2003/05/05
經濟部能源局
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▓撰文：史乃鑑 ▓圖片提供：明道管理學院
位於彰化的明道管理學院應用科技研究中心，已成功研發製作以燃料電池為動力的電動車，以氫氣為燃料，轉換成電力推動車輛，具有低污染、無噪音的特色。
化石燃料逐漸枯竭，未來替代與再生能源需求將日益升高，所需之開發技術與研究人力需求亦將會大幅增加。有鑑於此，明道管理學院延伸既有之電漿鍍膜核心技術與設備，協同國內產、官、學、研相關單位，致力於民生不可或缺與亟待商業化之燃料電池薄膜電極組及電能管理系統之研究與開發，並從實際電動車之研究、系統整合與基本組件裝配，並成為該校科技類主要學習課題。
緣起與原理
1839年，英國法官威廉葛洛夫在一項實驗中發現燃料電池的發電原理，惟因當時材料問題無法解決而使此項發明未受重視。直至1959年，另一位英國人法蘭西斯培根製作出一個5kW的燃料電池組，能夠啟動電焊機、電鋸及堆高機，才使這項技術走出實驗室。復經美俄太空競賽、能源危機、環保運動及軍事需求等，均促使各大工業國積極投入，而成為大眾認識的發電工具。
燃料電池是一種能源直接轉換裝置，將燃料（氫氣與氧氣）中的化學能不經過燃燒，以電化學反應方式，藉著氫與氧分子結合成水而產生電能，簡單的說，就是水電解的逆向反應。燃料電池與一般電池一樣，亦由陰、陽兩個電極及夾於兩電極中間的電解質層（膜電極組）所組成。所不同的是，一般電池將能源儲存於電池本體中，用畢即捨棄或再充電以恢復原來狀態，而燃料電池儲存化學能之燃料係由外界提供，並不包含在電池本體結構中，故只要燃料源源不絕供應，燃料電池即可持續發電。
研發一日千里
在燃料電池運用於車輛的研發方面，國外各大汽車製造廠均競相研製各式燃料電池電動車，惟均以質子交換膜燃料電池為主，其獲得氫分子燃料之方式包括有壓縮氫氣、液氫、金屬儲氫或甲醇重整製氫等等。
經比較各廠家提供之書面資料，其中最具代表之研發系列車種應屬戴姆勒克萊斯勒公司研製的Necar系列；從1994年Mercedes-Benz發表第一部以壓縮氫氣為燃料，輸出50kW之改裝小貨車Necar1，至2000年發表以甲醇重組器製氫為燃料，輸出75kW，極速可達150Km/h之Necar5，相較於1997年研製完成之Necar3，其燃料電池系統不僅效率高出50％、體積減少一半、重量亦減少300Kg。另該廠於2001年更推出以氫硼化納為燃料，研製完成更新一代的電動車。從以上國外燃料電池電動車研發進展，即可看出其一日千里之成果，深值吾人深省。
在校園中萌發
為有效推動與國外技術接軌，並快速切入研製重點，明道管理學院應用科技研究所經過分析評估後，將燃料電池車輛分為車體與底盤系統、燃料電池與管理系統、動力驅動系統等三大部份，同時進行研發工作，並將其組裝完成，實際展現在大眾面前。
在車體與底盤系統方面，為降低研製成本與縮短研製時程，及獲得車體內部寬廣整齊空間，經篩選各型商業小型車後，決定採用唐榮早期生產E-7鉛酸電池電動車，並洽擁有優異電動車檢修能力之世宏企業協助，完成該車體的檢修與改裝。
在動力方面，燃料電池是電動車動力系統的心臟，不過國內、外願提供車用規格產品之廠商並不多，且其報價均甚昂貴。經多次洽詢後，明道管理學院以策略聯盟方式，與亞太燃料電池科技公司合作，採用該公司製作生產、輸出可達6kW之燃料電池，配合校方多方查訪尋求附件後，歷經多次組裝及系統連線測試，將其裝車並做整車測試。
在驅動系統方面，為配合初期擬訂之車體重量與性能規劃，選擇乙展電動車公司提供之48V、輸出4.0kW的傳動系統及控制器，完成全車電力驅動系統之安裝與整合工作。
檢討與精進
本案為明道管理學院首次由理論研究跳入實務執行之大型研製個案，在研製過程中，限於設備與經驗不足，曾遭遇多次挫折且造成電池與系統損害，在過程中，也領悟出下列心得與建議：
一、定流量量測及控制組件需經正確選用及精密校正後使用，如氫氣、氧氣及去離子冷卻水供給。
二、精算電池內部氫與氧氣化學反應產生之熱量，善用熱電偶量測單電池模組溫度，需注意流出之冷卻水溫無法正確反應內部局部過熱，而傷害電池膜。
三、儘可能保持加溼器出口為100％溼度之空氣，避免因乾空氣流入造成電流強制通過電池，形成內電阻產生熱量損壞電極薄膜。
四、正確採用可變或電子負荷電阻，有效輸出產生電流電壓所累積之電能，否則極易造成電池毀損。
五、有必要建立單電極膜及組合燃料電池測試台，及整車馬力輸出及性能測試台，俾有系統的進行完整之質子交換膜燃料電池電動車（PEMFCEV）研製。
爭取一席之地
綜上檢討，世界各大工業國，尤其具有完整汽車工業基礎之大汽車製造廠及相關研發機構，均不遺餘力、提撥巨額經費，在政府支持下競相發展PEMFCEV，且已具有相當成果。目前國內各大學院校及研究機構，雖也在政府國科會等機構在策略面上支持燃料電池進行基礎性研究，惟在發展應用技術及整合國內相關產業技術及資源上，需更加快腳步邁進，在實務面上亦需引導廠商在既有之技術及設備上，選擇研發最有利PEMFCEV零組件，如同3C產業建立世界級生產及供應產業，否則在世界各國分別佔有PEMFCEV零組件供應一席之地後，確實不易再予以取代。（本文作者為明道管理學院應用科技研究所所長）