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新尖兵概念──淺談氫氣

2005/01/05 經濟部能源局 點閱人次: 622

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▓整輯:謝惠子

※關鍵字:氫氣 氫能時代 再生能源

氫氣(Hydrogen)係一種無色、無臭、無味、無毒的可燃性氣體,亦是最基本的化學元素與原料。近十年來,氫氣被大量的應用在化工製程中,其相關之製造、儲存、運輸及運用準則均已建構完備,只要有正確的操作程序及遵守使用規範,都能安全的使用氫氣。

據記載,氫氣的發現始於16世紀,為瑞士的煉金術士帕拉切爾蘇斯(Paracelsus)以酸和某些金屬反應製備出氫氣。之後於1766年,英國化學家卡文迪許(Henry Cavendish)將氫氣與其他可燃性氣體明確區隔開來,並測定出氫氣的密度,以及定量的酸和金屬反應所得到之氫氣數量。1776年,首次觀察到氫氣燃燒生成水。至於氫氣(Hydrogen)該名稱,則是在1781年由法國化學家拉瓦錫所提出,意思即為可以產生水的氣體。

遍布宇宙的元素

在宇宙中,氫氣是最豐富的元素,約佔所有物質質量的75%,並以氫、氘(Deuterium)及氚(Tritium)等三種同位素的型態存在於自然界,亦可與碳及其他元素形成化合物存在於所有動、植物中。另外,氫氣約佔水質量的11%,其與氧氣燃燒時可產生約2,600℃高溫,用電弧或加熱鎢絲將氫分子解離為氫原子,然後將這些原子重新化合時,甚至可以產生3,400℃以上的高溫。

由於1970年代的兩次能源危機,致使再生能源與氫能備受重視。以美國為例,氫氣的年產量超過800萬噸,主要用來製造氨氣、甲醇及石化工業中之加氫脫硫與裂解反應;其中,液態氫更被用於電廠以冷卻大型發電機。另外,氫氣在太空計畫中亦扮演重要角色,根據美國太空總署(NASA)的統計資料顯示,每年約有9千噸的氫氣被當作太空梭、火箭之燃料,以及太空梭內燃料電池發電系統之反應物,且燃料電池所產生的水還可供太空人飲用或盥洗。

產製與儲存

由於氫氣不是初級能源,必須自煤炭、石油、核能等進行轉換產製使用,其生產方法若以原料來源做區分,大致上可以分為兩大類,一類是由化石原料產製氫氣,主要商業化的製程有:蒸氣重組法(Steam Reforming)、部分氧化法(Partial Oxidation)、水煤氣法(Coal Gasification)。另一類則為非化石原料製氫法,包括:水電解法(Water Splitting by Electrolysis)、水光電解法(Photoelectrochemical Water Splitting)及實驗室中少量製氫法等。

再者,氫氣的儲存系統根據用途的不同可分為四種:

一、固定式大型儲存系統
適用於氫氣生產工廠的管線末端,用於儲存大量氫氣,通常使用高壓及低溫法儲存,因此儲存系統包含壓縮機以及冷卻系統等設備。

二、固定式小型儲存系統
此種儲存系統適用於需要氫氣為進料的工廠,其規模視工廠的需求而定。

三、可移動式儲存系統
包含大型之可移動式儲氫槽與小型的儲氫卡車。

四、燃料用儲存系統
主要供給氫氣做為公車、汽車或機車等交通工具之燃料使用,常用的方式有儲氫高壓鋼瓶或低壓的儲氫合金鋼瓶等。

目前儲氫的方式有很多種,依照儲存狀態可區分為:氣態高壓儲氫法、液態儲氫法、儲氫合金吸放氫法及微碳管吸放氫法等。

環保新尖兵

關於氫氣的利用技術,氫氣可以用於合成甲醇、氫氣引擎、合成氨、燃料電池、化石工業之應用等。合成甲醇由於其生產成本較低且用途廣泛,為有機化學工業的主要原料之一,亦為重要的石油化學品,其主要用途可以用來製造甲醛,其次可以製造對苯二甲酸二甲酯(DMT)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲胺、聚乙烯醇、氯甲烷類、醋酸等,此外甲醇尚可做為溶劑與燃料,若有需要還可再製成氫氣。

在氫氣引擎方面,氫氣燃燒後僅產生純淨的水,對於環境零污染,因此適合發展氫氣內燃機引擎,具省能、環保等優點。燃料電池則為極具發展潛力之綠色發電工具,目前廣獲各國重視,近期發展中之燃料電池以低溫型的質子交換膜燃料電池為主,其所使用的燃料即為氫氣,因此若能夠提供安全且有效的氫氣,將可促進燃料電池之商業化,並成為21世紀的重要能源裝置。

氫能時代

目前氫氣仍自化石燃料產製居多,展望未來,氫氣將由太陽能分解水而來,同時產生人類呼吸所需之氧氣,再經由氫氣儲存及運輸系統將氫氣傳送到所需的地方,如此形成「氫能循環」迴路;同時氫氣的生產方式將有重大突破,運用生物科技大量製氫,並將氫能循環由「碳循環」中獨立出來。

在氫能循環漸次替代現有的碳循環之際,屬於氫能的時代裡將有許多關於氫經濟的活動,諸如氫能的公共設施、氫氣的市場、氫氣的利用技術等。而氫能時代的實現,則需依靠市場競爭的趨勢和人類對於環境保護的重視,以及高科技的研發團隊共同完成。期望明日的將來,將是一個環保與經濟相輔相成的世代,也就是所謂的氫能時代來臨!(資料參考:台灣燃料電池資訊網 tfci.org.tw)


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