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氫能
2011/06/24 15:06
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楔子

在前幾篇發表的文章中,如『日本福島核電廠爆炸事故』、『惡魔的果實』、『德國核電廠』等,那時我就在想,有什麼乾淨的能源可以使用,而且又沒有安全上的顧慮呢!?答案是『有的』,那就『氫能』。

事實上早在 1933 年一位在英國工作的德國人Rudolf A. Erren 便已提出利用電大規模製造氫的概念,他甚至發展出用氫為燃料的內燃機。其最初的動機是減少石油造成的空氣污染,和減低英國石油進口的壓力(有趣的是,40 年後美國也遭到同樣的二個問題:汽車污染及石油進口的壓力)。1930 年 F.T Bacon 也曾發展出一套『氫能』儲存系統。美國原子能協會從1960 年以來,做了一系列的關於核能—農業—工業的廣泛研究。其出發點在於使用同一能源(原子核反應)。這些研究包括用電解水得到氫來製造肥料和一些化學品。

那麼經過將近 80 年後,為何『氫能』沒有被普遍的應用呢?那是因為使用『氫能』的成本要比石化燃料來的高,而且『氫』的製造、運送、儲存都有很大的技術瓶頸,特別是再過去使用『氫能』所帶來的污染,並不亞於使用石化燃料!?但是時至今日,許多科技都有所突破,『氫能』這個環保燃料再度回到人們的關注之中。所以本篇文章將儘可能彙整相關資料,以期吸引國人的重視。

氫的物理性質

1766–81年,亨利·卡文迪許發現氫氣是一種與以往所發現氣體不同的另一種氣體,在燃燒時產生水,這一性質也決定了拉丁語 「hydrogenium」 這個名字(「生成水的物質」之意)。常溫常壓下,氫氣是一種極易燃燒,無色透明、無臭無味的氣體。

氫是原子序數為1的化學元素,化學符號為 H,在元素周期表中位於第一位。其原子質量為 1.00794 u,是最輕的,也是宇宙中含量最多的元素,大約佔據宇宙質量的 75%,是其他所有元素原子的總和約大100倍。主星序上恆星的主要成分都是電漿態的氫。而在地球上,自然條件形成的游離態的氫單質相對罕見。

因為氫含較低的熱量(325 BTU/立方呎,天然氣是 1000 BTU/立方呎),帶著同樣熱量的氫的體積要比天然氣大三倍左右。然而氫的密度和黏度相當低,同樣的管子氫的流速卻三倍於天然氣,所以如果利用現有的天然氣管路來輸氫,其能量傳遞的速率是差不多一樣的。但是由於氫氣可以置換出多種金屬,使得氫氣的存儲罐和管道之設計必須更加複雜。

分子氫自旋異構體的示意圖,左為正氫,右為仲氫。

正常氫氣是由 75% 的正氫(O-H2)兩個原子核自旋方向相同的分子,和 25% 仲氫(p-H2)兩個原子核自旋方向相反的分子組成,正氫和仲氫的化學性質相同,但物理性質如熔、沸點,比熱和熱導率等有比較大的差異,這是因為它們在內能上有差異造成的,這也是造成氫分子帶光譜上差異的原因,但基本上仲氫比較穩定。正、仲態的平衡組成隨溫度而變,在不同溫度下處於正、仲平衡組成狀態的氫稱為平衡氫(e-H2),在一定條件下,正氫可以變成為仲氫,這就是通常所說的正-仲態轉化。在氣態時,正-仲態轉化只能在有催化劑(觸媒)的情況下發生;液態氫則在沒有催化劑的情況下也會自發地發生正-仲轉化,但轉化速率很緩慢。不過話雖如此,正氫繼續向仲氫轉化而產生轉化熱,而這個轉化熱會使得液氫揮發損失,通常在開始的 24 小時內,液氫大約要蒸發損失 18%,100 小時後損失將超過 40%,因此液化時需在催化劑(最常用的固態催化劑有活性炭、金屬氧化物、氫氧化鐵、鎳、鉻或錳等)作用下使正氫迅速和接近全部地轉化為仲氫,此時液氫中含 99.79% 的仲氫和 0.21% 的正氫。

液氫(LH2),也稱液態氫,是由氫氣經由降溫而得到的液體。液態氫須要保存在非常低的溫度下(大約在20.268開爾文,-252.8℃)。它通常被作為火箭發射的燃料。液態氫的密度大約為70.8千克每立方米 (在20開爾文下),密度很小,所以需要很大的容器來存儲。而且由於氫原子很小,壓力太大容易從容器分子間隙逸出  儲氫材料要求極高的密度。另外氫的爆炸下限只有4.4%,氫與氧反應放出的熱極其巨大,而氫氣洩露的話一般是由於密度小,所以會先聚集在房頂,然後一遇到一點點火星,就會把房頂掀了。還有氫有腐蝕性的問題,有一些橡膠、密封的東西碰到它就會被腐蝕,同時對於金屬也有氫脆的現象,這不僅在普通的鋼材中會出現,在不鏽鋼、鋁合金、鈦合金、鎳基合金和鋯合金中也都有此現象,目前這還是一個難題,人類要利用氫還有很多很多的路要走,絕不是兩三年的時間。但早晚有一天我們會攻克這個難題的。

傳統氫氣的製造

蒸汽重組製氫與純化製程

在地球上,氫是含量僅次於氧和矽的元素,但由於沒有游離的氫氣存在,所以必須從原料中分離出來,而這是需要能量的。在傳統製氫的方法中,目前以天然氣蒸氣重組法(Steam Reforming)為主,也就是在高溫約700 ~ 900度,10~15大氣壓下,使水蒸氣通過附有鎳基催化劑的含碳化合物,然後加壓吸附,就可分離氫氣。常用的含碳化合物是煤炭和天然氣,與水蒸氣作用的生成物是氫氣和二氧化碳。而碳氫化合物的氧化法是另一種熱反應生產方式,它是把限量的氧氣在高溫下,通過碳氫化合物。最常用的碳氫化合物是甲烷,反應生成物是氫氣和二氧化碳。由於需要純氧,所以成本較高。上述方法都會產生大量的二氧化碳,造成溫室效應的環保問題。 但用以上的方法生產氫氣之燃料電池汽車,在二氧化碳產量僅為一般汽油車的 30%,若能使用可再生能源來產生氫氣,更可降為一般汽車的 6%,如此可大幅降低整體二氧化碳的排放量,並顯著提升能源效率的利用。前景依然大有可為。只是如何提升催化劑的效率及降低反應溫度以便把生產成本降低,是目前最重要的問題。現今美國每年約生產 900 萬噸的氫(分子),其中 95% 是由水蒸氣和碳氫化合物反應而得。

另外還有幾個氫氣生產途徑如下:

  1. 甲醇的蒸汽重組製程,以甲醇與水為原料在銅鋅觸媒的催化下於260 ~ 300OC反應生產氫氣與二氧化碳。這製程,投資額較低,但原料成本比天然氣高,操作簡便及建廠快速因此常用於中型規模的氫氣廠(100~2,000M)。
  2. 鹼氯場的副產品回收:鹽水電解生產苛性鹼與氯氣時,陽極產生苛性鹼的同時也產生氫氣,回收脫水純化後可得99.99%的純氫器,這是工業上一大重要來源。
  3. 石化廠的副產品回收:石化產品如芳香烴的觸媒重組場,乙稀苯及環己酮廠均有氫氣副產品的生產,回收純化後可提供99.99%的氫氣。
  4. 煤炭氣化廠:透過煤炭的熱裂解或水煤氣反應,可產生氫氣與一氧化碳,分離純化後也可提供氫氣。
  5. 有機生質的蒸汽重組:目前上在開發中,但透過鎳觸媒稻殼之類的農產品廢棄物可直接生產大量的氫氣。

電解水原理示意圖

電解水則是一種較為簡易的方法,也是最早的氫氣生產製程,氫離子在陰極被還原產生氫氣,氫氧離子在陽極被氧化產生氧氣,最大的優點是氫氣產品的純度高(99.99%),裝設簡便,不需其他原料的配合。這確是一種簡易乾淨的方法,但耗電量太大。在 0.1 MPa 和 25℃時電解水的電極最小電壓是 1.23 V,但隨溫度的升高而降低,隨壓力的升高而增大,壓力每升高10倍,電壓約增大43mV。因此一般來說,生產一公斤氫消耗的電量約需要 32.9 度,一度電等於 3.6 百萬焦耳。但實際實際運行中,其工作電壓為理論分解電壓的 1.5~2倍,而且電流效率也達不到100%,所以造成的實際電能消耗要遠大於理論值。目前通過電解水裝置制得 1 立方公尺的氫氣實際電能消耗為 4.5 ~ 5.5 千瓦‧小時,因此電解水生產氫,只適合在電力便宜如水力發電區和離峰時段,或在實驗室中進行。

氫的價格如何呢?在 2004 年在美國所得的資料中顯示,利用水蒸氣裂解天然氣生產氫的成本約每公斤一美元,但運費高達 2 ~ 4 美元,視路途的遠近而定,因此氫的價格約每公斤 3 ~ 5 美元。一公斤的氫能大約相當於一加侖的汽油,當時目前的汽油每加侖約 2 美元,因此氫引擎汽車的燃料費用在當時是難以和汽油競爭的。不過雖然目前以 2011 年 4 月的汽油每加侖是 3.88 美元,但 2008 年 7 月 11 日的每加侖曾經高達 4.11 美元最高紀錄。不過以氫燃料電池驅動車輛,能源效率大約是引擎的兩倍來看,則氫的燃料費用是具有競爭力的,因為汽油還是會持續的漲下去。

核反應器產生氫氣

高溫熱裂解製氫術

我在『日本福島核電廠爆炸事故』一文中曾經列舉介紹多種現役的核子反應爐,但絕大部分的反應爐的能量轉換率都很低,大約只有 30% 左右。這是一種很浪費的行為,因為核能發電有很大一部分的能量,都被當成廢熱給旁放掉了!?甚至所發的電還要回饋一部分回來來協助排除廢熱,所以如果能夠收集這些能源來製氫,那麼核電廠的效益會提昇好幾倍。

採用高溫熱裂解產生氫氣是目前核能製氫技術中發展主流。只要有足夠熱源,就可以分解不同物質來產生氫氣。右圖利用核能高溫熱化學產生的基本原理在高溫(800 ~ 1,000℃)分解硫酸,產生氧氣、二氧化硫。H2SO4 → H2O + SO2 + 1/2O2(吸熱)加入碘與二氧化硫、水反應,產生碘化氫。I2 + SO2 + 2H2O → 2HI + H2SO4 (產熱) 將碘化氫的碘和氫分離(200 - 500℃),產生氫氣和碘。2HI → H2 + I2整個反應中,只要加入初始硫酸與水,就會源源不斷產生氫氣,SO2 與 I2 都只是中間產物,不會對環境產生任何負擔。

事實上,利用氣冷式反應器產生 900°C 的高溫直接分解水蒸氣產生氫氣的計畫,早在美、日、德等先進國家研究多年。令人興奮的是能產氫/發電雙效的進步型高溫反應器(Advanced High-Temperature Reactor, AHTR),這種反應器以熔融氟化鹽(NaF/ZrF4)為冷卻劑,早在50年代就運用在人造衛星上,而且與石墨相容性極高,安全無虞。它的熱輸出可超過 2000 MWt,在 850℃下可產生1120 MWe的電功率,而產生的氫氣足可供應200萬輛汽車所需,效率比現在電解法產氫高 10 倍。原本期望在 2007 年研發成功,2010 年能夠正式商轉。但事實 AHTR 是一種液態融鹽甚高溫反應堆(Liquid Salt Very High Temperature Reactor, LS-VHTR),但不知何故截至目前為止尚未看到商轉的案例。

核能兼製氫廠房佈置示意圖

如果你看過壓水堆的結構圖(沒看過的可以到上述的文章中去看),我們可以發現其實只要把二次迴路稍微改善一下就可以用來製氫,如右圖所示,這是我從中華民國核能學會抓來的,只要把二次迴路所帶來的熱能導入產氫工廠就可以了,我想不到會有什麼技術上的瓶頸?至於核能學會上說必須使用 AHTR 反應爐,由於沒說為什麼?我就更不明白了。但是不管怎樣,利用核能製氫是可行的,要不要作?就看政府的決心了。(核一廠、核二廠是沸水式反應器(Boiling Water Reactor, BWR);核三廠是壓水式反應器(Pressurized Water Reactor, PWR);核四廠使用的是進階型沸水式反應器(Advanced Boiling Water Reactor, ABWR))

太陽能製氫

太陽能制氫系統工作流程示意圖

在前面的章節中提到的製氫方式,不論是傳統的,或者是核能,或多、或少還是會對環境造成污染,所以只有使用再生能源製氫才『王道』,也是我寫這篇文章的真正目的。而在再生能源中又以太陽能的使用是最直接、也最方便的。

使用太陽能制氫有下面幾種方式:

1、太陽能熱分解水制氫。將水或水蒸汽加熱到 3000K 以上,水中的氫和氧便能分解。這種方法制氫效率高,但需要高倍聚光器才能獲得如此高的溫度,一般不採用這種方法制氫。

2、太陽能熱化學循環制氫。為了降低太陽能直接熱分解水制氫要求的高溫,發展了一種熱化學循環制氫方法,即在水中加入一種或幾種中間物,然後加熱到較低溫度,經歷不同的反應階段,最終將水分解成氫和氧,而中間物不消耗,可循環使用。熱化學循環分解的溫度大致為 900 ~ 1200 K,這是普通旋轉拋物面鏡聚光器比較容易達到的溫度,其分解水的效率在 17.5% ~ 75.5%。存在的主要問題是中間物的還原,即使按 99.9% ~ 99.99% 還原,也還要作 0.1% ~ 0.01% 的補充,這將影響氫的價格,並造成環境污染。

3、太陽能光化學分解水制氫。這一制氫過程與上述熱化學循環制氫有相似之處,在水中添加某種光敏物質作催化劑,增加對陽光中長 波光能的吸收,利用光化學反應制氫。日本有人利用碘對光的敏感性,設計了一套包括光化學、熱電反應的綜 合制氫流程,每小時可產氫 97 升,效率達10%左右。

4、太陽能光電化學電池分解水制氫。1972 年,日本本多健一等人利用 n 型二氧化鈦半導體電極作陽極,而以鉑黑作陰極,製成太陽能光電化學電池,在太陽光照射下,陰極產生氫氣,陽極產生氧氣,兩電極用導線連接便有電流通過,即光電化學電池在太陽光的照射下同時實現了分解水制氫、制氧和獲得電能。這一實驗結果引起世界各國科學家高度重視, 認為是太陽能技術上的一次突破。但是,光電化學電池制氫效率很低,僅 0.4%,只能吸收太陽光中的紫外光和近紫外光,且電極易受腐蝕,性能不穩定,所以至今尚未達到實用要求。

5、太陽光絡合催化分解水制氫。從 1972 年以來,科學家發現三聯毗啶釘絡合物的激發態具有電子轉移能力,並從絡合催化電荷轉移反應,提出利用這一過程進行光解水制氫。這種絡合物是一種催化劑,它的作用是吸收光能、產生電荷分離、電荷轉移和集結,並通過一系列偶聯過程,最終使水分解為氫和氧。絡合催化分解水制氫尚不成熟,研究工作正在繼續進行。

6、生物光合作用制氫。40多年前發現綠藻在無氧條件下,經太陽光照射可以放出氫氣;十多年前又發現,蘭綠藻等許多藻類在無氧環境中適應一段時間,在一定條件下都有光合放氫作用。目前,由於對光合作用和藻類放氫機理瞭解還不夠,藻類放氫的效率很低,要實現工程化產氫還有相當大的距離。據估計,如藻類光合作用產氫效率提高到 10%,則每天每平方米藻類可產氫 9 克分子,用 5 萬平方公里接受的太陽能,通過光合放氫工程即可滿足美國的全部燃料需要。 太陽能-生物質能轉換通過植物的光合作用,太陽能把二氧化碳和水合成有機物(生物質能)並放出氧氣。光合作用是地球上最大規模轉換太陽能的過程,現代人類所用燃料是遠古和當今光合作用固定的太陽能,目前,光合作用機理尚不完全清楚,能量轉換效率一般只有百分之幾,今後對其機理的研究具有重大的理論意義和實際意義。

7、半導體光催化材料。我們知道,在標準狀態下把 1mol 水(18克)分解成氫氣和氧氣需要約 285 kJ 的能量,太陽能輻射的波長範圍是 200-2600 nm,對應的光子能量範圍是 400-45 kJ/mol。但是水對於可見光至紫外線是透明的,並不能直接吸收太陽光能。因此,想用光裂解水就必須使用光催化材料,科學家們往水中加入一些半導體光催化材料,通過這些物質吸收太陽光能並有效地傳給水分子,使水發生光解。以二氧化碳鈦半導體光催化材料為例,當太陽光照射二氧化化鈦時,其價帶上的電子(e-)就會受激發躍遷至導帶,同時在價帶上產生相應的空穴(h+),形成了電子空穴對。產生的電子(e-)、空穴(h+)在內部電場作用下分離並遷移到粒子表面。水在這種電子-空穴對的作用下發生電離生成氫氣和氧氣。

技術研究的關鍵主要集成電路中在光催化材料的研究方面,光催化材料要滿足以下幾個條件:

(1)光催化材料裂解水效率較高;

(3)光催化材料最好要可能利用太陽所有波段中的能量。光裂解水制氫以半導體為催化材料,一般為金屬氧化物和金屬硫化物,然而,目前研究者一般均選用二氧化鈦作為光催化氧化的穩定性好,但是由於二氧化鈦無臭、無毒,化學穩定性好,但是由於二氧化鈦的禁帶寬度較寬,只能利用太陽光中的紫外光部分,而紫外光只佔太陽光總能量的 4%,如何減低光催化材料的禁帶寬度,使之能利用太陽光中可見光部分(占太陽能總能量的 43%),是太陽能裂解水制氫技術的關鍵。

大連物理化學研究所李燦研究組在 2003 年 7 月《化學通訊》上報道,發現了一種新的光催化材料,它由銦鋅的硫化物組成,能在太陽可見光照射下裂解水,連續產生氫氣和氧氣,並且效率保持穩定。

 2003 年 9 月南京大學環境材料與再生能源研究中心主任鄒志剛通過與日本產業技術綜合研究所的合作研究,向社會公佈了『可見光響應型水全分解光催化劑』這一重大科研成果,研製出一種新型的光催化材料,它由銦鉭氧化物組成,表面有一層鎳氧化物。這種催化材料在可見光波段起作用,它的催化效率和使用壽命都高於現有的同類催化劑。在實驗中,該所科學家採用陽光中波長為 402 nm 的可見光對水進行分解,結果氧和氫的生成率為 0.66%。據介紹,如果應用納米技術改進催化材料的結構特別是表面結構,可把水的分解率提高百倍。並首次完成了在戶外太陽光下光催化分解水制氫的實驗,這是國內開展新型環境材料和可再生能源研究取得的重要階段性成果。

 Labsolar 是國內第一套(於 2008 年年底在中科院化學所)實現商業化安裝的光解水制氫系統。集成了光源,反應器及玻璃管道體系,取樣系統,氣體循環,真空環境等多種設計技術和製造技術,結合氣相色譜儀器,可以完成高能量密度光照、反應、氣體在線連續取樣、分析的科研工作,為我國的能源、材料等戰略性研究的不斷發展做出了重要貢獻。

純化

方法基本原理適用原料氣製得的氫氣純度(%)適用規格
高壓催化法氫與氧發生催化反應而除去氧含氧的氫氣,主要為電解法製得的氫氣99.999
金屬氫化物分離法先使氫與金屬形成金屬氫化物後,加熱或減壓使其分解氫含量較低的氣體>99.9999中小
高壓吸附法吸附劑選擇吸附雜質任何含氫氣體99.999
低溫分離法低溫下使氣體冷凝任何含氫氣體90~98
鈀合金薄膜擴散法鈀合金薄膜對氫有選擇滲透性,而其他氣體不能透過氫含量較低的氣體>99.9999中小
聚合物薄膜擴散法氣體通過薄膜的擴散速率不同氣體通過薄膜的擴散速率不同煉油廠廢氣92~98

燃料電池

燃料電池原理

燃料電池(Fuel Cell),是一種發電裝置,必須以繼續添加燃料以維持其電力,所需的燃料是『氫』,其運作原理就是電池含有陰陽兩個電極,分別充滿電解液,而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構成。氫氣由燃料電池的陽極進入,氧氣(或空氣)則由陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用,使得陽極的氫原子分解成兩個氫質子(Proton)與兩個電子(Electron),其中質子被氧『吸引』到薄膜的另一邊,電子則經由外電路形成電流後,到達陰極。在陰極催化劑之作用下,氫質子、氧及電子,發生反應形成水分子,因此水可說是燃料電池唯一的排放物。

目前燃料驅動車輛的方式有兩種,汽車以燃燒方式帶動內燃機,電動車則由燃料電池放電,以電力帶動馬達。內燃機不管是燃燒汽油、天然氣或氫氣,效率約只有 12%。燃料電池放電帶動馬達,轉換為車輛的動力,其效率則約達 22%,這些數據顯示燃料電池對傳統的內燃機是有競爭能力的。

氫能燃料電池是一個理想的使用方式,既安靜又無環保問題,以電力驅動馬達帶動車輛的效率是內燃機的一倍以上。燃料電池有多種型式,使用質子交換膜的氫能燃料電池可在低溫下運作,目前的轉換效率約 40 ~ 50%,未來的目標必須提升至 80%。而在可攜式的小型氫能燃料電池已經發展成功,可使用於手機及筆記型電腦,只要儲存問題解決,長時間使用不是問題。就能源總量而言,它雖微不足道,但附加價值高,而且數量龐大。

目前氫燃料電池,仍有許多限制需要克服,如需使用貴重金屬當催化劑,導致成本較高;燃料體積過大導致續航力不足等。

氫氣的儲存

氫(分子)是最輕的化合物,它的沸點很低(20.27 K),密度很小,單位重量的體積很龐大,再加上安全問題,儲存及運輸的成本非常昂貴。所以由於現今氫氣最大宗的用途是化學工業,因此大多就地生產,直接以管線傳輸供應工廠。管線的材料一般使用碳鋼,但它會和氫發生氫脆(Hydrogen Embrittlement),有安全的問題,必須嚴加注意。 氫可以用氣體、液體或固態化合物三種形態儲存。

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,而現有複合物壓力瓶的壓縮容量,約為每平方公分352公斤重。

液態氫:氫分子的正常沸點是 20.27 K 或攝氏零下 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,有些還是以雙層絕熱,外層存有液態氮,以減少氫氣的蒸發。但即便如此,每日從封口蒸發而損耗的氫氣量,約為總存量的 5%。另一個問題是蒸發氫氣的排放,也需要妥善的處理。

至於傳輸方面則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。

固態形式:這並不是以固態氫的形式儲存,一般是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%,有些可以高達 5 ~ 7%。經研究證明,在一定的溫度和壓力條件下,一些金屬能夠大量『吸收』氫氣,反應生成金屬氫化物,同時放出熱量。其後,將這些金屬氫化物加熱,它們又會分解,將儲存在其中的氫釋放出來。這些會『吸收』氫氣的金屬,稱為儲氫合金。其儲氫能力很強。單位體積儲氫的密度,是相同溫度、壓力條件下氣態氫的1000倍,也即相當於儲存了1000個大氣壓的高壓氫氣。儲氫合金都是固體,需要用氫時通過加熱或減壓使儲存於其中的氫釋放出來,因此是一種極其簡便易行的理想儲氫方法。目前研究發展中的儲氫合金,主要有鈦系儲氫合金、鋯系儲氫合金、鐵系儲氫合金及稀土系儲氫合金。

儲氫合金還有將儲氫過程中的化學能轉換成機械能或熱能的能量轉換功能。儲氫合金在吸氫時放熱,在放氫時吸熱,利用這種放熱-吸熱循環,可進行熱的儲存和傳輸,製造製冷或采暖設備。此外它還可以用於提純和回收氫氣,它可將氫氣提純到很高的純度。例如,採用儲氫合金,可以以很低的成本獲得純度高於 99.9999% 的超純氫。儲氫合金的飛速發展,給氫氣的利用開闢了一條廣闊的道路。目前中國已研製成功了一種氫能汽車,它使用儲氫材料 90 公斤,可行駛 40 公里,時速超過 50 公里。今後,不但汽車會採用燃料電池,飛機、艦艇、宇宙飛船等運載工具也將使用燃料電池,作為其主要或輔助能源。另外由於大量使用的鎳鎘電池(Ni-Cd)中的鎘有毒,使廢電池處理複雜,環境受到污染。鎳氫電池與鎳鎘電池相比,具有容量大、安全無毒和使用壽命長等優點。發展用儲氫合金製造的鎳氫電池(Ni-MH),也是未來儲氫材料應用的另一個重要領域。

至於奈米碳管的管徑由數個至數十奈米都有,空孔的比率很高,也是一種理想的儲氫材料,理論上可以儲存本身重量的 4.2 ~ 65%。奈米碳管及其儲氫技術仍在研發階段。固態儲氫方式的最大優點就是安全和方便。

太陽能電池

太陽能轉換原理

順帶提一下,太陽能電池。目前結晶矽太陽能電池的理論最高轉換效率可達29%,實驗室做出最高轉換效率為 25%,但多晶矽電池轉換效率僅 16~17%,單晶僅 17~18%。但有新聞指出Spire 所研發新 GaAs 太陽能電池轉換效率 42.3% 創記錄。而另外一則新聞中,由橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)的Jun Xu帶領的研究小組已經開發出以3D納米錐基太陽能電池平台,聲稱可以改善電荷傳輸機制從而提高太陽能電池光電轉換效率約達 80%。這就讓人有點懷疑他的真實性了。但是不管怎樣高效率太陽能技術的開發,必須考慮各種可能造成效率損失的因素,包括:光的反射損失;帶電載子於表面、內部復合損失;串聯電阻損失。業者積極尋求方法,減少上述損失,提升結晶矽電池轉換效率。

結論

從上述的資料我們可以知道,目前以氫能取代石化能源,還有一段距離。但是我們同時也知道,以目前的技術的發展進度而言絕對是做的到的。只是在目前石化能源價格還算是可接受的範圍之下,有多少政府願意大量投資在這方面呢?我想結論式很明顯的,我們還是要忍受一段被石化污染的日子。

在找資料的時候無意間看到一則有趣的傳聞,『殲-20上確確實實用的是液氫燃油
』內容上說『是使用納米技術將高密度氫「擠」進小水珠 的方法取得成功地。』於是我開始上網尋找相關的報導,嘿!果然以關鍵字『人造汽油』找到類似的報導,『英國科學家最近宣布成功研發「人造汽油」,這種改良的氫基燃料(Hydrogen-based Fuel),不但成本低廉,1公升只要8.7元台幣,且不會排放溫室氣體,預計最快3年後就可上市。』。嘿嘿,你如果看過我之前的文章『為什麼又是英國研究?』,你就會知道,原來這又是英國佬在搞置入式行銷啦!

其實關於殲20使用液氫燃油的消息,是根本不用上網查證的,基本上有學過初中化學的都知道,液體的溶解有所謂的飽和濃度上的問題,一滴水在怎麼奈米也不能溶入得了同體積的液氫,那麼?問題來了,殲20得載多少水才足夠起飛?這個問題就留給各位看官了!

附註 1. 能量轉換率比較

薄膜型太陽能(7%~12%)、晶圓型太陽能(12%~20%)、傳統核能電廠(30%)、火力發電(36.8%)、聚光型太陽能(31%~40.7%)、新式核能電廠(42~57%)

附註 2. 興登堡飛船意外事件

1937年“興登堡飛船”的意外事件,使人們對氫抱著敬而遠之的態度。通常對氫的畏懼,被稱為“興登堡恐懼症”。在那歷史性的事件裏,大火在二分鐘內就蔓延整個飛船,79人中有15人喪生。

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