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雙田領軍 日本氫動力未來社會啟示錄

車訊網 車訊網 2015/12/21
© 由 車訊網 提供

雖然過去高昂的製造成本阻礙了氫動力車輛的普及,但近兩年內已發生改變:Toyota首款量產燃料電池車型Mirai陸續在全球發表,而今年東京車展上,兩大日系品牌同步推出氫動力概念車,日本市場上的家用氫燃料電池也早已開始商用化。經過了將近20年的努力後,「氫動力」離我們還有多遠?請看我們的分析。

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文 許鴻德

氫動力(燃料電池)由理論走向商用化的過程,遠比你我熟知的其他石化燃料要崎嶇得多!早在1839年英國科學家William Robert Grove就提出「氧氣與氫氣反應有可能逆轉電解過程而產生電」的構想,但一直到了太空時代、燃料電池才真正走出實驗室:美國航空太空總署(NASA)認為氫氧燃料電池特別適合作為載人太空船與登月探險車的主要電源,而且燃料電池化學反應所產生的水也可供太空人飲用。在太空領域證實了可行性之後,美國企業家Roger Billings於1991年研發出世界首款用於汽車的氫燃料電池,也拉開了汽車產業探索「氫動力」可能性的大幕。

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2000年推出的BMW 750hL可說是BMW展現氫動力技術的代表作,BMW並安排全球巡迴展示,圖為在米蘭的活動留影。

多數專家都同意「氫動力」的種種優點看似是完美解答,但即使各大車廠傾全力研發(BMW已投入超過10億歐元、還準備再投入10億歐元),至今似乎仍有幾大障礙無法克服。多數人相信氫動力車改變世界的那一天應該在20到30年後,而體認到類似氫動力的全新動力來源無法在幾年內改變世界,幾年前多數車廠也收起幻想與不切實際,審慎考慮以現有技術為基礎,提供消費者面對油價危機的立即解答;包括Hybrid油電混合動力、先進柴油引擎與使用改良燃料(包括植物油或氫氣)的內燃機引擎是目前檯面上的選擇。

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除了BMW之外,Daimler集團過去亦積極投入資源在氫動力、並推出多種概念與路試車型。

日系車廠探索最為積極

氫燃料電池擁有電動車與氫氣動力來源的優點,卻沒有氫氣直接燃燒的相關技術限制,可說是目前最具可行性的氫動力技術。燃料電池的最大優勢就在於轉換效率高出內燃機引擎近三倍!工作過程不涉及燃燒、無機械損耗,比蒸汽機、內燃機等能量轉換效率要高得多。由Toyota等車廠的實驗得出結論,汽油引擎效率從油箱到車輪為16%、而氫燃料電池車為60%!燃料電池也很少需要維修,因為氫氣未含腐蝕性雜質,也沒有積碳阻塞燃燒室。與純電池動力車輛相比,電動車的充電效率低、時間長,一般充電流程需要好幾個小時(快充也需要1小時左右),與傳統動力車型加油的體驗差別太大,容易造成使用障礙以及潛在消費擔心;而FCV(Fuel Cell Vehicle,燃料電池動力車)在3分鐘內就能迅速充滿液態氫。

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由於優勢明顯,為數不少的汽車製造商從未放棄使用「氫能源」作為未來的零排放能源,並視為車用燃料的終極解決方案。

由於優勢明顯,為數不少的汽車製造商從未放棄使用「氫能源」作為未來的零排放能源。Daimler集團主席Dieter Zetsche在2011年法蘭克福汽車展對全球媒體大談特談「氫能源的好處」,他還表示將氫能源轉化為電力的燃料電池是唯一能保留駕駛者之前習慣的續航里程、動力輸出和行駛舒適度的替代性能源:「除了沒有廢氣排放,氫動力提供了消費者過去駕駛車輛所習慣的一切!氫是宇宙中最常用的元素,每個國家都可以製造氫能源(而不必仰賴中東石油巨頭)並且永不枯竭。」

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除了民用車輛使用,亦有專門開發為比賽用途的氫動力車型。

正是前述原因,90%能源供應來自國外進口的日本境內業者對氫能源的探索最為積極,兩大日系車廠Toyota與Honda從未放棄過氫能燃料電池的研究也不讓人意外。堅持創新研發的Honda工程團隊從上個世紀80年代末就開始著手研發氫動力燃料技術,並於2002年推出了最早一代FCV燃料電池車型、世界上首款量產燃料電池車型:Honda FCX Clarity於2008年夏天問世、並提供給美國洛杉磯的特定顧客貸款購買並吸引許多名流大亨預定。雖然在之後6年內,Honda FCX Clarity車型只限量提供了不到百部,大量的路試資料卻非常有價值?p>>

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Toyota計畫開放氫能燃料電池相關專利給其他同業,以加速氫動力車型的普及。

而Toyota研發氫能燃料電池的時間亦將近20年,歷經了三代技術磨練之後的3D立體微流道技術大幅提昇模組發電效率(體積功率密度達到了3.1千瓦/升,比2008年上一代產品整整提昇了2.2倍)。製造成本降低95%(成本約5萬美元)的氫燃料電池系統已用於以日語「未來」為名的Toyota Mirai燃料電池車型,並於2015年開始以約6萬美元的車價先後於各市場發表(受限於產能,目標是在2017年底達到3千部、2020年東京奧運會之前達到3萬部)。

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Honda FCX Clarity於2008年夏天問世,雖然至2014年僅限量提供不到百部,路試資料卻極具價值。

氫動力車型與家用燃料電池結合

本次東京車展Toyota又發表了採用燃料電池的全新FCV Plus概念車以展示其新能源技術,該款車的造型前衛,燃料電池堆設置在前輪之間、氫氣罐放在車後,並配備四輪電動馬達驅動,官方宣稱這款車最大的特點就是可以將氫燃料產生之電能分享給周邊汽車及其他設備使用。不讓Toyota專美於前,Honda車廠本次東京車展也發表了即將於2016年3月上市的新一代量產版本FCV燃料電池車型──Clarity並立刻受到外界矚目。

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Toyota研發氫能燃料電池的時間亦將近20年,才終於發表了首款量產氫動力車Toyota Mirai。

與前身Honda FCX Clarity相比,Clarity車身內馬達最大輸出功率可達到130kW(提昇30%),更重要的是這套氫動力燃料系統的成本卻只有之前的10%、尺寸也縮小了33%。新版燃料電池模組大約與V6引擎體積相當,如此一來其動力總成可像傳統汽油車型一樣置入引擎室空間之內(可以應用於Honda其他各車型系列),而不必如同Toyota Mirai甚至Tesla Model S車型必須得將電池模組放在車輛中部、也大幅改善內部乘用空間。續航距離達到700公里的氫氣罐則設有兩個:大號罐體在汽車後隔板後面,小號罐體在後座之下。大號氫氣罐雖然佔據一些行李廂空間、但還仍留出足夠的空間可放置高爾夫球袋或行李。

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透過3D立體微流道技術大幅提昇模組發電效率,Toyota電池製造成本更降低95%。

值得一提的是,Clarity還配有專用電壓逆變器,能夠輸出電力為其他設備供電,當外接配套的Honda Power Exporter 9000發電模組時,一個氫氣罐就能轉化出足以支持一戶日本家庭一星期的用電量。這也與日本政府正在大力推動的「家用燃料電池」趨勢吻合!

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Honda於本次東京車展發表了即將於2016年3月上市的新一代量產版本燃料電池車型Clarity,車內馬達最大輸出功率可達到130kW,成本只有前身的10%、尺寸也縮小了33%,整個電池模組大約與V6引擎體積相當。

日本已經花費數十年企圖降低燃料電池的製造成本,2011年311福島核災之後,日本社會更深刻體認燃料電池符合減少二氧化碳排放,也是對抗全球氣候變遷的目標。目前日本已經成為全球第一大家用燃料電池市場,技術領先世界所有國家。2009年家用燃料電池「ENE-FARM」率先於日本問世,這種電池利用天然氣重組法提取氫氣後注入燃料電池中發電,發電時產生的廢熱還可用來燒水供泡澡和地暖使用,能源使用效率超過90%,約1000W的發電規模可滿足家庭用電量的80%左右。

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這套約冰箱大小的系統主要製造商為Panasonic、Toshiba、東京瓦斯及長府製作所,可讓燃料電池、熱水機組與備用熱能同時儲存在一般公寓大樓的管線當中。家用燃料電池模組的價格在2016~19年度預估將由過去的新台幣約70萬到75萬降至新台幣13萬到21萬左右,對日本民眾而言,屆時燃料電池系統的價格僅比熱水器高出新台幣約8萬,而且每年可節省新台幣約1.3到1.8萬的電費,所以用大約5年時間即可收回多付出的成本。燃料電池系統保修10至20年,因此在剩餘時間內還可節約新台幣8至16萬左右的電費,這樣一來便很有可能迅速得到普及。日本政府也以「2016年突破50萬戶裝機量」作為推廣目標。

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於東京車展Toyota又發表全新FCV Plus概念車,可以將氫燃料產生之電能分享給周邊汽車及其他設備使用。

儲氫技術成為未來普及關鍵

面對快速上昇的氫能源需求,全球龍頭化學集團BASF正進行一項改良製造氫氣製程的研究計畫,過去在超高溫製程的成本過高,但BASF致力於研發廢熱回收系統以將熱能保留在系統內,讓製造氫燃料成本比目前的甲烷水合法降低50%。新製程可在超高溫下讓甲烷直接脫氫,產生氫氣與碳,固體碳很容易與氫氣分離而且可直接賣給煉鋼廠供煉鋼使用,預估未來氫燃料電池車的成本優勢將逐漸顯現。

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雖然燃料電池的量產成本逐漸降低,但氫動力車輛距離真正商用化還有兩個最大障礙:氫氣的儲存技術障礙與加氫站嚴重不足。氫氣儲存技術的問題在於:在室溫與室壓下,氫是以氣體狀態存在、而氣體狀態的氫元素有著「能量密度太低」(即每單位體積的氫氣所含能量低於石油太多)問題,就算冷卻到零下253度,每單位體積的液態氫所含的能量密度仍只是相同體積石油的25%、這意味著氫動力汽車必須搭載比傳統汽車大上2~4倍的油箱(還有維持低溫狀態的技術瓶頸)才能擁有相同的續航距離,過去研發人員的首要課題就是如何在車上保存低溫液態氫並儘可能縮小油箱體積,另一個難題是如何確保液態氫在冷凍儲存槽輸送到引擎燃燒室的過程中沒有洩漏或是蒸發。

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2009年家用燃料電池「ENE-FARM」率先於日本問世,這種電池利用天然氣重組法提取氫氣後注入燃料電池中發電,發電時產生的廢熱還可用來燒水供泡澡和地暖使用,能源使用效率超過90%,約1,000 W的發電規模可滿足家庭用電量的80%左右。

Toyota工程師在Mirai內設計了一大一小兩個儲氫罐,通過高壓的方式盡可能多充入氫氣。兩個儲氫罐的容量共122.4升以700Mpa(700個大氣壓)高壓儲存、也只能容納約5公斤的氫氣。所以實際上燃料的重量並不大,反而是儲氫罐體積特別笨重。儲氫罐被設計成四層結構以增加結構強度:鋁合金的罐體內部襯有塑料內膽,外面包裹一層碳纖維強化塑料的保護層,保護層外側再增加一層玻璃纖維材料的減震保護層,並且每一層的纖維紋路都根據所處罐身位置不同而做了額外的優化,使纖維順著壓力分佈的方向以提昇保護層的效果,目的就是為了在承受700個大氣壓的前提下仍舊保持行駛安全性。

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就算冷卻到零下253度,每單位體積的液態氫所含的能量密度仍只是相同體積石油的25%,這意味著氫動力車須搭載比傳統汽車大上數倍的油箱才能擁有相同的續航距離。

由政府帶頭 補助建立加氫站

過去燃料電池車主最大的抱怨就是「加氫站數量不夠」,由於加氫設施缺乏是發展燃料電池車最大的阻礙。Toyota車廠由子公司豐田通商株式會社(Toyota Tsusho Corp.)與法國液化空氣公司Air Liquide SA合資在日本打造三座商業化的氫燃料電池加氫站,最快今年底就能正式啟用。一座加氫站造價為6~7億日圓(約新台幣1.6~1.9億),日本政府將補貼約1.9億日圓(約新台幣5千萬)。目前日本已經有12座營業中的加氫站,而日本政府為推動能源政策,計畫在2016 年3月底前將加氫站的數量增加為100座,2016年度補貼加氫站的預算更高達400億日圓(約新台幣107億)。

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Toyota工程師為Mirai設計了一大一小兩個儲氫罐,通過高壓的方式盡可能多充入氫氣;共122.4升的容量以700Mpa高壓儲存,也只能容納約5公斤的氫氣。

另一個積極發展氫燃料汽車的地區是美國加州,美國加州已投入超過2億美元興建氫燃料補給站,目前加州有座專為轎車設計的加氫站、其他2座則為巴士設計,還有69座則還在建設當中。若車主仍覺得不方便,Honda提供了另一個解決方案:他們正在開發一種小巧的智慧加氫站(Smart Hydrogen Station),車主可家中通過高壓電解自產氫氣;目前尚不清楚它將於何時上市,但若價格經濟實惠,燃料電池車輛的加速普及可能因此實現突破。

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加氫設施缺乏是發展燃料電池車最大的阻礙,未來Toyota子公司豐田通商株式會社與法國液化空氣公司將合資在日本打造三座商業化的氫燃料電池加氫站。

為了加速燃料電池車輛普及,日本政府也將提供購車補助制度,雖然Toyota Mirai售價達700萬日圓(約新台幣188萬)、比起市售其他一般車款價格高出不少,但若消費者購買燃料電池車型,每部最少將獲得日本政府200萬日圓(約新台幣54萬)的補助金,對於氫燃料電池車推廣是一大利多。日本政府已制定了燃料電池車的普及時間表,除了在2015年祭出購車補貼制度,更計劃於2025年結束前將燃料電池車價格壓低至300萬日圓(約新台幣81萬)以下水準,價格將媲美現在日本盛行的油電混合車。

根據研究機構Fuel Cell Today統計,近三年來燃料電池的出貨量都有超過50%的成長率,預估燃料電池市場規模將從2013年的6.3億美元成長至2018年的25.4億美元左右。和燃料電池車相比,鋰電池電動車贏在起步及商業化的時間較早,但燃料電池電動車的支持者持認為,燃料電池車比鋰電池車擁有更多優勢。

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燃料電池車加滿氫只要短短3~5分鐘,就跟傳統車輛加油一樣快,便利程度遠高於需要充好幾個小時電的鋰電池車;而且燃料電池車加滿氫後可行駛的里程數幾乎等同於汽車。預計在2017年時,氫燃料電池每千瓦(kW)成本可降低至30~50美元,在2020年之前,氫燃料電池車輛的成本將可與汽油車輛抗衡,台灣與日本同樣屬於能源進口國,看到日本積極推動氫能源產業,我們也可評估推動燃料電池的優點、讓「非核家園」不只是口號。

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氫是宇宙中最常用的元素,每個國家都可以自行製造氫能源並且永不枯竭;其中,90%能源供應來自進口的日本業者探索最為積極,兩大車廠Toyota與Honda從未放棄過氫能燃料電池的研究。

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在2020年之前,氫燃料電池車輛的成本將可與汽油車輛抗衡,台灣與日本同樣屬於能源進口國,看到日本積極推動氫能源產業,我們也可評估推動燃料電池的優點、讓「非核家園」不只是口號。

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