文\ 張頊瑞 博士
中央研究院環境變遷研究中心 博士後研究員

自工業革命以來，石油、天然氣及煤炭，一直被視為奠定工業革命發展的基石，既提供充沛的動力來源，也因應國際產業需求，帶動全球經濟發展。由於近年來科技與經濟的進步，使人類生活日趨便利，在快速發展的過程當中，能源、交通、民生、產業以及眾多部門均需使用化石燃料；也因全球能源價格不穩定波動及全球溫室氣體減量壓力，促使全球各國提倡能源轉型，以及尋找替代能源諸如地熱、潮汐、海浪、海流、海水溫差、風能、生物能、太陽能及生質能等，來達到減少化石燃料之使用(圖1)。而全球之能源策略正朝著，可再生、可降解且具有經濟成本效益，而在本質上也可以達到友善之替代能源[1-2]。
由於台灣自產能源缺乏，能源主要依賴進口為大宗；根據經濟部2015年資料顯示，我國每年能源需求量為約1.34億公秉油當量，其中自產能源僅占1.8%，高達98.2%之能源需求量需仰賴國外進口；再者，台灣地區工商業成長迅速，各項建設突飛猛進，促使台灣整個經濟體系以及社會結構邁向都市化。都市化城市導致車輛急遽增加，人口密度提高、住宅擁擠，致生活品質日漸不佳。隨著交通量不斷遞增、使用範圍越來越廣，它對世界環境的負面效應也越來越大[2, 4]。
根據交通部統計處截至2019年9月份資料顯示，台灣地區登記機動車輛數總計達 22,028,230 輛，汽車總計8,087,404輛，占機動車全部之36.7 %，其中包括大客車33,598輛，大貨車165,560輛，小客車6,890,785輛，小貨車931,682輛，特種車65,779輛。而汽柴油車尾氣污染是環境污染的主要途徑之一，主要污染物包含碳氫化合物(HC, Hydrocarbon)、氮氧化合物(NOX, Nitrogen oxide)、一氧化碳(CO, Carbon monoxide)、二氧化硫(SO2, Sulfur dioxide)，以及有害空氣污染物質如揮發性有機碳(VOCs, Volatile organic compound)、多環芳烴(PAHs, Polycyclic aromatic hydrocarbon)及細懸浮微粒(PM2.5, Particulate matter)等，甚至部分污染物經由光照還會引起二次污染-光化學煙霧（Photochemical smog）；相關研究發現，美國市區空氣VOCs污染中，汽車尾氣占40%，而汽油揮發占10%，而空氣中多環芳香烴(PAHs)，主要來自燃油的不完全燃燒和有機物的熱解，長期暴露易引發心血管病、呼吸系統疾病及增加肺癌的危險，而易感性族群會受到更大的危害。因此，開發新能源、降低車輛之污染、提高其能源效率、普及化為未來主要方向[5–8]。
於全球積極研究開發新能源之虞，氫氣作為燃料能源，發現其具有多項潛力且優於其他能源之特性。氫元素在宇宙間屬常見之元素，且為已知最輕，並多以分子的型態存在於環境中，例如水和有機化合物等。氫燃燒後之產物即是「水」，當水氣隨著大氣循環機制再重新回到地球表面，可重新做為燃料使用。氫也是一種易燃、無色無味無臭的氣體，既無產生溫室氣體和CO、CO2、SOx等空氣污染物等有害空氣污染物質，為相當乾淨之燃料[9-10]。
氫在燃燒後相較於現今常使用之石化燃料，所釋放之熱能(106,381 kJ/kg)極高，為石油的2.4 倍、天然氣的3.3 倍、汽油之2.8倍及甲醇之6倍；氫的燃燒特性有別於柴油、汽油一般碳氫石化燃料，氫氣有較廣爆炸界限值4-75%，較丙烷(1.7%-10.9%)、甲烷(5.3%-17%)及汽油(1.4%-7.6%)皆廣，且氫氣在層流燃燒速度約為(2.65m/s-3.25m/s)，比丙烷(0.47m/s)、甲烷(0.37m/s)及汽油(0.37m/s)皆高出數倍，即氫氣燃燒具有極高之燃燒效率，且因氫氣擴散速度非常快。相較於一般化石燃料之使用，氫氣是具有較高之經濟價值且非常符合現代環保潮流[1, 11-12]。
水電解產氫原理即為氫與氧燃燒生成水的逆反應，其利用金屬電極透過外加供電對水進行水電解反應，即正極產生氧氣，負極產生氫氣之概念(圖2)。該概念能將電解系統和移動車結合，僅需提供引擎所產生之多於電量，即可使水分解，效率約75%-85%之間，製作過程無污染且機組構造簡單，體積較小。雖車載系統對於引擎結構的修改變動少，是易於實現之節能、降污的有效措施，不論是汽/柴油引擎的測試，皆能有效改善空氣污染排放量[10,13]。
由於氫氣來源多樣，可減少能源安全之風險且無須擔憂能源枯竭。自1990年起，已開始著手進行氫氣於內燃機之測試。因為氫氣本身可燃，若在燃燒過程中將氫氣注入燃燒室內，因其燃燒速度快且點火能量低（僅0.02 mJ）之特性，能使引擎在稀薄燃燒狀態下運行良好，可有效降低引擎的污染排放，並可提升制動熱效率(BTE, Brake thermal efficiency)及降低制動燃料消耗率(BSFC, Brake specific fuel consumption)之特性。相關研究結果發現，氫氣因易燃、火焰傳播速率快及點火能量低等特性，可使其燃料完全燃燒及縮短燃燒時間；而在冷啟動的情況下，汽油內加入氫後，會減少HC及CO的排放量，也提高了引擎的熱效率，並延伸了引擎的稀燃極限。氫氣添加易促進空氣燃料混合，於低負載下，有較佳的污染減量表現，能有效地減少 CO、HC、CO2 的排放；隨著引擎負載的增加，縮短火焰發展(Flame development)與火焰傳播(Flame propagation)時間，使得引擎熱效率的提升[10, 14-15]。
以目前化石能源逐漸耗竭以及其他再生能源不穩定的情況下，氫能源在未來運輸以及環境保護應用上具有其潛力；然而，氫能源作為輔助燃料在現今與並行於車輛發展使用上，仍有需克服之難題，例如成本、儲氫、電解產氫效率以及安全之考量。氫能來源多樣，成為當前各國致力發展的方向，以台灣四面環海之地理條件，擴大氫能的使用可能是未來發展之目標，同時可降低對外國進口的能源需求，以期達到能源安全之重大里程碑[16]。

(參考文獻如附件)