簡介 - 雙級熱壓縮儲氫系統模組建立及性能參數研究

1-1 研究背景

自從工業革命開始，人類對於石化燃料的使用日漸倍增，燃燒大量的煤炭及石油產生工業產品及商業服務，但這些年來燃料裝置的進步，使得更有效率地使用能源，如在美國能源效率由十九世紀中期每GDP(國內生產毛額)需花費 70MJ 的能量，下降至今日每GDP 需花費 20MJ 的能量，一百多年來效率增進 3.5 倍，還有商用燃料的多元化，除了早期的煤炭石油外，人類也發展出天然氣、核能、再生能源等，其含碳量的比例其實是在下降的，碳與氫的比例（C／H）大約是：木材（10 / 1）、煤(2 / 1)、石油（1 / 2）、

天然氣（1 / 4），此種轉變乃是對於能源環境的重視，因使用石化燃料所產生的二氧化碳，

造成地球環境的破壞，如：兩極融冰，暴風雨強度，人類的未來生存已出現警訊；另外提高能量密度也是未來能源的指標，固體燃料的市場佔有率也被液態燃料給取代，以交通部門在這轉變上最明顯，但近年來氣體燃料也有取代液化燃料的現象，天然氣佔有率有穩定成長，但主要使用對象乃限制於定置型發電，故必須尋找出一種替代石化燃料的能源，結合以上低的含碳量及高的能源密度，氫是未來較有機會替代的能源，氫存在於世界上的各個角落，氫能源沒有分配不均的情形，氫在使用上及最終生成的產物，並不會造成對地球環境的破壞，故氫能源的研究已逐漸受到世人的重視。

許多世界知名科學家包含我國中央研究院院士李遠哲博士都預言，二十一世紀是氫能源的世紀，因為在這世紀中，氫能將取代化石能源為主導人類文明發展，原因有四：

（1）化石能源即將使用完畢，人類所仰賴的石油及天然氣在本世紀中旬後蘊藏量已無法供給人類需求，在此之前，兩者之價格將飆漲而嚴重影響全球經濟發展和世界和平，

而氫氣為世界上存在最多元素之一，可說是取之不盡，用之不竭。（2）環境污染嚴重：

人類在二十世紀大量使用化石燃料，導致地球上的土地，空氣及水資源都有嚴重的污染問題，危及人類得生存及物種的演化，而氫轉換成能量所產生的副產品只有水，不會對環境造成許多的破壞。（3）全球氣候的惡化：燃燒化石燃料所產生的溫室氣體已嚴重影響人類的生存，造成氣候的變遷，破壞了自然的生存法則，而氫為能源時，在轉換的過程中不產生任何的溫室氣體。（4）能源分配不均：少數的工業國家用掉全世界大部分的能源，使得這些工業國家透過不同的手段，如：外交，軍事，經濟等手段，控制了能源分配，嚴重威脅到全球各國的供需平衡，而氫能無所不在，所以無分配的問題，以上四

點是使用氫能來取代石化燃料中，最重要的論點，但在取代的過程中，也會遇到許多的問題。

真正要使用氫氣當作動力來源還有許多障礙，例如:1937年的Hindenburg飛艇災難，

事實上災難的發生確實是氣體點燃爆炸產生，但要使氫氣爆炸需要三大元素：氧化劑（比如空氣等）、火花產生與氫氣的濃度，一旦這三個因素聚集，氫氣極可能產生燃燒或爆炸。其中最關鍵的是火花的產生是由飛船帆布表面的靜電所產生，而非氫氣自動的爆炸，因此在使用氫氣的安全考量上，需要一段很長時間教育、宣導及相關法規之規定，

讓世人對於氫氣之認知才有所改變；另外以相同之重量比較，氫氣所含的能量是石油的三倍，但氫氣的儲存方式還是沒有辦法像傳統液態燃料那樣簡單緊密，以汽車為例，如何有效的縮小其容量空間，使汽車駕駛座更為寬敞，汽車駕駛人提供所需的行駛距離和性能，儲存裝置的氫容納量必須足以達到目前可接受的480公里最低的行駛距離需求。

儲存槽必須以需要的流速釋放氫氣以便在道路上加速，並在實際的溫度下能良好操作，

最後還得在數分鐘內加滿或充填完成，且價格必須有競爭力。但目前的氫儲存技術離以上目標都還相當遙遠。

國際能源總屬於1977年簽署「氫使用協定」是目前最大的氫儲存研究團隊。成立於 2003年的「氫經濟國際合作計畫」已有17國政府參與，致力於推動氫能源與燃料電池技術。2004年12月亞太經合會（Asia Pacific Economic Cooperation, APEC）能源工作組

（Energy Working Group, EWG）與工業科學技術組（Industrial Science and Technology Working Group, ISTWG）於泰國召開「未來能源技術展望會議」，利用情境推演規劃方式（Energy Scenario planning）歸納至2030年未來能源科技發展之重點方向，主要四項領域為：1.氫能與燃料電池 2.生質燃料 3.化石能源淨潔利用技術 4.非矽材料低成本太陽電池及核融合技術等。氫能源並在這次會議中，在主要未來研究發展重點。此外，美國能源部在能源科技基礎研究之領域，主要為奈米技術能源利用、氫能與燃料電池、及能源安全之應用等方面。另外，美國能源部也於2005年開始執行「國際氫儲存計畫」，

成立三所卓越研究中心，在2006年，這項計畫就提供了3000萬美金的經費給80項左右的研究計畫。

由此可看出，全球投入氫能產業的熱潮，會隨著能源價格飆漲，產生更大前進之動力。

1-2 國內能源之發展現況

且與市售上研發出來的相關產品作為比較，而目前氫能專區以建構完整市售產品之氫能使用鍊，而工研院自行研發的系統只有儲存及壓縮已移交至南分院，而儲存與壓縮則採用熱壓縮儲氫系統取代傳統隔膜式壓縮機，熱壓縮儲氫系統具備以上氫能源示範專區應用之重點項目，為國人先導型研發系統。

1-3 氫氣儲存方式

根據研究顯示，在常溫常壓下（一大氣壓約等於每平方公尺1.03 kg/cm²），氫氣的相態為氣態，能量密度只有液態汽油的1/3000。容積75公升的箱子儲存一大氣壓的氫器，

只能推動一般汽車152公尺左右，因此要達到系統可用的程度需提高儲存密度；氫氣是世界上分子量最低的元素，但具有爆炸的危險性，故如何安全儲存氫氣是氫能源發展上遇到的瓶頸之一，氫儲存方式有：氣體鋼瓶儲氫，液態儲氫，奈米碳儲氫，儲氫合金儲氫…【1】等等，其中在國內最常使用的是前面兩種方法。

1-3-1 高壓氣體儲存

壓縮儲氫方式是將氫氣以氣態形式壓縮儲存於高壓容器中，可在常溫下使用，是目前最簡單和最常用的儲氫方法，耐高壓的儲氫容器及材料是此方法的關鍵，傳統高壓鋼材製成的儲氫壓力容器利用耐高壓（約300bar）的鋼材所製造，通常儲存的氫氣壓力大約為200bar。而利用儲氫罐儲存氫氣的缺點則是儲氫密度偏低；創新開發的高強度儲氫容器罐瓶採用碳纖強化材料製成，可以耐高達600bar之高壓，而平常使用時則填充至 450bar的儲存壓力，儲氫重量可達總重量的3~6wt.%。

1-3-2 液態方式儲存

液態儲氫具有儲存氫氣質量的比例，提高能量密度，目前液氫的儲存重量比約 16wt.%，體積容量約 0.04 kg H2/L。但是氫的液化溫度低-253℃，氫氣液化成本高，能量損失大氫氣液化大約需要消耗掉液化氫氣本身所含能量的40%，而且存在蒸發損失，

除此之外，由於氫液化的臨界溫度很低，在此溫度(33.2K)之上液態氫無法存在，因此液態氫只能存放在開放的系統當中，否則在室溫封閉系統中會有極高的壓力產生，導致危險性的發生，所以在常壓下蒸氣損失將是無法避免的。故在室溫下液化氫氣所需的能量理論值約為3.23 kWh/kg，但實際上卻需要達到 15.2 kW h/kg，需要極好的絕熱裝置來隔

熱，才能防止液態氫不會沸騰汽化，導致液體儲存設備非常龐大，因此較適合於陸上大型儲槽及海上運送船舶儲槽。

1-3-3 物理吸附（奈米碳管）

物理性吸附的方法則是利用材料本身的多孔性以及與氫氣分子間的吸引力達到聚集氫氣分子的目的，目前常見的吸附材料大都為碳基材料如碳纖維、活性碳以及奈米碳管等。CarPetis and Peschka【2】兩位學者首先提出在低溫條件下氫氣能夠在活性碳中吸附儲存。他們研究得知利用氫在多種活性碳上的吸附等溫線（adsorption isotherm），氫氣在活性碳上的吸附容量可以達到8.2 wt%以上。

。1998 年 Browning et al.【3】對於奈米碳纖維(Graphite nano-fiber, GNF)的儲氫能力進行研究，溫度600℃時通入乙烯氣體，並以 Fe/Ni/Cu 為金屬觸媒進行反應生成奈米碳纖維，

發現這樣的材料在室溫及120atm 的環境下，擁有 4.18 wt.%的儲能力。由於碳是一種良好的氣體吸附材料，對於很多氣體都有不錯的吸附能力，而這種性質的產生是由於：(1) 材料本身結構存在著許多微細的顆粒以及相當緻密的多孔結構﹔(2)在碳原子與被吸附的氣體之間存在著相互吸引的作用力。

1-3-4 金屬氫化物儲氫

金屬氫化物的儲氫原理乃使大量的氫氣為金屬所吸收，並轉變成金屬氫化物的形式儲存，氫就以固態結合的形式儲存於其中。氫和氫化金屬之間可以進行可逆反應，當外界有熱量加給金屬氫化物時，它就分解為氫化金屬並釋放出氫氣，其反應式如下式所示：

式中M：儲氫合金，MHn：金屬氫化物，ΔH：反應熱

用儲氫合金材料儲存與輸送氫，有以下特點:(1)體積儲氫密度高；(2)不需要高壓容器和隔熱容器；(3)安全性好，沒有爆炸危險；(4)可得到高純度氫。以MmNi4.5Al0.5(Mm 為混合稀土金屬)儲氫合金儲氫裝置爲例，該儲氫系統與過去150bar的高壓氣瓶方式相比，在相同儲氫量下，其容器體積僅爲高壓氣瓶的1/4。整個系統的體積變小，使汽車的運氫量相應增大，容器壓力降到10bar以下，提高了安全性，並且同時還提高了氫的純度，

在文檔中雙級熱壓縮儲氫系統模組建立及性能參數研究 (頁 12-21)