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氫能燃料電池機車實車確證

一、簡介
台灣欠缺天然資源,能源幾乎全數仰賴進口,近期油電價格攀升,引發公眾討論。台灣人均碳排放量為亞洲第一,對於國際社會,政府已承諾自願性的減碳目標,為因應未來溫室氣體排放管制與高油價時代,發展潔淨與永續的能源,值此更顯得重要。

本計畫是由經濟部標檢局委託,台灣經濟研究院與台灣科技大學永續能源發展中心所共同完成。計畫目標在於政府計畫推動燃料電池電動機車前,進行必要之產品與技術檢測驗證與評估,做為商品化進入市場前的準備,以提供未來消費者充足的品質保證;同時也藉計畫成果驗證性能技術標準,對比之前研擬之相關標準草案,研究調合成為國家CNS標準之可能性。

經過完整之規劃與整備,執行期間考量天候與行車安全、氫氣補給供應、騎乘人力教育訓練、故障排除、快速維修、車輛可靠度等諸多因素,計畫已於民國101年5月上旬執行完畢,台科大執行車隊含27台車,全部行駛里程共達11萬3,505 公里,平均實際測試里程每車累計達4,200 公里以上,均創國內外燃料電池電動機車實証記錄,其行駛所產生之各項性能數據與可靠度分析,皆可供我國發展燃料電池輕型電動車輛之技術標準驗證,以及制定相關CNS 之重要參考依據。

二、車輛運行與周邊設施規劃
27台燃料電池機車的主要動力來源是1.5kW的質子交換膜燃料電池(PEMFC)。使用純氫作為燃料,反應後產生水,大幅降低環境負擔;另搭配鋰離子電池作為啟動與輔助之動力來源。氫氣儲存在兩個低壓金屬儲氫容器,容器內主要是金屬合金粉末,藉由溫度與壓力的控制,經由吸附與脫附方式來儲存或釋放氫氣。算是一種相當安全與簡便的氫氣使用模式。

     

燃料電池機車                                            低壓儲氫罐

 

車隊規劃每輛行駛台北市區 3,000 公里,以及其中指定9輛車,另增加北海岸濱海路段每車 3,000 公里之低溫與鹽害測試。所謂台北市區其實包括四條固定長度的路線,行經市區、郊區或山區的主要地標,包括東區101大樓、松山機場、碧潭、石碇等。海岸濱海路段則包括,淡水河兩岸關渡到八里與淡水到淺水灣。

此外,每台機車均內置GPS接收器與GPRS行動通訊設備,除可將車輛行駛間燃料電池的輸出電壓、電流、溫度與氫氣壓力等重要參數外,即時傳輸到雲端系統主機外,亦能讓我們隨時了解車輛的位置與狀況,提高行車安全。

雲端行車資料與分析系統介面

 

 車隊各車監控畫面

 使用後的儲氫罐,可重複利用。利用一般氫氣鋼瓶與充氫機,重新進行充填,充氫的時間主要與填充壓力與溫度有關,所使用的儲氫容器每支約可充氫約45-50公克,需要1-2小時。

    

              充氫機              室外氫氣鋼瓶          氫氣偵測與警報器

 三、重要數據分析
(1) 續航力-約在55-68公里間。依據市區模式(時速 30km)續航力測試下,實際速度儘量維持於 25-35 公里/小時,實際數據與騎乘者的體重有關。
(2) 燃料經濟性(定速)
雖騎乘相同路線,但每公里所需的氫氣重量仍有些許差異,推測應與騎乘者的體重與騎乘習慣有關;兩車的平均值分別是 1.38  公克氫重/公里和 1.53 公克氫重/公里。

 

            部份車輛之定速燃料經濟性

 
(3) 燃料經濟性(變速)
目前行車紀錄資料分析在一般騎乘(變速)下,計算燃料的經濟性。可以針對不同路線之影響加以延伸分析。所謂燃料經濟性係指每公里騎乘所消耗的氫氣(燃料)重量。
整體而言,如扣除一些極端值,如下圖所示,車隊在過去數個月間所呈現之燃料經濟性約為每公里消耗 1.5-2.5 公克氫氣,整體平均值為每公里1.93 公克。因為每台車輛可能有性能上的差異,同時騎乘者的體重與車負重亦有不同,環境氣溫與騎乘路線也有差異,騎乘者的經驗與習慣亦需考量,因此不易歸因於任何因素。然而,整體觀之,在目前的里程範圍內,未見明顯的差異或性能上的衰退。
因海岸線車輛,同時亦須騎乘原定的市區、郊區與山區路線(此處統稱為非海岸路線),下圖顯示路線差異所造成燃料經濟性的差異,九台車的燃料經濟性均落在每公里消耗 1.5-2 公克氫氣的範圍,整體而言,非海岸與海岸線間因為路線所致的燃料經濟性差異,並不明顯。

車隊整體之平均燃料經濟性

 

海岸線9台車在海岸與非海岸地區騎乘之平均燃料經濟性

(4)  低壓儲氫罐特性
在使用期間,每一儲氫罐平均經過數十次的反覆充放循環,可充氫重量約為罐體重量的1.07-1.10%,符合該儲氫合金材料的特性。

 

不同儲氫罐之充氫速率比較

 

(5)  車輛故障與異常
如將故障定義成車輛因特定原因,導致即便使用各可能方式,仍無法順利騎乘者,同時需要使用道路救援材才能返回學校基地。相較之下,車輛異常的範圍較廣,任何試乘員在行車期間所經歷或感受到的非常態現象,均回報記錄為異常,並填寫說明於車輛異常單上。
於 1 月至 5 月計畫執行期間,計出車 1342 次,使用道路救援53次,比例約4%;如將車輛的異常狀況來源簡單區分為燃料電池、電源管理系統(備載鋰電池,包含充電板)、燃料電池周邊零件(BOP,如氫氣泵、空氣泵、調壓閥等)、車體零件(如車燈、煞車、輪胎、傳動系統等)、儲氫供氫(如儲氫罐、熱水套、水泵)等,又因車輛異常與故障原因未必是單一因素,因此每件異常事件在分類上並非唯一。自一月到五月計畫執行期間,共有 231 件車輛異常與故障報告,其中以與電源管理系統相關之情形 125 件屬最高,其次為車體零件 73 件,儲氫與供氫系統亦有 28 件,BOP 部份儘有記錄 1 件,因為 BOP 的異常狀況通常不易由試乘員輕易判斷,通常是需待廠商指派人員進行後續維修或是將車輛帶回工廠處理,因此可能與實際狀況略有出入。此外,於計畫執行期間並未發現任何燃料電池損壞或故障的情形。鋰電池或備載電池相關的異常事件,大多是因為電池電量偏低,引發警示燈號與聲響,此屬正常的系統反應,但如果試乘員沒有降低車速,使二次電池可以被燃料電池充電的話,或是因為充電板故障、鋰電池避免過放電的保護機制作用,則燃料電池機車系統可能會產生不易加速、容易熄火等現象。

四、政策建議
1.  台灣第一次,也是世界規模最大的燃料電池機車道路實證計畫,藉氫能燃料電池機車濱海地區實證之機會,也是國際上首創,性能資訊極為重要。
2.  道路實車運行實為燃料電池機車邁向商業化階段的重要關鍵,特別是作為政府決策的科學論證之基礎,並提供做為產業技術與商品標準制定之依據。
3.  試乘人員提供許多寶貴意見,可供廠商後續修改、研發方向的參考。相較技術本身的成熟度,民眾氫能教育的推廣與基礎建設的規劃更顯迫切。
4.  本案分析數據可為我國研訂燃料電池機車技術標準草案性能數據部分之重要參考資訊,其低壓儲氫罐之性能資訊可為兩岸「低壓儲氫罐」共通標準合作之基礎。
5.  本計畫實驗各項數據皆滿足當初規範需求,後續可研究於離島地區低碳島規劃時,建議符合實車確證燃料電池機車納入綠能車輛試營運計畫,進行小批量營運示範補助。
6.  建議主管機關將燃料電池電動機車納入「電動機車推廣方案」,增加低碳車輛之使用,擴大節能減碳成效。

(內容節錄與整理自「氫能燃料電池機車實車確證委辦計畫」期末報告)

 

  

 

 

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