燃料電池電動車的系統組成

www.guilinhy.com 來源：汽車電子世界網　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2004-6-4 1

組成燃料電池電動車的動力系統有三個關鍵零組件，即 l 重組器(reformer)：將甲醇、汽油等液體燃料重組為富氫氣(hydrogen-rich)氣體燃料，提供予燃料電池反應。 l 燃料電池(fuel cell stack)：燃料電池是燃料電池電動車的動力源，其提供氫氣與空氣中的氧氣反應并產生電流與電壓，同時產生廢熱(水)等副產物。 l 電力轉換器(inverter／converter)：將燃料電池產生的電力轉換為直流電或交流電，或具備升壓或降壓以調整電力輸出者。燃料電池電動車普及化的課題 (1)氫氣燃料的供給日本經濟產業省原來預估2010年底，燃料電池電動車可以達到5萬臺，2020年達到500萬臺的目標，目前看來似乎有些過熱，各個車廠開始以較務實的態度對應這件事情。眾所周知，燃料電池電動車系以燃料的氫氣與空氣的氧氣反應，以其產生的電力推動馬達而得以行駛者，相較于傳統電動車，燃料電池電動車的燃料電池可視為小型發電廠，且燃料電池電動車可以改善傳統電池過重、電能容量及長時間充電的缺點，燃料電池發電可視為水電解的逆反應，發電過程中只有水份的排放，是清凈的動力能源。Toyota預定2003年燃料電池電動車商品化，且希望將價格訂在日幣1000萬元以下才具產品競爭力，惟短期的一至二年，燃料電池價格不易降至數百萬日元內，同期從事研發工作的Honda、Daimler Chrysler、Ford等車廠都認為燃料電池電動車發展的難題是─氫氣燃料的供給！特別是氫氣供應站與氫氣燃料的環境整備 (infrastructure)，燃料電池電動車可以純氫氣為燃料，抑或以碳氫系燃料如甲醇、天然氣、汽油等經由重組取得富氫氣燃料，其熱值等性質雖各有所長，以儲存性與管理而言，甲醇與高品質的汽油經由重組似乎較具優勢。 (2)燃料重組燃料重組，最大的問題在于重組過程中造成的高溫現象，甲醇重組時溫度約300℃，汽油重組時的溫度則高達800℃(碳與氫分子鍵結強，不易打斷)，已經在道路(Strada)行駛測試(fleet test)的甲醇重組方式燃料電池電動車，因為高溫而需要配置大型冷卻風扇，衍生令人不快的噪音問題，雖然靜肅性 (如：馬達運轉等) 較傳統電動汽車優越，燃料重組時大型冷卻風扇噪音問題亦不得不重視，又大型冷卻風扇亦會造成能量消耗，燃料重組方式燃料電池電動車因兼顧能源效率與噪音問題，事實上、較Toyota 的Prius 的復合動力能源效率相異不大，看不出燃料電池電動車的優勢，更何況燃料重組時并非百分之百的零污染，仍有一定量的CO2排出！以甲醇重組并完成日本道路(Strada)行駛測試的Mazda認為“唯有以純氫氣作為燃料的燃料電池電動車才具有挑戰性！”甲醇與汽油重組衍生的各種問題，特別是高溫，是燃料電池電動車普及化的障礙，另外，高效率的重組器開發亦刻不容緩。 (3)純氫氣燃料儲存方式純氫氣燃料，似乎是燃料電池電動車未來(Futura)可能普及化的燃料供應方式，然而氫氣的儲存卻是另一問題點，目前即使是氣密性最佳的燃料容器，放置一邊很可能即漏失完畢！可能的現象是，邊末有事未出門，隔邊出門時氫氣容量所剩無幾甚至完全漏失完畢。氫氣燃料儲存方式有高壓儲氫(compressed hydrogen gas)，可能引發安全上的顧慮，理論上較高的壓力儲氫量越多，惟儲氫材料、容器價昂，尤其是燃料電池電動車，這種移動式載具必需嚴肅考量碰撞的安全性；低溫儲氫，要儲存氫氣燃料于 -273℃環境且應考慮前述漏失問題，其所需低溫儲存處理的能量消耗亦不容忽視；較安全且可行的儲氫合金(metal hydride)，其儲存效率多在1.5~2.0wt%，儲存效率仍有極大的改善空間。 (4)純氫氣燃料制造方式依照日本經濟產業省預估2020年達到500萬臺的燃料電池電動車目標，相當于一年需要37億5000mm3的氫氣，這樣的消耗量單靠天然氣提煉氫氣是不可能符合需求，況且在精制氫氣時亦會衍生一定數量的CO2排放，與降低CO2排放訴求的燃料電池電動車互為矛盾，CO2排放只是改變為燃料電池電動車以外發生的場所罷了！為了不增加制造純氫氣燃料時所帶來的環境污染，以太陽(solara)能發電的電力對水產生電解制造純氫氣似乎可行！實際上，Honda 在美國加州的研發中心即利用太陽(solara)能發電制造純氫氣，并由供應站供給氫氣進行相關實驗，單以太陽(solara)能發電制造純氫氣即可獲得一年約7600L，相當于每天20.8L氫氣，以目前供給氫氣1.0L行駛1.8km的實驗車為例，每天可行駛37.4km，一年可累積里程13,680km，不過、配置在每臺燃料電池電動車上的太陽(solara)電池面積需求量是車輛的4倍，太陽(solara)電池的能源利用效率與如何小型化又是另一個課題！ (5)燃料電池價格目前燃料電池因需要使用一定量配方的貴重金屬，燃料電池試作廠預估短期內不易降至量產化價格，燃料電池關鍵零組件中的膜組合體，貴重金屬如何降低使用量，開發耐高溫(200℃)與耐不純物的質子交換膜等都是當前重要的課題。結語現階段燃料電池電動車普及化最大的課題是，氫氣的儲存方式與供給體制。如何增加氫氣儲存效率(開發高效率儲氫合金材料)與氫氣供應站的普及化都是攸關燃料電池電動車技術能否普及化的因素。而欲促進燃料電池電動車普及化，現階段與未來(Futura)應朝下列幾個方向發展： 1、增加重組過程中富氫氣的比例 2、改善反應氣體供應方式 3、改善氫氣的使用效率 4、改善燃料系統對硫成分的抗性 5、縮短啟動時間 6、動力系統的熱管理 7、動力系統的最佳化設計 8、減少燃料電堆的容積與重量