能源是推動國家發展及經濟活動的基本動力,近年來許多國家追求經濟擴張,使得全球化石能源(特別是石油)供需問題日益浮現。如今再加上二氧化碳排放量管制在即,對替代與潔淨能源的需求將更緊迫。氫能源可從再生能源轉製,被各國視為最具提升國家能源安全、減少溫室效應氣體排放及可替代化石能源之二次能源。而且大自然中的氫能源含量豐富可不斷地循環,只要克服生產、儲存、輸送及應用技術障礙,便能發展出更具效率與多元的永續能源供需體系。若要氫能源可以很方便地使用,最需要克服的障礙在於氫能源的儲存技術(儲氫技術),因此各先進國家均投入大量資源開發儲氫技術。氫能源的生產可從化石能源或是再生能源而得(參看圖一),氫能源的應用可從小功率的可攜式電子產品到大功率的汽機車。氫能源生產和氫能源應用中間的橋樑就是發展氫氣的儲存技術,因此我們可以了解到儲氫技術就是希望能將大量的氫氣儲存在體積小且重量輕的系統裡,以便攜帶。考慮到應用產品的負載功率起伏不定,儲氫系統的氫氣供給要能跟得上負載的變化,所以儲氫系統也要符合Hydrogen on Demand的要求。從另外一個角度來看,儲存氫氣不失為儲存能量的一個好方法,例如太陽能、風能或是離峰電力所產生的多餘電能可以用電池儲存起來(參看圖二),或是也可以電解水產生氫氣儲存起來。以氫氣儲存的方式儲存電能的好處是:儲氫的能量密度比電池大;可儲存的時間長;氫氣的用途較多、透過燃料電池產生電能、透過爐具產生熱能、也可將汽機車加氫。由以上的討論說明了我們為什麼要發展儲氫技術。
圖一、氫氣生產和氫能應用與氫能儲存的關係圖
圖二、儲氫與儲能的範例
氫能源儲存技術介紹
氫能源儲存可分為儲存在容器內或是儲存在材料裡。儲存在容器內則以高壓將氫氣壓入容器內儲存,或是將氫氣液化後儲存在容器內。高壓氫氣儲存一般認為有安全上的疑慮,液態氫儲存有蒸發洩漏與耗能的問題。氫能源儲存在材料裡則利用材料與氫的鍵結將氫封存在材料內,這類的材料稱作儲氫材料。儲氫材料儲存方式被認為是最安全且具有高密度儲存的潛力。儲氫材料可分類為:金屬儲氫材料(Metal Hydrides)、化學儲氫材料(Chemical Hydrides)和吸附型儲氫材料(Sorbents)。吸附型儲氫材料利用高表面積來吸附氫氣,需要低溫來儲氫,通常為碳基的材料;傳統金屬儲氫材料(如LaNi5 或TiMn2)可在室溫下吸放氫氣,但儲氫量小,而儲氫量大的金屬儲氫材料則有需要在較高工作溫度才能吸放氫氣的問題;化學儲氫材料具有在適當工作溫度將氫氣釋放出來以及高儲氫量的優點,其問題為化學儲氫材料與另外一個物質(通常是水)發生化學反應將氫釋放出來後,就形成廢料,為一次性儲氫材料,需要將化學儲氫廢料運至工廠再生將氫氣儲存進去。各類型儲氫方式皆有其優缺點,以下就儲氫技術的高壓儲存、液態儲存、金屬儲氫材料、化學儲氫材料與吸附型儲氫材料作簡單的介紹。
1.高壓氫氣儲存
2.液態氫氣儲存
3.金屬儲氫材料
4.化學儲氫材料
5.吸附型儲氫材料
吸附型儲氫材料為新型態的儲氫材料,利用大表面積將氫吸附在表面上以儲存氫氣。吸附型儲氫材料的問題多數需要低溫將氫氣儲存起來且儲氫的重量密度不大,例如奈米碳材/ 碳管和Metal-organic Frameworks(MOFs)。從各研究報告中得知,奈米碳材的儲氫量差距頗大,從小於0.1wt.% 到67.55wt.% 都有,因此奈米碳材的儲氫性能極具爭議性。美國能源部在2006 年成立專案,請專家學者針對SWCNTs 進行儲氫性能評估,評估的結果為:「美國能源部決定不繼續 Undoped SWCNTs 使用在車用儲氫上的研究,對於Metal Doped CNTs 還保持興趣」。Metal-organic Works 因其特殊的結構為多孔性的材料,氫則儲存在孔洞內,對氫的親和力可隨位置不同(參看圖八),也可利用不同的金屬來調節。
6. 儲氫材料現況
(上述各項儲氫材料詳文請連結至本文)
圖八、Metal-organic Framework 的結構
儲氫技術目標與儲氫系統現狀
儲氫技術最終使用目的是替代目前的化石燃料,例如汽車用的汽油燃料,因此從目前汽車使用汽油燃料的狀況,來設定氫能汽車用的儲氫技術目標是合理的。我們可以參考美國能源部(DOE)以氫能源替代目前汽車燃油所訂出的中長期儲氫技術目標,其中的技術目標考量到使用氫能源達到目前汽車的實用性、便利性與商業性,因此儲氫技術目標包括:儲氫系統單位重量的儲氫量、單位體積的儲氫量、儲放氫速率以及工作溫度等。儲氫系統單位重量的儲氫量(wt.%),是儲存氫氣的重量與系統總重量的比值。系統總重量是指儲氫系統要達到儲氫技術目標所
需所有物件的重量,包含儲氫材料、儲存容器、閥門、管路、感應器、溫度管理元件、純化器等的重量。儲氫系統單位體積的儲氫量(kg/L),是指儲存氫氣的量與系統總體積的比值。目前儲氫系統單位重量的儲氫量是最直接的要求,因為這個目標關係著續航力。
儲氫材料的開發方向與展望
目前所有儲氫系統皆未達到美國能源部對2010 年所設定的目標,儲氫材料開發應著重於其實用價值,如工作溫度不宜過高或過低、儲氫量大、氫氣釋放速率快及成本低廉等特性。要達到這些系統上之實用特性,應回歸到儲氫材料本身的設計。目前常見的高儲氫量的金屬儲氫材料其對氫的鍵結能力落在50~100 kJ/mol , 需要高溫來吸放氫。而物理吸附型儲氫材料對氫則有較弱的鍵結能(~10~50 kJ/mol),因此要適用在常溫常壓環境條件下,儲氫材料對氫的鍵結能力應落在10~50 kJ/mol 。目前短期內不易達到美國能源部設定的車用儲氫的技術目標。然而就實際面來看,短期內的儲氫技術目標應該根據輕型車或是行動式/ 定置型氫能源產品的氫氣載具來設定,則儲氫技術可先發展氫能源的先期市場(如消費性電子產品的可攜式電源或是備用電源)。
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作者: 谷傑人 / 工研院能環所
★本文節錄自「工業材料雜誌265期」,更多資料請見:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7461