「氫氣」捲土重來 未來能源的新寵兒？

「氫氣」捲土重來
未來能源的新寵兒？

在現今電動車成為顯學的車市中，舉凡充電效率與電池的發展都是關乎電動車普及的最大因素，不過當各家廠商精進快充技術與提升電池容量，在過往「新能源」剛推出時曾作為解決方案之一，但後來因各種因素被擱置的「氫氣」似乎又捲土重來，不過這次並非只是做為燃料使用，而是透過與電動系統的結合，做為電動車充電的另一種方案。也由於不少車廠陸續推出以氫能源為主的概念方案，使得早已邊緣化的「氫氣」，可能搖身一變成為未來能源的新寵兒？

 

關於「氫」的基本知識

氫（Hydrogen, H）做為元素週期表中最輕的元素，是宇宙中相當常見的化學物質，由於其易於與非金屬元素行程共價鍵，因此地球上的「氫」多以分子的形式存在，像是佔有地球表面積75%以上的水，其分子式「H?O」當中就含有一個氫分子；而在地球上最常見的氫分子組成乃是「氫氣」，在標準溫度和壓力之下形成雙原子分子，分子式為「H?」，是無色、無味、無臭的非金屬氣體，高度易燃的特性雖然是優異的燃燒介質，但在儲存與運輸上可是有著較嚴苛的要求。

 

「氫」很好用、但也很難「送」

由於氣體的體積龐大，儲存及運輸需要考量的地方不少，若是單純A到B點的運輸，多半會採取地下管線的方式，而若需彈性移動的話，則多半會採取液態的形式，不僅能有效降低儲存後的體積，在運輸上也有高便利性的考量；對於不同種類的氣體，則可使用不同方式轉換為液態，在日常生活中最為常見的液態氣體就是液態石油氣（LPG），即是使用鋼瓶做為儲存媒介。

 

不過以高壓儲存氣體的方式對於儲存媒介的安全性可是相當要求，因此以鋼瓶為主的儲存容器就成為了首選，但由於體積與重量都有較大負擔，若要應用在交通工具上做為燃料儲存使用，就必須在儲存容量與車室空間之間加以選擇，這也是以氣體做為燃料所需妥協的事。

▲由於氫氣的極度易燃特性，使其在儲存與運輸上對於儲存容器有著相當高的要求。

 

「氫」在車壇的發展

對於車壇來說，要找到能取代「汽油」的新世代能源，可是自石油危機以來各家車廠所努力的目標，而除了現今成為顯學的電動車外，以可燃氣體做為燃料，供給給內燃引擎使用的選項，也曾是市場寵兒。說到這邊或許已經有讀者已經知道編輯部要說啥了，沒錯，就是曾在台灣計程車界掀起一波風潮的「液化石油氣（LPG）」，當時在油價開始上漲到30元／L的年代，其不到20元／kg的價格，對於成本錙銖必較的計程車司機來說，可是能省下許多成本的好方式，隨處可見的加氣站可是歷史的最佳見證者。不過在車輛技術演進與油價起起伏伏的演變中，LPG最終仍消失在歷史舞台上。

 

而以氫氣做為燃料使用的概念共有兩種，分別是直接將氫氣注入內燃室進行燃燒的「氫內燃機」，在無需過多部件更動的狀況下，能提供直接的動力輸出；另一種則是透過氫氣的化學反應，進而產生電力的「燃料電池（Fuel Cell）」，由於此方式是以產生電力為主，一般來說還需搭配電動馬達及電池，組成電動車使用為主要應用方式。

▲台灣在2000年曾推行過的瓦斯車，其運作原理與氫內燃機頗為類似，但因維持成本與油價的波動，至今已是式微的動力選項。

 

氫內燃機

首先來談談氫內燃機的演進，作為可直接燃燒的氣體，相較於還要與空氣混合才能進入燃燒室點火的設計，氫內燃機的運作方式則與LPG動力頗為相似，但須注意的是氫氣的高活性，導致於期會與金屬反應削弱其強度，因此對於引擎材質的強度頗為要求，加上氫氣儲存容器的規範、容量，及其對於續航里程的顯著影響，讓氫內燃機並未廣泛的被應用在商用市場上，基本上還是以概念產物居多。

 

像BMW先前推出過的Hydrogen 7，就是搭載一具V12引擎，並採用氫氣、汽油雙動力為主的設計，在2008年發表時可是引起不少討論；另外Mazda也曾以RX-8為基礎推出氫轉子引擎的概念車型，不過因技術與成本考量因素，氫內燃機最終也未正式投產。

▲BMW曾推出氫動力的「Hydrogen 7」，但並未有後繼車款，頗為可惜。(BMW Hydrogen 7)

▲Mazda在氫動力上也有著墨，以RX-8為基礎推出氫轉子引擎概念車，但僅屬於實驗性質並未量產。(Mazda RX-8 Hydrogen RE)

▲原廠的設計圖可看出為了因應氫氣所做的車體及引擎變動。

 

燃料電池

不同於氫內燃機受制於材料、成本等因素影響，前面提到的燃料電池（Fuel Cell）透過對氫氣的氧化反應產生電子（負電荷）與離子（正電荷），由於電池中的電解液僅被設計容許離子通過（註：電／離子由陽極流向負極），因此電子在通過導線流向負極時即會產生電流，將數個反應堆疊加起來後即可獲得足夠的電流與電壓；而流到負極的電／離子則透過與第三方化學品進行反應，最終生成水跟熱，也由於其透過化學反應及可生成電力，泛用性不僅僅使用在汽車上，在許多領域中也都能看到燃料電池的現身。

 

至於在汽車產業中，主流的用法是將其產生的電力直接驅動電動馬達，成為氫燃料電動車（Fuel Cell EV），最為知名的就屬Toyota Mirai，第二代車型在2020年亮相之後，在續航與動力都有明顯的進步，最大600km以上的續航里程，也擁有高實用性的特色；而Honda也曾推出過氫燃料電池產品「Clarity」，第二代車型自2016年推出後也在美國市場進行銷售，但原廠似乎因市場考量在2021年停止Clarity FCEV的販售，其後也未再推出新車型。

▲Mirai作為目前全球最知名的氫燃料電池車，演進到第二代版本透過加大氫氣容量與強化電池效率，最大續航里程已可突破600km。(2th Gen Toyota Mirai)

▲已屬成熟的氫燃料電池平台，對於想入手氫燃料動力的消費者並不會有大高門檻。

▲(2th Gen Honda Clarity Fuel Cell EV)

燃料電池的未來發展

前面提到，燃料電池是透過氫氣的化學反應產生電力，一般來說會直接透過驅動電動馬達，帶動車輛行走的方式應用在日常生活中，不過除了此種應用方式外，在國外也有電動車充電站是採用燃料電池所產生的電力，給予電動車充電使用，不過這方式僅算少數，且大多使用在電力網較難以觸及之處。

 

在2022年的LA車展上，Hyundai倒是以概念車提出了不同於過往的氫燃料電池應用方式，N Vision 74 Concept在設計上雖是採用PHEV架構，搭載容量62.4kWh的電池組，可支援高達800V的電壓，而在後軸兩側驅動輪則各設有一具馬達，總和可輸出671hp/91.8kgm最大動力。

 

至於在燃料電池方面，N Vision 74 Concept安裝了功率85kW（註：最高功率95kW）的燃料電池堆（Fuel Cell Stack），氫氣瓶容量則為9.3磅（lb），但此電池堆並非直接驅動馬達，而是將電力直接回充至大電池組，作為充電工具使用，設計上類似於增程版電動車（REX），不過是將燃油引擎換成氫燃料電池組，因而能有更為乾淨的排放表現，加上本車依然可透過外接充電孔進行充電，多元選擇的實用性可是其賣點，也凸顯了燃料電池在電動車上的另一種應用手法。

 

另一方面，BMW也以現有車款推出燃料電池版本車型，像是在2021年首度亮相的「iX5 Hydrogen」概念車，就是以X5為基礎換裝氫燃料電池平台而成的產物，雖然一直到2022年底才進行小批量生產，不過BMW原廠指出將與Toyota進行燃料電池的戰略合作，日後將會推出更多元的車款。

 

另一個值得關注的就是Honda，前面提到該品牌在先前就已推出過Clarity FCEV產品，但2021年已停止販售，但其在2023年初則是發表了新一代燃料電池系統「e: Fuel Cell」，除了將以乘用車做為平台外，在關於氫氣的儲存、運輸與加氫站的佈局上，也有從源頭開始規劃的藍圖，而是否會再推出新一代的Clarity，亦或者是採用不同的平台架構推出相關車型，都是值得後續觀察的事情。

▲Hyundai推出的概念車，並非如一般氫燃料電池車將其作為主要動力來源，而是做為輔助動力，提供大電池另一個電力來源，類似於增程版電動車的架構，且原廠特別強調是為了動力輸出考量，是否會有正式量產版值得期待。

▲BMW在2022年底小批量生產的iX5 Hydrogen，可是其在燃料電池的新發展，之後也會與Toyota進行戰略合作，推出更多車款。(BMW iX5 Hydrogen)

▲Honda在2023年初推出新款燃料電池架構，並透過源頭到消費者端的整體佈局，訴求在氫燃料電池領域的全新發展。(Honda e: Fuel Cell system)

 

氫內燃機的未來發展

在2023年的東京改裝車展（Tokyo Auto Salon, TAS）上，看似平凡無奇的Toyota攤位卻推出了兩款經典AE86跑車，但可別小看這兩款車的「原廠」程度，其可是配置了電動系統（AE86）與氫內燃機（AE86 Trueno）的改裝作品；當中電動化的AE86的概念已在經典車界發展許久，有鑑於經典車的零件取得難度增加，透過電動化改裝不僅可維持其行駛能力，相對低廉的改裝難度（駐：電動系統、電池的體積不大），對於車廠來說無需大費周章變動車體即可將系統置入，可是電動化的優勢所在。

 

不過較讓人驚訝的是另一輛AE86 Trueno乃是搭載氫內燃機，且是直接使用原裝的4A-GE引擎，只是將原本燃油系統修改為能支援氫氣的規格，包含氫氣儲存槽、氫氣傳輸管路、火星塞等等，設計上看得出是使用Mirai的部件為基礎所修改而成；而Toyota推出此車的原因除了展示經典車改裝的可能性外，也是突顯了Toyota在氫內燃機的發展成效。

 

沒錯，Toyota除了發展燃料電池技術並推出Mirai外，其在氫內燃機的發展也是有一定成果，像是每年舉辦的日本耐久賽，Toyota都會派出一輛氫內燃機的賽車參戰，不僅是要檢驗其耐用度及賽事表現，更多的是維持氫內燃機的技術發展，在材料技術逐漸進步的情況下，能降低氫氣對於引擎零件的影響，使其能有益天可以實用化。

 

相較於在新車上使用氫內燃機，在無法與新能源車競爭的情況下，使用在經典車上可是十分恰當，原因也相當簡單，在現今環保法規更趨嚴格的情況下，經典車要能合法掛牌在全球已是相當不易的事，而在無需大幅改裝的狀態，氫氣可直接使用在內燃機引擎上，可是展現了延續經典車生命的可能性，這也是為何此次TAS展覽上，Toyota會選擇使用AE86 Trueno作為改裝範例；此外屬於氫內燃機劣勢的續航里程，在經典車上也並非是主要問題，多種考量之下氫內燃機似乎可能為未來維持經典車收藏的最佳選擇，而日後Toyota是否會對此推出相關改裝套件，倒是值得觀察的地方。

▲使用原裝引擎經過改裝可直接使用氫氣作為燃料，這對於已無法通過現今排費標準的經典車來說，無疑是一種可延續車輛生命的解決方案。

▲雖然氫燃料的續航里程受限於氫容器可裝載的容量，不過對於經典車車主來說也不會將其作為代步車使用，影響並不顯著。

▲Toyota在東京改裝車展推出的氫動力車，不僅展現了氫動力在經典車上能夠發揮的價值，也同時展現其在氫動力上投資的成果。

 

總結

作為乾淨能源之一的氫動力，在經過材料科技的進步與車廠的投資下，雖在新車領域並未能做為單一動力源受到青睞，但在結合不同的動力下，依然能發揮其獨門的特色，對於未來氫動力的發展可是值得期待。