2007年5月9日 星期三

加滿氫再上路

《科學人》雜誌5月號 撰文╱沙提亞派爾、彼卓維契、湯瑪斯;翻譯/甘錫安
2007/5/9

研究人員正在努力開發各種方案,協助燃料電池車儲存氫氣,以行駛更長的距離。

1783 年夏末,查理(Jacques Charles)做了一件驚人的大事。他將重量比空氣輕的氫氣充入表面塗佈橡膠的絲質袋子,並駕著這個氫氣球上升到1000公尺高空。他降落地面後沒過多久,嚇壞了的鄉下人就毀掉了這個氣球,但查理從此開啟了200多年來研究人員孜孜不倦的探索歷程:駕馭宇宙中最輕的元素——氫,將它的力量運用到運輸方面。

在為未來車輛提供動力這方面,不論是直接燃燒或是用於燃料電池,氫都是極具吸引力的選擇。原因諸如美國國內工業製造的氫可以來自各種原料和能源(例如再生能源、核能和化石燃料等),這種無毒的氣體還可當做完全無污染的能源,為多種機器提供動力。而且氫燃燒時不會釋出造成溫室效應的二氧化碳,另外如果將氫加入燃料電池堆(類似電池的裝置,可由氫和氧產生電力),可以用來推動電動汽車或貨車,產生的副產物只有水和熱(請參閱 2005年4月號〈氫燃料電池車乾淨上路〉)。燃料電池車的效率,可比目前的汽車高出一倍以上。因此,氫有助於緩解許多迫在眉梢的環境與社會問題,包括空氣污染與健康威脅、全球氣候變遷,以及對進口石油的依賴等。

但要真正用氫當做汽車的動力來源,還有很多障礙。如果以重量來比較,氫所含的能量是汽油的三倍,但氫的儲存方式目前還沒辦法像傳統液態燃料那樣簡單緊密。現今挑戰性最大的技術問題,是如何有效地將氫安全儲存於車內,以便為汽車駕駛人提供所需的行駛距離和性能,研究人員必須找出「正好適合」的「金字招牌」方案來解決儲存問題:儲存裝置的氫容納量必須足以達到目前可接受的 480公里最低行駛距離需求,而且燃料槽的體積還不能影響乘客或行李空間。儲存槽必須以需要的流速釋放氫,以便在高速公路上加速,並在實際溫度下能良好運作;它還必須能在數分鐘內加滿或充電完畢,而且價格必須有競爭力。但目前的氫儲存技術距離上述目標,都還相當遙遠。

全世界的汽車產業、政府和學界研究人員,都投入極大的心力欲克服這些限制。國際能源總署於1977年簽署的「氫使用協定」,是目前規模最大的氫儲存研究團隊,成員包含來自13國的35名研究人員。成立於2003年的「氫經濟國際合作計畫」目前已有17國政府參與,致力於推動氫能源與燃料電池技術。另外,美國能源部也於2005年開始執行「國際氫儲存計畫」,成立了三所卓越研究中心,有許多產業界、大學與聯邦實驗室攜手進行多項基礎與應用研究;單單去年一年,這項計畫就提供超過3000萬美元的經費給80項左右的研究計畫。

基礎建設障礙重重

氫燃料電池車難以普及的障礙之一,是其所涉及的問題規模十分龐大。全美國汽車每天的汽油消耗量達14億5000萬公升(每年約5300億公升),佔全美國石油消耗量的2/3左右,其中有一半以上的原油來自進口。如果要讓現今美國國內的汽車產業轉而生產燃料電池車,同時把遍佈全美各地的汽油煉製及輸送網絡改為處理大量的氫,必須投下的經費顯然將十分可觀。燃料電池車本身在價格和耐用程度上也必須能和目前的技術競爭,同時必須具備相同的性能。另外,氫燃料電池車還必須解決安全疑慮以及社會大眾心中揮之不去的一個陰影,大眾對1937年興登堡號飛船在空中燃燒的慘烈情況記憶猶存,並經常將這次事故跟氫聯想在一起。但根據可信的證據顯示,製作興登堡號飛船氣囊的易燃性蒙皮才是引燃火苗,並導致那次災難的關鍵因素。

將氫儲存在車內為什麼這麼困難呢?在常溫常壓下(一大氣壓約等於每平方公分1.03公斤重),氫是氣態,能量密度只有液態汽油的1/3000。容積75公升的箱子儲存一大氣壓的氫氣時,只能推動一般汽車行駛152公尺左右。因此要讓車內氫容納系統達到可用的程度,工程師必須提高氫的儲存密度。

由美國產官界攜手合作、開發未來汽車先進技術的「自由汽車與燃料合作計畫」,其主要運作目標之一,就是達成480公里的最低行駛距離。工程師在進行這類計算時,採用了相當有用的概算法:每加侖(約3.78公升)汽油所含的能量大約相當於一公斤的氫。目前一般車輛行駛480公里大約需要20加侖(約75公升)汽油,但由於氫的運作效率高出許多,因此燃料電池車通常只需要8公斤的氫。依車輛型式和大小不同,某些車型達到這個行駛距離需要的氫可能較少,某些車型則可能較多。根據數家汽車製造廠商對大約60款氫燃料原型車的測試數據,目前的行駛距離大約為160~300公里之間。

為了達成在2010年實用化的目標(有些公司預測第一款量產型燃料電池車可能在該年推出),研究人員將各種儲存技術與「重量百分比6%」的標準進行比較,也就是在燃料儲存系統中,總重量中有6%是氫,假設某套系統的總重量為100公斤(以汽車而言為合理重量),則儲存的氫必須有6公斤。6%看起來不多,但要達到這個標準其實相當困難,科學家紛紛研發可在較低壓力下運作的儲存方案,但目前最佳技術成果的重量百分比還不到2%。除此之外,要讓系統總體積不超過標準型汽車油箱,可能會更加困難,因為用來容納這6公斤氫的儲存槽、閥體、管路、調節器、感測器、隔熱層和各種裝置必然會佔用相當多的空間。最後,達到可用程度的系統的釋氫速率必須夠快,讓燃料電池和電動馬達,足以為駕駛人提供所需的動力和加速性能。

目前已問世的數百款燃料電池原型車,大多將氫儲存在類似潛水用氧氣筒的高壓鋼瓶中。更先進的碳纖維繞線技術可製造強度更高的輕量化儲存槽,安全儲存壓力高達每平方公分350~700公斤(相當於350~700大氣壓)。不過如果只提高壓力,氫密度並不會成正比提高。即使壓力高達每平方公分700公斤,目前高壓儲存槽所能達到的最佳能量密度(每公升39克的氫),大約也只有同體積汽油的15%。目前的高壓儲存槽只能容納重量百分比為3.5~4.5%的氫。福特汽車剛剛展出名為Edge的混合式運動休旅原型車,動力來源為加裝式燃料電池混合系統,儲存壓力為每平方公分350公斤,可容納4.5公斤的氫,最大行駛距離可達320公里。

高壓儲存槽可以使用於某些較為龐大的車輛,例如公共汽車和大型車等等,這是因為這類車輛有空間可以容納足夠的氫,但是一般轎車卻很難做到這一點。另外,目前裝設這類儲存槽的成本,也比一般轎車可接受的價格,要高出了約10倍以上。


要把氫氣灌入一般汽車的油箱,是個很大的難題。

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