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極具開發潛力的新型清潔能源車

氫燃料電池車 ◎郵政總局研究員 陳文樹

清潔能源車，是指相對於以汽油、柴油為燃料的車輛，其以天然氣

(Natural Gas)、液化石油氣(Liquidized Petroleum Gas)、生質油料

(Bio-fuel 或 Bio-diesel)作為替代燃料者，甚或以電力、氫氣作為車輛的

動力來源，俾可降低二氧化碳及各種有害氣體的排放。而欲以天然氣、液化

石油氣或生質油品作為燃料，則須調整燃料和空氣的混合比並採用壓縮比

(compression ratio)適合於該種燃料的引擎；至於若係以電力、氫氣為其

替代能源，則是以蓄電池或燃料電池取代一般車輛所需配置的引擎。上述以

氫氣作為動力來源的「氫燃料電池動力車」(Hydrogen Fuel-Cell Vehicle ,

以下亦簡稱氫燃料車)，是近年來備受重視的新式車種，電力車似已被其比

了下去。蓋配置蓄電池的「電力車」受限於可蓄存的電力而難有突破，以致

無法行駛逾一百公里的長遠距離，且每次充電頗為耗時，以致問世雖有數十

年之久，卻一直難以普遍推行。

氫燃料電池車的作用原理

而在舉世儲存的石化能源日趨減少，石油、天然氣售價時見飆漲之今，以石

化能源為燃料的車輛，究竟可持續延用多久，無人敢作過度樂觀的論斷，即便是

邇來備受青睞的混合動力車(Hybrid Vehicle，註)，雖可節省燃油的消耗而有較高的

熱效率(heat value efficiency)，但主要仍是以石化燃料為其動力，且需增裝兩種動力

設備，投資金額較多，故仍有不少的消費者無意選用。以氫氣進行氧化作用，藉

以產生電力俾驅動車輛的氫燃料車，爰崛起為極受車輛產製業界青睞的新車種，

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據業界之評估其後市甚被看好，或許可望在十年之內逐步取代現行的汽車，並於

十年後躍為主流。

混合動力清潔能源車

混合動力清潔能源車(放大動力設備)

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燃料電池係使燃料因為化學反應而產生電力，若電力大到足以驅動車輛行

進，自然得以取代汽車的引擎，氫燃料電池即是分別以填裝的氫氣、取自大氣中

的氧氣作為燃料和氧化劑。而當作燃料的氫氣，係被填充於可承受達 200~250 個大

氣壓力的高壓貯氣筒之中，俟氫氣用罄後可再行補充。燃料電池內，有一以英文

名為“Nafion”的氟碳聚合物製成之「質子交換膜」(PEM , Proton Exchange Membrane)

薄片，主要之功能是充當傳遞電荷的電極。交換膜表面上的觸媒，會造成氫原子

的電子游離而出，游離移動的電子即會產生電力，以供驅動汽車；每個氫原子被

游離出一個電子成為氫離子後會穿透膜片，氫離子再和膜片另一側的氧氣及移動

完止的電子進行氧化作用而生成水蒸氣，之後水蒸氣即會凝結成水。

集合多個電池單體，便可組成提供車輛動力的「電池組」(the Battery Assembly)，

整個產生動力的過程，最後的生成物乃是水，一般車輛所會排放出的碳化氫、氮

化物、一氧化碳以及二氧化碳等污染物，在氫燃料車輛則是絲毫未有，所以對維

護空氣品質和環境衛生有相當的裨益。由於氫燃料電池可將氫燃料所有熱值中的

55%轉化為能量以驅動車輛，遠比內燃機約 28%~30%的熱效率為高，且由於非如引

擎係藉由點燃油氣之燃燒作用(combustion)、即爆發行程以產生動力，所以也不會

有燃燒不完全或暴燃(detonation)之情形，故噪音較小且安全性亦佳，因此具有良好

的開發前景，其他之長處則有結構簡化、操作簡便以及維修容易…等。

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清潔能源車的氫燃料電池車(一)

氫燃料之研製應用與推廣突破

人類最早應用燃料電池之構想，係萌起於 1960 年代，斯時美國太空總署(NASA)

的科技專家，即曾嘗試利用液態的氫(或甲醇等易於氧化之物)和液態氧進行氧化作

用以製成為燃料電池，經過多方的試驗證實液態氫的效果較佳，該燃料電池也確

實對太空科技的進步發展有顯著的助益，例如可在極低溫的太空環境下照常發生

效用、提供電力，誠非平常的電池或動力裝置所能比擬。但因成本居高不下，故

燃料電池難以推廣至其他業界，直至廿世紀末汽車製造業才試圖採用燃料電池來

取代車輛的引擎，以之作為動力的來源，德國更以之作為潛水艇的動力，或在山

間的小型社區裝設燃料電池之設施，俾供應電力予居民使用。日本豐田公司與本

田公司兩事業並攜手合作，於 2002 年 12 月研發出舉世第一批，可投入市場、從事

商業銷售的氫燃料電池汽車，豐田公司更表示若大量生產時，燃料電池的成本將

可接近於現行之內燃機了，使氫燃料車輛的產製往前邁進了一大步。而以氫氣為

燃料的電池，更已在近數年間被證實係諸燃料電池中的佼佼者，後市大有可為；

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而且，除了汽車(因氫燃料電池車已不會排出廢氣而是排出水汽，故更符於汽車之

名)之外，還得將氫燃料電池運用於電動機車或電動自行車上，假如燃料電池可再

供應更大的電力以驅動重型車輛，則更可被應用至較重的貨卡車。

現行之電動車，依然有極大的比例是使用鉛酸電池者，電池的體積龐大且甚

為笨重，部分車輛則改為採用鎳氫電池或鋰電池，但仍有成本過高及充電時間冗

長…等不利於普及的問題，容有可能被較精密輕巧的燃料電池所淘汰。鑒於氫燃

料電池的製造成本當中，位於電池內部兩片基板之間的聚合質子交換膜便佔有

35%~38%的比率，乃燃料電池最具關鍵的組件。而由於目前是由某知名化工公司

擁有專利權，以致這種氟碳交換膜片的成本，現今仍處於每平方公尺約 300 美元之

高價，嗣後若其專利結束或交換膜的製成技術得以進步改良，或有別的發明物得

以替代選用，則成本則可望逐漸降低。根據相關技術刊物的報導，該專利公司之

研究人員對於此交換膜的功能，尚曾列出若干可再增進之處，計有減少交換膜兩

側的燃料穿透度、提高交換膜在化學反應上的穩定性，俾可愈加耐用並可抑制非

預期的次反應(sub-reaction)之發生，以及增進交換膜對燃料中夾含雜質、或反應過

程產生之污染副產物的耐受性，而最重要者即是應可全面降低成本。

PEM 交換隔膜另一關鍵性的作用，則是經由塗鍍於膜片上的薄層鉑觸媒(Pt

catalyst)，加速氫氣體釋放出電子成為帶正電的氫離子並穿透隔膜，同時可避免生

成過氧化氫(H2O2)之有害副產物而損害到燃料電池之性能，鉑乃屬於貴重金屬以致

會維持高昂的製造成本，倘若降低鉑的用量或改用其他較為廉價的觸媒，且又得

以獲致相同的輸出動力，勢可降低燃料電池的售價。3M 公司最近即已順利研發出

具有奈米結構的隔膜，其表面密布有細微的凸起柱狀物，可顯著的增加進行催化

作用的接觸面積，大幅提升觸媒的效益，而且研究人員還嘗試使用鈷(Co)或鉻(Cr)

等非為貴重之金屬，塗布於多孔複合物結構之中來作為新型的觸媒，預計得於近

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期之間獲致重大的突破，而使燃料電池的成本有再度調降的空間。

另外，座落於美國加州地區一家旨在生產聚合燃料(PolyFuel) 的業者亦對外宣

示，他們已研製出一種新款型的碳氫聚合物交換膜，可比當前的氟碳聚合交換膜

具有更優的功能，成本並可更為低廉；而且，較之於現已上市的交換膜成品，碳

氫聚合物之膜片得於高達 95℃的環境下使用，耐熱程度甚佳，而可延增使用的壽

限。按聚合燃料公司發言人之說明，此一新式交換膜的使用年限，不但得較氟碳

製品的膜片增長 50%，且產生的動力也可增加 10~15%，並可在範圍較大的環境下

運轉行駛，但材質成本卻可能僅約 PEM 材質膜片的一半，因此將可有極大的優勢

得以對抗 PEM 材質膜片的競爭，甚且在數年之內進入大量生產，而全面的取代 PEM

之膜片。固然，有不少業界對於碳氫化合物之交換膜，究竟是否真的如此優異仍

然存有疑慮，但已有著名的汽車製造公司，於其最新款型的燃料電池系列車中，

採用這種的膜片，足證其應已具有相當良好的品質。

清潔能源車的氫燃料電池車(二)

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貯存充足的氫氣，以增長行駛距離

如何使氫燃料電池車裝載足夠的氫氣，以達到適當的行駛里程，俾免行車未

久燃料即告用罄反將造成極大的不便，現行的氫燃料電池車大都只能承載 2.5~3.5

公斤重的氫氣，一次僅能奔行三百餘公里的路程，遠比汽油車為短，此乃其發展

受限的原因之一。通常，氫氣燃料是以每平方公分 352 公斤重之高度壓縮方式貯存

於鋼筒中，因係高壓貯存，故需維持於-200℃以下的低溫，方可使氫處於安全性較

高的液態，且是以密閉、隔熱措施良好的環境來貯放呈液態之氫燃料系統。為防

止因氣溫升高而導致氣爆，因而貯存液態氫的容器不可完全的鎖緊密固，在此情

況下每日從容器口端逸出、平白損耗的氫氣量，即約為全部存量的 5%，而且每次

啟動行駛之後，氫燃料所產生並轉換的能量中，即有 1/3 左右係用以維持氫燃料容

器的低溫，此正是其熱效率未能再提高的主要原因之一，相關業界的研發部門已

擇定有數種貯存液態氫的技術並正積極開發中，此外像是如何到特定的地點填裝

氫氣等事項，亦均為此一領域必須克服的瓶頸。

燃料電池乃是一種藉由當作反應物的燃料，經過化學反應以產生電力的裝

置，倘若燃料耗盡則需要再添加燃料。氫燃料電池所使用之氫燃料，得取自醇類

或醛類的化合物、沼氣、天然氣，或是其他各式各樣的碳氫化合物…等，因為氫

燃料電池係經由利用氫、氧的化合反應而產生電力及水，最後再將電力轉變為車

輛的動能。生成物僅有水而幾乎了無污染，亦無庸如同傳統蓄電池般的必須面臨

耗費漫長時間以待充電的不便，故可躍晉為當前甚具發展優勢的嶄新能源科技。

就自然界的實況論之，氫氣並非如同氮氣或氧氣似的普遍存在於空氣之中，而須

從別的物質來產製，故非如煤、石油或天然氣似的被視為是初級能源，而欲自各

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種化合物中分離出氫氣，則需先投下資金購置分離設備方可成事，倘投入之經費

不致於高出開採石化類之能源過多，則可擁有極為遠大的發展空間。現前，業界

係傾向於應用生化科技來製造氫氣，或應用風力發電產生的電力以電解液態水，

同時產生可供人類利用的氧氣和氫氣，以提高生產效率並節省成本。

美、日和歐洲地區，對開發氫燃料電池車的計畫與目標

美國的通用汽車公司是係全世界上諸事業中，投入氫燃料電池車領域已逾十

年之久且具有優良成果者，廿世紀底通用公司所生產問世的第一代氫燃料電池

車，即曾於歐洲地區行駛一萬公里以上之距離而未發生故障，並將推出新款車型

從事系列性的商業生產，例如不久之前通用汽車公司便曾宣布，將於 2010 年前生

產、銷售 100 萬輛以上的氫燃料電池車，而且氫燃料電池車的生產成本還可能會低

於燃油引擎之車種。日本之發展目標，則是計畫至 2010 年時產製逾 5 萬輛的氫燃

料電池車，至 2020 年、2030 年時更大幅增加至 500 萬輛和 1,500 萬輛，並提高燃

料電池車的佔有率達汽車總數的 20%以上；為貫徹該項目標，日本通產省並已規

劃於其境內，廣泛的布建氫燃料電池汽車的添加站，預計至 2020 年時可在全日本

各地建造達 3,500 座氫氣添加站，至 2030 年則可增加至 8,500 座。

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畫家描繪的氫氣加氣站

歐盟執行委員會則已於 2002 年 10 月，成立攸關推展氫能源及燃料電池的科技

部門，並列定目標大力推動各項氫能源之研究計畫。現於歐盟訂立的計畫之下，

即撥置有近約一億歐元的經費，以進行 16 個如何善用氫氣與其他新式能源以及燃

料電池的研究發展事項。第一階段之研究目標，係著重於研發可利用氫來燃燒並

產生動力的引擎，創新的電池燃料系統…等；第二階段則是擴大對於氫氣等各種

新式能源的取得，時程上又可分為兩期、每期各十年。第一期將投入於探索如何

充分利用新能源，以期能夠漸漸取代石化能源；第二期則將新能源實際推廣於日

常生活上。像是在英國首都倫敦，刻正逐步推出以氫燃料電池為動力、可減少空

氣污染的市內公車，此一款型之公車已被認為是劃時代之大眾運輸工具。雖然目

前氫燃料電池動力公車的造價顯比傳統的公車昂貴，但嗣後倘能大量生產，製造

成本勢可大幅降低。

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以氫燃料電池為動力的大型公車

結 語

面臨石化能源日漸短少，環保意識卻日受重視的時代，以石油為燃料俾產生

動力的車輛終有被取代的一天，數十年前即有業界研發靠石化能源以外的替代燃

料來驅動之汽車，諸如電動車、沼氣汽車、太陽能車、酒精燃料汽車、生質燃料

油汽車，以及邇來炙手可熱的氫燃料電池車。在這些分屬不同動力來源的車種當

中，燃料取得較為便利，又甚具環保成效、不會排放廢氣的氫燃料電池車，無疑

的具有極佳之發展前景，將可成為潛力無窮的明日之星。

註：混合動力車(又稱複合動力車)的動力裝置，主要可分為引擎、電池和馬達三

大部份，是用於不同行車狀況--高速行駛時，係由引擎供給動力，並帶動發

電機運轉，產生的電力會儲存於電池中；於市區低速行駛或以穩定速度行駛

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時，則改由電池釋放出電力以驅動馬達，繼而帶動車輛前進，此際引擎係停

止動作。依目前各先進國家所分別研發的技術且與其國內的汽車相較，混合

動力車種可節省耗油達 20%以上，且對於降低空氣污染裨益良多。

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燃料電池與電動車輛 ◎亞太燃料電池科技公司 鄭耀宗

電動車輛的開發與應用，雖經過百餘年來的努力，仍然無法獲得消費者

的青睞。拋棄傳統的電池，利用燃料電池與電動車輛的結合，將會激發出什

麼樣的火花？是否會有反敗為勝的機會？

電動車的發展歷史幾乎與引擎車同樣久遠，但是在速度與行程方面，都不易

滿足消費者的需求，因此一直無法成為普遍使用的大眾化交通工具。

二十世紀可以說是石油的世紀，石油的使用帶動了運輸、科技與文明的進展，

全球各型汽車累計達六億輛以上，消耗了大量的汽油，也在各地造成引發環境危

機的空氣污染。

現代的都市到處充滿汽車或機車，雖然提供交

通上的便利，但是也帶來嚴重的空氣污染。

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由於能源與環境的雙重壓力，電動車的開發與應用在一九七○年代重新受到

各國政府的重視與支持。根據多年來的研究與推廣結果，使用鉛酸、鎳氫等電池

的電動車，由於行程不足、充電麻煩等問題，只能做為自行車、代步車、高爾夫

球車、機場搬運車、室內堆高機等使用，而無法作為路面上的主要交通工具，例

如汽車、機車與巴士等。如果希望電動車能夠真正地商業化，則須採用新型的電

池技術，才可大幅提升電動車的功能，增加消費者的接受程度。

燃料電池具有零污染、高效率、低噪音、低振動，以及起動快、壽命長等諸

多優點，適合做為取代高污染與低效率的傳統汽、柴油引擎的選擇，因而成為近

年來美、日、歐等國爭相研發的重點科技，也成為這些國家獎勵與推廣的產品。

由於近年來燃料電池的技術突飛猛進，相關材料及零組件的成本亦持續下降，使

燃料電池電動車的商業化可能性大為提高。

燃料電池

一八三九年，英國的威廉‧葛羅夫（William Grove）利用水電解的逆向操作，

將浸在硫酸溶液中的一對白金電極接上負載後，氫氣與氧氣即可反應產生直流電

流，因而發明燃料電池。這種採用電化學發電的技術，經由後人的繼續研究，發

現除酸性電解質外，在鹼性、熔融碳酸鹽與固態氧化物等電解質中也可產生反應，

甚至以酸性固態高分子膜做為電解質也有同樣的效果。雖然都是利用氫氣與氧氣

的作用，由於使用的電解質不同，因而先後發明了許多種類的燃料電池。

隨著研究的進展，逐漸瞭解甲醇、乙醇等也可取代氫氣做為反應物，但是使

用氫氣的反應效率較高，因此目前主要的應用都是集中在氫氣系統。即使是採用

甲醇或天然氣的系統，大部分都是先利用重組器將燃料轉換成含有氫氣的重組

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氣，再與氧氣進行電化學反應。至於反應物中的氧氣可以直接取自空氣，只有在

鹼性燃料電池中，由於空氣中的CO2會與鹼性電解質直接發生化學反應，使電解質

失去效用，因此需要採用純氧系統。

在各種燃料電池中，質子交換膜燃料電池，簡稱PEMFC，具有反應溫度低、

能量密度高、材料選擇廣等優點，成為現行各國研發與應用的選擇重點。這種電

池的電解質是質子交換高分子膜，是一種磺酸化的氟碳系高分子，不但堅固耐用，

而且在吸收水分後就可成為氫離子的良好傳導體。

在高分子膜的兩側，分別塗布一層含有白金觸媒粉末的碳膠，便可產生陽極

與陰極的功能，這種組合稱為膜電池組體。膜電池組體中的白金碳膠就是觸媒層，

氫氣的氧化與氧氣的還原反應都是利用白金觸媒加速進行。在觸媒層的兩側，必

須分別利用稱為氣體擴散層的碳紙或碳布緊密夾住，如此即可形成一個單電池。

但是一個完整的單電池組，除前述的組件外，尚需加上從外側導入氫氣的陽

極導氣流場板與導入空氣的陰極導氣流場板。一般流場板都是採用具有導電性與

氣密性的碳材，可以傳導電流，但是反應氣體不會穿透洩漏。

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燃料電池組中的單電池是由稱為電極膜組（MEA）的膜電池組體，以及陰極與陽極

的氣體擴散層所組成，電極膜組的厚度可能不到100μm，卻是電化學反應發生的

地方。

質子交換膜燃料電池的作用原理是將氫氣通過導氣流場板導至陽極，在陽極

觸媒的作用下，一個氫分子會分解為兩個質子和兩個電子。這時，電子會由具導

電功能的流場板導至外面，經由外部負載電路到達陰極而形成電流，質子則通過

高分子薄膜到達陰極。在電池的另一端，氧氣亦通過陰極導氣流場板到達陰極，

在陰極觸媒的作用下，氧分子與通過薄膜的質子和外部負載電路流入的電子，發

生電化學反應而產生水及一些熱能。

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單電池的兩側需要分別有氫氣與空氣的流場板，也需要

防漏墊片，以組成一個可實際發電應用的單電池組。

燃料電池的反應物是氫氣與空氣中的氧氣，生成物只有純水、直流電流及廢

熱，這三種生成物都是可利用的資源，而且整個過程不會產生污染，因此是一種

環保的發電裝置。此外，燃料電池利用電化學反應原理，發電效率較高，又可把

所產生的廢熱在汽電共生系統中作進一步的利用，因此也是一種高效率的發電技

術。

燃料電池組與儲氫罐

單電池的電壓太低，而且電量太小，無法加以利用，因此需要將許多單電池

組成一個燃料電池組，才有實用的價值。現行電池組的組合方式係採用單電池串

聯結合，如此可形成緊密的結構，也可產生較高的電壓。在電池組中，氫氣與空

氣的流動與流場設計非常重要，要能在導氣板中提供氣體流過燃料電池的管道，

不但要儘量達到均勻地流過所有單電池反應面的效果，也要考慮減少壓降與帶出

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反應所生成的水分。

燃料電池組包括許多串接的單電池與冷卻板，上

、下側各有引出電流的導電片與緊密結合用的端板，

端板的外側有氣體與冷卻水等管線的進出接頭。

將儲氫合金粉末填充至儲氫罐內，然後進行封口作業，再裝設

安全閥、氣體管線結合卡楯與把手等，即組成合合金儲氫罐。

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在反應時所產生的熱量，目前都是利用空氣或冷卻水流通方式，以達到散熱

的目的，因此相鄰單電池之間需要插入冷卻板，以做為空氣或冷卻水的通路。質

子交換膜燃料電池組的冷卻板，都是採用與導氣流場板相同材質的純碳板或摻有

高分子的複合碳板，如此材料與加工單純化，而且可維持整體電池組的導電功能。

在電池組的兩端，分別加裝金屬導電片以引出電流，並利用端板與螺絲產生緊密

結合的效果，端板上則可安排各種氣體與冷卻水的接頭。

燃料電池系統的核心組件是電池組，另一項重要的組件是燃料供應裝置，藉

此才能長時間產生可靠的電力。目前在世界各地試驗或展示的燃料電池電動車，

主要的燃料大多採用氫氣；其中，巴士與汽車使用高壓儲氫筒，可以行駛較長的

距離，至於機車與自行車，則是採用低壓合金儲氫罐。

根據美國能源部的研究指出，金屬氫化物是現行最安全的氫氣貯藏方式，小

型車輛使用合金儲氫罐的理由主要是安全性的要求。儲氫鋼瓶的壓力大多在200個

大氣壓以上，而一般合金儲氫罐多在10 個大氣壓以下。此外，高壓鋼瓶只要發生

洩漏就會瞬間釋出大量的氫氣，而合金儲氫罐的洩漏速率緩慢較無危險性。但是

合金儲氫罐的缺點在於重量較重與合金較貴，在需要使用大量氫氣燃料的大型車

輛中就不合適。如果考慮重量減輕與製程簡易，則罐體材料可採用鋁合金；若著

重強度時，則選擇不銹鋼。

燃料電池引擎系統

傳統的車用汽油或柴油引擎，除引擎本體之外，還需要有油箱、油泵、濾油

器、空氣濾清器、化油器、噴嘴與點火裝置等組件，同時排氣管裝有消音器與觸

媒轉化器，而且水冷式引擎還需要冷卻水系統，因此整個引擎系統相當精巧與複

雜。

採用鉛酸電池、鎳氫或鋰電池的電動車，主要的動力組件是電池組、充電器、

電力控制器與馬達等，因此動力系統較為簡單。燃料電池組的反應物需要由外界

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供應，必須有提供氫氣與空氣的系統，同時要裝設電池組冷卻系統，因此燃料電

池電動車的動力系統比一般電池電動車較為複雜。

將電池組、儲氫罐、馬達與其他相關組件加以整合，便可組成燃料電池引擎

系統，以做為燃料電池電動車的動力來源。這種系統可分為水冷式與氣冷式兩種，

前者的優點是能源效率較高，缺點是較為複雜，適合應用於較大型系統，如汽車

與機車。後者的優點與缺點恰與前者相反，可以裝設於較小型系統，如自行車與

代步車。

以電動機車用水冷式燃料電池引擎系統為例，可採用數支合金儲氫罐供應氫

氣，這些儲氫罐安裝在夾套式氫罐插置承座中，並利用電磁開關啟動氫氣氣流，

再經過減壓閥流入電池組進行反應。這種系統的氫氣管線都採用密閉式，亦即強

迫所有流入電池組的氫氣都經由電化學反應消耗掉，但是為排除累積在電池組中

的不純物與水分，需要裝設一個定時開啟的氫氣排放閥。

車體經過重新設計的燃料電池電動機車，電池組

在座墊的下方，四支儲氫罐在前車殼架的內部。

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如果要提高反應效率，可另裝設小型氫氣泵，將電池組中的氫氣抽出，再由

氫氣管線進口端送回電池組，造成氫氣攪動與循環的作用。在空氣供應方面較為

單純，由於電池組可採低壓操作方式，因此一般選用直流、低壓與風量大的鼓風

機供應空氣，鼓風機的前端需要裝設過濾器，以防止灰塵、雜物進入電池組。

電池組在開始發電後，溫度會逐漸升高，這時就要靠冷卻水來控制溫度。用

一個低流量水泵，把冷卻水從水箱抽出，流經儲氫罐插置承座的夾套、電池組的

冷卻板與散熱器中的熱交換盤管，最後再回到水箱，以維持冷卻水的循環。

由於電池組在反應時會放熱變燙，而儲氫罐在放氫時會吸熱變冷，冷卻水循

環系統可巧妙地利用這種特性，將經過電池組時吸收的熱量送到儲氫罐插置承座

的夾套以加熱儲氫罐。這一系統不但維持儲氫罐的放氫速率，而且可有效保持電

池組操作溫度。

當電池組在高功率放電時，儲氫罐吸收的熱量不足以降低冷卻水的溫度，這

時就須啟動散熱器的風扇，以提供額外的冷卻效果。此外，在冷卻水的管線系統

中，裝設有一分流支管，使部分水流經過濾水器與樹脂交換裝置，因而維持冷卻

水的純度。

當燃料電池的反應持續進行後，也就是電池組的溫度升高時，反應氣體的相

對濕度隨之降低，因而高分子電解質膜所含的水分會逐漸蒸發。這種現象輕微時

會導致電池組的電壓下降，嚴重時氫氣會直接穿透過高分子膜與空氣混合燃燒，

造成部分電池的損毀。為避免發生這種結果，在空氣流入電池組之前，需要經過

加濕裝置，以提高空氣濕度。至於加濕裝置的設計有許多種方法，例如利用反應

後含有大量水氣的空氣，在流出電池組後，經由透水膜使進入電池組的空氣增加

濕度。

整個燃料電池引擎系統的運轉與保護，都是依賴電力與操作控制器。在系統

開始啟動時，先利用一顆小型二次電池提供驅動電力，包括開啟氫氣閥與轉動鼓

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風機等，等到電池組開始發電後，即可由電池組提供各種需要的電力。燃料電池

引擎系統的體積、重量、功能與控制，必須達到節省空間、減少重量、提升效率

與簡易操作的效果，因此需要有精巧的系統設計與適當的組件整合，才能符合實

用的要求，並讓使用者能輕鬆地駕駛與操控。

燃料電池電動車與周邊系統

燃料電池引擎系統只是電動車的動力部分，尚需要搭配車架、車輪、煞車、

懸掛系統、傳動系統、照明與電力系統、儀表與操控系統等組件，才能完成整部

車體的設計與組裝。

目前研發中的燃料電池電動車，動力系統有兩種，包括只用燃料電池的車種，

以及同時裝置燃料電池與二次電池的複合電池車種，其中主要的差別在燃料電池

功率的大小。以電動機車為例，如果選擇功率為二千瓦的燃料電池組，則須配合

鉛酸或鋰電池組以組成複合電動車；但是選用功率五千瓦的燃料電池組時，即能

符合一般情況的加速與爬坡需求，不需仰賴額外的二次電池提供輔助動力。

以燃料電池電動機車為例，可利用現有市售電動機車的車體進行改裝，即以

燃料電池引擎系統取代原有的鉛酸電池組。由於燃料電池組的體積與重量並不

大，能夠安裝在座墊底下置物箱下方的空間，鼓風機、水泵與控制器裝設在置物

箱內，水箱與散熱器懸接在後車輪與後車架之間，合金儲氫罐與插置承座則利用

腳踏板下側的空間。將這些組件固定後，即可進行空氣、氫氣與冷卻水等管線與

控制閥的安排與裝設，以及溫度、壓力感測器與電線的接合，最後再經過測試與

調整，就可組成一部完整的燃料電池電動機車。

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利用現有市售鉛酸電池電動機車改裝的燃料電池機車，

電池組在座墊的下方，兩支儲氫罐在腳踏板的下方。

但是這種機車是遷就已有的車體組成，不易達到實用化的要求，例如車體前

後重量分布不夠平均、儲氫罐體可能與路面突起物碰撞、置物箱已被占用無法放

置雨衣與安全帽、腳踏板底下只能容納兩支儲氫罐造成續航力不足等，因此只能

當做單純的研究與展示使用。如果要發展實用化與商業化的燃料電池電動機車，

必須針對燃料電池引擎系統的特性與構件，重新進行車體與車型的分析、規劃、

設計等工作。例如將座墊下側的車體擴大，以容納電池組、鼓風機、控制器等，

且可回復置物箱的空間；同時將前車殼架的車體擴大，增加的空間可裝設散熱器

與四支合金儲氫罐。若將機車車體與燃料電池引擎系統作更佳的整合，改善重心

配置與使用性能，增加可用空間與行駛距離等，將更具有實用的潛力。

一般汽車的動力負載大多為機車的10倍以上，對於燃料電池引擎系統的性能

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與效率要求更為嚴格，因此設計方法也遠較機車複雜。其中較簡單的車種是兩人

座型燃料電池電動汽車，稱為近鄰電動車，主要做為社區往返或短距離代步使用。

由於這種車輛的時速要求在30公里以內，可以使用功率10 千瓦以下的電池組，而

且燃料耗量與行駛距離不遠，不需裝載大量氫氣。這種小型車的燃料電池引擎系

統與前述的機車情況較為相似，只是並不使用儲氫罐，而是使用高壓氫氣鋼瓶。

兩人座小型燃料電池電動汽車，採用兩個五千瓦功率的電池組，

安裝在車前蓋下方，至於燃料為高壓儲氫鋼瓶，可置於座位下方。

燃料電池電動車上路後，緊接著的問題是要到何處加裝燃料，因此需要有燃

料周邊系統的設置。如果是使用高壓氫氣鋼瓶的電動汽車，則需要普遍建立加氫

站以補充燃料；若是採用合金儲氫罐的電動機車或自行車，則須有氫罐交換站提

供服務。

以電動機車為例，機車用戶可選擇就近的交換站，並以空罐換取實罐後繼續

行駛。交換站在收集空罐後，交給定期巡迴的氫罐運送車，同時換取實罐以繼續

提供交換服務。運送車將空罐送回充氫工廠填充氫氣，並將實罐再度運至各個交

換站。至於充氫工廠所需的氫氣，則來自氫氣製造廠。

由此可知，一個適合電動機車的完整燃料周邊系統，需要包括交換站、物流

中心、充氫工廠與製氫工廠四個部分。由於車輛的使用數量大與分布地區廣，燃

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料周邊系統的建置，不但需要龐大的投資，而且需要相當的時間，所需的安全管

理規範也需要積極建立與嚴格執行。

商業化的發展前景

燃料電池電動車的技術已經相當成熟，能否商業化的關鍵在於消費者的接受

程度，亦即在使用性能、壽命、價格與燃料周邊系統等，需要讓消費者能夠滿意。

目前燃料電池、相關材料、系統組件、車輛製造與燃料供應等廠商，正在共同努

力解決這些問題，但是也需要政府的支持、獎勵與補助，才能逐步營造出初期的

市場。

只要商業化的進展能夠成功，在大量生產與使用後，車輛的性能就能不斷提

升，而且價格也可以持續下降，此時燃料電池電動車就可逐漸全面取代引擎車，

並可造就一個擁有清潔空氣的都市空間。美國、日本與歐洲已經在政府的支持下，

與各國的燃料電池相關產業廠商合作，紛紛成立燃料電池夥伴聯盟，進行燃料電

池電動車的教育與推廣工作。這些國家的政府部門也都在積極提供獎勵與減稅等

補助措施，並協助建立初期的燃料周邊系統。

我國政府對燃料電池科技的推動也是不遺餘力，除利用能源基金與科技專案

補助研究機構、大學與產業界進行技術開發之外，並在今年正式成立台灣燃料電

池夥伴聯盟，希望能加速推廣產品的實際應用。經由這些努力，期望台灣在未來

全球燃料電池電動車的商業化進展過程中，能夠積極參與和貢獻，並創造出優異

的技術、新興的產業與美好的未來。(資料來源﹕科學發展月刊第367期)