迎接氢能的来临台北科技大学台北科技大学.doc

透視氫能的來臨 碧氫科技開發公司雷敏宏 博士台北科技大學分子紡織系 Feb. 25, 2006 1, 氫氣在氫能源時代的功能與待克服的瓶頸。 定義與意義：氫能源指的是以氫氣為能源的動力或媒介物的能源應用。目的在解決(1), 逐漸枯竭的石油儲存量，(2), 逐漸惡化的地球生態破壞及緩和溫室效應的影響， (3), 擺脫少數產油國家的政治與經濟勒索，終極的目標在尋求永續的能源供應。 功能：氫氣除了傳統上透過其活潑的化學性質，廣用於化學合成與品質改質，冶金業的金屬表面處理及美化，電子工業的金屬化還原處理之外，在未來則運用其純淨與高能性質轉換到熱能，並透過可逆式的氫氣與氧的反應提供電能（燃料電池）及儲存能源於氫氣（水的分解）。後者包括，水電解，光分解或熱分解為氫氣及氧氣，這功能使氫氣扮演不同能源間的媒介與儲存。重要的是這項可逆反應的應用過程，因為地球上水的大量與永續性的儲存，使氫氣也成為永續性的能源，而這些使用或轉換過程中，並不產生污染性的產物火廢物。 燃料電池 H2 + O2 2H2O + E 電能， 熱能，光能 E： 能量供應物如CH4，CH3OH，NaCl或方法如電解，熱解或光分解 瓶頸：(1), 燃料電池的成本遠比其他能源轉變的方法昂貴，$1000/KW for FC vs. $50/KW for ICE in automobile. (2), 氫氣供應設備的系統尚待建立( 2004通用公司副總估計初期的十年美國約需投資二百億元於加氫站的設立)，成本昂貴（每站約需二百萬元），新技術尚未成熟及廣泛應用（輕薄短小的現場氫氣生產設備尚未普遍進入試用階段），(3), 水分解的成本昂貴（水電解約需7KW/M3H2，加上折舊更為昂貴），效率低落（特別是光與熱分解，白光分解的效率約在4%）。 2, 燃料電池的系統的組合。 氫的生產設備 ＋ 燃料（氫或甲醇）的儲備設備 ＋ 能源轉換及導電媒介液 ＋ 電能管理 ＋ 氣體管理。 氫氣的生產設備：由原料轉變為氫氣的設備，目前以甲烷或甲醇與水反應的蒸汽重組為主，後面再詳述。 燃料（氫氣或甲醇）的儲備設備：目前以氫氣為主，直接以甲醇為燃料轉為電能（既所謂的DMFC）只適用於低功率及低效率的用途。高功率燃料電池所用的氫氣需要高純度（99.99% 而CO10PPM)。其儲備方式有超高壓的氣瓶（350至700atm）及金屬氫化物, (MH）。氫氣進入燃料電池前尚須加入水氣以調整濕度（80OC, 40%）。 能源轉換及導電媒介液: 這是大家所知道的燃料電池，其實只是系統中的一部份。這部分以低溫的PEFC為例，含催化吸附與反應的白金觸媒（在碳纖維紙上），扮演固態電解質的離子交換膜及氣體分散版。 電能管理：單位燃料電池的電位是直流電1.22-1.23V(實際0.68~0.78V或更低是電流量)，但一般用的電位是120V或220V的交流電，因此必須整留級串連。並要管理電為或電流以配合用電設備得需求。 氣體管理：這包括濕度及壓力與流量的管理。如果使用低濃度氫氣者，45~60%，必須再迴流時去除一部份以免非氫氣體累積無法保持氫濃度的平穩。 3, 燃料電池開發的近況。 [3a], 燃料電池組合 現有的燃料電池種類，依其觸媒，電解質，操作溫度及燃料的差異，大致可分為六種：PEMFC, DMFC, SOFC, PAFC, ALFC, MCFC等。最早開發的ALFC（鹼性燃料電池），便宜而效率高(70%)，低溫操作又簡便，但因受制於燃料中CO2的嚴峻要求，除了用於太空傳之外，目前沒有商業化的跡象。 目前依接受度安排， 以低溫操作檢電而效率高，使用白金觸媒與質子交換膜電解質的PEFC最受期待，使用氫氣（CO，10ppm）與空氣為燃料，效率約在40~50%。近來開發一種150-180OC操作溫度的HTPEFC，對CO的忍受度高達4%，效率也可達到35~40%，使氫氣燃料的供應大為簡化及降價，因為目前越來越體會到純氫氣的供應才是燃料電池市場的瓶頸，也是成本，體積與複雜度的來源。其次為逐漸被看好的低功率 (@15-20%)DMFC，直接以甲醇為燃料，也使用Pt-Re觸媒及直子交換膜，但為抑制CO的毒性，另加Ru金屬於觸媒，以促進CO的氧化，防止逆流(Cross over)。SOFC使用固態氧化物（Pervoskite金屬氧化物，ZrO2及其他氧化物如LaO2或CeO2）為觸媒，操作溫度在800-1000OC間，效率高(60%-70%)，對CO的毒性不敏感，直接使用天然氣或合成氣（由煤炭氣化而得）。另一項早期流行的