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財團法人台灣永續能源研究基金會
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氫能源

作為一種能源的載具,氫氣的角色與電或是車用汽油有一定程度的相似性。 例如電力,同樣也是一種能源載具,有各種的方法將煤炭或是水力這些初級能源 轉換成電力,例如使用燃煤電廠,將化學能轉換成熱能再轉換為機械能之後才是 電能。電力經過電力線的傳輸到達住家與工廠等實際需要使用能源的場所,再透 過馬達或是加熱絲轉換回機械能或熱能;可以想像這樣繁複的轉換過程造成很大 的能量損失。另一個問題是電力的儲存,除了一些水力抽蓄電廠之外(利用多餘 的電力將水抽到高處,需要用電時再讓水洩出通過渦輪機發電),儲存電力的方 式主要是用電池,但是現有電池的能量儲存密度低,也就是每單位重量或體積的 電池所能儲存的電力相當有限,同時電池使用的材料昂貴,儲存成本太高,以現 有的電池科技是不可能做到大規模電力能源儲存的。在未來風力與太陽能這些間 歇性的再生能源越來越重要的時代,如何將間歇性的能量儲存起來並運輸到需要 使用的地方(例如白天的太陽能必須儲存起來以供晚上使用),其實是這些再生能 源能否普及並解決能源短缺問題的重要關鍵。這是氫能經濟近幾年來蓬勃發展的 背景因素之一,在電池科技尚未有革命性突破之前,使用氫氣是目前唯一有潛力 大量儲存與運輸間歇性再生能源的方法。

各種初級能源可以經由不同的途徑來產生氫氣,例如風力機發電之後,電力 通過電解槽電解水就可以產生氫氣與氧氣;天然氣也可以通過一種稱做重組(reforming)的程序轉換成為氫氣;太陽能可以發電之後再通過電解產氫,也可以 通過光觸媒的作用直接將水分解(direct water splitting)產氫。氫氣的來源是相當多元化 的,這是氫能經濟的另一個特點,也就是能量來源多元化。不像現在的石化燃料 經濟,絕大部分的車用燃料都來自石油這個單一的初級能源,而全球的石油蘊藏 大部份集中在中東等政治穩定性差的國家。政治的動盪影響到石油的生產,進而 影響全球經濟。如果在車輛上使用氫能源,則可以在當地用各種方法生產氫氣, 降低對中東石油低賴,增加國家的能源安全度。這是美日等國家積極發展氫能源 的另一個背景因素。氫能源牽涉到的科技相當廣泛,主要可以概分為氫氣生產、氫氣儲存運輸、 與氫氣的使用。以下就這三項技術做簡要的說明。

一、氫氣的生產
以產氫的製程來區分,大致有以下幾 種方法生產氫氣。
1.重組(reforming),例如天然氣與水蒸氣反應,可以產生氫氣。
2.電解,利用電力將水電解產生氫氣與氧氣。
3.煤炭與生質物可以通過氣化的程序產生合成氣(Synthesis Gs,主要成分是一氧化碳與氫氣),合成氣也可以與水蒸氣進一步反應,提高氫氣的含量。
4.生質物發酵,或是藻類的光合作用也可以產生氫氣。
5.利用熱能,在高溫下藉由化學反應的輔助與水反應產氫。熱能的來源可以是 太陽能或是核能。
6.太陽能產氫,利用光觸媒的作用,直接將水分解產氫。 上述的許多技術目前並不成熟,或是成本太高,還需要長期的技術發展來降 低成本。表 5.3.1 列出幾種目前可行的氫氣生產方法的成本,目前最便宜的方法 是由天然氣通過重組程序產生氫氣,以 2007 年 5 月的天然氣價格來估算,每公 斤氫氣的生產成本大約是 4.06 元美金。不過這只是生產成本,還不包含運輸與 配送的成本,如果考慮運輸與配送還有合理的利潤,估計零售價格會在每公斤 8美元左右。每公斤氫氣所蘊含的能量大約與每加侖(gallon)汽油相當,對照目前 每加侖汽油的零售價大約 3 美金,似乎氫氣作為車用燃料是相當昂貴的。但是使 用氫氣的燃料電池汽車,運轉的效率至少是傳統汽油引擎的 2~3 倍,因此每行駛

一公里所要花費的燃料成本並沒有想像的高,而是與現在的汽油相當。 使用天然氣重組產氫,在重組的過程中仍然會產生二氧化碳(參考上面的天 然氣重組化學方程式),因此並非真正的零二氧化碳排放。但是因為搭配燃料電 池後整體使用效率較高,相較於燃燒汽油來說,採用重組的方法仍然可以減少部 份二氧化碳排放。相對於其他產氫技術,天然氣重組生產成本較低,因此大部份 國家都將天然氣重組產氫看做是過渡到全面氫能經濟時代的初期主要技術。使用 天然氣的另一個好處是可以利用現有的天然氣管線與輸送設施,在加氫站或是家 庭的現場生產氫氣(On-site Distributed Production),省卻運輸氫氣的困難(參考以 下氫能儲存運輸的說明)。因此國際上一般認為過渡到全面氫能經濟時代,氫氣 的生產方法演變,一開始將會是現場重組與現場電解為主;再生能源電解、太陽 能產氫、核能產氫等技術則被視為中長期的發展。

貳、氫能儲存與運輸
氫氣的儲存與運輸是實現氫能經濟最大的技術障礙。氫氣的密度極低,儲氫 裝置要同時符合重量與體積的要求是相當困難的。例如在車輛上使用氫氣,而且 讓車輛的航程達到現在汽車的水準(300 英里),就必須要能夠在車上儲存足夠的 氫氣。目前實驗中的燃料電池汽車大都使用高壓氫氣瓶,壓力可高達 350 到 700 大氣壓。但是航程僅能達到 200 英里左右,同時氫氣的壓縮要耗費非常大的能 源。因此如何找到適合的材料作為吸附與釋放氫氣的介質,是目前氫能經濟中相 當重要的關鍵。美國能源部(Department of Energy,DOE)訂下的研發目標,也就是在 2010 年達到儲氫重量 比 6wt%,儲氫體積 45g/L;在 2015 年達到儲氫重量比 9wt,儲氫體積 81g/L。目 前研發中的儲氫技術概述如下:
一、金屬與複合儲氫材料
有些金屬化合物可以與氫形成適當的鍵結,氫原子可以安插在金屬晶格中,並且在室溫下就可以吸放氫氣。最常見的例如 LaNi5 合金,這型合金也已商業化, 鎳氫電池的電極就使用這種材料。但是 LaNi5 合金的儲氫量極低,大約只有1.7wt%。有些金屬具有高儲氫量,例如鎂,與氫形成 MgH2,理論儲氫量達到7.6wt%,但是要在 300oC 高溫下才能把氫釋放出來,造成實用上的困難。其他的 合金有的不穩定,有的吸氫困難,因此有許多研究專注在尋找新的高儲氫量合 金,有些人用三種或四種以上金屬元素摻雜(稱做 complex hydride),但是目前為 止並沒有很好的成果。

二、化學儲氫(Chemical Hydride)
所謂化學儲氫是指利用一些含氫量高的化學物質,例如 NaBH4,含氫重量 比達到 20wt%,這些物質與水反應會釋放氫氣,還可以透過觸媒的添加來控制氫 氣的產率。NaBH4 是固態物質,因此運輸儲藏比氫氣容易許多,這是化學儲氫最大的好 處。也就是將氫氣儲藏在化學物質中,需要時再釋放出來。化學儲氫最大的困難, 在於如何將燃料回收再生,也就是如何將上式中的 NaBO2 回收再轉換成為 NaBH4 以便循環使用。目前回收再生的程序都相當複雜,而且要耗費非常大的能量。

三、液態與高壓儲氫
將氫氣冷卻成為液態就可以縮小體積,但是要將氫氣保持在液態需要維持低溫,液化的過程要耗費可觀的能量,同時液態氫氣容器會有洩漏  (液態氫揮發), 這些問題目前尚無法解決。另一種可能是將氫氣壓縮到極高壓,也可以縮小體 積。目前常見的是壓縮到 350 大氣壓,但是體積仍不能讓人滿意,因此開始有研 發指向 700 大氣壓的氫氣壓縮儲存。

目前沒有任合一種技術可以達到 DOE 的 2010 年 研發目標。事實上,DOE 從 2003 年公布這些研發目標以來,儲氫技術進展並不 大,目前來看 2010 年的目標很可能無法達成。由於儲存與運送的技術並不成熟,短期內生產氫氣最經濟的方法,是前面提及的的現場分散式生產(On-site distributed production),也就是在需要用到氫氣的 地方來生產,如此就可以省去氫氣的儲存與運送的困擾。例如在汽車加氫站生產 氫氣,供應車輛使用。或是供家庭使用時,以管線輸送天然氣到家庭,現場重組 天然氣產氫後直接將氣氣導入燃料電池發電。現場生產可以利用天然氣進行重組 產氫,也可以利用電力進行電解產氫。但是長期來說,當有大規模的氫氣需求時, 還是要以中央集中式生產比較符合經濟效益。

參、氫能應用
氫能源最主要的應用是燃料電池,不過氫氣也可以直接應用在內燃機引擎, 而且燃燒氫氣的引擎效率高於汽油引擎,因此也有人主張將氫氣引擎作為過渡技 術,因為燃料電池成本過高推廣不易。不過目前各國的研發主力仍然在燃料電 池,氫引擎僅有 BMW 等少數車廠投入開發。
從應用的場合來區分,燃料電池的使用主要在運輸工具(車輛)、定置型電熱 共生系統(同時產生電力與熱能,供應家庭使用)、與 3C 產品行動電源等。另外 還有大型發電廠的應用,是屬於比較長期的發展項目。各國的發展中,美國主要 專注在燃料電池車輛,日本則是汽車公司投入燃料電池車輛,政府大力輔助定置 型電熱共生系統,歐洲的發展則同時包含燃料電池車輛與定置型燃料電池。

燃料電池的發電原理是氫氣與氧氣藉電化學的方式結合,產生水、熱與電, 陽極側是燃料端,也就是氫氣,陰極側是氧氣或空氣。部份燃料電池可以直接使 用天然氣、甲醇等含有較高氫分子的化石燃料或是經由重組產生的富氫氣體燃 料。不過以效率來說,還是使用純氫的燃料電池效率最高,也是目前燃料電池車 輛的技術發展主流。燃料電池依據使用的電解質種類可以區分為六種類型:鹼性(alkaline fuel cell,AFC)、質子交換膜(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)、磷酸(phosphoric acid fuel cell,PAFC)、熔融碳酸鹽(molten carbonate fuel cell,MCFC)、 固態氧化物(solid oxide fuel cell,SOFC)與直接甲醇燃料電池(direct methanol fuel cell,DMFC);表 5.3.2 比較這六種燃料電池使用的材料、操作條件與應用範圍。 鹼性燃料電池是最早實用化的燃料電池,採用強鹼氫氧化鉀(KOH)作為電解 質,如果燃料或空氣中含有二氧化碳,會與氫氧化鉀發生酸鹼中和反應,導致電 池無法發電,因此鹼性燃料電池必須在純氫、純氧的環境下操作。太空計畫使用 的載具,例如火箭與太空梭,攜帶的燃料是液態氫與液態氧,正好符合鹼性燃料 電池的操作條件,因此長久以來太空探險計畫一直使用鹼性燃料電池與太陽能電池作為電力來源,同時燃料電池產生的水還可以作為飲用水來源。 相對於鹼性燃料電池的鹼性電解質遇二氧化碳會中和的缺點,磷酸燃料電池使用酸性的磷酸作為電解質,可以避開酸鹼中和的問題,降低操作的複雜性,因 此在地面發電的應用上比較普遍。目前有超過 300 座以上的磷酸燃料電池發電系 統在醫院、公司、飯店、公共及軍事設施等地點運轉供電,但由於技術改善及降 低成本空間有限,研發投入急速縮減。

上述鹼性燃料電池與磷酸燃料電池主要使用之電極觸媒材料為白金(Pt),另 一項使用白金(Pt)作為電極觸媒的燃料電池是質子交換膜燃料電池,這種電池因 為操作溫度低可以快速啟動,所以被視為可能取代傳統汽車引擎的新動力來源, 同時具有高效率的電熱共生應用特色,吸引歐、美、日等國投入大量經費發展, 技術進步非常迅速,是目前燃料電池技術發展的主流。然而此型燃料電池最大的 缺點是白金易受一氧化碳毒化,使發電效率與電池壽命降低,而且價格目前仍太 高,因此能否改善耐久性問題及大幅降低價格是未來普及化的關鍵。

除了上述三種使用純氫為進料的燃料電池,另外還有熔融碳酸鹽與固態氧化 物燃料電池,在高溫下操作,可以直接使用天然氣、合成氣或甲醇為進料。但是 高溫下的材料耐久性、啟動時間太長及價格高都是尚待克服問題。除前面五種燃料電池之外,直接甲醇燃料電池也是備受注目的發電技術,其 電解質與質子交換膜燃料電池相同,但是陽極白金觸媒可以直接從液態甲醇溶液 中分解出氫氣。甲醇燃料儲存方便,且操作溫度低於 100℃,十分適合用在攜帶 式電力需求,例如手機與手提電腦等。主要的技術困難在於燃料從陽極滲透到陰 極(cross-over),以及白金觸媒使用量太多,價格昂貴。目前有多家廠商推出雛型 產品,但還沒有正式商品化的產品問世。
上述 6 種燃料電池中,質子交換膜燃料電池適用於車輛與中小定置型發電、 固態氧化物燃料電池適用於大型電廠、直接甲醇燃料電池適用於行動電源,這三 者最具發展潛力,也是國際上投入發展的重點項目。

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