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乾淨的氫燃料電池 真的那麼美好?

乾淨的氫燃料電池 真的那麼美好?
                                       

在世界各國積極降低碳排時,許多電動載具也孕育而生,能夠提供驅使電動載具運作的當然就是電力,最常見的就是在電動汽車或機車中的鋰電池。除了鋰電池外,其實還有一個非常優異的電力來源,就是這次要聊的氫燃料電池,像是之前提到的現代汽車推出的概念車款 Hyundai N Vision 74,就是以氫燃料電池為基礎進行開發,另外像是 ZeroAvia 這家公司,也是以氫燃料電池打造零碳排客機。氫燃料電池的發展似乎已經接近商用之際,電動車大廠 Tesla CEO Elon Musk 卻跳出來說這項技術完全不適合用在車輛上,甚至以愚蠢來形容,到底氫燃料電池是電動載具的未來?或是真的沒有想像中的美好?

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*from Hyundai

 

什麼是氫燃料電池

氫燃料電池是燃料電池的一種,只是他的燃料使用的是氫氣,其實我們可以將它視為一個小型的發電廠,並不像一般鋰電池需要充電儲存電力後再提供電力。說到以氫氣為燃料,大家可能會有點害怕,畢竟氫氣是非常容易燃燒的氣體,如果燃燒非常有可能會產生爆炸。但氫燃料電池並不是真的燃燒氫氣,而是以較緩和的氧化還原反應將化學能轉換成電能的過程。

氫燃料電池是將氫氣注入電池的陽極,氧氣注入電池的陰極。在陽極的氫氣經過催化劑的作用把氫氣分解成兩個氫質子與兩個電子,那電子就會經過電路形成電流抵達陰極,氫質子則會被另一邊的氧氣吸引,穿過薄膜抵達陰極,在陰極催化劑之作用下,氫質子、氧及電子,發生反應形成水分子,因此水可說是燃料電池唯一的排放物。 所以過程中並沒有真正的燃燒,而是透過催化劑來分解與結合。

能讓氫燃料電池可以持續發電,最重要的就是需要注入氫氣,也因此使用氫燃料電池的汽車必須有高壓氣瓶來裝載氫氣。

 

那些車廠正在開發氫燃料電池

目前正在開發使用氫燃料電池的車廠其實不少,我們比較熟知的就是韓國現代汽車與日本豐田汽車,其實在 2019 年底時,韓國現代汽車開發的氫燃料車 Hyundai Nexo 就創下單趟 778 公里的紀錄,後來在 2021 年四月時又再度創下單趟 888 公里的紀錄。而 Toyota 在 2014 年就發表第一代氫燃料電池汽車 Mirai,後來在 2020 年推出第二代,並在法國進行續航測試時創下 1003 公里的紀錄。

除了車廠外,前面提到航空業者 ZeroAvia 也積極開發氫燃料電池客機,近期也得到 6800 萬美元的 B 輪融資,讓氫能源前景一片看好。

 

氫燃料電池到底有哪些問題?

氫燃料電池相對於三元鋰電池,能量密度高上許多,目前能量密度最高的三元鋰電池約為每公斤 1.08 百萬焦耳,氫氣卻有著每公斤 143 百萬焦耳,整個能量密度天差地遠,照理說這麼好的技術,Tesla CEO Elon Musk 應該沒有理由反對才是,但為什麼會被稱為愚蠢呢?

我們先撇除 Tesla 努力耕耘鋰電池技術,所以不希望下一代汽車能源革命那麼快出現的猜測,其實氫燃料電池現階段問題還真不少。

 

氫燃料電池成本太貴

除了 Tesla CEO Elon Musk 公開反對氫燃料電池外,VW 福斯集團執行長 Herbert Diess 也認為氫燃料電池車不是現階段最好的解決方案,他的理由是太貴了。事實上以現階段的製造成本來說,氫燃料電池真的相當昂貴,前面有講到氫氣要轉成氫質子與電子需要催化劑,這催化劑使用的是鉑金這貴金屬,現在鉑金的價格一公克大約是 900~1000 元台幣之間,以 Toyota Mirai 燃料電池所使用的鉑金大約 100 公克,所以光是催化劑就要 10 萬元。 另外在質子交換膜的成本大約 50 萬元、高壓的氫氣瓶也差不多要 30 萬,這樣光是物料成本就要將近 100 萬。 但以 Tesla 所使用的 75KWh 三元鋰電池來說,成本只需要 30 萬左右,這 70 萬的成本價差對於一台售價 200 萬的車來說,比例真的超高。

 

大量製造氫氣需要找到環保的方式

氫氣製造我想大家都在小學自然課有學到,就是使用電解水的方式進行,但如果要大量製造氫氣並不是像自然課那樣簡單。根據經濟部技術處的文章指出,目前 95% 以上的氫氣製造方式為熱裂解,它以高溫觸媒,將水蒸氣與碳氫化合物反應製造氫氣,而甲烷就是最常使用的原料,所生產出的廢料即為二氧化碳,這對於積極減碳的現在並不是好的方式。當然二氧化碳在產生時,可以使用二氧化碳捕獲、封存與再利用的機制降低排出,但這技術成本偏高。

現在比較好的方式,就是我們小學自然課學到的電解水技術,但電力來源會使用太陽能光電或是風力發電這樣的綠能進行,不過轉換效率偏低,製造成本也比前列的方式要高出 3~8 倍,似乎也不是非常有效率的方式。

 

加氫站建置與運送是大問題

氫氣本身就是相對不安全的氣體,非常容易燃燒與爆炸,目前最常用的儲存與運送方式會以壓縮氫氣與液態氫氣為主,但壓縮氫氣所需要的壓縮鋼瓶重量非常可觀,危險性也較高,而液態氫會自然蒸發,不適合長期儲存,所以在運送與加氣站的設置技術也是大問題。

目前比較安全的方式為將氫與氮結合為較安定與安全的氨(NH3),或是與甲苯反應成為甲基環己烷,讓氫氣已較穩定的方式運送與儲存,在要加氣時再以脫氫技術將其取出應用,不過這兩個技術所需要的能源都非常大,要商業化也要一段時日。

最後,因為在人們的印象中,氫氣就是個危險的氣體,要設置加氫站對於民眾來說也是個心理障礙,這也需要時間與教育來克服。而加氫站的成本其實也相當昂貴,除非政府有補助,否則民營業者很難在氫能源普及前就設置加氫站,這也是個非常大的問題。

 

安全性更是關鍵

車廠在製作設計氫燃料電池時,對於高壓氣瓶絕對會以最高標準為設計,畢竟氫氣無色無味,當不小心洩漏都很容易發生危險,當車停放在室內停車場,只要有一點洩漏,讓氫氣聚集到一定量後,遇到開關電源或是插插頭所產生的火花後,就有可能發生爆炸。而當車禍發生時,要怎麼確保氫氣可以安全的被保護也是非常重要的關鍵,所以安全的高壓氣瓶設計絕對是目前氫燃料電池車最大的問題所在。

 

後記

其實每種科技在發展初期都有一定的危險存在,例如石油在一開始被使用在車輛上時,也被認為是極度危險的物質,但因害怕而不去做,我們的科技真的很難繼續進步,也很難達到真正的環保,但這些技術難題,就留給想要找到答案與找到新財源的科技公司傷腦筋。

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