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氢燃料电池车干净上路

  氢燃料电池车终于上路了！不仅不再排放二氧化碳与废气，续航力及抗冻能力也大幅提升。现在，就等周边基础设施的配合！
撰文╱艾胥利（Steven Ashley）
翻译／张雨青
往德国莱朋（Nabern）的路上，除了沿途设置的自动测速照相机外，似乎没有其他事物，能令贝雷塔收起满脸的笑容。车子驶入美景如画的斯瓦比亚村近郊之际，他低声说道：「请在这儿减速。」贝雷塔正率领一组人马，为戴姆勒克莱斯勒公司的氢燃料电池车队，进行全球测试，这支车队由60辆最新型的F-Cell系列氢燃料电池汽车组成。测试的目的，在使汽车制造商得以于各类驾驶条件下，评估这款零污染与能源效益兼具的车种。这位顶着一头鬈发的工程师，热切地想让试乘者体验F-Cell优异的直线加速性能，这是在引擎盖下装了电动马达的好处之一。不过，得等脱离了测速照相机锐利电眼的监测范围，才能实车操演。
尽管F-Cell采用高科技推进系统，其性能及操控感却与丰田的Corolla、福特的Focus或其他传统小型房车相去不远。因此，F-Cell感觉起来不太像下世代的原型车，比较像是一般市售车。要说有任何不寻常之处，唯一的线索，就是压缩机会发出罕有的「赫…赫…」声。贝雷塔打包票，原厂工程师一定会很快让这怪声消失。
在追求极致洁净车的路上，戴姆勒克莱斯勒公司并不孤独。汽车业经过10年专注的研发，已跨越了里程碑，催生出第一支俨然具有上路实力的燃料电池测试车队。再过不久，20辆本田汽车最新款的FCX与30辆福特汽车FCV燃料电池动力车的芳踪，就会出现在高速公路上。通用汽车计画明年在美国纽约市都会区提供13辆评估用的燃料电池车。已有30辆戴姆勒克莱斯勒公司出厂的燃料电池巴士，穿梭在欧洲10个城市的街头，他们很快还将再添三辆生力军，陆续于中国北京与澳洲伯斯加入服务的行列。
同时，几乎所有其他的车商，也正从事数款原型车的开发。以丰田汽车为首，日产、雷诺、福斯、三菱与现代汽车亦不落人后。汽车制造商力求这项技术臻于完美，所投资的手笔之大可见一斑。据报导，全球目前共有600~800辆处于测试阶段的燃料电池车。供应商亦已着手开发并供应原型车必备的零件。若一切顺利，这些开发成果将可达成在10年后让燃料电池车迈入初次商品化的目的。
面对政府越趋严格的废气排放管制、石油短缺会步步进逼的预期，以及温室气体可能引发的全球暖化灾变，汽车业界与各国政府于过去10年间，已投下数百亿美元，催生洁净又能有效推进的动力技术，期能取代内燃机引擎（详见2002年12月号〈改变世界的概念车〉）。然而，对于产业界生产完全环保车款的实际动机，以及这样不遗余力的研发，是否真足以于近期内获致成功，评论家依然多所质疑。有人认为，在燃料电池车上所下的功夫，不过是车商为了以后照样能有生意做，而放出的烟幕弹，这种猜疑迟迟挥之不去。车商高阶主管则回应，他们预见，长远下来没有比氢燃料电池汽车更佳的选择：因为所有实用的替代产物，例如结合内燃机引擎与电化学电池的复合动力车，仍旧是燃烧石化燃料，并且会产生二氧化碳与制造污染。
绊脚石
在德国莱朋至法兰克福这段约225公里的高速公路上行驶两小时，F-Cell与典型内燃机引擎汽车之间最显着的区别，便足以显现出来。不到90分钟，F-Cell就会因耗尽燃料而在路肩动弹不得，而且很难找到补充燃料的处所。F-Cell和所有氢气动力车系所携带的氢气，均不足以满足车主所期望的至少480公里的续航力。而且由于充气服务站仍然数量稀少又距离遥远，燃料的补充就是个大问题。因此，尽管汽车制造商勾勒出光明的愿景，又喊出乐观的口号，众多技术与市场上的挑战，仍不免延误燃料电池房车推出的时程，即便不到几十年，至少也要好几年。
在丰田Prius与本田雅哥Hybrid车系的车主，能将爱车折价换购更环保的车种之前，汽车制造商与供应商，必须先设法找出可充份提升车上携带贮氢能力的方法，再把燃料电池动力传动系统的价位，压低至现有成本的1/100；同时，还得将动力装置的运转寿命延长五倍，并且增加运动休旅车以及其他重型车动力系统的输出能量。最后，要驾驶这些车辆，全世界的加油站，也全都得换成装填氢气的基础设施才行。
这一切在短期内能否万事俱备？连一些汽车制造商都持保留态度。丰田汽车先进技术事业群的美国区经理赖纳特表示：「大量量产可能是25年后的事。我不奢望成本能充份减低，而对于氢气贮存课题的对策、以及如何在车体内塞进这些庞大的设备，又不减其市场性，我也感到十分悲观。」从一个现象可明显看出，燃料电池车仍是在进展中的产物：几乎所有车商代表，都要求政府增加对基础研究与氢气分装设备的投资，以协助他们克服难关。
车用氢燃料电池的核心，是一片薄薄的氟碳聚合物，称为质子交换膜（PEM），它身兼电极（用以传递电荷）与防止氢燃料与氧混合的阻障物等双重功能。当隔膜表面的触媒使氢原子上的电子游离时，即产生电力，供应燃料电池汽车动力。接着，电荷载子（氢离子或质子）穿透隔膜，与氧气和一个电子结合而形成水，这也是唯一产生的废料。多个单电池单体组合起来，则成为所谓的电池组。
PEM燃料电池可将导入燃料中55％的能量转化为功输出，因而获得工程师的青睐；内燃机的效率则为30％左右。其他优点还包括运转温度较低（80℃）、安静且安全性佳、操作容易以及维修需求低。
燃料电池车要于2015年前开始销售的展望，则有赖于隔膜技术的改良。燃料电池组的成本中，隔膜所占比率达35％。研究人员列出若干必要加强之处，例如减低隔膜两侧的燃料穿透度；提升隔膜的化学与机械稳定性，使之更为耐用；抑制非预期之次反应，以及提高对燃料杂质或反应中多余副产物（如一氧化碳）等污染的耐受性。而最重要的，就是要能全面降低成本。
去年秋天，关于隔膜技术「重大突破」的新闻，在燃料电池研发界引起骚动。坐落于美国加州山景城的小公司「聚合燃料」（PolyFuel）宣布，该公司已研制出聚合物碳氢化合物隔膜，号称比目前的全氟化隔膜具有更优越的性能，且成本更低廉。聚合燃料执行长巴尔科姆得意地笑着说：「这玩意儿看起来活像个三明治卷。」他自豪地举出一堆理由，说明那玻璃纸般的隔膜，性能为何比一般的全氟化隔膜，尤其是杜邦知名的Nafion材质，来得优异。
较之于现有的隔膜制品，碳氢化合物隔膜可于更高的温度下使用（高达95℃），因此可以使用较小型的散热器。巴尔科姆宣称，其寿命比氟碳制品长50％，产生的动力也多出10~15％，并可于湿度更低的环境下运转（因此问题较少）。此外，氟碳隔膜的成本约为每平方公尺300美元，聚合燃料研制的材质成本却可能只有一半。虽然很多其他研究人员仍对碳氢化合物隔膜存疑，本田最新款的FCX系列燃料电池车却已经开始采用了。
触媒的难题
PEM隔膜的另一运作关键，则是镀于隔膜两面的薄层铂触媒，占电池组成本的四成。触媒同时帮助来自燃料的氢与来自空气的氧分子分解、解离、释放或接受质子与电子，而发生氧化反应。在隔膜的氢气侧，氢分子（即两个氢原子）必须连接于两个紧邻的触媒部位，从而释出带正电的氢离子（即质子）穿透隔膜。氢离子与一个电子和氧配对时，氧气侧便发生复杂的反应，然后产生水。这个反应可能生成过氧化氢之类的有害副产物，进而损伤燃料电池元件，因此必须巧妙地予以控制。
由于贵金属成份的成本不斐，研究人员正绞尽脑汁降低铂的含量。他们不仅致力于寻觅提升触媒活性的方法，好以较少的用量达到相同的输出动力，还尝试做出不会经时耗损，又能避免次反应污染隔膜的安定触媒结构。3M公司的研究人员最近成功提升了触媒的活性，他们制作出具有奈米结构的隔膜，表面密布着细微的柱状物，大幅增加了催化面积。其他研究工作则着重于别的材料，涵盖钴或铬等非贵金属，以及成份为嵌于多孔复合物结构中的微小颗粒的触媒。
提高车上的氢气贮存量
燃料电池车拥护者最大的忧虑之一，是工程师如何能将足够的氢弄上车，以达到消费者所要求的行车里程数。640公里左右的路程，需5~7公斤的氢，当今燃料电池原型车却只能承载2.5~3.5公斤。加拿大温哥华市的燃料电池组大厂巴拉德动力系统公司执行长坎贝尔表示：「没人确知如何在合理的容积范围内，使贮氢量倍增。」
常温下，氢气通常以高度压缩气体的形式贮存于压力瓶中。现有复合物压力瓶的压缩容量，约为每平方公分352公斤重，许多工程团队正尝试使其倍增。不过，两倍的压缩量并不等于两倍的存量。以-253℃贮氢的液态氢系统已测试成功，但却有重大的缺陷：燃料所产生的能量中，约有1/3必须用来维持低温，使氢得以保持液态。且尽管这些系统具有厚重的绝热措施，每日从封口蒸发而损耗的氢气量，约为总存量的5％。
几种替代的贮氢技术正在开发中，但尚未有令人惊艳的进展。通用汽车研发与计画部门副总伯恩斯指出：「实验室里的展示品，距离一套设计完善、价格合理、持久耐用又轻巧的贮氢系统，还有段不小的差距。」
【意犹未尽吗？欲阅读完整全文，请参阅科学人2005年4月号〈氢燃料电池车干净上路〉】

氢燃料快实用化啰 赶快取代石油吧 不要再涨价了啦