環保未來車—燃料電池汽車

燃料電池（ fue l cell）在使用過程不會產生 CO2等物質，在京都議定

書實行之後，全球致力於溫室氣體減量的目標之下，被視為是太陽能

電池之外，另一個熱門的能源技術。目前全世界的車輛已經超過 7 億

輛，預估 2020 年將達到 12 億輛，減少車輛對石油的消耗與 CO2 的排

放量，讓燃料電池在汽車市場有很好的發展機會。

工作原理

燃料電池原理如圖 1所示，燃料電池為一種電化學裝置，通常是以氫氣為燃

料、氧氣為氧化劑，再藉由運用氫氣與氧氣的化學反應產生電力，電

池是由正負兩個電極及電解質組成。一般電池的活性物質貯存於電池內部，電池

容量有限，而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是催化轉換的元件，

燃料電池可視為將化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化

劑由外部供給，進行反應，只要反應物能夠持續輸入與排除，燃料電池就能連

續地發電。

圖 1 燃料電池示意圖

資料來源：PIDA

燃料電池汽車（ Fuel-Ce ll Cars）

以燃料電池為動力的車輛是電動車的一種，主要的不同在於燃料電池能夠源源不

斷地供應電能給蓄電池，但是車上必須攜帶能源（如氫氣、甲醇或汽油等），以

進行能量的轉換。燃料電池的特性是高電流低電壓，而電動車所使用的馬達，卻

需要低電流高電壓的電源，因為高電流會使馬達發熱，如何提高電壓、有效控制

電流避免馬達過熱，及提昇燃料電池汽車的實用性，是研究的重點。

燃料電池早在 1841年即由葛若夫所發明，係利用氫氣及氧氣在鉑電極中活化，

藉電化學反應將化學能轉為電能，理論效率可達 80%以上，較傳統以燃燒產生熱

能再利用熱能發電的效率（約 30%）高出甚多，而且燃料電池在轉換過程中只會

產出水，並不會造成空氣污染。

燃料電池發展歷史已久，卻無法取代內燃機汽油引擎，成為汽車的動力來源，主

要原因是氫氣的來源不穩定、儲存不易以及燃料電池本身的造價太高。由於要把

常溫常壓下的氫氣液化，需要消耗很多能量，加上氫氣分子量小、體積龐大，具

有狀態不穩定的危險，使氫氣的儲存變得非常困難。如果一台以氫氣為燃料的汽

車，擁有現今內燃機引擎汽車同樣的功能，此車的油箱將是一個高壓儲存的氫氣

槽，其壓力必須達 7000psi，才能儲存足夠的液態氫，高壓儲槽不但造價高昂，

車輛移動時還要考慮發生撞擊時的危險性。所以，有人採用以甲醇作為燃料電池

的電極反應物，甲醇作為燃料電池較氫方便許多，主要是因為甲醇在常溫常壓下

即為液態，容易儲存與運送，可如同汽油車一般在普通加油站補充能源，因此亦

是各國研究的對象。

通用（GM）汽車 2005年 3月公開之概念型燃料電池車 Sequel，如圖 2所示，GM

將氫罐與馬達放置在地板下面的「滑雪板型底盤」，使汽車的結構自由度得到大

幅提升，儲存 8kg的氫，可連續行駛距離 480km，使用輸出功率 60kW的馬達驅

動前輪，另外，還通過內置到輪胎中的輪內馬達（功率 25kW）來驅動後輪。通

用汽車計劃到 2010年使燃料電池車的成本與壽命達到完全可以與發動機汽車進

行競爭的水準。Sequel集合了線傳操控、燃料電池等多項領先全球的技術，為

燃料電池的開路先鋒。

圖 2 GM Sequel

資料來源：GM

現階段的環保方案—油電混合車

現行的環保汽車，可以油電混合的動力車（Hybrid）作為代表，Hybrid動力

系統主要是由引擎、電動馬達、電池等三大部分組成，當車輛低速行駛時，以電

池中儲備的電力驅使電動馬達帶動車輛，電動馬達作為主要動力來源，在市區經

常性的停止與起步中，可避免車輛在怠速時所產生的油耗，另外，在高車速時，

由引擎提供動力來源，在車輛運動、減速或煞車的同時，把流失的動能轉為電能

替電池充電，又無燃料電池車般有續航力的問題，以 Toyota PRIUS最具代表性，

如圖 3所示。雖然油電混合動力在車界已建立一個新的里程碑，大大減少汽油的

消耗（PRIUS每公升汽油可跑 35~36km），但真正零廢氣排放的目標仍有待完全

以燃料電池為動力的汽車出現。

圖 3 Toyota PRIUS

資料來源：Toyota

未來與展望

近幾年，燃料電池在技術上有了革命性的突破，其中以直接式甲醇燃料電池

（DMFC：Direct Methanol Fuel Cell） 、質子交換膜（ PEMFC：Proton Exchange

Membrane Fuel Cell ）及平板型固態氧化物電解質（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）

的前景最被看好，各國政府、企業與學界皆投入人力及資金研發。世界主要汽車

製造商如：Daimler-Chrysler、SAAB、GM、Ford、Toyota、Honda及 Nissan等汽

車公司已投入數十億美元從事燃料電池汽車的開發。

燃料電池於汽車的應用，是一項跨領域的技術整合，除了燃料電池本身燃料來源

的選擇與儲存之外，儲存容器以什麼樣的方式裝置在車體的那個部位，又不會影

響車體的外觀，這是第一步要說服消費者視覺習慣上的重點。另外，就性能方面

來說，在車體結構改變（馬達位置設定與前後輪驅動方式）所造成的操控性，及

直流馬達在扭力與高速行駛的參數匹配上，如何達到甚至超越現有內燃機汽油引

擎所帶給車主的駕駛樂趣，也是消費者重視的感受。最後燃料電池汽車的價格是

否為消費者所接受，直流馬達的使用壽命與保養上的便利性等，這些非「環保」

因素才是真正能打動一般消費者的心，衷心期望無廢氣排放汽車能在不久的將來

實現。

本文作者現任光電協進會產業分析師