燃料電池驅動輕型電動車中各關鍵動力組件之電能平衡

(1)

組別:■實作組□設計組

理工學院優秀專題競賽論文

燃料電池驅動輕型電動車中各關鍵動力組件之電能平衡

Outstanding Academic Papers by Students

面對石化能源的日漸枯竭，人們代步的汽機車能源供應受到了挑戰，極須尋找新的替代能源來維

持其能源供應量，在現今能源科技中，以再生能源產氫，氫氣燃料電池做為汽機車動力的來源是一項

新穎的技術。其作用原理是以氫氣為燃料，經過燃料電池轉換成電力推動汽機車。燃料電池只會生成

水，沒有溫室氣體的排出，對環境不會造就傷害。此外它比傳統車輛更加安靜度與平穩感。而相對於

一般充電式電動車，燃料電池車更具有補充燃料時間短之優點，只需如現今加油站般設置供應點，即

可隨即迅速補充其燃料。本報告以輕型三輪電動車為載具，探索燃料電池/鉛酸電池混合動力電動車中

燃料電池產電、鉛酸電池儲電、與軸心直驅電動馬達之間的能量平衡。論文著重於燃料電池車動力區

塊。重點在燃料電池與其所匹配馬達之間尋找最高功率輸出率來達到最好的使用效率，並製成燃料電

池車成功以燃料電池來驅動車輛，使其完整地展現出燃料電池運用在車輛之可能性。研究使用 200W

氣冷式質子交換膜燃料電池組，實驗測試在不同操作條件下的輸出電壓、功率、能源轉換效率。依照

實驗測試結果計算選取所需匹配鉛酸電池的電壓與電池容量。燃料電池/鉛酸電池輸出的電力、電子倍

壓器、軸心直驅電動馬達的最佳匹配。

關鍵字：混合動力電動車、燃料電池、電能管理、氫能

1. 前言 11 號字體，粗黑體

1.1 電動車的種類

近年來隨著電池技術的演進，電動車的各項技術已逐漸成熟。在人口密集的都市中使用電動車可以大幅減少空氣污染與噪音。電動車主要分為三類：(1)電池電動車，是以二次電池為動力，馬達驅動車輛行駛，電池用市電充電。 (2) 混合型電動車，結合汽油發動引擎及電機馬達驅動。平時以引擎帶動車輛，高速行駛時，電池與馬達提供額外動力，低速時引擎帶動發電機對電池充電。因為能源效率提高，汽有油使用量與所排出的二氧化碳只有一般汽車的 1/2。(3)燃料電池電動車，以氫氣作為燃料，送進燃料電池內發電，帶動馬達/發電機。高速行駛時，電池與馬達提供額外動力，低速時燃料電池對電池充電。其中一種是以燃料電池(Fuel Cell)為動力的電動車。燃料電池是一種將燃料的化學能，透過電化學反應直接轉換成電能的裝置。它是一種無污染、高效率、低燥音的發電裝置，可應用在定置型發電、交通工具、攜帶電子用品電源等等[1]。這種燃料電池驅動的電動車使用氫氣為燃料。氫氣是一種潔淨的能源載體，燃料電池將它所具有的能量透過電化學反應轉換成電能，它的最終產物是水，沒有二氧化碳的生成。

1.2 燃料電池車發展概況

以燃料電池為動力的電動車(FCV，Fuel Cell Vehicle)已在美國、中國大規模的展開學習示範驗證計畫[2，3]。中國自 1999 年已有 FCV 示範驗證車與巴士推出。中國在第十個五年科技計劃中規劃一億美元發展各型電動車。2003 年開始推動燃料電池巴士計畫，至 2006 年共發展出五輛燃料電池巴士與十輛燃料電池轎車(圖 2a)。美國加州燃料電池聯盟(CaFCP，California Fuel Cell Partnership)預計在 2010 會有 450 輛燃料電池轎車與 15-17 輛巴士車輛運行[4]。美國能源部所主導的燃料電池車計畫約有 120 燃料電池車在運行 [5]，參加的公司包括福特、通用、Daimler、現代、KIA 等公司(圖 2b)。台灣目前發展重點是鋰電池為動力的電動車，燃料電池車只有在學校小規模的試做。主要是以教學實驗為目的[6,7]。

1.3 專題研究目的與內容

聯合大學理工學院在教卓計畫與國科會計畫補助下，於 2010 年開始試做燃料電池車。主要目的是以燃料電池車為教學平台，提供各系所學生專題實習的機會。車輛外型由工設系教授與學生設計製作，車輛與動力部份由能源工程系教授與學生設計製作。本專題研究重點在燃料電池車的動力驅動、效能估算以及實際利用燃料電池來驅動輕型電動車，來達到理論計算與實際操作的成果，期望能做出能源使用效率高、環保、速度快且續航力久之燃料電池電動車。本實驗的切入點包括：燃料電池進出氣體控制、燃料電池廢熱、氫氣瓶溫度控制、以及直驅馬達與燃料電池間搭配等部份。

2. 實驗與方法

2.1 測試儀器與設備

本實專題研究使用採購自群翌能源公司，額定功率為 200W、氣冷式燃料電池。該電池組輸出電壓範圍是 24 - 36V。電池尺寸標示於圖 1。該電池組利用兩個風扇以吸引方式將空氣由燃料電池另一端吸引進燃料電池。氫氣經過一個壓力調節閥，將壓力調節到操作氣壓後送入電池組。為了提高氫氣使用效率，封閉氫氣出口端。氫氣每隔一段時間會經氫氣排器控制閥作漸歇性的排放。排放間隔時間則是由氫氣排氣控制電路控制。燃料電池的電力輸出端連結到一個可調電子負載機，測試在不同輸出電流下的輸出電壓。氫氣是由一 10 公升的儲氫罐(漢氫公司)供應。

(2)

理工學院優秀專題競賽論文

圖 1 本專題所使用的燃料電池外觀、尺寸、組件。

2.2 測量內容與步驟

燃料電池基本測試步驟如下： 1. 首先將儲氫罐輸出端用矽軟管連結到壓力調節器，壓力調節器的輸出端用矽軟管連結到燃料電池氫氣輸入口。 2. 再將燃料電池電力輸出端連結到電子負載。 3. 打開儲氫罐出口閥件，調節氫氣壓力由 0 psi 逐漸上升到設定壓力。 4. 打開電子負載機電源，將電流逐步由 0 A 逐步提高並記錄電池輸出電壓。為了得知壓力對燃料電池輸出功率的影響，我們改變氫氣輸入到燃料電池的壓力，量測在不同操作壓力的電流與電壓的關係，並計算輸出功率。由這些測量結果中找出最大平均輸出功率之壓力值。在最大平均輸出功率的壓力值下，以燃料電池測試平台為負載，改變電流高低藉此找出其相對應的電壓值與功率值大小，並找出在該壓力值下燃料電池的最大功率點。整理分析將所得的數據歸納整理，並繪製圖表加以分析，找出影響燃料電池輸出功率之關鍵因素。利用已完成分析之數據，使用各項增加燃料電池輸出功率之因素，操作在燃料電池上並準備把燃料電池安裝在以直流電驅動馬達之三輪式電動車內部。整合上述所有步驟下來，把燃料電池安裝至三輪式電動車上，並製成燃料電池電動車成功以燃料電池來驅動車輛，使其完整地展現出燃料電池運用在車輛之可能性。

3. 結果與討論

3.1 氫氣壓力對燃料電池輸出功率的影響

表 1 是利用輸入氫氣的壓力閥調整壓力值大小，依序調整壓力閥之壓力值為 5psi、6psi、7psi、8psi、9psi 與 10psi，並從中量測 200W 氣冷式質子交換膜燃料電池在相對應的壓力值下燃料電池的輸出功率。圖 4，從測量結果可得之，在輸入氫氣的壓力值越大時，燃料電池所能提供的平均輸出功率越高，反之輸入氫氣的壓力值越小時，則燃料電池所提供的平均輸出功率越低。因此我們選取最大平均輸出功率的壓力值 10psi 作為下一階段的實驗條件。圖 2 燃料電池組平均輸出功率值與氫氣操作壓力的關係。

3.2 不同電流下燃料電池組的輸出電壓與功率

利用已選取的最大平均輸出功率之壓力值 10psi 調壓力閥，以燃料電池測試平台為負載，依序測量燃料電池在相對應電流下電壓值與功率值大小。圖 5 將數據繪製作圖，並從圖中找出在 10psi 壓力下之最大功率點。由圖中可發現到在電流為 12A 左右時，燃料電池有著最大的輸出功率，因此，我們發現到在輸入氫氣之壓力值為 10psi 之下，燃料電池運作在 12A 之電流下有著最大的輸出功率。圖 3 在 10 psi 氫氣操作壓力下電池組輸出電流對電壓與功率作圖。

3.3 氫氣排放間隔時間與操作電流的關係

本實驗用來供應燃料電池電動車能源之氫氣鋼瓶，以 20g 之氫氣存入氫氣鋼瓶中作為燃料電池電動車的能量供應來源。氫氣在燃料電池中的反應如下：陽極 2H2 → 4H+ ＋ 4e-；陰極 O2 ＋ 4H+ ＋ 4e- → 2H2O，電子的傳遞由外接的電路導出產生電流，而氫離子則經由燃料電池的質子交換膜與另一側氧氣結合生成產物水分子，在此電化學反應的過程中氫氣的當量 N＝2。本實驗所測試的 200W 氣冷式燃料電池含有外接電路晶片板能控制燃料電池內部之狀態，當燃料電池內部壓力過大時經由電路晶片板可對電池內部進行釋壓控制，而釋壓的方法則是經由將燃料電池內部所含之過多氫氣與水蒸氣排出電池外(每次排氣的時間大約 2 秒)，來降低燃料電池內部壓力之大小。由於經由外接電路晶片板精細地控制排氣量與排氣時間，故每次排氣量約為 200ml，而每次排氣的時間也約為 2 秒。本實驗 200W 氣冷式燃料電池在不同的電流狀態下，每次排氣所間隔的時間長短不一。圖 4，在不同的輸出電流下，燃料電池每次排氣的間隔時間均不相同，由圖中數據曲線可得之，當電流越大時，每次排氣所間隔的時間越短；反之當電流越小時，每次排氣所間隔的時間則是越長。

(3)

理工學院優秀專題競賽論文

然而，排氣間隔時間的長短深深影響著燃料電池的使用效率，由於每次排氣是將過多的氫氣與水蒸氣排出電池體外，而排出氫氣則會造成氫氣轉換能量使用上的浪費，因此，當電流越大時，排氣間隔時間越短，將會降低燃料電池的能源使用效率；當電流越低時，排氣間隔時間越長，則將會提升燃料電池的能源使用效率。所以我們假設燃料電池在理想狀態下 1atm、25℃，以理想氣體方程式估算出「因排氣而浪費之氫氣莫耳數」與「成功利用氫氣釋出電子之氫氣莫耳數」，並估算燃料電池整體使用效率。表二與表三中，記錄著燃料電池各項狀態之數據，表中主要是將「排出之氫氣」與「使用之氫氣」兩者作為對比分析，並將其結果整合統計估算出。 (4) (5) 利用「每秒排出氫氣的電荷數」與「每秒使用氫氣的電荷數」計算燃料電池放電效率。其估算公式如下： (6) 氫氣瓶儲存著 20g 之氫氣，假設「在理想狀態下」將氫氣瓶中之氫氣完全反應轉換成電荷量，其轉換公式與步驟為：氫氣在燃料電池中的氧化反應是 H2 Æ 2 H+ + 2 e-，因此 1 mole H2 可提供 2 mole e-。相對的 1 mole H2 含有 96500 × 2 庫倫，因此 20 g 氫氣轉換成莫耳數為 10 mole H2。 20g 之氫氣所能供應燃料電池運轉的時間，利用 20g 氫氣所含之電荷量除以燃料電池所排出與使用之電荷量來得到燃料電池所能運作的時間，其估算公式如下：圖 4 不同輸出電流下氫氣之排氣間隔時間。

3.4 燃料電池氫氣的使用效率

燃料電池的能源使用效率。表 2 中的排氣量因外接電路晶片板控制，故每次排氣都約為 200ml，我們假定每次所排放出的 200ml 氣體均為氫氣，並利用理想氣體方程式在假定理想的狀態下(1atm、25℃)，估算出排氣量所含之氫氣莫耳數。 (7) 在輸入氫氣壓力值為 10 psi 之下，燃料電池在不同的電流下有著不同的排氣間隔時間，當電流越大時排氣間隔時間越短，其意味著將有更多的氫氣被排出浪費掉，故選擇合適的電流供應大小是必須考慮到的因素之一。本實驗的三輪式燃料電池電動車所配置的馬達為 48V 直流電驅動馬達，因實驗用的 200W 氣冷式燃料電池所供應的電壓值不足，必須搭配增壓器才可驅動此馬達，此增壓器的功能為將 19～39V 的輸入電壓轉變成 48V 電壓值輸出。 (1) 因不同電流下的排氣間隔時間不同，為了計算出在不同電流下每秒所排放出的氫氣莫耳數，故利用以下公式：(分母的 2 為排氣花費時間 2 秒) (2) 因此，我們選取有著最大平均輸出功率之壓力值 10 psi 作為氫氣瓶輸出氫氣的壓力值大小，由於增壓器的作用範圍介於 19～39V 之間，因此，我們選取 9～11A 的電流供應範圍，該電流值範圍內相對應之電壓值皆符合增壓器之需求，且燃料電池的能源使用效率也較高，故選取之。每秒使用氫氣莫耳數計算則為，氫氣在釋出電子的反應過程中，其當量 N＝2，每莫耳的電子會攜帶著 96500 庫倫的電荷量，在不同的電流下排氣的間隔時間均不相同，因此，需將排氣間隔時間導入方程式的參數當中，但排氣過程中的 2 秒，由於燃料電池在此時刻將過多氫氣排出，導致燃料電池能源使用效率下降，故將此時間剔除在外。則燃料電池每秒使用氫氣莫耳數估算公式如下：把調整好的燃料電池與氫氣瓶安置在三輪式燃料電池電動車上，經由實際運作來完整地展現燃料電池運用在車輛的可行性，提供未來車輛另一種的發展空間。圖 7 為本實驗所自製的燃料電池電動車。 (3) 「每秒排出氫氣的電荷數」與「每秒使用氫氣的電荷數」均為把「每秒排出氫氣的莫耳數」與「每秒使用氫氣的莫耳數」之氫氣莫耳數轉換成庫倫單位。其原理為：將每秒排出⁄使用氫氣莫耳數乘上氫氣的當量 N＝2，並再乘上每莫耳的電子含有 96500 庫倫之電荷。則每秒排出⁄使用之氫氣電荷數估算公式如下：

(4)

理工學院優秀專題競賽論文

5. 誌謝

作者感謝本計畫獲得聯合大學理工學院教學卓越計畫以及國科會儲電計畫之支持，使得本計畫得以順利完成。本報告將發表於中國礦冶工程學會 100 年年會研討會。

6. 參考文獻

1. 楊志忠、林頌恩、韋文誠，＂燃料電池的發展現況＂，科學發展 7 月，367 期(2003) p.30-33

2. K. Wipke, S. Sprik, J. Kurtz, J. Garbak, “Fuel Cell Vehicle Infrastructure Learning Demonstration: Status and Results”, National Renewable Energy Laboratory, Journal Article 560-43668 September (2008)

圖 7 自製燃料電池電動車 3. LUN Jingguang, “Hydrogen-Fuel Cell Vehicle Development in China”, May (2006) from web site:

www.un.org/esa/sustdev/csd/csd14/lc/presentation/hydrogen 4.pdf

4、結論

燃料電池電動車中最主要的中心原件即為燃料電池，其作用原理就有如人類心臟般地重要支持著整量電動車的能量供應來源，而氫氣瓶所儲存的氫氣猶如人們體內囤積的養分般供應心臟跳動的動力來源。燃料電池電動車相較於一般的傳統車輛有著幾點特色：其一，較簡單的設計結構，燃料電池電動車可將整個動力系統收納至車底下方，而騰出車輛更多的活動空間；其二，由於是以電力驅動馬達來帶動車輛行徑，故不需經由內燃機的活塞運動產生動力來源，而使燃料電池電動車擁有了一般內燃機汽車所沒有的安靜感與平穩度，且車輛運行過程中所排放的廢棄物為水，大大地提升車輛對環境的保護程度。因此，我們嘗試改變輸入氫氣壓力值大小，觀察是否影響燃料電池所能提供的平均輸出功率，由實驗結果中發現到，當輸入氫氣壓力值越大，燃料電池所能提供的平均輸出功率則越高，而實驗當中只測量到 10psi 是因為過大的壓力積蓄在燃料電池內，不僅能源使用效率不佳且電池的壽命也會迅速下降，因此，測量的壓力直只量測到 10psi 為止，並利用該壓力值大小進行找出最大功率點之實驗。

4. “Hydrogen Fuel Cell Vehicle and Station Deployment Plan: A Strategy for Meeting the Challenge Ahead”, California Fuel Cell Partnership (2010) from web site:

http://www.cafcp.org/sites/files/FINALProgressReport.pdf 5. K.Wipke, S. Sprik, J. Kurtz, T. Ramsden, C. Ainscough, G.

Saur, “Controlled Hydrogen Fleet and Infrastructure Analysis”, 2011 DOE Annual Merit Review and Peer Evaluation Meeting, from web site:

http://www.nrel.gov/hydrogen/pdfs/tv001_wipke_2011.pdf 6. 向永厚、李再成王柏凱、于翰杰、余吳勁，＂燃料電池車之設計與製作＂， 2009 機光電技術與應用研討會，12 月 9 日(2009) 7. 汪大永，＂燃料電池氫能車之發展與應用＂， 2010 城市綠色交通與綠色運具發展研討會(2010) 在 10psi 壓力值下，利用電流對輸出功率作圖，找到燃料電池最大輸出功率之電流值大小約為 12A 左右，且得之在不同電流值大小下，燃料電池所能提供的輸出功率值高低。綜合以上各種數據資料分析各項資訊，發現到由於本次實驗測量的 200W 氣冷式燃料電池擁有外接電路晶片板得以自動控制電池內部之狀態，調節電池內部之效能與安全性，因此，燃料電池在不同的電流值運作下，每次排氣的間隔時間會不相同，當電流值越大時，排氣的間隔時間越短，其意味著將排出過多的氫氣而降低能源使用效率；而當電流值越小時，排氣的間隔時間越長，但輸出功率也隨之降低。因此，我們需在燃料電池與電動車馬達之間尋找出最佳的搭配，來找出最佳的能源使用效率。本實驗所自製的三輪式燃料電池電動車，是經由學生們自己設計規劃，並親自動手製作而成的。驅動電動車的直流馬達安置在後輪的輪軸上方，以電壓 48V 驅動能得到最佳的能源使用效率，因此，我們在燃料電池與馬達之間安置一個增壓器，將燃料電池所產生的電壓利用增壓器提升至 48V，由於增壓器其作用範圍在 19～39V 之間，故我們選取燃料電池 9～11A 的電流供應範圍，該電流值範圍內相對應之電壓值皆符合增壓器之需求，且擁有較高的能源使用效率。調整完畢以上設置的條件，並成功以燃料電池驅動自製的三輪式燃料電池電動車，展現燃料電池在車輛運用上的可行性，也提供未來車輛能源供應的另一種發展可能。