2014年1月23日

新興能源好乾淨—汽車的動力與能源

以煤、石油為燃料的汽車,不僅快速消耗這些資源,也帶來了汙染。因此,尋找與開發更乾淨的新型能源,成為未來的趨勢。

作者/曲建仲(任職美商德州儀器公司)

從瓦特發明蒸氣機開始,汽車的動力與能源從煤、石油,一直發展到今天使用天然氣的瓦斯車。這些埋藏在地底下的煤、石油、天然氣都是「有形的資產」,必然會有用完的一天,而且這些含碳的有機化合物燃燒以後,會產生大量的二氧化碳與氮化物、硫化物汙染我們的環境,因此人類開始發明其他替代性能源:例如油電混合車、電動車、氫氣車等。讓我們來看看,到底這些新興的能源技術與傳統的煤、石油、天然氣有什麼不同吧!

燃燒能源
燃燒能源的基本原理是在高溫而且「充分氧氣」的情況下,使燃料與空氣中的氧氣進行「完全的燃燒」,換句話說,就是利用碳(C)與氧(O2)產生化學反應形成二氧化碳(CO2),同時釋放出能量的原理產生能源:

C + O2 → CO2 + 能量

用燃燒能源不論產生機械能或電能,都必須透過熱機,汽車所使用的引擎與瓦特所發明的蒸氣機都是屬於熱機的一種。熱機工作時必須滿足「卡諾定理」(Carnot law),它屬於熱力學第一定律,假設熱機在燃燒汽油以後溫度升高為T1,對外作功推動汽車時消耗了能量W,使得熱機的溫度降低為T2,則熱機的能量轉換效率為:

其中T1 與T2 必須使用「凱氏溫度」(K)來表示,凱氏溫度與攝氏溫度(°C)的轉換公式為K = °C + 273。

這裡我們用一個簡單的例子來說明汽油引擎與柴油引擎的能量轉換效率,假設某一台汽車使用「汽油引擎」,在燃燒汽油以後溫度升高為T1 = 1500 K(1227℃),對外作功推動汽車時消耗了能量W,使得引擎的溫度降低為T2 = 1200 K(927℃),則這個引擎的能量轉換效率為20%。
假設某一台汽車使用「柴油引擎」,在燃燒柴油以後溫度升高為T1 = 1500 K(1227℃),對外作功推動汽車前進時消耗了能量W,最後引擎的溫度降低為T2 =1050 K(777℃),則這個引擎的能量轉換效率為30%。
由上面的例子可以看出,目前市售汽車引擎的能量轉換效率大部分都低於20%,剩下的80%都浪費掉了。柴油引擎的能量轉換效率比汽油引擎還高出50%,代表如果1 公升的汽油可以跑10 公里,則1 公升的柴油大約可以跑15 公里。再加上柴油的價格比汽油便宜,顯然使用柴油引擎比較省錢,這也是為什麼大家常常聽到電視廣告說:柴油汽車比較省油、省錢的原因了。

電池簡介
所有的電池都具有陽極(負極)與陰極(正極),基本上都是由陽極發生的化學反應產生電子與陽離子,電子流入元件可以推動元件工作,也就是我們所稱的電能。陽離子則經由電解液穿越多孔性的隔離膜到達陰極,最後陽離子與電子在陰極結合(圖一)。電解液主要的功能是用來傳導陽離子,通常都是強酸或強鹼;隔離膜通常使用尼龍或聚丙烯(PP)不織布,必須具有許多孔隙讓陽離子流動,能夠抵抗強酸或強鹼電解液的腐蝕,並且能夠吸附電解液,同時具有絕緣性以防止陽極與陰極漏電短路。此外,實際上電池可以依照不同的需要而製作成不同的形狀,可以製作成圓筒狀,例如:碳鋅電池、鹼性電池等,也可以製作為鈕扣狀,例如:汞電池(水銀電池)、銀電池等。
圖一:電池的原理。(作者繪製)

不同的電池其實只是陽極與陰極的材料不同、電解液不同,所以化學反應不同,產生的能量密度不同而已,能量密度的單位有兩種:「質量能量密度」和「體積能量密度」。所謂質量能量密度(W hr/Kg)是指電池每公斤(Kg)可以產生多少能量(瓦特W × 小時hr),而體積能量密度(W hr/L)則是指每公升(L)產生的能量(瓦特W × 小時hr)。當這兩個數值越高,表示相同質量或體積的電池,可以產生更多電能。

二次電池
二次電池是指可以進行充電而重覆使用,不過通常充電的次數會有限制,並不能永久使用,充電的次數愈多則愈無法完全充飽,當充電次數多到某一個程度,就無法使用了,不同的二次電池會有不同的使用壽命。常見的二次電池包含,第一個商業化與最廣泛使用的「鉛蓄電池」(又稱為鉛酸電池)、因鎘汙染而使用量下降的「鎳鎘電池」、取代鎳鎘電池用在電子產品的「鎳氫電池」和目前質量能量密度最高的「鋰離子電池」等。

鋰電池的發展與應用
鋰離子電池(Lithium ion battery)是目前能量密度最高的二次電池,而且沒有記憶效應,早期由於價格較高,只能應用在高單價而且體積小的電子產品上,例如:手機、筆記型電腦,不過近年來由於技術成熟,價格降低,應用的範圍愈來愈廣,甚至可以使用在汽車上,成為最有潛力的二次電池。

鋰離子電池最常用的陽極材料主要就是含有鋰離子的石墨(Li/Graphite), 將鋰離子嵌入石墨中,鋰離子嵌入的極限值為LiC6(每6 個碳原子可以嵌入1 個鋰離子),科學家發現,鋰離子嵌入愈多則電池的能量密度愈高;而不同的鋰電池其實主要是陰極材料(正極材料)不同,目前最常用的陰極材料共有四種:鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳氧化物(LiNiO2)、鋰錳氧化物(LiMn2O4)、磷酸鋰鐵(LiFePO4),這些材料通稱為「鋰嵌入化合物」(lithium insertion compounds); 電解液可分溶劑與溶質兩部分,由於鋰遇到水會產生氫氣而爆炸,因此只能使用有機溶劑,例如:丙烯碳酸酯(propylene carbonate)、乙烯碳酸酯(ethylene carbonate)、乙烷碳酸酯(dimethyl carbonate)、丙酸(propiolic acid)、丁內酯(butyrolactone) 等; 溶質一般為鋰離子化合物, 例如:LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiBr 等。

汽車用二次電池
2008 年開始全球原油價格高漲,再加上溫室效應嚴重,世界各國才警覺,汽車的引擎實在是個大汙染源,因此開始發展使用電池動力的電動汽車,但是早期因為沒有合適的二次電池,所以一直很難讓消費者接受:

鉛蓄電池的價格最低,但是體積能量密度太低,續航力不足,必須用很大的電池才能儲存足夠的電能,因此實用性不高。

鎳氫電池的能量密度比較高,但是仍然不夠高,而且陰極使用的儲氫合金多為貴重金屬價格也高,雖然可以應用在汽車,但是仍然困難重重。全球第一台使用新電池,且成功上市大量銷售的汽車,應該算是Toyota 公司生產的Prius。這是結合汽油引擎與鎳氫電池的複合動力(hybrid engine)車,但仍然由於大容量的鎳氫電池售價太高,造成銷售量受到限制。

鋰離子電池或聚合物鋰電池是目前能量密度最高的電池,但是價格太高,安全又有疑慮,只能應用在小型電子產品,無法應用在大容量的電池上。

傳統的鋰離子電池所使用的陰極材料——鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳氧化物(LiNiO2)、鋰錳氧化物(LiMn2O4)成本較高,這些陰極材料的金屬元素中,鈷價格最高,而且地球儲存量不多,鎳、錳比較便宜,但是仍然不夠便宜。而鐵(Fe)是最便宜的材料,因此1996 年開始,日本的NTT 公司首次發表使用磷酸鋰鐵鈷(LiFeCoPO4)做為陰極材料,1997 年美國德州大學古迪納夫(John Goodenough)等人首次發表使用磷酸鋰鐵(LiFePO4)做為陰極材料,稱為「磷酸鋰鐵電池」(lithium ferrous phosphate, LFP)。由於完全不使用鈷,不但解決地球上鈷儲存量不多的問題,也可以降低價格,而且鐵對環境的汙染也最低,因此愈來愈多廠商看好磷酸鋰鐵電池在汽車上的應用。

目前磷酸鋰鐵電池最上游的化合物專利,由三家專業材料公司掌握,包括:A123 公司的Li1-xMFePO4、Phostech 公司的LiMPO4、Aleees 公司的LiFePO4-MO, 同時也已經發展出十分成熟的量產技術,其中最大的產能可達月產250 噸。這些上游材料的突破與發展,帶動了鋰電池與油電混合車產業的成長,由於磷酸鋰鐵電池和一般鋰離子電池比較起來,完全沒有過熱或爆炸等安全性顧慮,充放電次數在合理範圍足以使用,放電率大約8~10 倍(可瞬間產生大電流),包括:通用汽車、福特汽車、豐田汽車等業者,都高度重視磷酸鋰鐵電池的發展。

油電混合引擎
使用電動汽車或機車,雖然可以達到省油與環保的目標,但是由於電動汽車或機車的動力不足,行駛時加速性不良,行進速度緩慢,再加上充電時間長,所以使用極不方便,民眾接受度不高。這是環保署長期推動補貼消費者購買電動機車,卻還是很少有人願意使用的主要原因。

傳統引擎的車輛只要使用者發動引擎,就完全使用引擎帶動車輛前進,同時引擎運轉可以帶動發電機對電池進行充電。但是傳統車輛使用鉛蓄電池的電池容量很小,只需要很短的時間就能將鉛蓄電池充滿,電池充滿後發電機產生的電能就只能浪費掉,所以在車輛行駛的過程中,浪費了大部分的電能,造成不必要的二氧化碳排放。

綜合上述兩者優勢,同時使用汽油引擎與電池兩種動力分工合作的汽車稱為「油電混合車(hybrid electric vehicle, HEV)」,有人又將這種動力稱為「複合協同驅動」(hybrid synergy drive, HSD),其工作原理如下:

● 啟動/中低速行駛:車輛啟動後,引擎在低速運轉,無法提供動力,所以是由電動馬達使用電池的能量來帶動車輛前進。一般汽油引擊在中低速度行駛時的汽油燃燒效率最差(中低速度行駛比較耗油),但是電動馬達在中低速度行駛時卻能夠產生最有效率的輸出功率,所以油電混合車輛在中低速度行駛時是由電動馬達使用電池的能量來帶動車輛前進。如果電池的電力偏低,汽油引擎會適時運轉並且產生動能提供給發電機對電池充電。

● 一般速度行駛:油電混合車輛會根據行車的狀況(例如:駕駛踩踏油門的力道、行車速度),綜合協調使用電動馬達及汽油引擎來驅動汽車,以達到最佳運作效率,讓汽油保持最低消耗。如果電池的電力偏低,系統將把汽油引擎的動力提供給發電機,對電池充電。

● 高速度行駛:行車速度逐漸提高,使用汽油引擎作為主要動力來源,當汽油引擎產生了過多的動能,多餘的動能亦會自動轉變成電能,透過發電機對電池充電。此時駕駛人仍然可以享受汽車原有的加速度,與傳統汽車沒有差別。

油電混合車的問題
油電混合車輛與傳統引擎車輛比較,可以節省50%以上的汽油消耗,同時可以減少50%以上的二氧化碳排放。試想如果全台灣都使用這種車輛,不但可以讓石油的需求量大幅減少,同時也使都市的空氣汙染大幅降低,而其行駛特性和感受與目前的傳統車輛相同,可以被消費者接受。但是油電混合車輛為了儲存電能,必須使用具有高能量密度的大型「鎳氫電池」,所以成本較高,再加上目前大多處於測試市場階段,尚未大量生產,所以成本無法降低,造成與傳統同級車價格相差兩倍以上。國內1800 CC 傳統房車價格約為新台幣60 萬元,但是同級1500 CC 油電混合進口房車價格約為新台幣120 萬元。2012 年Toyota 公司在台灣組裝生產了全台灣第一台2500 CC 油電混合車Camry,在市區道路1 公升汽油可以行駛32 公里,打破國內所有汽車的紀錄,價格則在新台幣100 萬元左右,一上市就熱烈銷售,甚至許多用油量較大的計程車都在使用。大家只要在路上看到Toyota 藍底油電車徽飾,就代表這是一台油電混合車,鎳氫電池則放置在後座後方與行李箱之間,如圖二所示。

此外,鋰電池技術的成熟,尤其是前面介紹過的磷酸鋰鐵電池,未來可望取代鎳氫電池成為油電混合車輛的電池,慢慢地淘汰目前我們使用的鉛蓄電池,這將是在未來十年內第一個快速變化的產業。或許有人會問,現在也有汽車廠在開發完全使用磷酸鋰鐵電池的汽車,這種汽車只有電池沒有引擎,對環境的汙染最低,難道不能取代目前的汽車嗎?基本上這種汽車雖然環保,但是目前電池技術還不成熟,能行駛距離短、能量密度不夠高,體積、重量太大更換電池不易。而以充電的方式既費時,目前的電力系統也無法負荷。電動汽車發展仍有它的困難,我們暫時只能以減少油耗和汙染的電動混合車,做為發展的目標,電動混合車的成長將是可以預期的。

燃料電池與氫能產業
傳統電池直接使用化學反應產生能量,優點是能量轉換效率很高(80%以上),但是充電需要比較長的時間;而使用燃料以內燃機進行燃燒反應產生能量,優點是可以直接補充燃料,但是使用內燃機的能量轉換效率很低(20%以下),科學家開始思考,有沒有一種方法同時具有「電池」與「燃料」的優點呢?於是燃料電池從此誕生了。

燃料電池和傳統電池的原理相同,都是將活性物質的化學能轉換成電能,但是傳統電池的電極本身是活性物質,會參與化學反應;而燃料電池的電極本身只是儲存容器而已,並不會參與化學反應,必須將活性物質加入電池內(就好像我們的汽車補充燃料一樣),才能產生化學反應形成電能,是一種要補充燃料的電池,故稱為「燃料電池」(fuel cell)。

燃料電池的原理很簡單,陽極(負極)通入氫氣或其他含有氫原子的燃料(例如:甲醇),經過金屬觸媒催化產生電子與氫離子(H),電子流入元件可以推動元件工作,也就是我們所稱的電能(圖三a);氫離子則流入電解液或質子交換膜(圖三b);陰極(正極)通入氧化劑(例如:氧氣),經過金屬觸媒催化吸收電子形成氫氧離子(OH),氫氧離子流入電解質或質子交換膜(圖三c);最後氫離子(H)與氫氧離子(OH)結合形成水(H2O)(圖三d)。電解質主要的功能是用來傳導氫離子或氫氧離子,通常都是強酸或強鹼。
 圖三:燃料電池的原理與構造。(作者繪製)

我們也可以使用含有氫原子的化合物,取代氫氣做為燃料,例如:氫氣、甲烷、甲醇,甚至汽油(己、庚、辛、壬烷的混合物)、生質酒精、沼氣等,它們都可以經由金屬觸媒引發「改質反應」(reforming reaction)產生氫氣,接下來的反應就與使用氫氣為燃料的燃料電池相同。可惜的是,觸媒的改質反應效率只有10%,其餘大部分都是轉換成二氧化碳或一氧化碳,所以效率很低,顯然直接使用氫氣做為燃料效率比較高。

高壓儲氫技術
雖然直接使用氫氣做為燃料比較有效率,可惜的是,氫氣的儲存與運送一直都很困難。目前最常使用的方法是利用高壓(大約100 大氣壓)將氫氣灌入鋼瓶(圖四a),再將鋼瓶內的氫氣直接通入燃料電池的陽極。科學家經過計算發現,目前市售的汽車加滿一次油箱,續航力大約500公里左右,1 公斤的氫氣大約可以讓燃料電池車行駛100 公里,所以總共大約需要5 公斤的氫氣才夠。目前市售的氫氣鋼瓶1個重量大約50 公斤,卻只能儲存0.5 公斤的氫氣(儲氫的重量百分比大約1%),所以需要10 個氫氣鋼瓶才能儲存5 公斤的氫氣,鋼瓶總重量高達500 公斤,要在汽車上放置一個這麼重的容器儲存氫氣,顯然不太可能。
圖四:氫氣的儲存與運送。(作者繪製)

後來Quantum 公司與Dynetek 公司採用航太技術製作的儲氫槽,可以承受高達700 大氣壓,外層使用碳纖維強化塑膠複合材料,內層使用高分子聚合物阻止氫氣擴散穿透碳纖維。用這些質量較輕的有機材料取代較重的金屬材料,可以承受更大的撞擊力,裝置在汽車上使用的安全性比較高,也容易大量生產降低成本,700 大氣壓可以將儲氫的重量百分比提高到4%以上,目前已經通過美國、德國、日本、歐盟等的認證。不過使用高壓氫氣,不只是儲氫槽安全就可以了,輸送氫氣的管線安全又是另外一個問題,如果發生車禍造成管線漏氣仍然會有爆炸的可能。大家都知道現在有一些計程車是瓦斯車,偶爾聽到瓦斯鋼瓶爆炸,真是有夠恐怖了,氫氣鋼瓶或管線爆炸起來也是很可怕的。

低壓儲氫技術
低壓儲氫技術是目前最可行的一種方法,科學家發現,因為氫原子很小只有一個質子與一個電子,某些金屬固體(M)的原子與原子之間空隙很大,氫原子可以塞入這些空隙,形成很穩定的「金屬氫化物」(MH),我們稱這種現象為「儲氫」,而能夠儲氫的金屬稱為「儲氫合金」,通常都是粉末狀的合金材料(圖四b)。使用儲氫合金最大的好處是它的平衡壓力小於10大氣壓,比一般高壓氫氣鋼瓶的100 大氣壓小了很多,顯然比較安全,而且就算充填儲氫合金粉末的鋼瓶破裂或管線漏氣,儲氫合金內的氫氣會慢慢地釋放出來,而不會一下子衝出來。

能夠儲氫的金屬可能是單一元素,例如:鎂、鈦、釩、鑭、鐵、鈷、鎳等;也可能是好幾種元素混合在一起的合金,例如:AB5 系列(鑭鎳合金LaNi5)、AB2 系列(鋯錳合金ZrMn2)、A2B 系列(鎂鎳合金Mg2Ni)、AB 系列(鈦鐵合金TiFe)。科學家發現不同的儲氫合金可以儲存不同重量百分比的氫氣,其中AB5 系列(鑭鎳合金LaNi5)的儲氫量最大,可以儲氫的重量百分比大約3%(100 公克的鑭鎳合金可以儲存3 公克的氫氣)。美國能源部研究發現,儲氫合金可以儲氫的重量百分比必須大於6%以上才有商業價值,如果重量百分比太低,則能夠儲存的氫氣太少,結果大部分的重量都是儲氫合金與鋼瓶,在使用燃料電池做為動力的汽車上放一個那麼重的儲氫合金鋼瓶,結果儲存的氫氣卻很少,不是很沒有效率嗎?

雖然使用儲氫合金來儲存與運送氫氣比較安全,但是其中儲氫量最大的AB5 系列(鑭鎳合金LaNi5)的儲氫重量百分比也只有大約3%而已,與6%仍然有很大的差距;再加上儲氫合金大部分都含有貴重或稀有金屬(例如:鑭),所以價格不低,而在所有的儲氫合金中價格比較低的是AB系列(鈦鐵合金TiFe),儲氫重量百分比只有大約1%而已,顯然目前要大量使用在商業上仍很困難。

汽車產業的未來
由於全球能源需求持續增加、全球石油生產閒置產能處於低水準、以及地緣政治不確定性,再加上投機性資金介入炒作,2008 年以來國際原油價格維持漲勢,紐約市場的原油期貨價格一度漲至每桶147 美元,創下歷史新高。此外,汽車大量燃燒汽油排放二氧化碳,造成溫室效應,根據統計資料發現,最近一百年地球的二氧化碳濃度和氣溫都急遽升高,這就是暖化的證據。暖化使生活、生產、水資源、農業,甚至於健康問題都面臨危機,更有學者指出台灣暖化速度是全球的兩倍,可見如何減少二氧化碳的排放,政府責無旁貸。

有些人覺得,前一波石油的上漲只是投機客炒作的短暫現象,過幾年就會跌回原來的價位,關於這一點,我要非常肯定的說:想要石油跌回原來的價位,一桶美金30 元是絕對不可能的事。前一波石油的上漲確實是投機客炒作的結果,但是這並不意味著未來石油會跌回原來的價位。大家可以一起動腦想想看,畢竟石油是埋藏在地底下的有形資產,總有用完的一天,許多科學家開始發現,愈來愈多的油田產量減少,原因是已經開採過慢慢枯竭了,雖然我們可以再去尋找新的油田,但是大家你爭我奪,怎麼可能讓油價下跌呢?不引起第三次世界大戰就謝天謝地了,而且中國大陸與印度的興起,更加速了全球石油的消耗量。

最近科學家開發出新的開採技術「水壓斷裂法」(hydro fracturing method)來開採頁岩油與頁岩氣,使美國的石油與天然氣產量大增,但是並沒有使石油與天然氣的價格大跌,就可以看出未來石油的價格上漲會趨緩,但是上漲的情況不會改變。再加上溫室效應嚴重,未來使用油電混合車,或是使用鋰鐵電池與燃料電池的純電動汽車是必然的發展方向。

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