資訊科技

改變世界的概念車

氫燃料概念車,將帶領我們進入更潔淨、更有效率的神奇操控之境。

撰文/伯恩斯(Lawrence D. Burns,通用汽車研發與計畫部門副總裁)
翻譯/甘錫安
審訂/葉君棣(清華大學化學系教授)

資訊科技

改變世界的概念車

氫燃料概念車,將帶領我們進入更潔淨、更有效率的神奇操控之境。

撰文/伯恩斯(Lawrence D. Burns,通用汽車研發與計畫部門副總裁)
翻譯/甘錫安
審訂/葉君棣(清華大學化學系教授)

汽車推進方式大變革


卡爾朋馳(Karl Benz)於1886年將他的「專利車」駛出車庫,等於推動了汽車的演進巨輪。汽車的出現不但改變了人類的生活方式,也改變了全球經濟;這些變化在當時真是始料未及。划算的個人交通工具逐漸普及,很容易就可以到達世界各地,同時也繁衍出複雜的工業基礎架構,現代社會於焉成形。


如今,汽車科技將引發另一場革命:這次革命的動力不是石油,而是氫氣。燃料電池(fuel cell)將氫原子分解成質子和電子,用以推動馬達,而排放出來的只是水蒸氣,將可使汽車變得更加環保,汽車不僅能變得更潔淨,也會更安全、更舒適、更加個人化,或許還會更便宜。除此之外,燃料電池汽車還可進一步促使大環境轉向以氫為主的「綠色」能源體系。如果真能實現,能源的使用和生產也將大幅改觀。如此一來,氫燃料電池汽車和貨車將可帶領我們進入美好的未來,在這個未來中,所謂的「個人行動」,也就是獨立行動的自由,將可達到不受限制的程度,不傷害環境,也不耗用地球上的自然資源。

許多要素的配合下,這項巨大的變化似乎越來越可能實現了。首先,以石油為燃料的內燃機雖已相當進步、經濟、可靠,但也終於達到了極限。即使不斷改良,目前的內燃機汽車將燃料內含的能量轉換為動力的效率,仍然僅有20~25%。從毫無法規管制的1960年代至今,雖然美國汽車業界已經大幅減少排放的廢氣(碳氫化合物降低了99%,一氧化碳降低了96%,氮氧化物降低了95%),但持續產生的二氧化碳仍是個問題,因為它可能影響地球的氣候。


即使採用了新科技,石油燃料內燃機的效率最多也只能達到30%,而且無論如何,它仍然會排放二氧化碳。相較之下,氫燃料電池汽車的效率將近是兩倍,因此只需要一半的燃料能源。更大的不同點是,燃料電池排放的副產品只有水和熱。最後一點,氫氣可以由許多種燃料及能源中取得,例如天然氣、乙醇、水(用電加以電解),甚至可再生的能源系統。為了實現這些可能性,已經有許多汽車公司,例如戴姆勒克萊斯勒、福特、通用汽車、本田、PSA寶獅雪鐵龍、雷諾日產和豐田等,正在不斷努力開發燃料電池汽車。


要了解這種科技為何如此具有革命性,必須先了解燃料電池汽車的運作原理。這種汽車基本上就是以電力驅動的車輛,不過馬達的動力並非來自電化學電瓶,而是燃料電池(參見下方插圖)。氫燃料通過電池中的薄膜時,電子被拉開,從而產生電力。產生的電流推動電動馬達,帶動車輪前進,而氫的質子則與氧及電子結合形成水。如果能夠使用純氫氣,則燃料電池汽車就是完全不排放廢氣的車輛了。


燃料電池與內燃機的對決


燃料電池發電裝置︰最高效率為55%
質子交換膜燃料電池包含兩片薄而多孔的電極,分別是陽極與陰極,中間隔著僅容質子通過的高分子膜電解質。電極的一側塗上催化劑,氫進入之後(1),陽極催化劑將氫分成電子與質子(2),電子流出可用來驅動馬達(3),而質子穿越薄膜(4)到達陰極。陰極上的催化劑將質子、流回的電子與空氣中的氧結合起來形成水(5)。


內燃機︰最高效率為30%
大多數汽車採用四衝程內燃機。活塞由汽缸頂端開始做上下運動,帶動曲柄軸旋轉。之後進氣閥開啟,活塞下降,讓油氣混合物進入汽缸。活塞再向上移動,壓縮油氣。接著火星塞點火,點燃燃料霧滴,受壓縮的油氣爆炸,將活塞向下推。最後排氣閥開啟,讓爆炸產物流出汽缸。