國
立
交
通
大
學
運 輸 科 技 與 管 理 學 系 碩 士 班
碩 士 論 文
燃料電池公車成本結構
與市場潛力分析之研究
The Study on the Cost Structures and
Market Potential of Fuel Cell Bus
研 究 生：蕭易呈
指導教授：許巧鶯
燃料電池公車成本結構與市場潛力分析之研究
The Study on the Cost Structures andMarket Potential of Fuel Cell Bus
研 究 生：蕭易呈 Student : Yi-Cheng Hsiao
指導教授： 許巧鶯 Advisor: Chaung-Ing Hsu
國 立 交 通 大 學
運 輸 科 技 與 管 理 學 系
碩 士 論 文
A Thesis
Submitted to Department of Transportation Technology & Management
College of Management
National Chiao Tung University
in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of
Master
in
Transportation Technology and Management
June 2005
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
燃料電池公車成本結構與市場潛力分析之研究
研究生：蕭易呈 指導教授：許巧鶯 國立交通大學運輸科技與管理學系碩士班摘 要
目前人類面臨化石能源耗竭與環境污染兩大問題，有鑑於此，發展高效率的環保性 運具來取代傳統燃油運具已勢在必行。燃料電池運具之駕駛操作性能已發展至與現有燃 油運具性能接近，且其零污染排放之特性最為各界所關注，唯獨其成本結構仍居高不 下。由於公車之體積與污染排放量均較一般自小客車來得高，故燃料電池公車應是目前 現階段最環保同時亦最具發展潛力之大眾運輸工具。 本研究在供需互動架構下，以解析性方法構建公車業者採用燃料電池公車之相關供 給成本模式與需求模式，成本模式分兩大部份，包括燃料電池車輛成本與氫能供應站成 本，燃料電池車輛成本方面，主要考量車輛折舊成本、車輛維修成本與氫能成本，氫能 供應站成本則有平均設置成本、平均營運成本與設備維護成本；而需求模式之主要影響 變數則有車輛購置成本、單位里程燃料成本、車輛最高速度與單位里程之污染量。此外， 本研究利用灰色理論預測未來燃油價格與氫能價格之趨勢走向，藉以分析燃料價格之變 化對公車業者營運成本之影響。本研究進一歩考量政府部門之補貼預算限制，並在最小 化社會總成本之目標下，構建補貼數學規劃模式，以決定業者均衡使用量與最適資本補 貼與績效補貼額度。 研究結果顯示，透過政府之補貼可提高公車業者使用燃料電池公車之意願，至 2021 年左右，燃料電池公車相對於燃油公車已具有相當程度之競爭力；此外，公車業者未來 使用量愈多，空氣污染之減量成效愈彰，能源節約效益亦隨之愈大；在多次績效補貼方 面，補貼額逐年減少，且越晚採用補貼次數越少，至 2021 年左右，因燃料電池公車系 統之總成本低於燃油公車系統總成本，故自該年起可停止實施績效補貼；在外部成本改 善之效益方面，改善空氣污染之績效補貼初期較不具效益，但透過政府部門相關之補貼 機制，其成本效益將逐漸彰顯。研究結果可供政府部門於未來推動燃料電池公車相關規 劃之參考依據。 關鍵字：燃料電池、成本結構、燃料電池公車、氫能、外部成本、補貼The Study on the Cost Structures and
Market Potential of Fuel Cell Bus
Student: Yi-Cheng Hsiao Advisor: Chaug-Ing Hsu Department of (Institute) Transportation Technology and Management
National Chiao Tung University
Abstract
At present, human face two crucial problems of fossil fuel energy depletion and environmental pollution. Thus, developing high-efficiency environment-friendly vehicles to replace traditional oil-fueled vehicles has become an important issue. The driving performances of fuel cell vehicles have been developed to approach oil-fueled vehicles. Those vehicles have the characteristics of zero pollution emission, yet their costs still remain relatively high. The size and pollution emission of buses are larger than other vehicles, so the fuel cell bus should be the more environment-friendly and potential-developed vehicle.
This study explores the interaction between supply and demand of fuel-cell buses, and formulates supply cost functions and demand model using analytical approach. The cost function is divided into two parts, including fuel cell bus costs and hydrogen refueling station cost. Fuel cell bus cost includes depreciation cost, maintenance cost and hydrogen cost; while hydrogen refueling station cost includes average establishment cost, average operation cost and equipment repair cost. Variables affecting fuel cell bus demand function are bus purchase cost, fuel cost per unit mileage, the maximum speed and pollution emission per unit mileage. In addition, this study applies gray theory to predict the trend of oil price and hydrogen price, and analyzes the influence due to the change in fuel-price differences on bus operators’ cost. Moreover, a mathematical programming model is formulated to determine the equilibrium demand volumes and the optimal capital subsidy and air-pollution performance subsidy by minimizing the total social cost subject to government subsidy budget.
The results of the case study show that the government subsidy can increase the fuel-cell bus usage of bus operators, and at year 2021, fuel cell buses will have the competitive advantage over oil-fueled vehicles. In addition, the more fuel-cell buses bus operators adopt, the more air pollution will be decreased, and the more energy will be saved. Regarding performance subsidy, the amount and frequency of subsidy is decreasing year by year, thereby performance subsidy policy can be discontinued at year 2021, at which the total costs of fuel cell buses are less than the total costs of oil-fueled ones. Finally, through implementing the government’s subsidy policy, the benefits of pollution and energy saving are shown to be manifested with the increased years.
誌謝
本論文得以完成，首先感謝恩師 許巧鶯教授於論文研究期間的悉心指導與鼓勵， 從觀念的啟發乃至於生活上之待人處事，均讓學生受益無窮，尤其「嚴謹」的治學態度 更令學生印象深刻，種種的收穫使學生得以面臨人生往後的挑戰，學生永遠感銘於心。 論文進度審查期間，感謝本系張新立教授與吳水威副教授細心審閱；論文研討期間，感 謝本系卓訓榮教授與吳水威副教授所提供之寶貴意見，使本論文更臻完善；論文口試期 間，承蒙系上吳水威副教授與任維廉副教授撥冗細審與指正，並提供寶貴意見，使本論 文疏漏謬誤之處得以斧正。授業期間，感謝系上老師們的教導以及系上助理幸榮姐、秀 蔭姐行政事務上的幫忙與協助，在此一併致謝。 兩年研究所的生活將畫上句號，從一開始研究方向的找尋、研究內容一再的修改， 時而挑燈熬夜的孤軍奮戰，至最終論文的開花結果，過程可說是以絞盡腦汁的焦慮與找 到靈感的喜悅交織而成，這些點點滴滴都已無形烙印在本論文裡，成為論文中無法抹滅 的一體，使我印象深刻。 在學期間，感謝研究室清成學長的鼓勵，很榮幸能跟你一起畢業；志青學長於課業 上的協助；幼屏學姊的溫馨台中便車以及當媽初體驗的美珠學姊課業上的幫忙。此外， 研究室大姐大慧潔學姊的關心、照顧與鼓勵實為重要；同鄉人大乃以及偉哲來自 MSN 上的關心亦倍感窩心；LAB 一哥憲宏的大嗓子讓整個研究室充滿歡笑氣氛，還有那香 醇的咖啡；吃不飽的大象要多外出走動，不要一直停留在研究室吹著冷氣腳踩著踏歩機 嘴裡還啃著食物的階段，不過，仍要謝謝妳於運規助教期間的協助；好兄弟剛伯的互切 互磋使我功力增進不少，跟美妤要趕快加緊腳步，結婚時別忘了寄喜帖給我；運動很勤 勞的阿昌要持續下去，做大象的榜樣；同是棒球迷的舜輔，讓我隨時能掌握王建民的最 新動態；每次開門都嚇到我的姵青，希望我是最後一個受害者；看似憨厚的立弘，我一 定要看到你喝完酒還能做研究的功力；還有 94 級畢業的同學，感謝你們一路上的陪伴 與歡笑，讓本屆許 LAB 只有一個碩士班畢業生的我不致感到孤寂。 感謝上帝這兩年的保守與看顧，讓我有健全的身心靈面對這兩年研究所種種的挑戰 與考驗，也要感謝辛苦養育我以及栽培我的父母親，從小到大回饋給你們的總是失望多 過於欣慰，但這次我總算達成了你們的期許，沒讓你們再次失望；此外，外婆不曾間斷 的代禱與鼓勵更使我銘記於心；遠在英國攻讀博士的哥哥，雖然這兩年我們兄弟倆間的 聯絡不算頻繁，但過程中總是會想到你在他鄉的生活等各方面都比我辛苦，無形中刺激 了我要堅持到底的動力，才讓我的論文得以順利完成，此時此刻，我即將邁向人生另一 個階段，蕭家接下來的任務就交由你繼續完成，加油！另外，也要感謝家鄉屏東潮州的 眾親朋好友，正牌老字號最有口碑的銀光美術燈全家福、家喻戶曉的知名作家曾寬、號 稱雞王的郭爸與郭媽、幽默風趣的江叔叔與英文一流的郭老師以及潮州聖教會所有會友 等族繁不及備載，感謝你們這兩年來的關心、代禱與鼓勵。當然，還有最重要的采瀕， 沒有妳，本論文將不會如此順利完成，過程中的辛苦與歡笑妳都有參與，從研究初期的 惶恐，到趕年會論文期間仍心繫奧運比賽的樂趣、國科會計畫案，乃至於最後準備口試 的心情起伏，妳至始至終都從未缺席，謝謝妳一路走來的鼓勵、支持、體恤與付出，也謝謝妳家人的關心，望妳之後的教育之路能夠順利。 最後謹將本論文獻給我最愛的爸爸、媽媽、哥哥、外婆與所有關心我的親朋好友， 你們的鼓勵是我完成論文的動力，謹將這份成果以及榮耀與你們分享。
蕭易呈
風城交大綜合一館十樓研究室 民國九十四年七月 盛夏目
錄
中文摘要………....i
英文摘要……….…..ii
誌謝………..iii
目錄………...v
表目錄………..………...vii
圖目錄………..………... ix
符號說明………...……….…………. xi
第一章 緒論………1
1.1 研究背景與動機……….1 1.2 研究目的……….5 1.3 研究範圍與對象……….7 1.4 研究方法與架構………...………..7第二章 文獻回顧……….…..11
2.1 燃料電池………...11 2.1.1 燃料電池發展歷史………..11 2.1.2 燃料電池之工作原理………..11 2.1.3 燃料電池之種類……….13 2.1.4 燃料電池之應用……….16 2.1.5 燃料電池發展現況與市場演進狀況……….16 2.2 低污染公車………...18 2.3 燃料電池車發展現況………...20 2.4 灰色理論應用於交通運輸上………...24 2.5 大眾運輸之補貼………...29第三章 燃料電池公車系統模式構建………..…35
3.1 基本觀念與分析………...35 3.2 公車業者需求模式構建………...40 3.3 燃料電池公車系統成本模式構建………...42 3.3.1 燃料電池車輛成本……….42 3.3.2 氫能供應站成本……….44 3.4 兩種公車系統成本變化之分析………...46 3.4.1 未來燃油價格與氫能價格之變化分析……….46 3.4.2 燃料電池公車與燃油公車成本之變化分析……….54
第四章 空氣污染改善效益與補貼規劃模式………..64
4.1 基本分析………...64 4.2 空氣污染改善效益分析………...65 4.3 補貼分析………...68 4.4 政府補貼規劃模式………...70第五章 範例分析………..73
5.1 基本參變數之設定………...73 5.2 輸出結果與補貼分析………...77 5.3 空氣污染改善效益分析………...84 5.4 敏感度分析………...94第六章 結論與建議………114
6.1 結論……….114 6.2 建議……….115參考文獻………117
表目錄
表 2-1 各類型燃料電池之特性與優缺點……….….…..15 表 2-2 各類型低污染公車之技術特性與優缺點……….…….…..18 表 2-3 燃料電池車相關文獻……….……...……23 表 2-4 灰色理論應用在交通運輸之相關文獻……….…….…..28 表 2-5 各種補貼方式之優缺點比較……….……….…..31 表 2-6 大眾運輸補貼相關文獻整理列表……….……….…..34 表 3-1 歷年高級柴油價格實際值與未來預測值………..…….….47 表 3-2 歷年製氫方式與其對應之氫能價格表……….…...49 表 3-3 歷年氫能價格表……….……..51 表 3-4 歷年氫能價格平均值與未來預測值………..…..51 表 3-5 燃料電池公車與燃油公車各項成本統計列表………..……..55 表 4-1 環保署補助汽車客運業更新車輛補助標準……….….…..68 表 5-1 兩家客運公司營運資料參數設定表……….….…..73 表 5-2 燃料電池公車系統相關成本參數設定表……….….…..74 表 5-3 空氣污染相關參數設定值……….….…..76 表 5-4 需求模式效用函數參數值……….…….…..77 表 5-5 兩家客運公司使用情形輸出結果……….….…..77 表 5-6 S 公司每年所須負擔之成本明細表……….….…80 表 5-7 T 公司每年所須負擔之成本明細表……….….…81 表 5-8 兩家客運公司 2005 年使用燃料電池公車前後對一般空氣污染物排放之影響..84 表 5-9 兩家客運公司 2005 年使用燃料電池公車前後對二氧化碳排放之影響………..85 表 5-10 S 公司各路線使用燃料電池公車前後整體空氣污染物排放情形………....87 表 5-11 T 公司各路線使用燃料電池公車前後整體空氣污染物排放情形………....88 表 5-12 S 公司各營運路線使用燃料電池公車情形與能源節約效益………..…..90表 5-13 T 公司各營運路線使用燃料電池公車情形與能源節約效益………..…..92 表 5-14 敏感度分析輸出結果………..……94 表 5-15 S 公司於 2005 年至 2008 年引入燃料電池公車之逐年多次績效補貼………....103 表 5-16 S 公司於 2009 年至 2012 年引入燃料電池公車之逐年多次績效補貼………..104 表 5-17 S 公司於 2013 年至 2015 年引入燃料電池公車之逐年多次績效補貼………..105 表 5-18 S 公司於 2016 年至 2019 年引入燃料電池公車之逐年多次績效補貼………..105 表 5-19 T 公司於 2005 年至 2008 年引入燃料電池公車之逐年多次績效補貼………...106 表 5-20 T 公司於 2009 年至 2012 年引入燃料電池公車之逐年多次績效補貼……….107 表 5-21 T 公司於 2013 年至 2015 年引入燃料電池公車之逐年多次績效補貼………..107 表 5-22 T 公司於 2016 年至 2019 年引入燃料電池公車之逐年多次績效補貼………..108
圖目錄
圖 1-1 研究架構圖………9 圖 1-2 研究流程圖………..10 圖 2-1 燃料電池直接發電與傳統間接發電的比較………..12 圖 2-2 燃料電池基本反應圖………..13 圖 2-3 燃料電池演進階段………..17 圖 2-4 補貼方式分類圖………..30 圖 3-1 各部門於民國 86 年能源使用比例圖……….37 圖 3-2 公路運輸汽油使用分配狀況………..38 圖 3-3 公路運輸柴油使用分配狀況………..38 圖 3-4 高級柴油價格未來趨勢圖………..48 圖 3-5 氫能價格未來趨勢圖………..53 圖 3-6 高級柴油與氫能價格未來趨勢比較圖………54 圖 3-7 兩公車系統每年所需攤提之固定成本比較圖………..56 圖 3-8 燃料電池公車購置成本與產量變化趨勢………..57 圖 3-9 現有柴油公車系統總成本變化趨勢………..58 圖 3-10 兩種燃料成本未來變化趨勢………59 圖 3-11 柴油公車系統總成本與固定成本趨勢比較圖………60 圖 3-12 燃料電池公車系統總成本未來變化趨勢………61 圖 3-13 燃料電池公車系統總成本與各成本項趨勢比較圖………62 圖 4-1 空氣污染改善成效觀念架構圖………..65 圖 5-1 S 公司各項補貼比例圖………79 圖 5-2 T 公司各項補貼比例圖………79 圖 5-3 兩家客運公司各車輛成本項比較圖………..82 圖 5-4 兩家客運公司氫能供應站各成本項比較圖………..82圖 5-5 S 公司各成本項所佔比例圖………83 圖 5-6 T 公司各成本項所佔比例圖………83 圖 5-7 兩家公司使用燃料電池公車前後對一般空氣污染物之排放情形………..85 圖 5-8 兩家公司使用燃料電池公車前後對二氧化碳之排放情形………..86 圖 5-9 兩家公司使用燃料電池公車後對整體空氣污染減量之貢獻程度………..89 圖 5-10 S 公司各營運路線能源節約效益………..91 圖 5-11 T 公司各營運路線能源節約效益………..93 圖 5-12 兩家公司使用量逐年變化曲線………96 圖 5-13 兩家公司氫能成本未來變化曲線………97 圖 5-14 兩家公司對於整體空氣污染減量情形未來變化趨勢………98 圖 5-15 兩家公司對於能源節約量之貢獻未來變化趨勢………99 圖 5-16 兩家公司能源節約效益未來變化趨勢………99 圖 5-17 兩家公司未來對外部成本改善之變化情形………..100 圖 5-18 兩家公司未來購置單位車輛之補貼變化情形………..101 圖 5-19 兩家公司未來使用燃料電池公車與否之總成本變化圖………..102 圖 5-20 兩家公司未來空氣污染改善之績效補貼變化情形………..102 圖 5-21 S 公司未來各年引入燃料電池公車後之逐年多次績效補貼情形………109 圖 5-22 T 公司未來各年引入燃料電池公車後之逐年多次績效補貼情形………109 圖 5-23 兩家公司於 2005 年使用燃料電池公車與否之所造成累積外部成本....110 圖 5-24 兩家公司於 2005 年使用燃料電池公車後之累積成本效益曲線變化圖.111 圖 5-25 外部成本改善之成本效益曲線圖………..112 圖 5-26 兩家公司對於能源節約之成本效益曲線圖………..112
符號說明
FB i U：
業者 i 對燃料電池公車之效用值 TB i U：
業者 i 對燃油公車之效用值 ′ FB P：
政府補貼後之燃料電池公車單位車輛購置成本 TB P：
燃油公車之單位車輛購置成本 i R：
公車業者 i 之平均總收益 H P：
單位氫能價格 O P：
單位燃油價格 H L：
單位氫能所能行駛距離 O L：
單位燃油所能行駛距離 FB V：
燃料電池公車最高速度 TB V：
燃油公車最高速度 FB η ：燃料電池公車單位里程污染排放率 TB η ：燃油公車單位里程污染排放率 i θ ：業者 i 選擇燃料電池公車之機率 ij N ：公車業者 i 在其服務範圍內路線 現有之平均營運車輛數 j FB ij D ：公車業者 i 於路線 對燃料電池公車之需求量 j B i FB C , ：業者 i 所需之車輛購置成本 D i FB C , ：公車業者 i 每年所需負擔之車輛折舊成本 M i FB C , ：業者 i 每年所須負擔之車輛維修成本 H i FB C , ：公車業者 i 每年所需負擔之氫能成本 σ ：折舊率 t ：車輛使用年限 h ：平均車齡 m U ：燃料電池公車單位里程之車輛維修成本 i Q ：公車業者 i 之單一燃料電池公車每年平均所需之氫能總量 gu X ：年利率為 g ，使用年限為u年之資本回復因子 E i C ：電解槽運作成本 W U ：單位電能成本 i E ：供應站設備每年所需耗費之電能CP ：壓縮機之電力參數 P ：操作環境下之壓力值 Min P ：最小壓力值 C P ：壓縮機本身之壓力值 SR C ：量儲氫容器每年運作所需之成本 D i FS C , ：公車業者 i 每年所需分攤之平均設置成本 O i FS C , ：公車業者 i 每年所需之氫能供應站平均營運成本 M i FS C , ：公車業者 i 每年所須負擔之氫能供應站設備維護成本 A ：氫能供應站設備例行預防保養成本 i G ：公車業者 i 之氫能供應站設備年使用率 q ：每日可服務車輛數 w ：公車業者每年營運日數 Ca ：每輛燃料電池公車之儲氫容量 m f ：氫能供應站每年之管理費用 i TC ：公車業者 i 每年所需負擔之總成本 TB λ ：燃油公車一般空氣污染物單位里程之排放率 FB λ ：料電池公車一般空氣污染物單位里程之排放率 i AB ：公車業者 i 未使用燃料電池公車前之一般空氣污染量 i AA ：公車業者 i 引入燃料電池公車 FB營運時之一般空氣污染量 ij D i AR ：公車業者 i 使用燃料電池公車 FB之一般空氣污染物減量成效 ij D A δ ：一般空氣污染物之單位外部成本 i ARC ：公車業者 使用燃料電池公車i DijFB營運所節省之一般空氣污染物外部成本 TB φ ：燃油公車二氧化碳單位里程排放率 FB φ ：燃料電池公車二氧化碳單位里程排放率 i CR ：公車業者 i 使用燃料電池公車DijFB每年對二氧化碳減量成效 C δ ：二氧化碳單位外部成本 i CRC ：公車業者 i 使用燃料電池公車 FB營運所節省之二氧化碳外部成本 ij D TB η ：燃油公車單位里程之所有空氣污染物排放率
i EC ：公車業者 i 引入燃料電池公車 FB所造成之外部成本 ij D i OR ：公車業者 i 每年節省之柴油量 i ORC ：公車業者 i 每年之柴油節約效益 STC ：社會總成本 i m1 ：政府對公車業者 i 購置單位燃料電池車輛之補貼 i m2 ：政府對公車業者 i 設置氫能供應站之補貼 i m3 ：政府對公車業者 i 改善單位空氣污染之補貼 i H ：業者 i 單位里程營運成本 1 B ：中央政府補貼預算 2 B ：地方政府補貼預算
第一章、緒論
1.1 研究背景與動機
隨著國內民眾國民所得增加及生活水準逐年提高之情形下，私人運具之使用密度逐 年攀升，對於小海島型國家的台灣而言已趨近飽和狀況。以大台北都會區為例，根據交 通部統計處(民 89)資料指出，該地區登記小客車數已高達 120 萬以上，此數據顯示， 在科技進步之帶動下，人類的經濟活動得以藉由運輸行為而快速發展；然而，私人運具 之便利性在滿足從事經濟活動下，卻也隨之帶來危機，根據 1997 年英國石油統計報導， 化石能源（Fossil Energy）經過人類大量消耗之後，其存量僅能夠再用半個世紀(左峻 德，民 90)，而人類濫用資源的結果即造成地球環境原本存在生產、消費與再生資源 （Recover and Regenerate Resources）之平衡機制嚴重失衡，使得生態環境遭受破壞之 程度超過環境自然復原之能力，進而使人類所處的自然環境承受永久性之破壞，如二氧 化碳濃度持續增加，繼而使全球氣溫亦逐年隨之攀升，此對於長期以化石能源（Fossil Energy）為燃料之交通運具而言，無疑不是一項衝擊；此外，由交通運具所造成之移動 性污染物亦佔空氣污染的極大比例（中華民國環境工程學會，民 87）。目前人類於交 通運輸上已面臨能源耗竭與環境污染兩大問題，因此，該如何節約能源並減少污染已成 為全球產官學各界所共同關心之課題。 在能源使用方面，根據經濟部能源委員會年報(民 92)指出，九十一年國內能源總消 費為 10,006 萬公秉油當量，較九十年增加 5.52﹪，若將能源消費部門細分為工業、運 輸、農業、住宅、商業與其他等六大部門時，工業為最主要之能源耗用部門，九十一年 消費比重為 57.86﹪，運輸部門則因國民所得提高、道路交通網路之完善與汽、機車等 運輸工具之普及而居次之，占 15.25﹪；若以能源消費成長率觀之，工業部門之 7.01﹪ 能源消費成長率仍為最高，運輸部門消費成長率 4.38﹪次之，是故，運輸業驚人之能源 消耗量可見一斑。另外，經濟部能源委員會(民 87)針對世界能源情勢指出，過去十年間 （1987 年至 1997 年），世界總初級能源消費之年平均成長率為 1.5﹪，依能源別分析， 石油為世界上消費最多之能源，但受能源危機與環保團體之影響，世界各國均已警覺此 問題之嚴重性，紛紛降低對石油之依賴，過去十年來石油消費比例由 1987 年的 40.1﹪ 下降至 1997 年的 39.9﹪，而對於未來能源消費情形，其預估 1997 年至 2015 年間世界 總初級能源消費之年平均成長率將達 2.8﹪，其中，在化石燃料部分，消費量將穩定增 加，預估年平均成長率分別為石油 2.5﹪，煤炭 2.2﹪，天然氣 3.4﹪；但若就世界原油 總需求而言，未來仍將呈現穩定增加之趨勢，估計 1997 年至 2015 年間年平均成長率約 為 2.6﹪。這些統計數據顯示出未來運輸部門能源使用之需求有可能持續成長，故如何 運用有限之資源與找尋新替代能源便成為我們此刻必須努力之目標。在環境污染方面，由於過去我國為了促進經濟發展，工業部門不斷投入能源以促進 生產，私人運具數量亦隨國民所得提升而快速成長，進而導致運輸部門能源消費量劇 增，加上來自其他各部門之能源消費下，致使空氣品質嚴重惡化，增加能源消費的社會 成本；而交通運具之排放物為一巨大之移動性污染源，其占總氣體污染物的一半以上， 且隨著國內私人運具使用比例急速攀升，此一移動性污染源排放量勢必會再增加。根據 1995 年統計資料顯示，台灣地區空氣污染物每年排放總量估計有 59 8 萬公噸，其中一 氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物分別為 255 萬公噸、99 萬公噸及 71 萬公噸，此大部分 來自交通工具污染（中華民國環境工程學會，民 87）。現今的運輸部門所使用之化石 能源會造成溫室效應、酸雨、空氣污染等環境災害問題，進而嚴重影響人類的健康，此 一議題已隨國民生活水準提高與環保意識之逐漸抬頭而日益受到重視。Whitelegg (1993) 指出，運輸成長帶來了環保與資源的相關問題，而運具對化石燃料的需求則造成了環境
衝擊的快速成長，且這些衝擊大部分發生於已開發國家；Greene and Wegener (1997)研 究指出，由於現今的運輸缺乏永續性，故關於運輸系統的技術、設計與營運及財務須有 基本的改變，且在全球的石油資源有限的情形下，永續發展並非即刻必須停止消耗石 油，而是必須改善使用與生產石油的方式，並且尋找替代方案。對此，電動車輛即被認 為是解決移動性污染源的一個途徑，但以目前市面上發展之電動車而言，雖經過許多技 術上之嘗試，但結果總不令人滿意，主要癥結在於做為電動車輛之充電電池功率密度 低，不能滿足汽車性能之要求，且其電力推進系統之功率比使用化石燃料之內燃機 (Internal Combustion Engine)要低；此外，傳統燃油車輛所使用之汽油或柴油可儲存在油 箱中，但以電動車為主之電能則儲存在蓄電池中，然而蓄電池之缺點是可提供之動力也 僅是傳統內燃機可提供動力之一小部分，且燃油車輛之油箱加油簡單、方便、快速，而 電動車之蓄電池需特殊之充電設備，且充電時間長(李瑛等，民 89)。另一方面，現有 電動車雖可降空氣污染量，但其所使用之鉛酸或鎳氫等多類之電池，卻會造成電廠污染 量之增加，在計算電廠污染時，需依電動車充電時所使用之電量佔總電量發電之比例， 將電廠所造成之污染分配至電動車所造成之污染，同時，車輛所使用之電池亦會二次污 染，因廢棄電池中殘留重金屬，且重金屬又不易被人體排出，若累積至一定量之後，即 會產生癌症類之病變，對身體機能造成嚴重之傷害(交通部運輸研究所，民 87)；另外， 在功能方面，現有電動車很難滿足消費者的需求，其主要原因為成本過高、充電站不普 及、續航力不足等問題。 由於化石能源有限，使人類於交通運輸方面必須面對開發新能源與降低環境污染之 課題，此代表我們需間接朝永續發展之方向努力，而永續發展之觀念延伸至交通運輸領 域即為永續運輸（Sustainable Transportation），其意味以新興能源取代現有運具所使用 之燃料且不損及環境生態。過去之研究對此方面之議題亦有做探討，許卜仁(民 92)建立 永續運輸發展之評估架構，並以其作為最佳化評估之準則，接續發展出永續運輸指標與 策略之整合模式，並利用多準則最佳化之妥協排序法，提出永續運輸策略之優先次序， 研究結果建議逐步規劃燃料稅費隨油徵收，以反映空氣污染所造成社會成本之損失，同 時推動低污染能源運具發展，且發展目前高污染化石燃料之替代能源，以降低溫室氣體 之排放。經濟部能源委員會(民 87)指出，運輸使用能源占總能源使用之比重日益增加，
以致運輸活動對環境產生了負面之影響，台灣地區運輸部門能源的需求量中，石油產品 之耗用量位居首位，占運輸能源總消耗量的 99.02﹪，幾乎涵蓋了所有運輸能源的消耗 量，故其針對運輸部門能源消費面臨課題之因應對策中，提出了具體做法，其中包括： 健全大眾運輸系統以抑制私人運具之使用、推動省能源運具，如電動機車之推廣、加速 老舊車輛之汰換等。 有鑑於永續運輸之目標，運輸部門勢必找尋替代化石能源同時可循環再利用且不會 造成環境污染之新能源技術，此即為永續能源。而燃料電池是近年來最重要之新興能源 科技之一，燃料電池是一種清潔的發電裝置，具有能源使用效率高、可靠度強等優點。 燃料電池之工作原理是利用氫氣與氧氣之結合，將化學能直接轉變為電能，即電能不儲 存在充電電池中，此反應為水電解過程之逆向反應，故可知其反應產物為水，其不但不 會對環境造成污染，反而可循環再利用，此亦為燃料電池技術近年來最被矚目的原因之 一。此外，燃料電池應用之範圍相當廣大，幾乎所有與電池相關之產品均有可能在不久 的將來被燃料電池所取代，如行動電話、筆記型電腦等可攜式之電子產品，還有大型的 發電機組等，故燃料電池的市場可謂相當具有潛力。而燃料電池運具性能已發展至與現 有燃油運具接近，以其零排放、高效能及適用各車種等優點，被市場公認為是最佳的汽 車替代技術，如燃料電池為主的電動公車、電動汽車等運具近年來在汽車市場中受到高 度之關注，目前各先進國家正積極投入研發。燃料電池車輛燃料之一的氧氣可自空氣中 獲得，故燃料電池車輛所需補充之燃料即為氫氣，擷取氫氣之來源有甲醇、天然氣等原 料，而氫氣的儲存方式有高壓儲氫鋼瓶、液化儲槽及金屬儲氫罐等方式（工業技術研究 院，民 91）。綜言之，此一新能源技術之運具若能早日普及於現有運輸市場，這對於 長期生活在環境空氣品質不佳之民眾而言，無疑不是一大福音，且在今日環保意識逐漸 高漲下，加上外在環境能源耗竭威脅之際，發展環保性運具來取代傳統燃油運具已刻不 容緩。 燃料電池雖擁有上述許多優點，但相對亦有許多極待解決之問題。第一，研發技術 未臻成熟，以燃料電池車儲氫技術為例，高壓或液化儲氫於相關安全性問題仍需克服； 第二，在生產量或使用量上未能達致規模經濟，因生產過程之高成本特性與發展推廣初 期低需求之原因，造成供給量與需求量均未能提昇，此問題恰好反應出供給量與需求量 間供需互動相互影響之關係。是故，燃料電池技術目前之發展雖屬創新之階段，尚未進 入成熟期，但若燃料電池技術發展趨臻成熟階段且相關問題可加以克服的話，就其市場 潛力而言，絕對是不久的將來最可能普及化的能源科技。 而燃料電池車相關研究近年來已有許多成果，其探討重點則以能源效率及研發 技術之發展、成本效益之分析等為主，如 Folkesson et al.(2003)，其探討混合式質子 膜燃料電池概念公車，並指出燃料電池系統運作效率、能源的節省與燃料消耗率均 比一般車輛為佳；而 Ekdunge and Råberg(1998)則指出，未來的汽車工業將面臨需發 展較潔淨、較有能量效率的車種以滿足減少有毒性排放物之挑戰課題，其中燃料電 池可視為解決道路運輸環境問題的方法，因其為 Zero Emission Vehicle (ZEV)或接近 ZEV。而質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC)被認為
是最適合燃料電池在運輸上之應用，因其有高能量密度、快速啟動與低溫度及構造 簡單安全的優點。簡言之，上述相關文獻有助於瞭解燃料電池車發展情形，但卻未 能瞭解需求面與供給成本面之供需互動狀況，因運輸之供給與需求彼此間存在著相 互影響之關係，且供需互動狀況會隨著內在或外在環境因素之變化而隨之變動，進 而重新影響供需雙方之互動；此外，藉由供需互動架構下可觀測出供給成本與需求 量間的變化情形，進而反應出規模經濟之特性，因此有其必要性同時針對供給成本 與需求作深入之分析與探討。 綜上，隨著地球上化石燃料逐漸耗竭與溫室氣體逐年增加之故，人類勢必尋找其他 替代能源之環保性運具以滿足「行」之需求。Folkesson et al.(2003)研究中提及，適合燃 料電池第一個商業應用之運具為都市公車；目前的所有運具中，由於公車之體積與污染 排放量均較一般自小客車來的高，故其空氣污染排放量占移動性污染源之比例亦高，另 一方面，低污染公車對空氣污染減量中，燃料電池公車之各種污染物排放參數值幾乎為 零（陳菀蕙等，民 92）。綜言之，以目前發展至與現有燃油運具駕駛操作性能接近之燃 料電池公車應是目前現階段最環保同時亦最具發展潛力之大眾運輸工具，故若能於國內 優先引進燃料電池公車，在政府帶頭示範作用下，除有助於推廣大眾運輸外，另亦能誘 發進而帶動燃料電池機車與小客車的使用。因此，在追求永續運輸目標之前提下，有其 必要對燃料電池公車系統作深入之研究。過去燃料電池車相關的文獻多著重於燃料電池 技術面與環境改善面做探討，鮮少針對燃料電池車之供需互動做分析。故本研究除了對 燃料電池特性進行分析，針對其工作原理與應用範圍進行探討，並說明其研發技術發展 現況之外，本研究亦分供給成本與需求兩方面進行探討，以引入燃料電池公車系統所需 之成本為供給面，同時構建車輛成本與氫能供應站成本，且分析影響因素，並以灰色理 論預測未來油價與氫能價格之趨勢走向，藉以分析未來燃油公車系統與燃料電池公車系 統燃料成本變化情形；於需求面，以公車業者為主要對象，並考慮影響公車業者採用燃 料電池公車加入其營運路線之因素，以二元羅吉特模式反應業者之需求。此外，政府部 門補貼之外在助力亦納入考量。因燃料電池公車系統目前仍處於高成本狀態，業者多在 觀望階段而不敢貿然採用，故若欲引入運輸市場則須仰賴政府部門之補助方能加速普及 化，因此，本研究以公車業者需求面、成本面與政府外在助力補貼之觀點，進行補貼規
劃模式，同時將空氣污染面納入考量，以最小化社會總成本求取業者均衡使用量與政府 部門最適補貼額，期藉以加速燃料電池公車之發展，同時刺激公車業者需求量，使燃料 電池公車能提早規模化。由於不同業者供需互動結果下之供需均衡量亦不同，故政府部 門之補貼水準亦不相同，研究結果可供政府部門於未來推動燃料電池公車相關規劃之參 考依據。
1.2 研究目的
本研究之主要目的在於以解析性（Analytical）之方法分別探討政府部門補貼之大 小於公車業者需求面與供給成本面間之相互影響關係，藉以決定公車業者對於燃料電池 公車之均衡使用量與最佳資本補貼額度，繼而分析業者使用燃料電池公車後對空氣污染 改善之效益與政府部門績效補貼之機制。本研究建立在供需互動架構下，擬以供給成本 面之觀點建立相關之經濟成本模式；於需求面，則依據影響業者使用燃料電池公車之因 素為變數構建需求函數。因燃料電池運具目前尚屬研發階段，故其成本資料少且取得不 易，而灰色理論則具有少數據之特性，可在不需大量資料之情形下適時反映出資料變化 情形，此優點符合本研究之需求，故本研究以其作為構建未來氫能價格之基礎。本研究 藉由公車業者需求面與供給成本面之供需互動以及政府部門之補貼決定公車業者對於 燃料電池公車之均衡使用量，同時輔以決定其對空氣污染改善程度，並擬做為政府部門 對營運者進行績效補貼之參考，以肯定公車業者對外部成本改善之貢獻程度，同時可彌 補燃料電池公車系統與燃油公車系統間之成本差距，並間接吸引其他客運業加入採用燃 料電池公車之意願，而最終目的則擬建立一套有效率之補貼政策，以加速公車燃料電池 化進而使其他運具能跟進。而本研究擬以兩方面進行討論： 其一，從燃料電池之特性探討供需雙方之互動情形，因燃料電池公車系統成本之高 低會左右客運業者採用此一運具之意願，即燃油公車系統與燃料電池公車系統兩者成本 差距大，但政府部門願意給予補貼時，則公車業者使用燃料電池公車之意願將會提高。故本研究以公車業者對燃料電池公車系統之需求面與供給成本面為基礎，並配合政府部 門之補貼策略，探討其對公車業者使用意願之影響。 其二，於政府政策面，須考量符合國際社會對環境保護之期望與目標。公車 業者對空氣污染改善之成效為其採用燃料電池公車而對環境之貢獻，故政府部門 需依公車業者對空氣污染改善程度對其進行績效補貼。補貼公車業者之目的在於 彌補其使用燃料電池公車時高於其未使用時總成本上之差距，另可刺激其他客運 業之潛在需求，期使現有燃油公車能逐漸燃料電池化進而改善道路系統之空氣品 質，更重要的是藉以吸引更多客運業者採用之意願。此外，因每家公車業者之經 營規模不同，使其對燃料電池公車系統之需求不同，進而對空氣污染改善之貢獻 程度亦不同，故政府部門之補貼政策可針對不同業者之使用狀況與其對外部性改 善之成效調整其供需補貼水準。茲將本研究之具體目的列述如下： 1. 以燃料電池公車系統所需成本為供給者之角度出發，釐清關於燃料電池公車 系統成本面之核心問題。在公車業者願意採用燃料電池公車之考量下，構建 燃料電池公車系統相關供給成本模式，包括車輛成本與氫能供應站成本等經 濟成本模式，並探討其規模經濟之特性。 2. 以公車業者為使用者之角度出發，根據公車業者關切之影響因素，包括燃料 電池公車購置成本、單位里程之燃料成本、車輛最高速度與單位里程之污染 排放量，進而構建需求函數，以探討燃料電池公車系統之供需關係，並在政 府補貼之預算限制下，構建以最小化社會總成本之補貼規劃模式，以求解公 車業者供需均衡使用量與最適資本補貼額，並分析其對空氣污染改善成效與 對應之績效補貼額。 3. 以一簡例分析說明現有燃油公車系統與燃料電池公車系統成本上之差異，以 做為補貼規劃模式之立論基礎。由於氫能價格資料少且取得不易，故本研究 即利用灰色預測理論少數據之特性構建氫能價格預測式，同時構建燃油價格 預測式，藉以探討未來兩者價格之變化情形與彼此間之相對關係，並分析對 兩公車系統總成本之影響。 4. 由於每家公車業者之供需互動狀況會受相關成本、需求行為與政府資本補貼 多寡等因素影響，故每家公車業者之均衡量乃至於對環境污染改善成效均不 盡相同，故此不但會影響政府環保政策面所欲討論之績效補貼議題，亦會因 而再次牽動供需面之變化。故本研究根據政府資本補貼下所決定之供需均衡 使用量，推估業者對空氣污染改善成效，同時考慮燃料電池公車系統與燃油 公車系統總成本之差距，據以建立一套政府部門對公車業者之績效補貼策
略，以肯定公車業者對外部成本改善之貢獻，進而刺激燃料電池公車之需求， 且作為吸引更多客運業者加入營運意願之參考，以期燃料電池公車能早日普 及於國內公車市場，並達致規模經濟之效益。 5. 蒐集模式中主要參變數之實際資料或未來發展資料，並進行合理的假設，以 執行本研究一系列之範例分析與敏感度分析，以驗證本研究所構建之相關模 式於實際應用之可行性，並說明模式於實際應用之求解過程與效果。
1.3 研究範圍與對象
本研究主要以公車業者為研究對象，探討燃料電池公車系統成本與政府部門補貼機 制對其採用行為之影響，並針對燃料電池公車核心相關之成本變化作分析，其他成本如 行政管理費用、人事費用等非燃料電池問題核心之成本項則不在本研究考慮範圍之內。 此外，由於近年來空氣污染有日益嚴重的趨勢，其中因二氧化碳所導致之溫室效應最為 國內外各界與國際環保團體所重視，故本研究所討論之外部成本以空氣污染所造成之成 本為主，不考慮噪音等其他外部性成本。都市道路系統上之燃油車種主要可分為燃油公 車、燃油小汽車與燃油機車，而都市中主要之移動性污染源為來自於這些燃油車輛所排 放出之污染物，此類污染物對於民眾之健康有顯著之影響，其中燃油公車因其車體結構 與體積較大導致污其染排放量為最，故本研究所考慮之外部成本以都市公車系統為主， 不考慮一般小汽車與機車所造成之外部成本。本研究將針對燃料電池目前發展情形與發 電原理做介紹，但不涉及化學的技術層面做探討。1.4 研究方法與架構
本研究依據燃料電池之特性，探討其技術發展狀況與基本之工作原理，且在配合政 府節約能源與減少污染之政策下，針對公車業者對燃料電池公車之需求面及成本面進行 探討，並構建需求函數與成本函數；另透過一簡例分析，藉以說明現有燃油公車系統與 燃料電池公車系統成本結構上之差異，同時透過灰色預測之方法，期能了解未來燃油價 格與氫能價格受時間推移之變化進而影響兩公車系統燃料成本之情形。此外，將政府部 門因素納入考量，在追求燃料電池公車引入國內運輸市場之目標下，同時考慮公車業者 需求面與成本面，藉以規劃政府部門補貼模式以決定業者均衡使用量及資本補貼額，並 透過業者之均衡使用量對外部成本改善之效益，以作為政府部門規劃績效補貼之參考。 研究首先針對研究問題作深入瞭解以界定研究範圍，透過相關學術文獻與實務報告之回 顧與探討，確定本研究之研究背景與動機，而後擬定本研究之研究方法。於文獻回顧的 部份，本研究回顧燃料電池、低污染公車、燃料電池車發展現況、灰色理論應用於交通 運輸以及大眾運輸補貼之相關學術研究，並分析文獻已探討及未探討的部份，以界定本研究之研究架構。最後，擬以一範例分析，說明模式應用結果，以闡述本模式之操作可 行性與實際應用之政策影響，最後提出結論與後續研究課題。圖 1-1、圖 1-2 分別為本 研究之研究架構與研究流程。 首先，本研究深入了解燃料電池之特性及其應用範圍與市場發展狀況；由於燃料電 池具有高效率且清潔之特性，故為都市大眾運輸工具最佳之選擇，因都會區中私人運具 過飽和致使道路容量不足造成用路人產生額外之旅行時間，不但造成道路服務水準長期 以來處於低落狀態，更造成用路人產生擁擠延滯成本以及對環境造成大量污染而產生外 部成本，故若能於都會區引入燃料電池公車，不僅可強化政府宣導民眾踴躍使用大眾運 具的政策，同時可以減少大量外部成本之產生，並亦可抑制私人運具的使用而轉移部份 私人旅次於燃料電池公車系統，以減少私人運具使用量，同時提高道路服務品質，減少 額外的旅行時間與擁擠成本，進而使整個運輸環境品質得以提升。本研究以政府節約能 源與減少空氣污染之政策目標下，探討燃料電池公車系統供需互動狀況。本研究分需求 面與供給成本面兩部分進行探討，以公車業者為需求面之考量，針對影響公車業者採用 燃料電池公車之因素建立效用函數，進而構建公車業者對燃料電池公車之需求模式，以 公車業者使用燃料電池公車所需之成本為考量構建成本模式，而政府的態度亦會影響此 均衡量，若政府願意對業者補貼較多，則均衡量會相對提高。因此，本研究利用解析性 方法構建供需模式，並在政府補貼之情形下以最小化燃社會總成本為目標式，構建數學 規劃模式，以決定公車業者使用燃料電池公車之供需均衡量與最適資本補貼；另外，公 車業者之經營規模亦會影響改善空氣污染之成效，因人口密度較多、公車路線較密集的 地方，空氣污染改善成效將愈顯著，而每家公車業者之行駛里程不相同，對空氣污染改 善成效亦不盡相同，故本研究進一步以業者均衡使用量為基礎，透過燃料電池公車之使 用與行駛里程決定業者對環境污染改善程度，並將業者使用與未使用燃料電池公車之成 本差距納入考量，藉以決定業者改善空氣污染之績效補貼。
需求面 成本面 總成本函數 最適均衡使用量 最適資本補貼 空氣污染改善成效 燃料電 池 研發技 術 節約能源與 減少空氣污染 政府政策目標 公車業者 政府部門 資 本補貼 績 效補貼 效用函數 需求函數 維 修成本 補貼機制 氫 能成本 平均 設置成本 平均 營運成本 設備 維護成本 最適績效補貼 燃料電池公車系統與 燃油公車系統總成本差距 車輛成本 氫能供應站成本 影響使用因素 單位 車 輛 構 置成 本 單位 里 程 燃 料成 本 車輛最高速 度 單位里 程排放量 折 舊成本 圖 1-1 研究架構圖
研究範圍界定 燃料電池公車發展現況 資料收集 相關文獻回顧 問題分析與研究架構之建立 擬定研究方法 範例分析 結論與建議 需求模式構建 補貼規劃模式 總成本模式構建 空氣污染改善 效益分析 圖 1-2 研究流程圖
第二章、文獻回顧
本研究以公車業者為研究對象，並著重探討燃料電池公車系統之成本結構， 且探討在政府部門願意補貼之條件下，分析公車業者之需求行為；此外，同時分 析公車業者採用燃料電池公車之情形，並評估其對於環境污染改善之效益，進而 以其作為政府相關部門對公車業者進行績效補貼水準之參考依據。因此，本研究 回顧相關課題之文獻，俾對過去文獻中關於燃料電池特性與環保性運具發展況有 一完整性之認識，以做為分析本研究核心問題之重要依據。與本研究相關之文獻 可區分為燃料電池、低污染公車、燃料電池車發展現況、灰色理論於交通運輸上 之應用與大眾運輸之補貼，故本研究針對此五部分文獻做回顧並加以說明。2.1 燃料電池
以下首先介紹 2.1.1 燃料電池發展歷史，2.1.2 燃料電池之工作原理，2.1.3 燃料電池之種類，2.1.4 燃料電池之應用，及 2.1.5 燃料電池發展現況與市場演 進狀況。 2.1.1 燃料電池發展歷史 燃料電池是在 1839 年由英國人 William Grove 發明之技術，其透過水的電解 過程逆轉，進而發現了燃料電池的原理，當時稱之為「氣體電池」，但因當時氫 原料取得與技術障礙不易克服，使此一技術漸被世人所淡視。“燃料電池＂一詞 是由 Ludwig Mond 和 Charles Langer 二位化學家所創，他們當時試圖利用空氣和 工業用煤氣製造第一個實用化的燃料電池裝置，但未能成功。1932 年，劍橋大 學 Francis Thomas Bacon 博士多次修改 Mond 和 Langer 之發明裝置，且經過二十 多年之努力，直至 1959 年始開發出 5kW 的氫-氧燃料電池，並應用於拖曳機、 堆高機等車載用能源，此時，燃料電池技術始在應用領域嶄露頭角。1960 年代， 由於太空及國防的需要，美國 NASA 開始資助一系列的研究計劃，從事開發實 用化的燃料電池設計。1970 與 1980 年代相繼發生石油危機及環保意識高漲，先 進各國致力開發與利用新潔淨能源，而至 1990 年代全球氣候變遷的暖化效應， 更直接推動燃料電池的發展與應用。 2.1.2 燃料電池之工作原理 燃料電池是一種能源直接轉換裝置，把化學反應之化學能直接轉化為電能， 為一種潔淨的發電裝置，它不像傳統電池只能充當電能的儲存單位，亦非如內燃 機利用燃料燃燒產生的熱來做功。將其與火力發電相比，關鍵在於燃料電池之能 量轉換過程是直接的方式，如圖 2-1 所示。而其原理係利用氫氣與氧氣產生電化學反應的原理，透過氫與氧之結合，將化學能直接轉變為電能且排放出水氣，也 就是水電解過程之逆向反應，其不但不會對環境造成污染，反而可循環再利用。 燃料電池之基本設計包括陽極板、陰極板、電解質與外部電路，其工作原理是氫 氣通過導氣板到達陽極，在陽極催化劑之作用下，一個氫分子分解為兩個氫質子 (Proton)和兩個電子(Electron)，即下式(2-1)之反應式 − ++ → H e H2 2 2 (2-1) 在電池之另一端，氧氣(或空氣)通過導氣板到達陰極，在此同時，氫質子穿過電 解質到達陰極，電子則經外電路到達陰極，形成電流。在陰極催化劑之作用下， 氧與氫質子和電子發生反應並生成水，如下式(2-2)之反應式所示 O H e O H 2 2 2 2 2 ++1 + − → (2-2) 整個反應過程如圖 2-2 所示。 化學能 電能 傳統技術 熱能 動能 燃料電池 [資料來源：李瑛等（2000）] 圖 2-1 燃料電池直接發電與傳統間接發電的比較
陽極
電解質
陰極
e
2
H
2
H
2→
+
+
−
O
H
e
O
H
12 2 2 2 2 + + + − →O
H
O
H
2 + 12 2 → 2氫
催化劑
氧(空氣)
陽 極 排 放
外 電 路
e
−e
−陰 極 排 放
[資料來源：黃倬等（2000）] 圖2-2 燃料電池基本反應圖 2.1.3燃料電池之種類 如前所述，燃料電池是一種能源直接轉換裝置，不須經過燃燒過程，而以化 學反應之方式將化學能直接轉變為電能。燃料電池主要之燃料為氫氣，來源種類 繁多，如煤、石油、甲醇、天然氣等，經重組(Reforming)反應後，可擷取出大量 之氫氣，以做為燃料電池之燃料填充劑。而燃料電池依電解質之不同可區分為鹼性型(AFC)、磷酸型(PAFC) 、熔融碳酸鹽型(MCFC)、固態氧化物型(SOFC)、質
子交換膜型(PEMFC)與直接甲醇型(DMFC)等，茲分別將各種類之燃料電池特性 說明如下：
(1) 鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell；AFC)
AFC使用鹼性溶液做為電解質，其工作溫度與質子交換膜燃料電池 溫度相似，但其電力卻比質子交換膜燃料電池低甚多，故不適合用於汽 車動力系統。鹼性燃料電池為技術發展最快，生產成本最低的一種燃料 電池，主要應用於航空電力與水的供應系統。
(2) 磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell；PAFC)
PAFC 使用液體磷酸做為電解質，其工作溫度較質子交換膜燃料電 池溫度略高，其具有構造簡單、穩定等優點，但其效率較其他燃料電池
低，可做為定置型發電等用途，此類燃料電池為當前商業化發展最快的 燃料電池。
(3) 熔融碳酸研燃料電池(Molten Carbon Fuel Cell；MCFC)
主要是使用鋰鉀碳酸鹽或鋰納碳酸鹽做為電解質，故與其他燃料電 池差異較大，且由於其操作溫度較高，故不適用於交通運輸及家庭用電， 但有利於大規模工業加工及發電。
(4) 固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell；SOFC)
具有高效率、壽命長的優點，主要使用氧化釔等固態氧化金屬為電 解質，故比 MCFC 電池更穩定，但其電解質材料脆性較大且承受高溫之 建造材料成本較高，主要應用於定置型發電。
(5) 質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；PEMFC) 使用之電解質為離子交換膜，具有構造簡單、啟動快、電力密度高 等工作優點，故成為汽車與家庭用電應用之理想能源，為近年來研究最 為廣泛、技術發展最為快速之燃料電池。
(6) 直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell；DMFC)
以甲醇為燃料，不須重組器，操作溫度與 PEMFC 相似，但甲醇穿 越(cross over)問題仍待解決，其為近幾年許多 3C 廠商積極投入研究之 類型，且被視為未來及具潛力之可攜式電源之一。
表 2-1 各類型燃料電池之特性與優缺點 材料 鹼性型 燃料電池 (AFC) 磷酸型 燃料電池 (PAFC) 熔融碳酸鹽 燃料電池 (MCFC) 固體氧化物 燃料電池 (SOFC) 質子交換膜 燃料電池 (PEMFC) 直接甲醇 燃料電池 (DMFC) 電解質 高分子膜 H3PO4 (Li,K)2CO3 (Zr,Y)O2 質子交換膜 質子交換膜 工作溫度 90-100℃ 160-190℃ 600-700℃ 900-1,000℃ 30-80℃ 40-80℃ 發電效率 ~60﹪ 40-50﹪ 50-60﹪ 45-55﹪ 40-50﹪ ~20﹪ 可用燃料 純氫 天然氣、甲 醇、輕油 天然氣、甲 醇、石油、 煤炭 天然氣、甲 醇、石油、 煤炭 天 然 氣 、 甲 醇 甲醇 特性 需 使 用 高 度 純 氫 做 為 燃 料、低腐蝕性 及 低 溫 較 易 選材料 進 氣 中 CO 會 導 致 觸 煤 中毒、廢熱可 利用 不受進氣CO 影響，反應時 須 循 環 使 用 CO2、廢熱可 利用 不 受 進 氣 CO 影響、高 溫 反 應 ， 不 須 依 賴 觸 媒 的 特 殊 作 用 、 廢 熱 可 利用 功 率 密 度 高 、 體 積 小 重 量 輕 、 低 腐 蝕 性 、 低 溫 、 較 易 選 擇材料 適合低功率 小型攜帶式 電子產品 優點 啟動快、室溫 常壓下工作 對 CO2不 敏 感 可 用 空 氣 作 氧化劑，可用 天 然 氣 或 甲 烷作燃料 可 用 空 氣 作 氧 化 劑 ， 可 用 天 然 氣 或 甲烷作燃料 壽 命 長 、 功 率 大 、 可 用 空 氣 作 氧 化 劑 、 室 溫 工 作 、 啟 動 迅 速 、 輸 出 功 率 可 隨 意 調 整 不須重組器 缺點 需 以 純 氫 做 為氧化劑、成 本高、大氣中 使 用 時 需 將 CO2自空氣中 去除 對 CO 敏 感、工作溫度 高、成本高、 低 於 峰 值 輸 出 功 率 時 性 能下降 工 作 溫 度 較 高 工 作 溫 度 較 高 對 CO 非常 敏感 甲醇穿越問 題待解決 [資料來源：工研院能資所/經資中心、台灣經濟研究院及本研究整理]
2.1.4 燃料電池之應用 燃料電池應用範圍甚廣，歸納起來大致可分為三類：(一)定置型發電、(二) 車輛動力系統、(三)可攜式電力，茲分別說明如下： 在定置型發電方面，燃料電池除了可以與現有之發電系統進行連結，以提供 電力或作為主要區域的緊急備用電源外，亦可獨立安置在特定地點。以目前發展 階段而言，燃料電池發電系統為各應用領域中投入最多研發資源，現今全球至少 安置約有 200 座以上的燃料電池發電機組，為目前唯一接近商業化階段之應用， 但儘管其發電技術與成本均已改善甚多，但其發電成本相較於其他替代性競爭產 品而言仍過高，致使目前仍然無法大量取代傳統發電。以未來較長遠之眼光觀 之，短期而言，燃料電池發電潛在之應用市場為提供穩定之電力來源、商業大樓 等電力供應系統，中長期而言，潛在之應用市場為工業設備、住宅建築與混合動 力系統等。 在車輛動力系統方面，燃料電池應用於車輛動力之商業化時程較預期落後， 其主要原因為(一)生產成本較傳統內燃機引擎車高出甚多，導致不具價格競爭優 勢；(二)相關配套技術之問題仍有改善空間，如儲氫技術、相關基礎設施、燃料 重組器等。而在各種燃料電池系統中，PEMFC 因使用離子交換膜或固態高分子 電解質，具有免於液體電解質溢散之問題，加上世界各國汽車大廠紛紛致力於 PEMFC 電動車之研發，在相關技術上已逐漸進步，故未來在燃料電池車之應用 方面，應以 PEMFC 為主，其他如 SOFC 主要是應用於大貨車之預備電源和非道 路用車。 在可攜式電力方面，由於近年來個人行動資訊之普及與可攜式電子產品不斷 推陳出新的情況下，消費者對於穩定、可靠、持久性電源之需求日益迫切，然目 前市面上發展之一次或二次電池在使用的壽命與持久性上，已漸趨無法完全滿足 消費者之需求。而燃料電池由於其特殊發電原理之特性，在面臨電能趨於耗盡之 際，只需不斷補充燃料即可使其繼續發電，完全不需經過充電的過程，加以其具 有高能量、高密度與高效率之優點，更使其具有取代傳統一次或二次電池之優 勢，因此，全球有關 3C 可攜式產品之廠商正致力於此應用領域之研發工作，預 計未來若可成功取代一次或二次電池，將可佔據龐大的潛在市場。由於可攜式電 源必須滿足啟動快速、低溫操作、系統簡單、無安全顧慮等因素，故未來應用虞 可攜式電源之燃料電池技術將以 DMFC、PEMFC、AFC 等為主。 2.1.5 燃料電池發展現況與市場演進狀況 燃料電池發展迄今已有一百多年的歷史，但由於技術未臻成熟且發電成本過 高，加以使用材料以及組件規格不明之狀況下，目前市場仍屬萌芽測試階段，距 離真正商業普及化仍需一段時間。燃料電池初期之研究多著重在定置型發電與車 輛用電源市場，但由於車用燃料電池仍存有技術性問題，加上外在替代燃料運具
競爭之威脅，故預期燃料電池車輛市場商業普及化之時程會比定置型發電之應用 落後。近年來，由於個人行動資訊產品的普及，造成消費者對穩定、持久性之可 攜式電源之需求與日俱增，故近年來已有多家電子設備製造商投入大量資源在 3C 相關產品應用的研究，預計未來可攜式燃料電池將是最早達到普及化的商業 應用。雖然燃料電池技術現今仍未完全成熟，但以燃料電池於生活面應用之廣度 而言，不久的將來將是燃料電池能源科技的新世代。世界燃料電池技術發展趨勢 將以固態氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池與直接甲醇燃料電池為主；固態 氧化物燃料電池發展目標以分散式大型發電機為主，質子交換膜燃料電池由於體 積小、重量輕、厚度薄等因素，較易串聯成燃料電池堆(Stacks)以增加電池功率， 是現今所有燃料電池中最是核應用在可攜式發電機上；至於直接甲醇燃料電池則 以小型攜帶式電子產品的電力系統為目標。圖 2-3 為燃料電池演進階段。 2000 2003 2005 2010 小型家用及工業用汽電共生系統 燃料電池車 可攜式電源應用 測試銷售 實用化 普及化 開始銷售 實用化 普及化 開始銷售 商業化銷售 應用於手機 普及化 [資料來源：工研院經資中心（2002）] 圖2-3 燃料電池演進階段
小結
回顧以上燃料電池各相關文獻，可深入瞭解燃料電池之發電原理與特性，並 可知各種擷取氫氣之途徑與各種製氫技術之優缺點，惟目前各先進國家亦正積極 發展由可再生能源中擷取氫氣，如風力、太陽能等，若能克服技術上之相關問題， 實為能源界另一項重大突破；另外，燃料電池之應用範圍甚廣，小至可攜式電源， 大至各種機組發電機與車輛動力系統皆可以燃料電池來取代，但目前相關之研發 技術仍未進入成熟期，距離實務上之普及化仍需一段時間。2.2 低污染公車
近年來，由於經濟活動快速發展加上民眾生活水準逐漸提高，致使民眾對於 運輸需求日益增加，因此造成私人運具快速成長並充斥於都會區道路系統，除了 使道路容量趨近飽和之外，亦使大量之移動性污染源成為都會區空氣污染之主要 來源。為尋求解決之道，低污染公車之發展可將低移動性污染並減少私人運具的 使用，故本研究針對低污染公車進行回顧，並將各類型低污染公車之技術特性與 優缺點整理於表 2-2。 表 2-2 各類型低污染公車之技術特性與優缺點 純電動 公車 複合式 電動公車 天然氣 公車 甲醇 公車 燃料電池 公車 技術 特性 使用鉛酸電池、鎳 鎘電池、鎳氫電池 等 電 池 與 內 燃 機 搭配使用 壓縮天然氣、液 化天然氣、吸附 式天然氣 使用醇類為燃料， 或以任意比例之替 代燃料搭配傳統燃 料 利 用 氫 與 氧 之 結合，將化學能 直 接 轉 變 為 電 能 優點 無排氣污染 低噪音 污 染 程 度 低 低噪音 揮 發 性 有 機 物 與 一 氧 化 碳 較 其 他 燃 料 低 低噪音 燃燒完全 低污染排放量 污 染 排 放 量少 引 擎 效 率 高 燃 料 補 充 時間短 缺點 成本略高 續航力差 充電費時 會產生電池二 次污染問題 成本略高 充電費時 成本略高 燃 料 儲 存 技術較差 甲醇具腐蝕性 續航力較傳統 柴油車低 會排放甲醛 車 輛 成 本 最高 技 術 尚 未 成熟 [資料來源：本研究整理]在低污染公車相關文獻方面，交通部運輸研究所(民 87)調查國內外電動公車 技術，並以多評準評估方法(Multiple Attribute Decision Method, MADA)評估其在 國內做為都市運具之可行性。首先針對電動公車之特性與國外相關發展做分析， 並探討國外電動公車之運行現況，進而對電動公車做整體性之效益分析，以做為 評估國內適合之公車類型與行駛路線之依據。技術調查結果顯示，電動車之技術 仍有相當之瓶頸待突破，如蓄電池電力、充電時間、續航力等；使用電動公車對 環境之影響方面，在測量相關污染時，主要考慮公車尾管排放所造成之污染以及 發電廠在發電時所產生之污染，其中，在考慮電廠污染時，其計算方式乃計算電 動公車於充電時所使用的電量佔總發電量之比例，將電廠所造成之污染分配至電 動公車所造成之污染。此外，電動公車亦有電池二次污染之問題，主要是因廢電 池中殘留重金屬，且重金屬不易被人體排出，若累積至一定量時，便會產生癌症 類病變，對身體機能造成嚴重傷害。評估結果顯示，以複合式電動公車最適合國 內運行，其中又以電氣為主，其他燃料為輔的電動公車為佳；路線評選方面，台 北市並未找出最適合之特定路線，而以方案集之方式指出幾條可能路線，新竹市 方面則以南寮漁港路線為最適合電動公車之運行。新竹市環境保護局(民 89)針對 新竹市地區特性，探討低污染公車於新竹地區之適用性，以研擬低污染公車系統 之營運計畫，包括車隊規模、營運路線與相關配合措施等，並就各低污染公車系 統與方案進行經濟效益與財務分析等績效評估。結果顯示，在方案選擇方面，須 依實施當時之旅客需求量大小來決定，而以目前低污染公車技術成熟度而言，短 期可採複合式公車或天然氣公車。交通部運輸研究所(民 89)調查與蒐集國內外低 污染公車之發展現況，同時分析車輛技術特性之優缺點與適用環境，藉以研擬國 內發展與引進低污染車輛之短中長期推動政策與相關配合措施，並利用多目標評 準方法於「國內引進低污染公車應用規劃與評估」進行都會區與路線評選工作， 結果以台中市作為規劃低污染公車之示範都會區，路線以 100 路之市區路線（台 中客運）、2 路之觀光路線（仁友客運）與台中－東勢之城際路線（豐原客運） 為主。另外，研究結果顯示，目前推廣低污染公車之主要瓶頸為車輛成本過高， 尚不具規模經濟，故實施初期需仰賴政府單位之補貼。
