車輛一甲化學報告

車輛一甲化學報告 氫氣車 4A20H008 陳穎晟 4A215022 柯毅閎 4A215050 梁頌禾

前言 • 氫氣車之原理氫氣車原理是先將水分解成氫氣和氧氣，再將氫氣送到燃料電池的陽極板(負極)反應。經過一連串的作用，使失去電子的氫離子(質子)到達燃料電池陰極板(正極)，而電子經外部電路產生電流。電子到達陰極板後，與氧原子和氫離子重新結合為水。由於供應給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供應氫，給陰極板供應空氣，並及時把水(蒸氣)帶走，就可以不斷地提供電能。此做法不僅不產生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和微粒排出，特別的是機器運轉過程中，還會排出純淨水分。

目錄 • 作用原理 • 燃料電池 • 排放物與比較

作用原理

運作圖

氫氣環保車Name References • Scenedesmus obliquus (Gaffron, 1939) • Chlamydomonas reinhardtii (Happe and Kaminski, 2002) • Chlamydomonas moewusii (Winkler et al., 2002b) • Chlamydomonas noctigama (Winkler et al., 2002b) • Lobochlamys segnis (Winkler et al., 2002b) • Scenedesmus vacuolatus (Winkler et al., 2002a) • Chlorella fusca (Winkler et al., 2002a) • Chlorococcum littorale (Ueno et al., 1999)(附表一:已被科學期刊發表之產「氫氣」的單細胞藻類)

氫氣的製造 • 為了使氫氣車更環保，更能不因為氫氣的問題而增加研發的難度，科學家與環保學者正在尋找一套有效製氫的方法，希望能在不產生二氧碳的情況下製造出氫氣。從收集的文獻中得知，發現其實某些藻類亦可以製造氫氣，如衣藻(Chlamydomonas reinhardtii) 可透過「氫化酵素（hydrogenase）」之作用，在「缺硫」、「無氧」、有「光源」下，暫時性地產生「氫氣」。研究發現每小時每公升（1L）的「衣藻」水體，大約可產生2.0～2.5 mL之「氫氣」，此現象可維持24～70小時，隨後「氫氣」產量持續減少(Melis and Happe, 2001)。

氫氣車之缺點 • 除了製造氫氣的過程會產生二氧化碳外，氫氣車在研發上還有一些缺點，比如氫氣的儲存與氫氣加油站等的問題。氫氣內藏有高量化學能，有爆炸的危險。(註八)常溫下，氫氣通常以高度壓縮氣體的形式貯存於壓力瓶中。但約640公里左右的路程，就需5~7公斤的氫，而當今燃料電池原型車卻只能承載2.5~3.5公斤。現雖有複合物壓力瓶其壓縮容量，約為每平方公分352公斤重，許多工程團隊正嘗試使其倍增。不過，兩倍的壓縮量並不能與兩倍的存量畫上等號。以-253℃貯氫的液態氫系統已測試成功，但卻有重大的缺陷：燃料所產生的能量中，約有1/3必須用來維持低溫，使氫得以保持液態。且儘管這些系統具有厚重的絕熱措施，但每日從封口蒸發而損耗的氫氣量，約有總存量的5％。所以還有待我們去設計一套完善、持久耐用又輕巧的貯氫系統。(註九) • 另外，裝氫燃料的充氣站依然是非常罕見的，目前世界各地約只有70處氫氣補充點：美國與歐洲各24處，日本12處，另有10處則分佈於其他各地。以福特Focus FCV燃料電池車在上述各據點的實測證明，以高壓氫氣為一輛車，其加滿氣通常約需五分鐘。且為了避免火花的產生，所以事前還必須先將車體與接地線連接。(註九) • 又氫氣車的金屬構造費用是十分昂貴的，加上技術的困難及加油站設置的問題，所以才導致氫氣車的研發出現了許多難解的瓶頸。總而言之，如果要使氫氣車脫穎而出成為我們最佳的交通夥伴，則就必須要有大量的資金，及政策和技術的配合才能順利開發與量產。

結論 • 氫氣車的優點在於不會來放出污染空氣的物質，包含二氧化碳、一氧化氮、二氧化硫……，從氫氣車排出的只有水而已，不會對環境產生破壞，沒有使用任何化石燃料，這是現今對高度依賴化石原料的我們最大的突破。而它的缺點在於氫氣的儲存、氫氣的來源、氫氣車的建材、技術上的不成熟以及需要政策上的配合。 • 氫氣車真的發明又可謂為另一個世紀的開始，其研發不僅喚醒了人類對於加強保護地球的意識，開創了製造再生能源及節能減碳的技術，還開啟了環保技能，即便現今氫氣車在研發上尚有許多有待我們去的難題，但我深信我們人類一定能克服的，期盼未來氫氣車的原理還可以擴展到公車、火車甚至於飛機等交通工具。

燃料電池

燃料電池來由 • 燃料電池（Fuel Cell）並非為電池，稱為「燃料發電源」更為貼切。燃料電池組是一種直接將燃料(氫氣)通過電化學作而產生燃燒反應並輸出低電壓直流電的元件所組成的裝置。相對於其他化學電池來說，燃料電池其實是一種發電裝置。燃料電池別於一般電池之處在於，它所參與電極反應的活性物質並不貯存在電池內部，而是全部由電池外部提供。它的出現徹底改變了電池不能連續工作的侷限，只要不間斷的輸入反應物，它就可以不停地工作。 • 燃料電池還具有直接汲取化學能的優勢，主要的燃料以氫氣為主，氫氣與氧氣透過電化學反應發生氧化作用並輸出電能與熱量，但熱量遠低於石油氣之燃燒作用，故有「冷燃澆」之說法。此種化學能轉換為電動能的過程，節省了轉換為機械能所須浪費的能量損失，故展現出比內燃機頂多30%更高的能量轉換效率。此外，所生之廢熱若再經回收利用，更可達到高達85%的總體能量利用率，可望成為最具經濟效益的能源。

燃料電池的原理 • 燃料電池的過程是採用「冷燃燒」，為直接式能量轉換器，將燃料(氫及碳氫化合物等)的化學能轉化爲電與熱。 • 單一發電元含有陰陽兩個電極(分別為正、負二極)，化學反應即是在此二極表面發生。所有的燃料電池都須有一種電解質，將帶電的粒子從一個電極輸送至另一電極。電極中還須有催化劑(catalyst)，負責加速氧化還原反應的進行。 • 現代的燃料電池依電解質或燃料之別已可區分成八、九種之多。但一般的運作原理是，將氫氣經由管路送達陽極，並在陽極發生氫原子解離成一個質子(即帶正電之氫離子)與一個電子的反應。帶負電的電子在電動勢的驅使下流向陰極，遂形成供電迴路產生可作功的直流電流；質子則經由電解質流向陰極。

空氣中約21%的氧氣可提供作為燃料電池所需的氧化劑。氧亦經由管道輸送至陰極。如上圖所示的電池類型，其氧原子會在陰極與電子及質子化合形成水。 • 陽極H2 -----> 2H+ + 2e- • 陰極2H+ + 2e-+1/2O2 -----> H2O • 全反應H2 + 1/2O2 -----> H2O • 另外，某些另類電解質的電池類型則是，氧原子在陰極與電子結合形成氧離子或與水及電子結合形成氫氧離子，再經由電解質游向陽極與質子結合產生水。例如， • 陰極1/2O2 + H2O + e- ----> 2OH- • 陽極H2 + 2OH- ----> 2H2O + e- • 全反應1/2O2 + H2 ---> H2O

結論 • 氫元素雖是基本的燃料來源，但沒有氧氣發電機制亦無法運作。絕大部份的氫與氧化合後的產物是水— 一種無害的副產物，這就是燃料電池既能發電又不會造成污染的優勢之處。 • 電解質對於燃料電池而言，亦扮演關鍵角色。它必須具有只能讓特定的離子通過的特性。如果自由電子或其它物質可隨意進入電解質中，則化學反應便會被破壞。不論帶電荷的離子是游向陽極或陰極來進行反應，主要的產物都是水，水將在電極處收集後排出電池體外。 • 只要發電元不斷地被供給氫及氧元素，該發電元便會持續產出電能。現代用電需要交流電時，燃料電池的直流電源可經變頻器(inverter)再轉換成交流電。數個發電元串聯在一起，便形成電池組，使輸出電壓及功率倍增。數個電池組串接，便可形成發電系統，乃至功率高達百萬瓦(MW)的固定式發電廠。

排放物與比較

排放物 • 氫氣燃燒所產生的是純淨的水，對環境沒有污染，因此工程師們發展出氫氣內燃機引擎。內燃機引擎在燃燒爆炸產生動力之前需要先將燃料與空氣等比例混合，一般的汽油引擎其汽油所佔比率要在體積百分比1.3~1.7%之間，也就是說如果進入內燃機的汽油與空氣比率沒有在1.3~1.7%之間，則內燃機將無法正常運作，甚至會熄火。若是氫氣引擎，則氫氣所佔體積百分率在9~26%之間即可正常運作。可見氫氣引擎的穩定性較高，先將氫氣儲存於儲氫合金中，透過定體積噴射系統(CVI)，將氫氣與空氣以固定體積比射入氫氣內燃機，點火爆炸後產生動力。目前氫氣引擎車的造價當然無法與傳統汽油引擎車匹敵，但是可以和電動汽車競爭。迎接二十一世紀零污染的未來，氫氣引擎車將是環保的新尖兵。

比較 • 空氣車 • 壓縮的空氣當動力來源 • １.特性：是以空氣為動力的汽車，不需要汽油，完全不會排放廢氣，只會排出冷空氣，所產生的冷空氣則可回收用於空調系統。在兩、三分鐘內快速充氣，此外也可在家中接上電源充氣，這種方式則需要三、四個小時才能完成充氣。每充氣一次可連續行駛201公里，最高時速可達101公里。 • 車體外觀 • ２.構造：單能源壓縮空氣引擎，冷空氣在纖維容器儲槽中進行壓縮，加熱後送入到活塞引擎的汽缸中來驅動車輛，此為無氧化燃燒反應。 • ３.原理：壓縮空氣儲存在一個纖維容器內，利用其壓力來推動發動機的活塞。在整個過程中，不需要燃燒，無有害氣體的排放問題，不會對環境造成污染。不需要燃燒，故意謂發動機不需要耐高溫和高壓，注入的空氣導致快速的壓縮和擴張來推動活塞反覆動作，推動曲軸提供動力給引擎。

兩車的比較

結論 • 空氣車和氫氣車的比較，空氣車勝過於氫氣車，因為現在對於氫氣車的開發稍嫌緩慢，使得空氣車勝出的機率較大，對於空氣車和氫氣車理念都是和環境保育、永續發展息息相關，比如說氫氣車排放的物質是氧氣和水而不是二氧化碳、空氣車的燃料是空氣而不是有限的石油。在這個工業汽車時代，有了這些新款車的開發，使得和車一起呼吸已經不再是一件困難的的事情了。

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