1、能源應用 氫能源 組員:4960J061 鄧敏佑4960J130 翁承宏4960J131 丁俊維4960J136 劉家睿 指導老師 王永山老師四電機四B第17組氫能源介紹氫能源介紹n石油、天然氣、煤炭、核能、水力、地熱、生質能與其他可回收利用的能源。由於化石燃料會有耗盡的一天，又目前並沒有一樣環保、經濟、安全、清潔與快速的新能源被開發使用，故能源價格在長期來看，勢必上漲。自從 1970 年代的石油危機發生以後，先進國家對替代能源的尋找轉趨積極，氫能尤其受到重視。因為氫的來源（海水）取之不盡，用之不竭，。氫氣與氧氣燃燒可產生約2,600高溫，用電弧或加熱鎢絲將氫分子解離為氫原子，然後使這些原子重
2、新化合時甚至可以產生3,400以上的高溫。由氫氧機電解出來的氫能源對於投入對有毒廢棄物處理的焚化業更是一項利多。台灣國內的石油完全依賴進口，卻幾乎每一家庭都有一輛汽車。中國人口13億，近年來經濟快速成長，使汽車的需求急增，車輛總數達到一千多萬輛。對石油的需求及環境的衝擊令人不敢想像，希望擁有汽車以帶來生活方便是人之常情，因此，石油的供給以及尋找可能的替代能源，是非常急迫的問題。由前一陣子石油價格的飆漲來看，可見氫能相關的問題應及早深入思考與行動。氫的生產與價格氫的生產與價格 若以原料的來源來區別,氫氣的生產方法可以分為兩大類，一類是由化石原料製氫主要商業化的製程有：蒸氣重組法 部分氧化法 水煤
3、氣法 另一類則為非化石原料製氫法,主要製程有：水電解法水光電解法實驗室中少量製氫法 利用水蒸氣裂解天然氣生產氫的成本約每公斤1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。1公斤的氫能大約相當於1加侖的汽油，目前的汽油每加侖約2.8美元，因此氫引擎汽車的燃料費用是難以和汽油競爭的。以上都是先前在 2004 年所做的估計，現應相對漲價。如果以氫燃料電池驅動車輛，能源效率大約是引擎的兩倍，則氫的燃料費用是具有競爭力的。氫的傳輸氫的傳輸 氫（分子）是最輕的化合物，它的沸點很低 （20.27 K），單位重量的體積很龐大，再加上安全問題，運輸的成本非常昂貴由於現今
4、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有安全的問題，必須嚴加注意。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：氫分子的正常沸點是 20.27K 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
5、發。另一個問題是蒸發氫氣的排放，也需要妥善的處理。3.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。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，惟金屬氫化物會因受污染而使存放壽命減少。氫能含量 不管氫能是以何種形式使用，最終產物都是水，也就是被氧化成水。它到底存有多少能量呢？根據氫和一些常用碳氫化合物的反應熱或燃燒熱的分析，氫確實有遠高於其他燃料的能量密度，1 公斤氫約相當於 3.0 公斤的汽油。但這只是理論值，其他周邊設施如儲存箱並未
6、考慮進去。實際上氫不管是以壓縮的氣體或超冷的液體存放，容器的體積都是非常龐大而笨重的。能源效率能源效率 前述的燃料反應熱或能量密度只是一個理論值，既然石油的最大宗消耗是驅動機動車輛，而氫能未來的使用也以此為研發目標。燃料驅動車輛的方式有兩種，汽車以燃燒方世帶動內燃機，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，尤其是以蒸汽裂解產生氫氣更具有優勢。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
7、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（攝氏 60 100 度），目前的轉換效率約 40 50，未來的目標必須提升至 80。但不要忘記，電動車的電池也有多種選擇。傳統的鉛酸電池技術已非常成熟，鎳氫電池可以安慰的是它使用氫能，燃料電池則可以使用天然氣或甲醇，它們都是不可忽視的競爭者。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。統整燃料電池的優缺點：低污染、高效率、低噪音、用途多、免充電、進料廣等優勢；高成本、燃料系統的選擇與相關技術的可用性需要一連
8、串的測試來說服消費者接受、需受限於其反應性與穩定性等缺點。溫室效應 由於工業的發展及生活方式的改變，大量燃燒石油及煤，產生過量的二氧化碳，使大氣的生態失去平衡。太陽照射至地球的能量和地球表面輻射至太空的能量應達到一平衡狀態，但過量的二氧化碳吸收太多地球輻射的紅外線，減少散熱而造成暖溫的效果。尤其是近半世紀來，可以明顯地偵測出大氣溫度逐漸上升的趨勢，造成所謂的溫室效應。氫氣的燃燒產物只有水，初看是絕對符合環保的要求，但實際上是否如此呢？地球上並沒有游離的氫氣可供開採，現階段 95 是由水蒸氣和碳氫化合物反應而得，副產品就是二氧化碳。一般天然氣井本身就含有約 9 的二氧化碳，相當可觀，使用前必須加
9、以分離。即使是電解水生產氫氣，仍須消耗大量的電力，而我國大部分的電力來自火力發電，間接產生的二氧化碳很可觀。因此使用氫能並非沒有溫室效應的問題。使用裂解氫的氫燃料電池雖然可減少二氧化碳的排放，但也不是完全乾淨，製造的二氧化碳大約是傳統汽油引擎的 38。唯一可以安慰的是這些二氧化碳排放在人煙稀少的發電廠或生產工廠，不會造成都市的空氣污染，但對地球的溫室效應是同等的。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，氫在低至 20K 的溫度就達到引燃點，其混合氣體的引爆範圍非常廣，在空氣中含有 3 75 體積的氫氣都可引
10、發氣爆，而天然氣的範圍是 5 15。就拿氫氣與液化石油氣比較，由於氫氣的密度低，一旦氫氣外洩，氫氣會往上迅速擴散，而被大量的空氣稀釋，不會累積濃度；若是液化石油氣外洩，因其比重較空氣重，將會很快的在地面累積濃度，造成中毒或爆炸的危害，因此作為燃料，氫氣的安全性比液化石油氣(瓦斯)高很多。歷史上發生兩件眾所周知的氫爆炸意外事件。一是 1937 年的興登堡飛船降落時發生的爆炸，事後的調查發現是火花先引燃氣囊材料的結果。死亡 37 名中有 35 名是跳船而死的，只有兩名是被燒死的，而其原因是外套附著有飛船上的柴油。另一事件是 1988 年太空梭升空時發生的意外，由於連接液態氫燃料箱的墊圈出現裂縫使氫氣外漏，在這種情況下，任何一種燃料可能發生的後果應是沒有差別的。未來展望 人類大量地超用地球寶貴的石油資源，儘管數十年來常有驚人的發現，開採技術也不斷地提升，外海油井已開挖深至 18,000 英尺，附在泥沙上的焦油也具精煉價值，一時使人有油源不成問題的錯覺，因此從 90 年代起大功率的休旅車開始盛行。但石油終有用盡的一天，問題在開採量何時到達頂峰。美國能源部已於 2001 年的能源會議中有了共識：必須減少對石油的依賴，而氫是最可行的替代能源，因而有必要建立一個供需架構使其達到氫能經濟的規模。參考文獻 http:/ END
