車輛研究測試中心 / 綠能智慧專案 薛欽鐸

燃料電池機車在國內發展已有10年歷史，產業鏈也相當完整。主要技術領先廠商為國內的亞太燃料電池公司與日本的YAMAHA公司，前者係以PEMFC技術基礎，已開發到第五代燃料電池機車，而後者則採用DMFC技術，目前也已發表六種雛型燃料電池機車。


燃料電池技術種類
燃料電池依其電解質種類，可分為質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）、鹼性燃料電池（Alkaline Fuel Cell, AFC）、磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池 （Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC）與固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）。


燃料電池基本元件與動作原理
以氫氧反應之質子交換膜燃料電池（PEMFC）為例，主要基本元件包含端板、雙極板（陽極、陰極）、電解質（膜電極）（圖1），由二片薄多孔電極構成陽極與陰極，兩極間以固態聚合物隔膜電解質隔離，每片電極一面鍍有觸媒（鉑）。基本的運作原理大致可整理成以下程序（圖2及圖3）：
(1)燃料進入電池－氫氣體分子型態由陽極進入（圖3a），氧化劑之氧氣由陰極進入。
(2)陽極反應－進入陽極後發生氧化反應，氫氣在陽極經過電化學反應後，分解成2個氫離子和2個電子（圖3b）。
(3)負載供電－電子由陽極端經外部迴路傳至陰極，同時提供能量給負載（如電動馬達或二次鋰離子電池組）使用（圖3c）；其次，質子則通過隔膜抵達陰極（圖3d）。
(4)陰極反應－氧化劑氧氣經由陰極進入，與穿過電解膜之氫原子、與由陽極經外部迴路至陰極的電子進行會合（圖3d），最後反應產生的副產品即為水及熱（圖3e）。
單一燃料電池（Cell）其理論輸出電壓值約為1伏特，故通常可藉由雙極板或連接器將組件予以串、並聯，便可製作出不同功率規格電池組（圖2及圖4）。

圖1 PEMFC單電池結構 圖片來源：全華圖書－燃料電池

圖2 燃料電池運作原理示意 圖片來源：科學人2005年4月號

（a）		（b）
	?
（c）	（d）
（e）
圖3 PEMFC電化學反應過程 圖片來源：Schatz Energy Research Center，車輛中心整理

  

圖4 單一燃料電池元件與電池組（圖片來源：JHFC，車輛中心整理） 圖片來源：日本JHFC，車輛中心整理

氫來源技術－製氫、儲氫與輸氫
燃料電池車輛之燃料供應方式可分為純氫直接供應及現場製氫兩種方式。前者以壓縮氫氣液態氫或儲氫合金方式供氫，後者則以碳氫燃料重整製氫及化學還原製氫等方式供氫，而後者亦為解決前者在供氫基礎設施不完整、技術尚在開發中燃料供應問題之方法。

儲氫技術是目前國際上發展氫能源的關鍵技術，對於氫能源車輛而言，除了壓縮氫（CGH2）及低溫液氫（LH2）外，亦有如高容量金屬氫化物材料、奈米碳管、特殊活性炭等。壓縮氫及低溫液氫係為目前儲存與運送的主要方式之一，壓縮氫的儲存壓力通常在20~30MP間（加氫站儲槽壓力通常為35MPa左右或更高），充填時間僅幾分鐘而已。而低溫液氫相較前者在技術上較為嚴苛複雜，其需仰賴真空絕緣設施，以防止在輸送過程中因熱侵入而造成低溫液氫蒸發之損失，其充填時間亦僅需幾分鐘，且其設備體積小、重量輕，在車輛的應用上具相當優勢。

有別於前二種儲氫方式，以固態儲氫技術之儲氫合金材料儲存方式，依據國際能源機構（IEA）固態儲氫技術標準要求，其儲氫材的儲氫量需大於5wt.%，能在溫和條件下吸放氫，目前儲氫合金（如MnNi4.5Al0.5）尚大多無法符合要求，故國內外在金屬基儲氫材仍在持續進行改良，亦同時開發新固態儲氫方式（如奈米碳管、石墨奈米纖維等）。以金屬合金充放氫具備以下幾個特點：
(1)單位體積儲存密度高（容器體積僅約高壓氣瓶1/4）。
(2) 無需高壓容器，安全性高，無爆炸危險（儲氫容器壓力在1MPa以下）。
(3) 具高純度氫－儲氫合金在充放氫過程中具有過濾功能。


我國燃料電池發展利基
台灣氫能燃料電池產業鏈完整，也掌握了關鍵材料技術。為協助此燃料電池新能源產業之發展，政府從2009年起開始推動系列技術發展與推廣計畫；其中，包含了經濟部能源局「燃料電池示範運轉補助計畫」，協助輔導產業自主開發產品，並提供示範驗證。也通過「再生能源發展條例」，推動「能源國家型計畫」、「綠色能源產業旭升方案」、「燃料電池示範運行補助」等多項措施，引領氫能燃料電池產業發展。


此外，經濟部標準檢驗局也於2009年能源國家型計畫提出「氫能燃料電池機車技術標準實證與機車確證及監理製度研發與3E效益評估計畫」，主要分為四個架構內容：（1）氫能燃料電池機車技術標準實證、（2）氫能燃料電池機車交通監理制度規劃、（3）氫能燃料電池機車經濟、能源、環境能源效益評估與國際接軌，以及（4）氫能燃料電池機車實車確證，預計在未來3年內將投入3億新台幣，透過氫能燃料電池機車實際運行模式，建立全世界第一部完整之燃料電池機車驗證標準，成果將包括燃料電池機車之整車性能與安全、電池組安全及儲氫容器安全之標準等至少36項標準，並將依據實驗室標準實證以及道路實車確證運行（圖5）結果，提供規劃氫能燃料電池機車交通監理制度及驗證標準修正之參考。

圖5 實車標準驗證與道路確證 圖片來源：車輛中心