氫能貨卡系統整合發展與能耗驗證

前言

隨著全球對於環境永續性與氣候變遷議題的關注日益提升，而交通運輸的排碳量占全球總排放量的相當大一部分，因此，尋找效率高、汙染低的交通運具已成為當務之急。近年來備受矚目的燃料電池車（fuel cell vehicle, FCV），是為一種潔淨能源運輸工具。氫燃料電池車利用氫氣與氧氣經電化學反應產生電力，驅動馬達行駛，這過程只會產生水為副產物，屬於零排放的交通工具，不像傳統汽車燃燒燃料產生動力。氫燃料電池車的動力系統效率也較傳統汽車高，可提供長續航里程，是許多汽車製造商與政府投入研發的原因。

氫燃料電池車歸納其優點：1.零排放：氫燃料電池車只會產生水，不會排放溫室氣體或其他汙染物。2.效率高：氫燃料電池的能量轉換效率高於傳統內燃機。3.長續航里程：氫燃料電池車具有較長的續航里程，其動力系統效率較高，且氫儲存容量較高。4.燃料補充快：氫可迅速注入儲氫瓶，約8~12分鐘完成補充。然而氫燃料電池車也有其缺點：1.車價高：氫燃料電池車造價相較一般車輛高。2.燃料成本高：氫氣成本高於一般石化燃料。3.加氫站不普遍：加氫基礎設施及政策不完善。4.安全性：氫氣的燃點低及高壓存放問題備受關注。綜觀其優劣，燃料電池車在環境永續性與汙染排放方面，具顯著優勢，雖在成本、安源性與便利性仍然存在一些限制與挑戰，但氫燃料電池車的發展儼然成為各國重點發展的趨勢項目，亦符合聯合國SDGs中的「潔淨能源」目標。

臺灣在氫燃料電池車的發展較日、韓慢了許多年，工研院於2023年開始投入相關研發，本文將介紹氫能貨卡發展現狀與經驗，供讀者對於氫燃料電池車有較進一步了解。文中主要說明燃料電池系統與電動貨卡的電力及機構整合工程，並將完成整合之載具車輛，進行初步運行及能耗驗證，用以了解國內在氫燃料電池車之技術能量、車輛成本、未來效益、限制因素等等面向的問題，後續對車輛運輸能源走向，能有更全面的考量。

氫能貨卡系統整合發展

1. 氫燃料電池系統與儲氫系統

氫燃料電池車輛已發展數十年，隨著相關技術成熟及電動車輛的普及，氫燃料電池電動車（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV），若以動力區分車輛，只要配備電力驅動馬達之車輛即稱為EV （Electric Vehicle），而氫燃料電池車輛亦屬EV一種，如圖1分類，簡稱FCEV（Fuel Cell Electric Vehicle），FCEV與一般純電動車輛之差異，在於車輛載具上增載了氫燃料電池系統與儲氫系統，燃料電池系統進行氫與氧反應，產生電力以驅動馬達或供電池組充電，氧氣來源為周遭空氣，而氫氣來源則是車上儲氫系統。

車用燃料電池系統包含：燃料電池堆（Fuel Cell Stack/Modules，FCM）、周邊輔助系統（Balance of Plant，BOP）及DC/DC三部分，其功能與用途如下：

（1）FCM由多個單體電池、隔板、冷卻板、岐管等構成，可使氫與氧發生反應，當氫氣由燃料電池的陽極進入，氧氣（或空氣）由陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用，陽極的氫原子分解成兩個氫質子與兩個電子，質子會與氧反應，電子則形成電流到達陰極。燃料電池在一連貫的氫及氧化學反應下，產生電流、水及熱，電可供應用，水則為燃料電池的排放物，熱即為效率損耗，是目前最具發展前景的新能源方式，使用在車輛上，將能改善空氣污染及溫室效應。

（2）BOP周邊輔助系統，包含多個次系統：

• 燃料處理系統：將輸入之燃料進行增濕等相關處理，轉變成適合在燃料電池堆內運作的氫氣。
• 熱管理系統：用來維持燃料電池系統的熱平衡，可回收多餘的熱量，並在燃料電池系統啟動時進行輔助加熱。
• 空氣處理系統：對進入燃料電池的空氣進行過濾、增濕、壓力調節等方面處理的系統。
• 燃料電池控制單元（FCCU）：包含感測器、閥、開關、控制邏輯零件等的控制總成，可進行有效的電能管理，使燃料電池系統能順利且更具效率產生電能，並確保燃料電池系統無需人力，可正常運作。
• 通風系統：燃料電池系統中藉助機械的方法將機殼內的氣體排到外部的系統。
• 水處理系統：用於燃料電池系統水處理及生成水的回收和淨化的系統。

（3）DC/DC直流轉換器：燃料電池產生之電能，需經過DC/DC直流電源轉換器，供給車輛端使用，DC/DC的輸入端需搭配燃料電池輸出規格，而輸出端則需搭配車輛用電規格。目前有些燃料電池系統並未配有DC/DC，而將DC/DC歸類為車輛或使用端配備，這樣雖可更靈活搭配燃料電池使用，但就整體性、控制及效率考量，DC/DC應歸類為燃料電池系統配備之一。