【汽車基礎教室】燃料電池 ( 下)
石油沒了怎麼辦?
記者：Sutl 2002-10-08 | |
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？
電力來源
▲還記得AOL創刊時介紹的AUTOnomy吧，有實車喔。
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1839年Sir 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。
在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。
燃料電池的燃料
▲而且還有可分離底盤的Focus喔。
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。
認識燃料電池
▲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！
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。
但小編很奇怪的是，這陽離子交換膜在1960年就開發出來了。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？
