產業介紹與定義

壹、 氫能產業介紹

氫雖為宇宙間存量最豐富之化學元素，但卻幾乎無法以元素態穩定存在，而主要以 水分子方式存在。水的熱力學能階較低，相當穩定，不易發生反應，因此，水可說是氫 最豐富之載體。氫能在能源分級中不屬初級能源 ( primary energy )，而是能源載體 ( energy carrier )，需由特殊程序處理後，方具有應用價值。氫能具有安靜和乾淨等環保 方面的優勢，使其在未來能源發展上，具有極重要之地位。

氫氣可以從水產生，傳統的電解與較先進的高溫製程，如核能或太陽能都可以用來 當作熱源，也可從生質物與煤炭氣化產生氫氣。目前，世界上大多數氫氣 ( 大約每年 5000 億噸 ) 是從處理天然氣過程中獲得，相關的氫燃料技術都已經商業化，有待解決 的主要問題是產氫過程所產生的 CO2，仍需發展有效的分離和捕捉技術以控制其排放。

氫能使用概念如圖 3-1 所示。

圖 3-1 氫能使用概念

資料來源：Edwards , Kuznetsov, David, Brandon (2008); 照片來源：Karl Harrison, University of Oxford

作為一種能源的載具，氫氣具有大量儲存之特性，即其能量儲存密度甚高，將能提 供大量的電能，但由於現今之材料與技術仍未能達到預期之標準，加上成本還無法有效 降低，所以主要應用集中在燃料電池。此外，氫能還具有能量來源多元化之特點，各種 初級能源可以經由不同的途徑來產生氫氣，例如風力機發電之後，電力通過電解槽電解 水後即可產生氫氣與氧氣；天然氣也可通過重組之程序產出氫；太陽能亦可利用光觸媒 的作用或電解分解出氫氣。據此，各國無不戮力於發展此產業，期望藉此穩定本國能源 使用來源，降低對他國之依賴。氫能產業的形成，勢必將衝擊全球能源產業，並引發另 一能源革命，創造新的經濟與產業發展。

根據 Dunn & Jensen et al.(2000)之研究，氫能產業依其流程大致可分為上游製造氫氣 (Hydrogen Production)，中游氫能儲存與運送(Hydrogen Storage & Transport)，以及下游

圖 3-2 氫能產業流程圖

資料來源： Jensen et al. (2000), Dunn (2000)

上游製造係利用多種製備方法量產氫氣，作為產業所需，第一、以現有化石燃料作 為原料，再用熱能過程之重組方式製造氫氣，如：蒸氣重組法(Steam Reforming)、部分 氧化法(Partial Oxidation)、煤炭氣化(Goal Gasification)等方法，其特色為集中式大量生 產，國內外石化公司如美國 Air Product、德國 Carbotech、台塑、中油等皆採用此法，

未來期望達到高重組轉化率、高能源使用效率，及可現場產氫(On-site)為目標。第二、

以水為原料，採用電解之方式來產出氫氣，鹼性電解法(Alkaline Electrolyzer )、固態氧 化物電解(Solid Oxide Electrolyzers )、薄膜電解法(PEM Electrolyzers )皆屬此範疇。第 三、利用再生能源，如：太陽能、風能等為主要原料，搭配化學能分解之技術。如今上 游目標必須著重發展能穩定製造氫氣之技術，且提升其效率並降低成本，提供產業所需。

中游則是以金屬 儲氫材料(Metal Hydride)、高壓式(High pressure)、化學方法 (Chemical Hydrogen Storage)、吸附式(Hydrogen Sorption)等方式，使氫氣能保存於特定 容器或是區域，再利用運輸工具、管線、大型儲存載具，將其傳送至各地或就地使用。

下游主要是將氫能有效轉為能量，以利人類使用，可應用於各式交通工具、固定式發電 系統、可攜式產品的電池，並創造於工業、家庭、軍事等多元用途上。

根據上述，氫能產業係指氫燃料、儲氫、運送氫與氫能各式應用所構成之系統，並 藉由氫能的利用，提供人類穩定與乾淨能源之產業。其牽涉到的科技相當廣泛，技術門

檻相對較高，加上具有環保、氫氣原料易取得、高能量效率之特性，世界各國與廠商皆 投入大量資源於此產業，期望在產業尚未成熟前提早布局，近而搶得先機。

貳、 氫燃料(Hydrogen Fuel Production)產業介紹

氫燃料產業位於氫能價值鏈之上游，係指利用係指氫燃料利用各種氫氣製備方法量 產氫氣，以作為氫能應用使用之產業。。一般認為，氫氣生產技術的研究策略分為短期 及長期。短期的目標仍以現有的化石燃料作為進料，以重組反應產氫燃料氣，其研究目 標在達到高重組轉化率、高能源使用效率、緊緻型及可現場(On-site)氫燃料等方面，譬 如薄膜助效重組反應及常壓電漿重組反應。長期的目標，則是以水為進料，以再生能源 產氫燃料氣，譬如再生能源發電搭配電解水技術、太陽光電化學法(Photoelectrochemical Method)，及太陽熱搭配熱化學技術。

氫燃料技術依美國能源部的分類方式，主要已製程方法的不同歸成有三大類：熱製 程 (Thermal Processes) 、 水 電 解 製 程 (Electrolysis Processes) 及 光 分 解 製 程 (Photolysis processes)。然而，一般的歸類的方式則是將這些方法細分成六項：石化重組法、水電解 法、光電化學法、熱化學法、再生能源及生物質氣化法。

一、 石化燃料重組

以煤、石油及天然氣為原料製取氫氣是當今製取氫氣最主要的方法。製得氫氣主要 作為化工原料，如生產合成氨、合成甲醇等。有時某些含氫氣體產物亦作為氣體燃料供 城市瓦斯。用石化原料氫燃料的方法包括含氫氣體的製造、氣體中 CO 組成變換反應及 氫氣純化等步驟。該方法在世界各國都是成熟的技術，並有大量工業生產裝置。

（1）以煤為原料製取氫氣

以煤為原料製取含氫氣體的方法主要有兩種︰一是煤的焦化（或稱高溫蒸餾），二 是煤的氣化。焦化是指煤在隔絕空氣條件下，在 900-1000°C 製取焦碳，副產品為焦爐 瓦斯。焦爐瓦斯組成中含氫氣 55-60％（體積）、甲烷 23-27％、一氧化碳 6-8％等。每 公頓煤可得瓦斯 300 一 350m3，可作為城市瓦斯，亦是製取氫氣的原料。煤的氣化是指 煤在高溫常壓或加壓下，與氣化劑回應轉化成氣體產物。氣化劑為水蒸汽或氧氣（空氣）.

氣體產物中含有氫氣等組份，其含量隨不同氣化方法而異。氣化的目的是製取化工原料 或城市瓦斯。大型工業瓦斯化爐如魯奇爐是一種固定床式氣化爐，所製得瓦斯組成為氫 37-39％（體積）、一氧化碳 17-18％、二氧化碳 32％、甲烷 8-10％。中國大陸擁有大型

古瓦斯化爐，用水煤漿為原料，中國大陸在 60 年代就開始研究開發，目前已建有工業 生產裝置生產合成氨、合成甲醇原料氣，其瓦斯組成為氫氣 35-36％（體積）、一氧化 碳 44-51％、二氧化碳 13-18％、甲烷 0.1％。甲烷含量低為其特點。中國大陸有大批中 小型合成氨廠，均以煤為原料，氣化後製得含氫瓦斯作為合成氨的原料。這是一種具有 中國大陸特點的取得氫源方法。採用 OGI 固定床式氣化爐，可間歇操作生產製得水氣。

該裝置投資小，操作容易，其氣體產物組成主要是氫及一氧化碳，其中氫氣可達 60％以 上，經轉化後可製得純氫。採用氣化氫燃料方法，其設備費占投資主要部分。煤地下氣 化方法近數十年已為人們所重視。地下氣化技術具有煤資源利用率高及減少或避免地表 環境破壞等優點。

(2）以天然氣或輕質油為原料製取氫氣

該法是在有激活劑存在下與水蒸汽回應轉化製得氫氣。主要發生下述回應︰

CH4+H2O→CO+H2 CO+H2O→CO2+H2

CnH2n＋2+nH2O→nCO+（2n+1）H2

回應在 800~820°C 下進行。從上述回應可知，也有部分氫氣來自水蒸汽。用該法製 得的氣體組成中，氫氣含量可達 74％（體積）。其生產成本主要取決於原料價格，中國 大陸輕質油價格高，製氣成本貴，採用受到限制。大多數大型合成氨合成甲醇工廠均採 用天然氣為原料，催化水蒸汽轉化氫燃料的技術。中國大陸在該領域進行了大量有成效 的研究工作、並建有大批工業生產裝置。中國大陸曾開發採用間歇式天然氣蒸汽轉化氫 燃料技術，製取小型合成氨廠的原料，這種方法不必採用高溫合金轉化爐，裝置投資成 本低。

（3）以重油為原料部份氧化法製取氫氣

重油原料包括有常壓、減壓渣油及石油深度加工後的燃料油。重油與水蒸汽及氧氣 回應製得含氫氣體產物。部分重油燃燒提供轉化吸熱回應所需熱量及一定的回應溫度。

氣體產物組成︰氫氣 46％（體積），一氧化碳 46％，二氧化碳 6％。該法生產的氫氣產 物成本中，原料費約占三分之一，而重油價格較低，故為人們重視。

另外有大型重油部份氧化法氫燃料裝置，用於製取合成氨的原料。

水電解氫燃料是目前應用較廣且比較成熟的方法之一。水為原料氫燃料過程是氫與 氧燃燒生成水的逆過程，因此只要提供一定形式一定的能量，則可使水分解。提供電能 使水分解製得氫氣的效率一般在 75～85％，其技術過程簡單，無污染，但消耗電量大，

因此其應用受到一定的限制。目前水電解的技術、設備均在不斷的改進︰對電解回應器 電極材料的改進，以往電解質一般採用強鹼性電解液，近年開發採用固體高分子離子交 換膜為電解質，且此種隔膜又起到電解池陰陽極的隔膜作用；在電解技術上採用高溫高 壓參數以利反應進行等。但水電解氫燃料能量消耗耗仍高，一般每立方公尺氫氣電耗為 4．5～5． 5kWh 左右。電能可由各種一次能源提供，其中包括石化燃料、核能、太陽 能、水力、風力、地熱及海洋能等等，核能、水力和海洋能其資源豐富，能長期利用。

太陽能取之不盡，其中利用光電氫燃料的方法即稱為太陽能氫能系統，國外已進行 實驗性研究。隨著太陽電池轉換能量效率的提升、成本的降低及使用壽命的延長，其用 於氫燃料的前景不可估量。同時，太陽能、風能及海洋能等也可透過電解製得氫氣並用 氫作為中間載能體來調節、貯存轉化能量，使得對用戶的能量供應更為靈活方便。供電 系統在低谷時富於電能也可用於電解水氫燃料，達到儲能的目的。

以水為原料的熱化學循環分解水氫燃料方法，避免了水直接熱分解所需的高溫

（4000K 以上），且可降低電耗，受人們的重視小該方法是在水回應系統中加入一中間

（4000K 以上），且可降低電耗，受人們的重視小該方法是在水回應系統中加入一中間