二、發展氫能的瓶頸

研發替代能源的專家都希望讓氫燃料電池車取代以汽油為燃料的汽車，目標就是讓氫氣能與石油在能源用途上相提並論。氫能經濟的主要動力就是取代汽車對石油的依賴，氫能至今還没有被廣泛使用的主要原因是成本過高，燃料電池的成本很高，氫的製造、貯存和輸送的費用也相當高。氫氣雖然在地球上無處不在，不過它通常都和其它物質合成在一起，很少單獨存在，因此，分離純氫氣不是一件容易的事。核能、太陽能、煤碳都是主要的能源來源，而氫氣不是，它不單獨存在，它需要被製造出来。電力也不單獨存在，它也需要被生產出來。所以，不論是氫氣還是電力，都必須利用一種主要能源把他們製造出來，發展氫能的瓶頸技術問題包括氫的生產、運輸、貯存及安全問題。　

(一)氫的生產

目前工業上應用的製氫方法主要是甲烷蒸氣重整和水電解法，前者製氫過程和產物都產生大量的二氧化碳，後者則需要大量的電能成本較高。目前許多國家都在執行氫能的研究及開發工作，要發展氫能經濟，需要研究可持續的、非化石燃料的、過程不產生温室
氣體的製氫方法。水是自然界中含氫最豐富的物質，但水的直接分解需要很高的温度,在正常環境下不可行，而通過熱化學循環過程則可以在較低的温度下分解水;如果能與高温核反應器接軌則可成為大規模生產、不產生温室氣體且具經濟效益的製氫方法。熱化學循環分解水的研究始於60年代末，美國70年代開始研究利用核能熱化學循環製氫，在90 年代末啟動名為“Nuclear Hydrogen Initiative”的核能製氫計畫。按照涉及的物料, 熱化學循環制氫体系可分為氧化物体系、鹵化物体系及含硫体系。

1. 氧化物体系

氧化物体系是利用較活潑的金屬與其氧化物之間的互相轉換或不同價態的金屬氧化物之間進行氧化還原反應的兩步循環，一是高價氧化物(MOox )在高溫下分解成低價氧化物(MOred )，放出氧氣，二是MOred被水蒸汽氧化成MOox並放出氫氣。目前的主要研究方向是尋找能在較低温度下分解的氧化物体系。

MOred (M) + H₂O  →  MOox + H₂              (1)

MOox  →   MOred (M) + 1/2 O₂               (2)

2. 含硫体系

含硫体系研究的循環主要有4個 : 碘硫循環、H₂SO₄ -H₂S循環、硫酸-甲醇循環和硫酸鹽循環，其中研究最廣泛的是碘硫循環如圖1所示，碘硫循環由美國GA公司發明，除美國外，日本、法國也都選擇碘硫循環作為未來核能製氫的首選  。

理論上,該過程由3個反應組成 :

Bunsen 反應產生

SO₂ + I₂ + 2H₂O → HI + H₂SO₄               (3)

硫酸分解反應

H₂SO₄ →  H₂O + SO₂ + 1/2 O₂               (4)

氫碘酸分解反應

2HI  →  H₂ + I₂                                                (5)

淨反應為水分解

H₂O →  H₂ + 1/2 O₂                 

 

                     圖1 核能製氫方法 

 

3. 金屬-鹵化物体系

在金屬-鹵化物体系中,氫氣的生成反應可以表為

3MeX₂ + 4H₂O  →  Me₃O₄ + 6H₂O + H₂         (7)

其中Me可為 Mn及Fe , X可為Cl 、Br 及 I。該体系中最著名的循環為日本東京大學發明的絕熱UT23循環 ,金屬選用Ca ,鹵素選用Br。

4.熱化學雜化循環

熱化學雜化過程是水裂解的熱化學過程與電解反應的聯合過程，雜化過程為低温電解反應提供了可能性,而引入电解反應則可使流程簡化。效率最高並經循環驗証的是Westinghouse循環。Westinghouse循環和碘硫循環相同的步驟是硫酸的高温分解，碘硫循環利用較低品位的熱從其它中間產物產氢，Westinghouse循環則採取了兩個新步骤: (1) 用H₂O吸收SO₂ ,釋放O₂形成電解液(2) SO₂水溶液電解,形成H₂SO_4並放出H₂ 。

 

(二)氫的傳輸
     氫單位重量的體積龐大，再加上安全問題故運輸成本昂貴。運輸管線的材料一般使用碳鋼，但它會發生氫脆化有安全的問題。遠地的傳輸須把氫氣加壓或液化，然後以特殊的罐裝拖車運送。不管是以何種方式運送，都需要經過加壓的過程，這是非常耗費能源的。經過估算，加壓至 80 大氣壓的氫氣，含有的能量只有等壓等體積天然氣的三分之一。一輛能裝載 2,400 公斤天然氣的罐裝拖車，只能載運不到 300 公斤的氫。液態氫的裝卸容量可以五倍於高壓氫，但液化過程是非常費事的，而且只適合於短距離的運輸。
(三)氫的儲存
      由於氫的密度很小，再加上安全的考量，它的儲存一直是一個頭痛的問題。氫可以用氣體、液體或固態化合物三種形態儲存。
 1.壓縮氫氣：氫氣可以經壓縮後儲存在加壓罐內，氣體的壓縮或液化是一種很昂貴的過 

程，壓力可以高至 400 大氣壓，因此需要定期檢查它的安全。
2.液態氫：氫沸點是攝氏零下 253 度，液化的過程需要壓縮和冷卻，會用掉很多能源。 

由於溫度超低，液態氫的儲存需要特殊的低溫裝置，以減少氫氣的蒸發。

3.固態形式：使氫氣吸附在金屬氫化物或奈米碳管上加以儲存。金屬氫化物有很多種，氫的吸附率大多是本身重量的 1 ~ 2％，金屬氫化物也會透過化學吸附的方式吸附其他氣體，但不釋放，因此釋放出來的氫氣是很純的。奈米碳管的管徑由數個至數十奈米都有，空孔的比率很高，是一種理想的儲氫材料。固態儲氫方式的最大優點就是安全和方便，氫能不管是以高壓、低溫或金屬氫化物的方式儲存，都無法和汽油箱相比。因此尋找質量輕、體積小、價格便宜且安全的儲存方法是推廣氫能經濟的要件。

(四)安全問題

氫在常溫下是一種無色、無臭、無毒的氣體，甚至燃燒的火焰都是無色的，很不容易察覺它的存在。它的問題出在很容易燃燒和爆炸，在空氣中含有 3 ~ 75％ 體積的氫氣都可引發氣爆，而天然氣的範圍是 5 ~15％。除了前述可能的氫脆問題之外，由於氫是分子量最小的氣體，運動速度非常快，滲透性也最強，因此所有的管線或儲存槽的界面連接都須非常嚴緊，氫氣閥需要特別設計，否則很容易產生漏氣問題。

 

參、核能製氫

一、核能製氫的背景

韓國原子能研究院朴昌奎先生在與中國的核能製氫合作會議中提及韓國為什麼要開發核能製氫技術，因為韓國97%的能源要要靠進口，對國外能源的高度依賴已經長期成為關鍵問題，採用核能製氫甚具吸引力，因為此種解决問題的方法是對技術依賴性較高，而不是依賴天然的能源資源，因此可以提高國家能源的安全保障。除此之外，韓國擁有較多的核能開發技術經驗，在過去約20年期間，韓國的經濟成長没有遇到任何障礙，這是由於政府對國家長期能源供應做了完整的規畫，尤其是核能。韓國的經驗極其適用於台灣，目前韓國的經濟突飛猛進，同時有20座核能機組運轉中，6座建造中，廉價穩定的核能提供韓國各項輕重工業無比的活力，韓國在能源上的規畫及遠見值得吾人學習。

氫製造需耗費巨大能量而使其成本增高.而高温氣冷式反應器能以很低的成本提供巨大的能量,從而大幅降低製氫成本.因此,核能製氫有可能成為未來生產清潔能源極具競爭力的新興產業。多種新開發的技術將使氫能成為21世紀的主要能源之一。科學家認為能源正從現在的資源依賴向技術依賴轉變。從煤轉到石油，從石油轉到氫能，21世紀的第四代高温氣冷式反應器工率彈性大、投資低、系統簡單、建造工期短、經濟競爭力強，對中、小型工業區極其適合。高溫氣冷式反應器所需面積不大，只要6公頃土地即可提供270個加氫站的需求，而風力及太陽能則需甚大的面積如圖2所示。

 

 

圖2. 各種能源使用土地面積 

各國發展氣冷式反應器的情形如下:

(一)中國

中國的10MWt的HTR-10實驗爐是一種高温球床式反應器(PBMR)於2000年啟動，2003年達到滿載功率，爐心中有27000個球狀燃料元件，濃縮度達17%，用於廣泛的研究目的，球床反應器含有成千上萬個網球大小的鈾球，鈾球的外殼有由金剛砂碳化物、陶料和石墨製成的數層保護如圖11及圖12 所示，二氧化鈾作為燃料被包裹在裏面。這種鈾球就是所謂的“卵石”其散熱效果非常好，鈾燃料根本不可能達到穿透保護層的温度，所以球床反應器無需護套。球床式技術的先進在於其安全性，在“轍諾堡”事故中，反應器或爆炸或熔化，若採用球床式技術就不致發生爐心熔毀情形。球燃料體内鈾的温度無法達到熔點或發生爆炸，而冷卻劑使用惰性氣體氦，而不是水(水含有氫及氧，在特定環境下是易燃的)。而傳統的輕水反應器的缺點是數以千計的金屬棒發熱需要良好的冷卻系統防止過熱，同時還需一個堅固的水泥圍阻體，以防因過熱而生意外。球床反應器的另一個優點是體積小，建造容易。許多國家對球床技術很感興趣，因為球床反應器可用來製造氫氣。中國研製的高温氣冷式反應器温度高達700-950oC，採用先進的的氦氣冷卻可直接推動汽機或經蒸汽產生器轉成蒸汽推動，發電效率達45%以上。

 

 

 

圖3.   球床式反應器的構造

  

(二)日本的核能製氫發展

    日本的氫能發展是依據2003年能源政策基本法制定的能源供需基本計畫，日本原子力開發機構(JAEa)的目的是研究高溫氣冷式反應器在熱能上的應用包括製氫，日本開發的30MWt的高溫實驗爐(HTTR)在1998年啟動，成功地在850℃下運轉行，2004年冷卻劑出口温度達到900℃。它的燃料設計為棱柱狀如圖4所示。在高温實驗爐的基礎上，日本還正在開發氣輪機高温氣冷式反應器(GTHTR)，它使用改進的燃料元件，採用14%濃縮度的鈾，燃耗達到112GWd/tU。850℃的氦氣驅動卧式氣輪機產生300MW的電功率，效率達到47%。