邱佑宗 / 工研院材化所
為達成2050年零碳排願景，各國政府與企業皆積極提出氫能政策與目標。看準未來氫能在能源需求的占比、於陸海空交通工具的應用、加氫站取代加油站、氫燃料電池等發展商機，相關投資方興未艾。如同天然氣，氫氣為氣態燃料，須以高壓儲氫瓶盛載，才能安全地儲存與輸送。本文概述氫運輸或儲存所需壓力容器之應用概況，包括加氫站、乘用車、軌道車輛、航空器等；此外，也簡介氣瓶型式種類及其結構和所用的材料、檢測的方法；最後說明國內相關產業能量現況。
【內文精選】
前言
為達成2050年零碳排願景，各國政府與企業皆積極提出氫能政策與目標。屆時美國所有再生能源及綠氫將占全國能源需求14%、中國氫能占總能源消耗10%及年經濟產值10兆人民幣、日本全面以氫能汽車及加氫站取代汽油車與加油站、歐盟累計氫能投資金額達1,800億~4,700億歐元。在企業方面，德國西門子與聯邦鐵路公司發展氫動力燃料電池列車並於2024年試行、歐盟空中巴士在2035年推出氫燃料飛機、英國BP石油在德國投資的氫能製造廠於2024年商轉、日本三菱於歐洲投資氫氣製鋼2021起年產25萬噸鋼鐵、韓國現代汽車投資7.6兆韓圜以達商用車氫燃料電池系統市占25%。
氫動力交通工具與其所使用的高壓氣瓶
自氫燃料電池車上市以來至2020年底，全球共銷售了2.75萬輛，其中2020年一年就賣出了8,500輛，顯示近年市場明顯成長。據預估，若美國每天要對1.8萬~450萬輛的氫燃料電池車提供1.3萬~340萬公斤的氫氣，則須有由1,500~3,300個加氫站所構成的網路方能維持營運。
除了乘用車外，氫燃料電池動力系統也應用於鐵路。Cummins的二節氫動力列車Coradia iLint，2021年起於德國服務，最大行駛距離1,000公里，最高時速140公里，其使用24支Hexagon所提供之350bar、容積300公升的IV型瓶，每支氣瓶可充填9公斤氫氣。在氫能應用於航空方面，目前最大的氫電動飛機為—架6座飛機，已進行35次飛行測試，目前正在準備ZA600動力系統的地面和飛行測試，將用於Dornier 228 19座飛機，目標為2024年推出第一條從倫敦到鹿特丹機場的氫電商業航線，實現零碳排飛行。
氫燃料電池用高壓氣瓶
如同天然氣，氫氣為氣態燃料，須以高壓儲氫瓶盛載，方能儲存與輸送。高壓氣瓶可分為：I型瓶(Type-I)：全金屬殼；II型瓶(Type-II)：金屬殼，外部中段圓周方向以纖維複材纏繞；III型瓶(Type-III)：金屬內襯，外部以纖維複材全部纏繞包覆；IV型瓶(Type-IV)：塑料，外部以纖維複材全部纏繞包覆；V型瓶(Type-V)：其他。鋼材所構成的I型瓶造價最低，但重量也最重。玻纖IV型瓶的成本與鋼I型瓶相當，但重量僅約鋼瓶的一半；而碳纖IV型瓶的成本超過鋼I型瓶兩倍以上，但重量僅約鋼瓶的30%。
典型加氫站配置如圖八。所使用的儲氫氣瓶例如：①CIMC傳統大容積無縫鋼瓶，壓力350 bar，單一拖車氫氣運輸量約500公斤；②FIBA Tech鋼內襯/碳纖複材II型瓶，壓力945 bar，儲氫7 kg的瓶重797 kg，即氫/瓶重量比0.87%；儲氫34 kg的瓶重3,300 kg，即氫/瓶重量比1.03%；③Hexagon碳纖複材IV型瓶，有壓力250 bar、350 bar、500 bar等規格， 單一拖車最高可裝載氫氣1,100Kg。
圖八、加氫站配置
高壓氣瓶測試
根據聯合國 GTR13 Global Technical Regulation on Hydrogen and Fuel Cell Vehicles、SAE J2579：燃料電池和其他氫燃料汽車中的燃料系統標準，氫氣瓶須經過耐久性性能驗證測試序列(圖十七)：①150%額定工作壓力之靜水壓測試；②(無內壓)跌落測試；③(無內壓)表面損傷；④(無內壓)化學暴露；⑤常溫125%額定工作壓力之循環5,500次；⑥常溫150%額定工作壓力之循環10次；⑦常溫180%額定工作壓力之耐壓測試；⑧殘餘強度爆破測試。
圖十七、氫氣瓶耐久性性能驗證測試序列
國內相關發展
在國內方面，2020年10月能源局核准台灣首座元寧企業廠區用加氫站啟用，標準型占地20呎貨櫃，整合製氫、壓縮、存儲、填充等，組成一加氫系統，將20立方米4N純氫，以自製隔膜式壓縮機增壓達450 kg壓縮填充至3支480 bar中存儲，再使用加氫槍完成灌充至載具儲氫瓶，具運輸方便、機動性高等特點，適用範疇涵蓋輕軌、挖土機、堆高機等。
工研院材料與化工研究所先進複合材料設計及應用研究室經5年開發，已完成基於機械手臂的自動化纏繞製程系統，相較於傳統龍門型的纖維纏繞專用機，大幅降低建置成本，也更具小量多樣的生產彈性---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》423期，更多資料請見下方附檔。