替代能源-氫能

氫能

氫能

即是利用氫氣經過化學反應後所產生的能量，是燃料電池的一種，它不但不會產生廢氣污染環境，還可以儲存能量，所以是目前正在研究大量生產的方法。目標是取代現有的石油經濟體系，並達到環保目標。

但是諸多技術瓶頸導致「先有雞、先有蛋」的循環難題，很多氫設備要大量使用才有成本效益，但是不先裝設這些天價設備，則根本無法吸引人使用，更不會有相關產業，如何過渡到氫時代是氫經濟的研究課題。

氫的特性

• 氫原子是所有元素中最簡單之元素，一個氫原子僅含一個質子及一個電子，儘管如此，氫卻是宇宙中作最豐富之元素，約佔75% (質量)。
• 由於氫氣( 或氫分子) 的質量甚輕，在大氣中容易脫離地球引力而逸散至外太空，故大氣中氫氣極為稀少。
• 地球上的氫原子大部分和其他原子結合存在，例如和氧原子結合而形成水。此外氫原子也常和碳原子結合而成碳氫化合物，例如汽油、天然氣、甲醇及生質物等。

氫的應用

• 氫氣除是化學工業的重要原料外，亦是近年來眾所矚目的燃料電池中運轉的重要燃料之一。
• 以氫氣做為燃料電池的燃料不但發電效率高，且發電過程幾乎無污染。
• 在交通運輸方面，燃燒氫氣以做為汽車引擎動力來源目前亦深受汽車界研究發展的重視。
• 早在1970年代美國太空總署就已利用液態氫作燃料以推進太空梭及其他火箭進入軌道。

氫能經濟

氫能經濟的開發涉及多個層面，包括氫氣的生產、運輸、儲存、轉換及末端使用等。

不論是生產、輸送、儲存、轉換或末端使用，其皆需要完整的氫能基礎設施為骨幹。除了上述基本元件外，相關配套措施如氫能基礎研究、安全、法規、標準、教育及系統分析亦十分重要。

氫氣的生產

• 熱化學法：蒸汽重組、部分氧化、自熱重組、甲烷直接熱分解等。
• 電化學法：提供電能直接將水電解，即可於陰極得到高濃度的氫氣，陽極得到氧氣。
• 光電化學法：以半導體及利用光觸媒反應進行水分解。
• 光生物法：用裂解或氣化等熱處理方式從中取得氫氣或是利用微生物，以厭氧發酵或光合作用方式分解生質物以產氫氣。

氫氣的儲存

• 氣態高壓儲氫：以高壓方式將氫氣壓縮儲存於容器或鋼瓶中。
• 液態儲氫：將氫氣以液態方式儲存。
• 物理儲氫：氫分子也可被吸附在某些材料內，例如碳，而碳材料包含有奈米碳管、活性碳及碳纖維等。
• 化學儲氫：使用一些含氫量高的化學物質作為儲氫材氫氣的儲存料，其中最著名的例子為硼氫化鈉。
• 金屬氫化物儲氫：以儲氫合金為材料，進行氫氣之儲存。目前常用的儲氫合金材料有鐵鈦合金、鎂系合金、稀土鑭鎳、釩、鈮、鉛等。

氫氣的運輸

• 氫氣可使用管線、鋼瓶、高壓氫罐車及鋼瓶束等方式進行運送。
• 另一種方式則是使用高密度能源載體，例如天然氣、甲醇、乙醇等燃料。當運送這些高密度能源載體至目的地後，再利用氫氣生產方法製造出氫氣以利使用。

燃料電池

燃料電池是一種主要透過氧或其他氧化劑進行氧化還原反應，把燃料中的化學能轉換成電能的電池。而最常見的燃料為氫，一些碳氫化合物例如天然氣、醇、和甲烷等有時亦會作燃料使用。

燃料電池對環境的污染甚低，若以氫氣及氧氣為燃料，則產物為水，完全沒有污染。

燃料電池有別於原電池，因為需要穩定的氧和燃料來源，以確保其運作供電。這種電池的優點是可以不間斷的提供穩定電力，直至燃料耗盡。

燃料電池的原理

燃料電池系統主要包含了陽極與陰極兩個電極，將燃料( 例如氫氣) 導入電池中陽極的側邊，燃料於陽極發生氧化反應放出電子，而氧化劑( 例如氧氣或空氣) 則注入電池中陰極的側邊，氧化劑在陰極則接受電子而發生還原反應，如此兩個半反應同時發生而產生電動勢。

燃料電池的優點

• 低污染：較一般傳統火力發電方式更清潔，沒有二氧化碳及含硫的問題，更沒有核能發電核廢料的問題。
• 高效率：因為燃料電池直接將燃料中的化學能轉換成電能，和一般傳統的發電方式不同，故不受卡諾循環的限制，理論上能量轉換效率可達80％。
• 免充電：燃料電池是由燃料中的化學能提供能源，它並不含在電池本體結構中， 因此只要持續不斷地供給燃料，燃料電池便可以不停地發電。
• 燃料種類多：只要含有氫原子的石化能源如石油、天然氣、煤炭、沼氣、酒精與甲醇等，通過一個轉換器，都可作為燃料電池的能源進料。

燃料電池的缺點

• 價格高：氫的生產成本昂貴，不論是從水中分解或是來自天然氣所產生的氫氣，這些過程中所耗費的成本高於傳統的發電方式。
• 相關技術不夠成熟：雖然目前對燃料電池已有相當的研究，但如果要大量的應用在生活中，完全取代過去的發電方式，可能還需要一段時間，研發更穩定成熟的技術。
• 差異性大：燃料電池在應用時，會因為該產品所需的反應和穩定性不盡相同，因此需要發展出各式各樣差異性大的燃料電池。

氫能未來的挑戰

• 氣態氫不易運輸，故常冷凍至溫度－253℃以下以液態形式儲存運輸，但低溫儲存容器的安全性及儲存時間卻是一大問題。
• 當氫和空氣混合時，其可燃( 或爆炸) 範圍甚廣，介於4到75% 之間，比天然氣的5到15% 大了許多，同時點火能量僅為天然氣的15分之一，且逸散速度甚快，因而安全性需特別注意。
• 若消費者無法像使用電能、石油及天然氣般方便取得，公眾將不會認同氫能是一種淨能的選擇。