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汽車推進方式大變革
 卡爾朋馳（Karl Benz）於1886年將他的「專利車」駛出車庫，等於推動了汽車的演進巨輪。汽車的出現不但改變了人類的生活方式，也改變了全球經濟；這些變化在當時真是始料未及。划算的個人交通工具逐漸普及，很容易就可以到達世界各地，同時也繁衍出複雜的工業基礎架構，現代社會於焉成形。
如今，汽車科技將引發另一場革命：這次革命的動力不是石油，而是氫氣。燃料電池（fuel cell）將氫原子分解成質子和電子，用以推動馬達，而排放出來的只是水蒸氣，將可使汽車變得更加環保，汽車不僅能變得更潔淨，也會更安全、更舒適、更加個人化，或許還會更便宜。除此之外，燃料電池汽車還可進一步促使大環境轉向以氫為主的「綠色」能源體系。如果真能實現，能源的使用和生產也將大幅改觀。如此一來，氫燃料電池汽車和貨車將可帶領我們進入美好的未來，在這個未來中，所謂的「個人行動」，也就是獨立行動的自由，將可達到不受限制的程度，不傷害環境，也不耗用地球上的自然資源。
許多要素的配合下，這項巨大的變化似乎越來越可能實現了。首先，以石油為燃料的內燃機雖已相當進步、經濟、可靠，但也終於達到了極限。即使不斷改良，目前的內燃機汽車將燃料內含的能量轉換為動力的效率，仍然僅有20~25%。從毫無法規管制的1960年代至今，雖然美國汽車業界已經大幅減少排放的廢氣（碳氫化合物降低了99%，一氧化碳降低了96%，氮氧化物降低了95%），但持續產生的二氧化碳仍是個問題，因為它可能影響地球的氣候。
即使採用了新科技，石油燃料內燃機的效率最多也只能達到30%，而且無論如何，它仍然會排放二氧化碳。相較之下，氫燃料電池汽車的效率將近是兩倍，因此只需要一半的燃料能源。更大的不同點是，燃料電池排放的副產品只有水和熱。最後一點，氫氣可以由許多種燃料及能源中取得，例如天然氣、乙醇、水（用電加以電解），甚至可再生的能源系統。為了實現這些可能性，已經有許多汽車公司，例如戴姆勒克萊斯勒、福特、通用汽車、本田、PSA寶獅雪鐵龍、雷諾日產和豐田等，正在不斷努力開發燃料電池汽車。
要了解這種科技為何如此具有革命性，必須先了解燃料電池汽車的運作原理。這種汽車基本上就是以電力驅動的車輛，不過馬達的動力並非來自電化學電瓶，而是燃料電池（參見下方插圖）。氫燃料通過電池中的薄膜時，電子被拉開，從而產生電力。產生的電流推動電動馬達，帶動車輪前進，而氫的質子則與氧及電子結合形成水。如果能夠使用純氫氣，則燃料電池汽車就是完全不排放廢氣的車輛了。
 燃料電池與內燃機的對決
燃料電池發電裝置︰最高效率為55%質子交換膜燃料電池包含兩片薄而多孔的電極，分別是陽極與陰極，中間隔著僅容質子通過的高分子膜電解質。電極的一側塗上催化劑，氫進入之後（1），陽極催化劑將氫分成電子與質子（2），電子流出可用來驅動馬達（3），而質子穿越薄膜（4）到達陰極。陰極上的催化劑將質子、流回的電子與空氣中的氧結合起來形成水（5）。
 內燃機︰最高效率為30%
大多數汽車採用四衝程內燃機。活塞由汽缸頂端開始做上下運動，帶動曲柄軸旋轉。之後進氣閥開啟，活塞下降，讓油氣混合物進入汽缸。活塞再向上移動，壓縮油氣。接著火星塞點火，點燃燃料霧滴，受壓縮的油氣爆炸，將活塞向下推。最後排氣閥開啟，讓爆炸產物流出汽缸。
雖然從物質中取出氫需要能量，例如使用催化劑讓碳氫化合物分子產生分解反應，或以電力分解水；但因燃料電池的效率較高，與進行這些程序所需的能量相較仍然划算，關於這點稍後將再說明。當然所需的能量不會憑空而來，某些能量來源例如燃燒天然氣、油或煤的發電廠等，會製造二氧化碳及其他溫室效應氣體，而包括核電廠等的其他來源則不會。最好的方式就是使用可再生的來源產生電力，如生物質能、水力發電、太陽能、風力或地熱能源等。
以氫作為汽車燃料，運輸工業將可由幾乎完全依賴石油轉為使用多種燃料來源。目前用於驅動汽車的能源有98%來自石油，例如美國進口的石油有三分之二用於運輸方面。如能在化石燃料之外增加輔助能源，就可降低對外國石油的依賴，促進開發對環境傷害較小的本土能源。這樣做也可為能源價格增加競爭性，長期而言可使燃料與能源的成本降低，並趨於穩定。
改造汽車外觀
製造出真正革命性汽車的另一個關鍵，就是將燃料電池與電傳線控（drive-by-wire）技術相結合，在方向盤、煞車、油門及其他功能上，皆以電子控制單元來取代以往主流的機械式系統。如此一來將可擴大內部空間，因為電子系統的體積比機械裝置來得小，線控系統的效能可用軟體加以控制，而且由於不像傳統的傳動系統必須限制結構及造形的選擇，汽車廠商將可自由製造各種迥異的外觀，滿足客戶的需求。
以燃料電池取代傳統內燃機，將可使用薄型底盤，給設計師更大的空間創作出獨特的車身外形。電傳線控技術也使內裝設 計更加自由，因為駕駛控制方式可以大幅改變，也可從不同的座位操控汽車。通用汽車掌握這個設計良機，發展出稱為 "AUTOnomy" 的概念，並於2002年發表。可以實際駕駛的原型車 "Hy-wire" 代表氫（hydrogen）和線控（by-wire），則於2002年9月在巴黎車展中首次亮相。（左圖為AUTOnomy的滑板型底盤）
AUTOnomy概念和Hy-wire原型車，徹頭徹尾是全新的想法。兩者的基礎都是很薄的底盤，長得像滑板，用來裝置燃料電池、電動馬達、氫氣儲存槽、電子控制元件、熱交換器，以及煞車和轉向系統等，完全沒有內燃機、變速箱、傳動系統、傳動軸或其他的機械連結。
在開發完成的AUTOnomy型車輛中，電傳線控技術只需要一條簡單的電子連線，以及一組用來扣合底盤和車身的機械裝置。車身可以插入底盤，就像筆記型電腦插入擴充基座一樣，並採用單點電子連接埠的概念，形成簡便快速的方式，將所有車身系統，包括操控、電力及空調等部分，與滑板型底盤相連。如此將車身與底盤簡單地一分為二，有助於使車身輕量化及單純化，同時也使車身容易更換。原則上，只要讓經銷商或車主「啪答」一聲裝上可更換的車身模組，這輛汽車今天可能是豪華轎車，下星期變成家庭房車，明年又可以改成廂型車。
就像電腦一樣，汽車系統也可以透過軟體進行更新，因此修護人員可以依照需求下載程式來改進汽車性能，或是量身打造特殊的駕駛及操控特性，以適應不同的廠牌、車身形式或客戶的喜好。
使用電傳線控的電子控制方式，駕駛者就不需要方向盤、排檔桿或腳踏板了。通用汽車的Hy-wire原型車配備了稱為X-Drive的方向操控器，可以輕鬆地將它由車身最左邊移到最右邊，以配合左駕型或右駕型的駕駛位置。X-Drive的操作方式有點像機車的手把，轉動手把可以加速，握緊把手就可煞車，而要轉向時的轉動動作類似目前的方向盤。駕駛人還可以選擇用右手或左手來煞車或加速，而如果同時有多個訊號產生，煞車訊號會擁有優先權。駕駛人按一下電源按鈕啟動車輛，再從停止、前進或後退三種設定中選擇其一。
X-Drive還可使傳統的儀表板和轉向柱從此消失，也可以加大車內空間，大幅改變座椅及置物空間的配置方式。舉例來說，由於沒有引擎室，與長度相同的傳統汽車相比，駕駛人及所有乘客將擁有更大的視野及腿部伸展空間。
由於汽車的重心降低，也除去了乘員前方厚重的引擎部分，AUTOnomy概念的滑板型底盤將可進一步改善駕駛、操控及穩定等方面的特性，超越傳統車輛架構所能達到的極限。
大幅改變汽車工業
AUTOnomy概念和Hy-wire原型車等先進的燃料電池汽車，其簡潔外觀也將對汽車製造業帶來深遠影響，或許還將引發汽車工業的大幅革新。目前的汽車工業需要大量資本，獲利空間不大，即使汽車公司積極管理開發及製造成本，全球汽車業多餘的產能仍使汽車價格不斷下滑。在此同時，汽車及貨車的一般標準配備不斷增加，更進一步拉高成本。這些因素總和起來，價格降低、成本提高，獲利空間更受威脅。
不過，如AUTOnomy等此類概念，則可大幅改變目前的產業模式。它可明顯降低汽車開發成本，因為各個模組可以獨立製造，要改變車身及底盤模組的設計將更容易、更便宜。如同目前的貨車類產品，廠商將只需要設計一種底盤，就可以配合不同的車身形式，各種衍生車型很容易就可擁有不同形式的車頭、內部配置及底盤調校方式。也許只需要製造小型、中型、大型三種底盤就好了，生產數量將可比現在更大，產業規模也會更大。
 一旦組件和零件的數量大幅減少，將可進一步降低成本。舉例來說，「燃料電池堆」（見右圖）是由一連串相同的電池組成，每個電池包括一片平面陰極板和形狀類似的陽極板，中間隔著高分子電解質薄膜，依照各種不同車輛（或固定式發電機等其他應用）的電力需求，電池堆中的電池數目可以增減。
雖然汽車燃料電池技術目前還遠遠稱不上經濟（在人工打造原型車上，每千瓦電池得花費數千美元），但是成本已經開始大幅降低。舉例來說，過去五年來，燃料電池堆的功率密度增加了10倍，成本因而降低了10倍。而雖然目前燃料電池必須使用貴金屬作為催化劑，高分子薄膜也很昂貴，但是科學家正在想辦法減少使用催化劑、尋找價格較低的薄膜材料，兩方面均有相當的進展。
但這並不表示，設計實際可用的燃料電池汽車所需面對的所有技術障礙都已解決。其實還需克服許多阻礙，燃料電池汽車才能達到消費者對內燃機汽車所要求的便利及性能。其中最大的障礙就是開發安全與高效率的氫氣儲存技術，以提供足夠的駕駛續航力（大約500公里）。堪用的儲存技術必須可讓汽車至少能跑個25萬公里，還必須在氣溫從-40~45℃都能使用才行。補充燃料的步驟必須簡單，要能在五分鐘之內完成。目前儲存氫氣的方法有許多種，包括液態、壓縮氣體及固態等方式，但各有優缺點。
雖然汽車工業可能大幅改變，但也因AUTOnomy型汽車可能對世界能源供應制度造成影響而蒙上陰影。就今天的觀點看來，燃料電池汽車和氫燃料補充基礎設施可以說是雞與蛋的問題。必須有足夠的燃料支援，才會有大量的燃料電池汽車，但燃料電池汽車的數量必須先達到相當規模，才可能建立必要的基礎設施。由於在美國必須先建造成本相當高昂的氫氣生產設備與運輸網路，才可能使燃料電池汽車及貨車商業化，因此，爭取來自公私各領域、地方與全國領導者的強力支持，是非常重要的。必須解決的問題包括取得補助金、獎勵建造燃料補充站、建立統一標準、相關議題的大眾教育等。美國能源部2002年宣布，由產官雙方共同成立「自由汽車」（Freedom-CAR）計畫，推動燃料電池動力的研發，並且開發氫氣作為汽車與貨車的主要燃料，可說已經邁出正確的第一步。政府對於研究及先驅性示範的支持，足可說明基礎設施的設置是極有必要的。
【本文轉載自《科學人雜誌》2002年12月號】
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