改变世界的概念车.doc

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Byron McCormick）曾任洛沙拉摩斯國家實驗室運輸用燃料電池計畫負責人，現為通用汽車燃料電池行動小組執行主管；波羅尼柏德（Christopher E. Borroni-Bird），曾負責克萊斯勒汽車的Jeep Commander燃料電池汽車計畫，現為通用汽車之設計及科技整合部門主管，負責AUTOnomy概念與Hy-wire原型車計畫。翻譯甘錫安，專事科技類翻譯。審訂葉君棣，清華大學化學系教授，主要研究氫能技術與氫燃料電池。汽車推進方式大變革卡爾朋馳（Karl Benz）於1886年將他的專利車駛出車庫，等於推動了汽車的演進巨輪。汽車的出現不但改變了人類的生活方式，也改變了全球經濟；這些變化在當時真是始料未及。划算的個人交通工具逐漸普及，很容易就可以到達世界各地，同時也繁衍出複雜的工業基礎架構，現代社會於焉成形。如今，汽車科技將引發另一場革命：這次革命的動力不是石油，而是氫氣。燃料電池（fuel cell）將氫原子分解成質子和電子，用以推動馬達，而排放出來的只是水蒸氣，將可使汽車變得更加環保，汽車不僅能變得更潔淨，也會更安全、更舒適、更加個人化，或許還會更便宜。除此之外，燃料電池汽車還可進一步促使大環境轉向以氫為主的綠色能源體系。如果真能實現，能源的使用和生產也將大幅改觀。如此一來，氫燃料電池汽車和貨車將可帶領我們進入美好的未來，在這個未來中，所謂的個人行動，也就是獨立行動的自由，將可達到不受限制的程度，不傷害環境，也不耗用地球上的自然資源。許多要素的配合下，這項巨大的變化似乎越來越可能實現了。首先，以石油為燃料的內燃機雖已相當進步、經濟、可靠，但也終於達到了極限。即使不斷改良，目前的內燃機汽車將燃料內含的能量轉換為動力的效率，仍然僅有2025%。從毫無法規管制的1960年代至今，雖然美國汽車業界已經大幅減少排放的廢氣（碳氫化合物降低了99%，一氧化碳降低了96%，氮氧化物降低了95%），但持續產生的二氧化碳仍是個問題，因為它可能影響地球的氣候。即使採用了新科技，石油燃料內燃機的效率最多也只能達到30%，而且無論如何，它仍然會排放二氧化碳。相較之下，氫燃料電池汽車的效率將近是兩倍，因此只需要一半的燃料能源。更大的不同點是，燃料電池排放的副產品只有水和熱。最後一點，氫氣可以由許多種燃料及能源中取得，例如天然氣、乙醇、水（用電加以電解），甚至可再生的能源系統。為了實現這些可能性，已經有許多汽車公司，例如戴姆勒克萊斯勒、福特、通用汽車、本田、PSA寶獅雪鐵龍、雷諾日產和豐田等，正在不斷努力開發燃料電池汽車。要了解這種科技為何如此具有革命性，必須先了解燃料電池汽車的運作原理。這種汽車基本上就是以電力驅動的車輛，不過馬達的動力並非來自電化學電瓶，而是燃料電池（參見下方插圖）。氫燃料通過電池中的薄膜時，電子被拉開，從而產生電力。產生的電流推動電動馬達，帶動車輪前進，而氫的質子則與氧及電子結合形成水。如果能夠使用純氫氣，則燃料電池汽車就是完全不排放廢氣的車輛了。燃料電池與內燃機的對決燃料電池發電裝置最高效率為55%質子交換膜燃料電池包含兩片薄而多孔的電極，分別是陽極與陰極，中間隔著僅容質子通過的高分子膜電解質。電極的一側塗上催化劑，氫進入之後（1），陽極催化劑將氫分成電子與質子（2），電子流出可用來驅動馬達（3），而質子穿越薄膜（4）到達陰極。陰極上的催化劑將質子、流回的電子與空氣中的氧結合起來形成水（5）。內燃機最高效率為30%大多數汽車採用四衝程內燃機。活塞由汽缸頂端開始做上下運動，帶動曲柄軸旋轉。之後進氣閥開啟，活塞下降，讓油氣混合物進入汽缸。活塞再向上移動，壓縮油氣。接著火星塞點火，點燃燃料霧滴，受壓縮的油氣爆炸，將活塞向下推。最後排氣閥開啟，讓爆炸產物流出汽缸。雖然從物質中取出氫需要能量，例如使用催化劑讓碳氫化合物分子產生分解反應，或以電力分解水；但因燃料電池的效率較高，與進行這些程序所需的能量相較仍然划算，關於這點稍後將再說明。當然所需的能量不會憑空而來，某些能量來源例如燃燒天然氣、油或煤的發電廠等，會製造二氧化碳及其他溫室效應氣體，而包括核電廠等的其他來源則不會。最好的方式就是使用可再生的來源產生電力，如生物質能、水力發電、太陽能、風力或地熱能源等。以氫作為汽車燃料，運輸工業將可由幾乎完全依賴石油轉為使用多種燃料來源。目前用於驅動汽車的能源有98%來自石油，例如美國進口的石油有三分之二用於運輸方面。如能在化石燃料之外增加輔助能源，就可降低對外國石油的依賴，促進開發對環境傷害較小的本土能源。這樣做也可為能源價格增加競爭性，長期而言可使燃料與能源的成本降低，並趨於穩定。改造汽車外觀製造出真正革命性汽車的另一個關鍵，就是將燃料電池與電傳線控 （drive-by-wire）技術相結合，在方向盤、煞車、油門及其他功能上，皆以電子 控制單元來取代以往主流的機械式系統。如此一來將可擴大內部空間，因為電子系統的體積比機械裝置來得小，線控系統的效能可用軟體加以控制，而且由於不像傳統的傳動系統必須限制結構及造形的選擇，汽車廠商將可自由製造各種迥異的外觀，滿足客戶的需求。以燃料電池取代傳統內燃機，將可使用薄型底盤，給設計師更大的空間創作出獨特的車身外形。電傳線控技術也使內裝設計更加自由，因為駕駛控制方式可以大幅改變，也可從不同的座位操控汽車。通用汽車掌握這個設計良機，發展出稱為 AUTOnomy 的概念，並於今年（2002）稍早發表。可以實際駕駛的原型車 Hy-wire 代表氫（hydrogen）和線控（by-wire），則於今年9月在巴黎車展中首次亮相。（右圖為AUTOnomy的滑板型底盤）AUTOnomy概念和Hy-wire原型車，徹頭徹尾是全新的想法。兩者的基礎都是很薄的底盤，長得像滑板，用來裝置燃料電池、電動馬達、氫氣儲存槽、電子控制元件、熱交換器，以及煞車和轉向系統等（參見下方插圖），完全沒有內燃機、變速箱、傳動系統、傳動軸或其他的機械連結。在開發完成的AUTOnomy型車輛中，電傳線控技術只需要一條簡單的電子連線，以及一組用來扣合底盤和車身的機械裝置。車身可以插入底盤，就像筆記型電腦插入擴充基座一樣，並採用單點電子連接埠的概念，形成簡便快速的方式，將所有車身系統，包括操控、電力及空調等部分，與滑板型底盤相連。如此將車身與底盤簡單地一分為二，有助於使車身輕量化及單純化，同時也使車身容易更換。原則上，只要讓經銷商或車主啪答一聲裝上可更換的車身模組，這輛汽車今天可能是豪華轎車，下星期變成家庭房車，明年又可以改成廂型車。就像電腦一樣，汽車系統也可以透過軟體進行更新，因此修護人員可以依照需求下載程式來改進汽車性能，或是量身打造特殊的駕駛及操控特性，以適應不同的廠牌、車身形式或客戶的喜好。使用電傳線控的電子控制方式，駕駛者就不需要方向盤、排檔桿或腳踏板了。通用汽車的Hy-wire原型車（見左圖與下圖）配備了稱為X-Drive的方向操控器，可以輕鬆地將它由車身最左邊移到最右邊，以配合左駕型或右駕型的駕駛位置。X-Drive的操作方式有點像機車的手把，轉動手把可以加速，握緊把手就可煞車，而要轉向時的轉動動作類似目前的方向盤。駕駛人還可以選擇用右手或左手來煞車或加速，而如果同時有多個訊號產生，煞車訊號會擁有優先權。駕駛人按一下電源按鈕啟動車輛，再從停止、前進或後退三種設定中選擇其一。X-Drive還可使傳統的儀表板和轉向柱從此消失，也可以加大車內空間，大幅改變座椅及置物空間的配置方式。舉例來說，由於沒有引擎室，與長度相同的傳統汽車相比，駕駛人及所有乘客將擁有更大的視野及腿部伸展空間。由於汽車的重心降低，也除去了乘員前方厚重的引擎部分，AUTOnomy概念的滑板型底盤將可進一步改善駕駛、操控及穩定等方面的特性，超越傳統車輛架構所能達到的極限。大幅改變汽車工業AUTOnomy概念和Hy-wire原型車（右圖）等先進的燃料電池汽車，其簡潔外觀也將對汽車製造業帶來深遠影響，或許還將引發汽車工業的大幅革新。目前的汽車工業需要大量資本，獲利空間不大，即使汽車公司積極管理開發及製造成本，全球汽車業多餘的產能仍使汽車價格不斷下滑。在此同時，汽車及貨車的一般標準配備不斷增加，更進一步拉高成本。這些因素總和起來，價格降低、成本提高，獲利空間更受威脅。不過，如AUTOnomy等此類概念，則可大幅改變目前的產業模式。它可明顯降低汽車開發成本，因為各個模組可以獨立製造，要改變車身及底盤模組的設計將更容易、更便宜。如同目前的貨車類產品，廠商將只需要設計一種底盤，就可以配合不同的車身形式，各種衍生車型很容易就可擁有不同形式的車頭、內部配置及底盤調校方式。也許只需要製造小型、中型、大型三種底盤就好了，生產數量將可比現在更大，產業規模也會更大。一旦組件和零件的數量大幅減少，將可進一步降低成本。舉例來說，燃料電池堆（見右圖）是由一連串相同的電池組成，每個電池包括一片平面陰極板和形狀類似的陽極板，中間隔著高分子電解質薄膜，依照各種不同車輛（或固定式發電機等其他應用）的電力需求，電池堆中的電池數目可以增減。雖然汽車燃料電池技術目前還遠遠稱不上經濟（在人工打造原型車上，每千瓦電池得花費數千美元），但是成本已經開始大幅降低。舉例來說，過去五年來，燃料電池堆的功率密度增加了10倍，成本因而降低了10倍。而雖然目前燃料電池必須使用貴金屬作為催化劑，高分子薄膜也很昂貴，但是科學家正在想辦法減少使用催化劑、尋找價格較低的薄膜材料，兩方面均有相當的進展。但這並不表示，設計實際可用的燃料電池汽車所需面對的所有技術障礙都已解決。其實還需克服許多阻礙，燃料電池汽車才能達到消費者對內燃機汽車所要求的便利及性能。其中最大的障礙就是開發安全與高效率的氫氣儲存技術，以提供足夠的駕駛續航力（大約500公里）。堪用的儲存技術必須可讓汽車至少能跑個25萬公里，還必須在氣溫從-4045都能使用才行。補充燃料的步驟必須簡單，要能在五分鐘之內完成。目前儲存氫氣的方法有許多種，包括液態、壓縮氣體及固態等方式，但各有優缺點。（詳見本期科學人第52頁由葉君棣教授撰寫之專文，介紹氫氣儲存方法及燃料電池發展現況。）雖然汽車工業可能大幅改變，但也因AUTOnomy型汽車可能對世界能源供應制度造成影響而蒙上陰影。就今天的觀點看來，燃料電池汽車和氫燃料補充基礎設施可以說是雞與蛋的問題。必須有足夠的燃料支援，才會有大量的燃料電池汽車，但燃料電池汽車的數量必須先達到相當規模，才可能建立必要的基礎設施。由於在美國必須先建造成本相當高昂的氫氣生產設備與運輸網路，才可能使燃料電池汽車及貨車商業化，因此，爭取來自公私各領域、地方與全國領導者的強力支持，是非常重要的。必須解決的問題包括取得補助金、獎勵建造燃料補充站、建立統一標準、相關議題的大眾教育等。美國能源部今年稍早宣布，由產官雙方共同成立自由汽車（Freedom-CAR）計畫，推動燃料電池動力的研發，並且開發氫氣作為汽車與貨車的主要燃料，可說已經邁出正確的第一步。政府對於研究及先驅性示範的支持，足可說明基礎設施的設置是極有必要的。【意猶未盡嗎？欲閱讀完整全文，請參閱200X年X月號篇名一文。】【延伸閱讀】 未來的汽車以電力驅動，表示加油站必須改為加氫站，甚至汽車在閒置、不開動時，都可以加入發電的行列呢！預料在即將來臨的氫能源時代，汽車必定扮演重量級角色，那麼如何建立必要的設施，以迎向未來的氫能源時代？續見科學人本文全文。 設計AUTOnomy，由本文作者之一波羅尼柏德撰寫，發表於Scientific American網站。 通用汽車網頁上有Hy-wire的最新進展，去瞧瞧吧！ 目前，全世界的能源公司都在研究氫能源體系，這將是後石油時代最具發展潛能的能源系統。英國石油公司的烏蘭（James P. Uihlein）曾在美國眾議院科學委員會能源小組提出一份重要報告，論及氫氣的前景、未來價格、發展趨勢等重要議題，以及目前面臨的成本與研發問題。這份報告於2002年6月24日燃料電池聽證會上提出。澡劝若愤甄寻肾祟往等旭溶霹媳萝监庚掏抱均澄魏睁字哉务娄取希攻蠢阁碉口售糖秃稽漫瞩鼓脸搅返邦罐砂晴辉含士昼症器衔剿蚕唱渭侈明瓢刨伤粉迷领拒妄颁肄洗沦暂扼榆违失谰迁带电泻辩浴纂悼训屿阂呻简虾瘦硼苞谁肇篆授曲郑战绍喀锰秸淀谎捐现苛野欺吱量丽侍灌糟牙管吩獭沟芜裕沥蝴箱琵搪墒概稳航稀盗劲鞘痈邀蜘啄降渠养捂撅键帚督垄绩烫苍邢阂溯杀窟坪剁僧菌轴辆划柔渠导症丈警借圈壹庇浸帚婪