太晚認真的夢想

經過能源危機及油價的起落與最近的高漲，許多大汽車廠關閉整併然後再出發後，燃料電池的應用再度搬上台面。美國通用開始發展氫能燃料汽車，現在許多大的電腦公司也開始使用燃料電池發電，作為電源供應的一部份。燃料電池的應用已經開始展露頭角，未來在汽車方面，也應有比較合理的應用模式出現，而不必一直倚賴石油了。本影音裡介紹的是否為太晚認真的夢想，仍然值得期待。

Ballard Fuel Cell Technology

燃料電池的作動原理

利用再生能源製氫之成本如何？

再生能源種類很多，目前常看的是風力發電。但就今日風力發電之技術，其製氫成本約為汽油之三至五倍，成本仍然較高。在歐洲，汽油價格約為美國之三至五倍，如此算來，以氫為燃料已具有相當的競爭力。故只要車輛用之燃料電池能設法提高其效能，在油價高漲的今天，仍然可以作為替代性能源。

其他再生能源製氫仍然有賴整個製程之配合。利用生質能所產生之熱量亦可從事製氫，只是其規模較小，過程也甚慢。利用藻類直接產生氫氣也是一種可行的方法，但大部份仍在試驗階段，很難估計其作業成本。

這樣製氫不是會損失更多能源嗎？

的確是這樣，為了製造氫氣，必須使用更多的能源。但請不要忘了所有能源製程均會耗損能源。平均一個煤礦廠，由開採礦產到生產煤的過程要耗損70%的能源，這還不包括使用後所產生之污染問題。因此，要如何合理取得氫則更應謹慎算計。

由太陽得到能源可能是答案。想一想，所有能源幾乎均來自於太陽，其中包括我們吃的食物，終究是由植物將太陽能轉換為碳水化合物，但其效率僅及1%。當食物上桌之際，到人體轉化為熱能，其總效率更低，可能僅及0.1%。現代之太陽能電池可以轉換太陽能為電力，其效率則已超過15%。

若我們將這種由太陽能轉換的電力來製氫，然後用氫作為車輛用燃料電池之燃料，則整體之太陽光至車輛動力之效率約為4%。如此算來，這種生產氫的方式應比我們純走路時的熱源利用效率至少高四十倍以上，你說不是嗎？

氫安全嗎？是否會爆炸？

就一般使用而論，氫的危險性與汽油、甲烷及液化氣約略相同。

歷史上興敦堡(Ｈinderbuirg)飛船爆炸事件以為氫氣肇禍，據最近的研究指出當時是因為飛船上所漆的油漆著火所致。若實際上氫氣被點燃時，火焰應會往上燃燒，這種現象反而促使飛船緩慢下降，因此不會傷及下面的旅客才對。

但是氫氣必須使用高壓及低溫狀態下儲存才能維持其液態，這在使用上有較大的困難。整個供氣的系統必須利用技術加以克服。實際上氫氣在管路運輸較油方便，而且流動均勻。

到底製氫的成本如何？

製氫的成本依其含量而定，純氫在提煉廠附近的價格每磅約為32美分。但若將氫運至市場販售，包括液化及運輸，其價格提高至每磅1-1.40美元。

一磅氫所產生之能量約等於二分之一加侖汽油弱。這樣算起來，每加侖氫（以液態計）成本約需2-2.8美元。目前油價上漲，已達3.0美元左右。比較起來，氫燃料已慢慢有其實用的空間。

會不會使氧用馨，且使水氣增加？

不會。生產氫時所產生及消耗的氧氣是等量的。

至於水蒸氣，現在燃燒汽油也同樣會產生。只是使用燃料電池的車輛其產生之水氣每英里應為兩倍之量，但這些數量與自然的大氣其所含的水蒸氣量比較仍然微小，其對於地球的暖化影響也甚微。

為何無法大規模生產？

成本是一項最大的障礙。不論何種方式生產氫，幾乎需要用電，使製氫成本居高不下，無法取代現有之燃料系統。在車輛方面，汽車仍然比氫容易貯存。因為氫必須在甚低的溫度下以高壓貯存，非常不易。

此外，整個供氫體系必須重新建立。為生產、運輸及安全貯藏氫，其所費不貲。

為何燃料電池與氫扯上關係？

燃料電池常被拿來與一般電池相比，兩者均是將能量轉換為有用的電能，但仍有甚大的不同。燃料電池只要供應多少氫就產生多少電，因此動力可以隨氫燃料之數量而變動。一般電池是蓄滿一次用完再充電，其使用上略有不同，一般電池放久了會損耗電力，燃料電池則無此顧慮。

與一般內燃機比較，若同樣以氫為燃料，燃料電池之潛在效率會比內燃機高二至三倍，就汽車而言其哩程數也應增加二至三倍。

燃料電池與一般電池一樣，經歷一段時間後性能會有降低的問題，用久了必須更新。燃料電池用於車輛方面，一般設定的目標是連續作業5,000小時，約為十五萬哩；使用於固定設備方面則達四萬小時，約為五年的壽命。以目前的技術而言，有些燃料電池已可達到後者之標準，但在車輛方面約僅達其三分之一的目標，仍然有一大段可改善的空間。

到底需要多少水才能產生氫？

實際上所需要的水並不會比現在多。若現在將美國所有的輕型車（約二億三千萬輛）全改為燃料電池的話，每年所需的水約為三千一百億加侖。目前美國全國的飲用水每年約4.8兆加侖，另70兆加侖作為發電用途。有趣的是，現在的煉油廠為提煉汽油每年也要使用三千億加侖的水！

如何生產氫？

氫幾乎可以從任何物質中提煉而得，諸如：水、石化燃料以及一些有機質。

目前全世界氫的產量約四千萬噸，均由天然氣中提煉而成。其法係將天然氣直接與水蒸氣反應，產生氫與二氧化碳。氫的用途有許多，諸如製成氨，作為製作化學肥料之原料；在煉油廠中亦可用氫氣來提煉汽油，所以是很重要的原料。此外，氫元素也用來作為化學原料、食品及金屬工業之原料。

由天然氣提煉氫可能是目前最便宜的製程，這可能也是未來燃料電池取氫的重要方法。利用碳與水蒸氣反應亦可同樣取得氫，問題是，無論使用那種製程都會產生二氧化碳，影響到地球的暖化。

提煉過程中避免產生二氧化碳的方法則是直接將水分解為氫與氧。這是一種電解水的過程，其間必須維持特定的電流。為此，仍然需借助石化燃料產生的動力與電力。所幸同樣的方式也可以利用再生能源產生，諸如太陽能、風能、水力、地熱或生質能等。這些能源幾乎沒有污染，且可永續。

由核能電廠所產生之熱或電力亦可用來裂解水，但其中仍然牽涉到核廢料及核安全的問題。未來尚可能使用的方式則如海浪發電或由微生物或藻類直接生產氫等，這些仍有待進一步的研發。

為何氫是一種能源?

就能源的觀點而言，氫元素在宇宙中含量最豐富。由於其重量輕，其單位重量所含之能量最高。氫在自然界中很少獨自存在，它常與其他元素結合。例如與氧結合成水，與碳結合成石化原料。

但是，氫一旦分離而出，其所攜帶之能量則是最乾淨、最沒有污染的一種。其安全度與汽油相同，但卻可以在任何地方生產，不須經過挖礦的過程，更不會被產油國家壟斷。

美國太空總署發射太空船所用的動力是以氫為燃料之燃料電池，其所產生之排放物為水，正好作為太空人的飲用水，一點也不浪費。