道。

要沒有廢氣排放,最簡單的方法就是用電動馬達,馬達擁有許多引擎根本沒有的優點,馬達體積小、重量輕、馬力大,而且馬力大就算了,重點是馬達是定馬力動機,定馬力動機的優點是不用變速箱。一般人可能很難理解馬達為何不需要變速箱?在此就先以定扭力動機的內燃機引擎以下稱引擎來說明。引擎的馬力是變動的,轉速越高馬力越大,所以在低轉速時的扭力就不夠,所以需要低速檔位的高齒比來放大扭力,以利起步、加速、爬坡等動作,但高齒比會降低速,所以必須再配合高速檔位的低齒比,這樣極速才做得出來。當然,如果只有高低速兩個檔位,那動力一定會銜接不良,所以檔位就越做越多了,做到後來連省油用的OD檔都出現了。

燃料電池的原理就是氫+氧=水+電,然後車就會動了。

        但定馬力的馬達就不一樣,馬達的馬力幾乎是恆定的,所以低轉速時扭力超大,高轉速時扭力超小,所以只要減速比設定得宜,不用變速就可以包辦起步、加速、爬坡、速等動作。再加上馬達小而有力的特性,馬達可以直接裝在輪胎內,透過一組減速齒輪直接驅動,完全不佔車室空間,要前驅、後驅、全,完全都不是問題。看看台鐵或捷運的電聯車頭,你有感覺到馬達去什麼空間嗎?馬力有不夠用的嗎?

除了有力又小之外,馬達還有其他優點,例如安靜。馬達只有運轉聲,沒有排氣聲。馬達比引擎成熟,幾乎免保養,壽命又比引擎長,如果使用馬達做為動力,車輛保養檢查維修的次數將巨幅降低,這樣大車廠就不用在地狹人稠的都會區設太多修車廠,將能巨幅節約社會成本。

石油沒了怎麼辦?

雖然馬達在各方面的表現都優於引擎,但在動力來源上可就完全吃虧了,引擎只需要幾十公升的油箱,就可以讓車跑幾百公里,加油也只需幾分鐘。反觀馬達的電力來源,除了電聯車有電纜源源不絕的提供電力之外,在可自由移動的車輛上,目前最成熟的電力來源只有電池,更精準的說是可逆式化學變化電池,這種電池的功率容積比奇差無比,往往幾百公斤重的電池,只能讓車以低速行駛100多公里,充電又要好幾個小時。而且因為電池太差了,車上不會再加什麼增加車重的配備,也不會用高性能馬達,更不可能用重拖的高性能大輪胎。以一般人的用車需求而言,這車與廢物沒兩樣。不過,有一種古老的電池可能可以同時解決體積、重量、功率這三大問題喔!那就是『燃料電池』。

咦?四門Focus出來幹麼?因為它也是用燃料電池的啊!還是TH!NK的燃料電池喔!而且四門Focus用的是最正宗的氫氧燃料電池設計。氫坦克壓力高達5000psi喔。

        
最早發現燃料電池的人是一位英國律師,在1839Sir William Robert Grove發現到在氫氣與氧氣結合成水的過程中,會有電流的產生。不過這項發現後的一百多年間,只不過是一則躺在圖書館的論文而已,畢竟當時對電感興趣的人沒那麼多,而在使用電的二十世紀,任何一種發電方式都比燃料電池便宜太多了,於是燃料電池的運用直至1960年代才成真。
60年代的美國,為了一雪第一位太空人是蘇聯人的恥辱,決定了超大膽的『阿波羅』登月計畫,但這計畫與蘇聯的送人上地球軌道計畫有很大的不同,因為時間長短差很多,而電腦的運作與人員的維生都需要電。如果是短短的幾小時,那用傳統電池就能打發,但登陸月球前後將近一個禮拜的時間,是不可能帶那麼大的電池上太空的,於是塵封百餘年的燃料電池被提出來了。

在真空的太空中,是不會有氧氣可供發電機引擎燃燒的,氧氣要帶上太空,而且太空人更需要氧氣,所以必須利用最少的氧來產生最大的電能,一般的發電機只有30~40%的能源轉換效率,比起氫氧燃料電池60~80%的效率,當然是採用燃料電池才能減輕太空船重量,而且燃料電池的副產品『水與熱』,更是太空人用得到的東西,這就是燃料電池走出實驗室的首次實用。這也就是你在看電影『阿波羅十三』裡爆炸的氫氣筒,也就是因為少了一顆氫氣筒,導致後來需要暫時關電的後果,因為電不夠用了。

而且還有可分離底盤的Focus喔。

燃料電池的燃料

        然後,有關燃料電池的實用化,因為其他發電方式實在太便宜了,所以又遭人遺忘,那燃料電池到底貴在哪?在地球上到處充滿氧氣,所以氧氣是免錢的。那氫有多貴,目前美國價格約每公升70美分吧,折合台幣約24.5元,是汽油的2.3倍,所以在短期內,大家不會接受此價格,除非氫氣降價或汽油漲價。
所以現在很多車廠將歪腦筋動到便宜的天然氣或甲醇之上,利用金屬觸媒將碳氫化合物中的氫分離出來給燃料電池用。但我為何會說是歪腦筋呢?因為,天然氣也是礦藏,雖然比石油多,但還是會有開採完的一天,而甲醇雖然種就有,但這些燃料都可以給現代引擎用,何必買甲醇燃料電池車,而且不管是給燃料電池用或是引擎用,都不會有空污,但都會產生CO2,還是會增加溫室效應。

就像人類的交通工具發展一樣。
所以,燃料電池用純氫才是正道,但純氫是怎麼來的?很簡單,大家國中都做過,就是電解水,水被電解之後就會產生氫跟氧。不過,拿電來電解水,說真的,不要說台灣,就連很多歐美國家都有限電危機,怎麼可能拿去做電解水的動作,就算電解出水,成本也會相當驚人。再說,世界上最大宗的發電方式還是火力發電,就算廢氣處理的很乾淨,還是會產生CO2,如果用火力發電廠發的電來製造純氫,那就整個地球的溫室效應來說有什麼不一樣,甚至因為層層的能源轉換,反而浪費了更多能量,製造更多CO2,所以除非使用其他發電方式。

就經濟價值而言,核能是最適合的,但核能發電的後遺症到目前還無解,還是能不蓋就不蓋。而水力發電有天然環境的限制,不是想蓋就能蓋的,很多水利設施已經嚴重的破壞環境了。而風力、太陽能、潮汐、地熱等環保的發電方式又產量極低。

不過,事實也並非如此,就像現在主要產油國就幾個,卻是全世界都在用石化產品一樣,全球的資源並不是平均分配的。有關純氫的的生產倒是有些國家野心勃勃,例如冰島。冰島擁有大量的水力及地熱資源,目前全國的電力使用消耗不到1%,所以當世界上開始煩惱用電解水生氫的成本太高時,冰島倒是想成為燃料電池時代的科威特目前產油大國。他們相信在未來冰島大量而廉價的氫會有大量的市場需求,尤其是當汽油比氫貴,全球CO2限產之後。而像冰島一樣環保發電資源多到用不完的國家還有,未來這些有多餘電力的產氫國,對世界的影響力將不輸目前的石油輸出國組織。

車車燃燒的東西也會變,從汽油到甲醇最後到純氫。所以加純氫才是才是王道啦!

認識燃料電池
雖然大家常常聽到燃料電池,也知道它的運作概念,但在此還是為一些初學者做些講解吧!燃料電池其實有五種:鹼性燃料電池、磷酸燃料電池、液化碳酸鹽電池、固態氧化物電池和高分子陽離子交換膜燃料電池。不過主流一直是高分子陽離子交換膜燃料電池。

高分子陽離子交換膜是以聚四氟乙烯為原料製成的,然後將交換膜放於電解槽中,做為陰陽極阻隔物,利用陽極中的氫氣和陰極中的氧氣,經過交換膜而形成的電化學反應,產生水並釋放出電子形成電流,然後就可以將電存入電瓶,或是驅動電器。這說起來還真是簡單。

燃料電池的發電方式簡單,因此體積比傳統的發電機小了很多,再加上它的能量效率高、工作溫度可以低於100有的燃料電池溫度高近900,功率密度高,使用壽命長,因此可使用範圍很廣。上至太空、下至海底、小到手機、大到卡車都很適合。所以不要以為只有車廠在注意燃料電池,手機廠、筆記型電腦廠、PDA廠等個人行動電器廠商也都密切注意燃料電池的發展,看來未來手機待機一年不是不可能的事。

小編很奇怪的是,這陽離子交換膜在1960就開發出來了。對!就是雙子星、阿波羅上用的,那為何到了近幾年,燃料電池才開始有商用化的蓬勃發展,這是杜邦的問題,還是整個大環境的問題?