燃料電池車

燃料電池車是電動車的一種，其電池的能量是通過氫氣和氧氣的化學作用，而不是經過燃燒，直接變成電能的。燃料電池的化學反應過程不會產生有害產物，因此燃料電池車輛是無污染汽車，燃料電池的能量轉換效率比內燃機要高2～3倍，因此從能源的利用和環境保護方面，燃料電池汽車是一種理想的車輛。^[1]

簡介

燃料電池汽車是指以氫氣、甲醇等為燃料，通過化學反應產生電流，依靠電機驅動的汽車。其電池的能量是通過氫氣和氧氣的化學作用，而不是經過燃燒，直接變成電能或的。燃料電池的化學反應過程不會產生有害產物，因此燃料電池車輛是無污染汽車，燃料電池的能量轉換效率比內燃機要高2~3倍，因此從能源的利用和環境保護方面，燃料電池汽車是一種理想的車輛。

單個的燃料電池必須結合成燃料電池組，以便獲得必需的動力，滿足車輛使用的要求。

與傳統汽車相比，燃料電池汽車具有以下優點：

1、零排放或近似零排放。

2、減少了機油泄露帶來的水污染。

3、降低了溫室氣體的排放。

4、提高了燃油經濟性。

5、提高了發動機燃燒效率。

6、運行平穩、無噪聲。

原理

燃料電池汽車的氫燃料能通過幾種途徑得到。有些車輛直接攜帶着純氫燃料，另外一些車輛有可能裝有燃料重整器，能將烴類燃料轉化為富氫氣體。單個的燃料電池必須結合成燃料電池組，以便獲得必需的動力，滿足車輛使用的要求。

相關問題

燃料電池車輛需要解決的問題

對於純燃料電池車或基於氫能源的其他類型車，如何合理控制制氫成本和建立社會網絡化的儲氫站是一個重要的問題

據了解，儲氫技術基本上有三種，一是在超低溫-253°將氫呈液態保存，二是用高壓(約5000磅/平方英寸)壓縮氣態氫，提高能量密度，三是用金屬氫化合物在普通常溫下儲存氫;具體來說，燃料電池電動車尚需攻克的解決的問題主要有：

(1)氫氣燃料的供給

燃料電池電動車以燃料的氫氣與空氣的氧氣反應，以其產生的電力推動馬達而得以行駛。相較於傳統電動車，燃料電池電動車的燃料電池可視為小型發電廠，且燃料電池電動車可以改善傳統電池過重、電能容量及長時間充電的缺點，燃料電池發電可視為水電解的逆反應，發電過程中只有水份的排放，是清淨的動力能源。而這些都依賴於氫能源的充足供給。

以國外的情形為例：日本經濟產業省原來預估2010年底，燃料電池電動車可以達到5萬台，2020年達到500萬台的目標，目前看來似乎有些過熱，各個車廠開始以較務實的態度對應這件事情。Toyota預定2003年燃料電池電動車商品化，且希望將價格訂在日幣1000萬元以下才具產品競爭力。但短期內，燃料電池價格不易降至數百萬日元內。同期從事研發工作的Honda、Daimler Chrysler、Ford等車廠都認為燃料電池電動車發展的難題是─氫氣燃料的供給。特別是氫氣供應站與氫氣燃料的環境整備 (infrastructure)。燃料電池電動車可以純氫氣為燃料，抑或以碳氫系燃料如甲醇、天然氣、汽油等經由重組取得富氫氣燃料，其熱值等性質雖各有所長，以儲存性與管理而言，甲醇與高品質的汽油經由重組似乎較具優勢。

(2)燃料重組

燃料重組，最大的問題在於重組過程中造成的高溫現象，甲醇重組時溫度約300℃，汽油重組時的溫度則高達800℃(碳與氫分子鍵結強，不易打斷)，已經在道路行駛測試(fleet test)的甲醇重組方式燃料電池電動車，因為高溫而需要配置大型冷卻風扇，產生令人不快的噪音問題，雖然靜肅性 (如：馬達運轉等)仍較傳統電動汽車優越，但燃料重組時大型冷卻風扇噪音問題亦不得不重視。而且大型冷卻風扇亦會造成能量消耗，燃料重組方式燃料電池電動車因兼顧能源效率與噪音問題，事實上、較Toyota 的Prius 的複合動力能源效率相異不大，看不出燃料電池電動車的顯著優勢。更何況燃料重組時並非百分之百的零污染，仍有一定量的CO2甚至NOx和SOx排出。以甲醇重組並完成日本道路行駛測試的Mazda認為「唯有以純氫氣作為燃料的燃料電池電動車才具有挑戰性!」甲醇與汽油重組衍生的各種問題，特別是高溫，是燃料電池電動車普及化的一大障礙。另外，高效率的重組器開發亦刻不容緩。

(3)純氫氣燃料儲存方式

純氫氣燃料，似乎是燃料電池電動車未來可能普及化的燃料供應方式，然而氫氣的儲存卻是另一問題點。目前即使是氣密性最佳的燃料容器，充氣後長時間放置很可能即漏失完畢!

氫氣燃料儲存方式有高壓儲氫(compressed hydrogen gas)，可能引發安全上的顧慮，理論上較高的壓力儲氫量越多，但高壓儲氫材料容器的價格昂貴，尤其是燃料電池電動車，這種移動式載具必須考慮碰撞的安全性;低溫儲氫，要儲存氫氣燃料於 -273℃環境，其所需低溫儲存處理的能量消耗亦不容忽視，且應考慮前述漏失問題;較安全且可行的方案是儲氫合金(metal hydride，儲存效率仍有極大的改善空間。

(4)純氫氣燃料的製備

依照日本經濟產業省預估2020年達到500萬台的燃料電池電動車目標，相當於一年需要380億m3的氫氣，這樣的消耗量單靠天然氣提煉氫氣是不可能符合需求，況且在精製氫氣時亦會衍生一定數量的CO2排放，與降低CO2排放訴求的燃料電池電動車互為矛盾，其實只是CO2排放只是改變為燃料電池電動車以外發生的場所罷了。

為了不增加製造純氫氣燃料時所帶來的環境污染，以太陽能發電的電力對水產生電解製造純氫氣似乎可行。實際上，Honda 在美國加州的研發中心即利用太陽能發電製造純氫氣，並由供應站供給氫氣進行相關實驗，每輛車單以太陽能發電製造純氫氣即可獲得一年約7600L，相當於每天20.8L氫氣，以目前供給氫氣1.0L行駛1.8km的實驗車為例，每天可行駛37.4km，一年可累積里程13，680km，基本上可以滿足普通行駛要求。不過、配置在每台燃料電池電動車上的太陽電池面積是車輛平面投影面積的4倍，太陽電池的能源利用效率與如何小型化又是另一個課題!

(5)燃料電池價格

目前燃料電池因需要使用一定量的貴重金屬(主要是鉑)，燃料電池廠預計短期內不易降至量產化價格。除了膜組合體中貴重金屬如何降低使用量之外，開發耐高溫(200℃)與耐不純物的質子交換膜等都是當前重要的研究。

發展前景

燃料電池車漸被重視：

在EV逐步成為主流的時代，FCV被邊緣化，但並沒有被放棄，歐美日、甚至中國車企都一直在FCV研發上努力。現在EV遇到了瓶頸，FCV被寄予了更多的期待。

2013年一開年，全球汽車廠家間合作開發FCV(燃料電池汽車)的項目也驟然增多。1月24日，豐田與寶馬宣布合作。豐田將於2015年發布FCV，而寶馬將為其提供基礎技術，豐田與大眾宣布共同開發2020款車型的基礎系統以及電池。1月28日，日產表示將與戴姆勒、福特合作開發FCV(燃料電池汽車)。戴姆勒將與福特共同開發FCV的心臟燃料電池。3家公司將在2017年分別發售FCV的量產車。如果這些合作開發富有成果，FCV將會在2、3年後開始在市場上銷售。

結構及主要系統

燃料電池車除了使用燃料電池以外，還需要維持燃料電池發電性能的氣體加濕裝置、燃料電池的冷卻裝置、儲存和供給氫氣的裝置以及供應空氣的裝置。另外，與混合動力車一樣，為了提高效率燃料電池車大都採用減速能量再生裝置。

高壓氫氣罐供給的氫氣通過加濕器加濕，然後送達燃料電池。另一方面氣泵供給的空氣也經加濕器加濕後供給燃料電池。氫吸附合金罐麗函雨習碳索吸附材料化學氧化物罐固體品分子形燃料電池中的氧氣發生反應，產生電能的同時將水排出車外。產生的電能通過輸出控制裝置供應給驅動電機的同時，一部分儲存在電容器或蓄電池等蓄電裝置中。

燃料電池冷卸裝

燃料電池發電時會產生熱量，因此需要冷卻裝置對其進行冷卻。一般採用與內燃機相同的冷卻方法，即散熱器和水泵等冷卻系統。燃料電池的工作溫度比內燃機的運轉溫度低，因此與外界氣溫的溫差很小，無法像內燃機一樣利用排氣散熱。因此需要比內燃機車更大的散熱器。另外，陽極和陰極兩端的隔板要用同一個冷卻水路冷卻，因此需要採取相應的絕緣措施。

燃料存儲系統

為了達到與發動機車輛同等的行駛里程，一輛燃料電池車需要搭載5kg的氫氣。直接搭載氫氣有很多種方法，可以利用高壓容器儲存壓縮氫氣，或者用液體儲氫罐儲存液態氫，利用吸氫合金或炭素吸附材料進行吸附儲存等。目前燃料電池車採用的大都是壓縮氫氣或者液態氫的方法。其他方法尚處於研究階段。燃料電池車使用的容器有金屬缸套包覆FRP(Fiber Reinforced Plastic)的3型和樹脂套包覆FRP的4型。為了提高容器單位質量的儲存能力，一般都在鋁質或樹脂缸套周圍包覆炭纖維以提高耐壓性，然後在最外層覆上玻璃纖維保護層。

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