全球車用燃料電池發展趨勢與臺灣產業技術布局機會
摘要：鑑於全球淨零排放浪潮與歐美碳邊境調整機制趨勢，2050 年氫能源價值鏈所需之設備產值將達到2,470 億美元。當前氫能源產業發展有別於過去由氫能源車應用帶動，取而代之是依照各國及地區發展優勢加速向氫能源產業全價值鏈技術拓展。質子交換膜燃料電池仍是目前車用動力市場主流，本文經由解析其中國際標竿廠商Ballard 經營策略與現狀後，提供臺灣發展自主關鍵技術短中長期建議。
Abstract：Given the trend towards achieving Net Zero Emissions and Carbon Boundary Adjustment Mechanisms,it is projected that the equipment market for the hydrogen energy value chain will reach 247 billion US dollars by 2050. Unlike the previous scenario that was primarily driven by hydrogen cars, the current development of the hydrogen energy industry is focused on capitalizing on the strengths of each country and region and accelerating the expansion of the full value chain technology. The Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) technology continues to dominate the fuel cell vehicle market. To identify industrial technology opportunities, it is crucial to analyze the business strategy and current situation of international benchmark manufacturer, Ballard Inc. Thus,this paper aims to provide suggestions for Taiwan to develop its industrial technology capabilities.
關鍵詞：氫能、燃料電池、零排放車輛
Keywords：Hydrogen, Fuel cell, Zero emission vehicle
國際氫能產業發展趨勢與策略
2022 年聯合國氣候變化大會(COP 27)11 月於埃及達成歷史性協議，大會將設立「損失與損害」基金，為低排碳卻飽受氣候災難的貧窮國家提供財政援助。已開發國家看似針對氣候暖化議題付出行動資金，並推動綠色能源減碳行動同時，也是發展新能源經濟帶動國家產業升級契機，其中氫能源產業生態系自俄烏戰爭能源價格暴漲下，再次成為大國間積極布局的戰略高地。如圖1所示，近期氫能源產業發展不同於2000 年時的發展情境是由氫能源車輛帶動，取而代之是依照各國及地區優勢加速向產業全價值鏈技術拓展。根據國際再生能源總署(InternationalRenewable Energy Agency, IRENA) 估計，2050 年總體氫能源價值鏈所需之設備產值將達到2,470 億美元，見表1。其中又以氫氣生產製備的電解槽、氫氨轉換、燃料電池之設備產值規模及拓展潛力最大。對比國際半導體産業協會(SEMI) 發佈2021年半導體製造設備的全球銷售額1,026 億美元，台灣擁有多樣性再生能源卻面臨季節性儲能調配瓶頸，加上高耗能的鋼鐵、石化、半導體業減碳需求，氫能源價值鏈之設備需求有機會成為台灣另一座護國神山。
圖 1 2023 年國際氫能產業發展趨勢與策略
表 1 2050 年全球氫能源價值鏈設備產值 [1]
國際商業化燃料電池技術發展現況
燃料電池技術發展已超過百年起步並不晚於鋰電池技術。1958年奇異公司與美國海軍的通訊專案發展一種小型質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)後，便開始應用於國防與太空領域，許多技術及人員也多由軍方、政府研究單位培養建立。Ballard Research創立人Geoffrey Ballard，便是服役於美國陸軍並與美國能源局合作開發電池技術。目前商業應用技術重心是以1.低溫非定置型動力技術，包含：鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell, AFC)、質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)；2.中高溫定置型發電技術，包含：磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)、固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)兩大發展面向，目前已有商業化產品的技術規格列於表2。
表 2 國際商業化燃料電池技術發展現況[2]
2000年以前燃料電池並未有大規模商業應用，但在2006至2015年間汽車燃料電池成本下降約60%，伴隨全球淨零轉型趨勢，可商轉專案大幅增加，截至2021年底全球已累積安裝8,047MW的裝置量，2021年單年安裝燃料電池約8.6萬部。其中燃料電池裝置約有85%用於移動載具動力系統，如圖2所示，包含：乘用車、中大型商用車(公車、卡車)、堆高機、鐵路、船舶。目前PEMFC技術因為具有功率密度大、壽命長、低溫快速啟動之特性，最適合運用在車用燃料電池系統，被視為主要發展國家的技術布局重點。
構成車用燃料電池動力系統可分為三級，包含：燃料電池系統、燃料電池電堆、燃料電池元件，列於表3。根據中國捷氫科技2022年底的公開發行申請書，依其PROME P3平台推估，燃料電池電堆約占總體系統成本70%，而膜電極組件成本(Membrane Electrode Assembly, MEA)占比就高達45%。降低燃料電池堆中膜電極的材料與製程成本，提升電堆體積功率密度是推進應用市場的重要技術指標。
圖 2 2021年全球燃料電池裝置量(MW) [3]
表 3 車用燃料電池動力系統關鍵組件與技術衡量指標
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