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氫的來源雲水雲取之不盡，用之不雲，而且燃燒後的產物也是水，非常乾淨。但生產氫需要耗費很多雲源，也產生了環保的問題，且雲源轉換技術有待提升，供需系統也尚未建雲。■柯賢文未來的氫跐經濟雲源問題自從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（水）取之不盡，用之不竭，而且燃燒後的產物也是水，非常乾淨，絕對符合環保要求。2001年發生的911慘劇，使美國警覺到不可以太依賴回教世界的能源，因此美國能源部於當年11月在華府舉辦一個氫能源會議，目標在為美國未來尋找一種更安全和更乾淨的能源，結果一致認為氫氣是未來重要能源之一。這次會議的結論大致如下：（1）減少對進口石油的依賴是一個國家安全問題；（2）必須降低排放會產生空氣污染及溫室效應的氣體；（3）氫氣是美國解決未來能源問題所必需的；（4）所謂的氫能經濟已經來臨，但可能需數十年才能轉換成功；（5）即使使用氫能的機具都已成熟，內部的運作系統仍有待建立；（6）氫能經濟的發展會面臨「雞生蛋、蛋生雞」的問題。美國每天消耗約2,000萬桶的石油，其中有三分之二使用在驅動超過2億輛的機動車輛上，因此氫能的主要目標就是取代汽油，本文也會以這為討論重點。氫能看似一片美好，但卻有很多問題待澄清、討論和解決，因此所謂的「氫能經濟」可能需數十年才能轉換成功，故目標訂在2030年之後。這些問題包括生產、輸送、儲存、轉換、安全、成本、環保、以及運作系統等，每一項都是重要的關鍵技術，在沒有解決之前無法達到所謂氫能經濟的目標。國內的石油完全依賴進口，卻幾乎每一家庭都有一輛汽車。中國大陸人口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。如果有朝一日中國大陸機動車輛的數目達到先進國家的一半，對石油的需求及環境的衝擊令人不敢想像。另一個人口超過10億的大國印度，近年來的經濟發展也緊追在中國之後。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品，是非常急迫的問題。由前一陣子石油價格的飆漲，可見與氫69科學眓展2006年3月眓399期水是大眓然中的眓眓資源眓無眓景眓、嬉戲、清潔、眓殖、眓持生命眓沒一樣少得了它。現在科學家正嘗試由水取得氫眓以眓決眓源眓眓的問眓。攝影縯張志玲本較高。上述方法都會產生大量的二氧化碳，造成溫室效應的環保問題。電解水則是一種較為簡易的方法，氫離子在陰極被還原產生氫氣，氫氧離子在陽極被氧化產生氧氣。這確是一種簡易乾淨的方法，但耗電量太大。電解水的電極電壓是1.23V，因此生產1公斤氫消耗的電量約32.9度，1度電等於3.6百萬焦耳。因此電解水生產氫，只適合在電力便宜如水力發電區和離峰時段，或在實驗室中進行。氫的價格如何呢？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美元，因此氫引擎汽車的燃料費用是70科學眓展2006年3月眓399期能相關的問題應及早深入思考。目前全球氫氣的產量每年約5,000億立方米，以美國為例，主要的用途包括氮的固定以生產氨氣供肥料的製造，不飽和油脂的氫化使液體的植物油固化，焊接，生產鹽酸，冶金還原，超導等低溫研究，以及太空計畫等。可見當今氫工業的重點在化學品、石化工業、金屬冶煉及電子製程等，而生產氫氣應用在能源上仍處在實驗及萌芽階段。和氫工業相關的技術有生產、傳輸、儲存和轉換，以下逐項加以討論。氫的生產氫是結構最簡單的原子，只有1個帶正電的質子和1個帶負電的電子，宇宙大霹靂瞬間最先形成的原子就是氫，因此它仍然充斥在宇宙間，估計占有90％的原子數及75％的質量。在地球上，氫是含量僅次於氧和矽的元素，但並沒有游離的氫氣存在。現今美國每年約生產900萬噸的氫（分子），其中95％是由水蒸氣和碳氫化合物反應而得。一般的方法是在高溫下使水蒸氣通過附有鎳基催化劑的含碳化合物，然後加壓吸附，就可分離氫氣。常用的含碳化合物是煤炭和天然氣，與水蒸氣作用的生成物是氫氣和二氧化碳。如何提升催化劑的效率及降低反應溫度以便把生產成本降低，是最重要的問題。碳氫化合物的氧化是另一種熱反應生產方法，它是把限量的氧氣在高溫下，通過碳氫化合物。最常用的碳氫化合物是甲烷，反應生成物是氫氣和二氧化碳。由於需要純氧，所以成攝影縯張志玲汽眓是現代生活中不可或眓的代步工具眓但是眓眓汽眓所眓眓的眓油卻眓來眓眓取得眓眓個問眓眓眓嚴眓。科學眓展2006年3月眓399期71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。可見氫的生產雖然是一個成熟的工業，但欲達到氫能的經濟效益，仍有下列問題待解決：（1）價格太高，使消費難具誘因，（2）需求量不足，這和價格是雞生蛋、蛋生雞的問題，（3）產生大量的二氧化碳，（4）新的生產技術有待研發。研發中生產氫的方法，有以核能或太陽能熱裂解水、光電化學反應分解法、以及生質物的熱裂解法等，目標不外是降低成本及對環境的衝擊。水取之不盡用之不竭，因此由水分解產氫應是合理的思考途徑。分解水的能源必須很便宜，核能、太陽能還有風力都在考慮之列。採用集中生產或分散生產的方式也須加以考慮，前者須選擇在遠離人煙的地區，可以採用多樣的生產技術，效率較高，但運送成本也較高，後者則可以就地使用，運送不成問題。遠期的研發構想是建立氫養殖場（hydrogenfarm）。藻類的光合作用會產生氧氣，但科學家正在研究如何抑制氧的產生，以生成氫。氫的傳雲氫（分子）是最輕的化合物，它的沸點很低（20.27K），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（hydro-genembrittlement），有安李男提供理想的氫眓循環使用雲燃料電池陽光光合作用氫雲轉換儲存水取之不盡用之不眓眓因此由水分眓產氫應是合理的思眓眓徑。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，以減少氫氣的蒸發。另一個問題是蒸發氫氣的排放，也需要妥善的處理。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。奈米碳管的管徑由數個至數十奈米都有，空孔的比率很高，是一種理想的儲氫材料，理論上可以儲存本身重量的4.2∼65％。奈米碳管及其儲氫技術仍在研發階段。固態儲氫方式的最大優點就是安全和方便。72科學眓展2006年3月眓399期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3種形態儲存。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。液態氫氫分子的正常沸點是20.27K或攝氏零下253度，液化的全的問題，必須嚴加注意。遠地的傳輸則須把氫氣加壓或液化，然後以特殊的罐裝拖車運送。不管是以何種方式運送，都需要經過加壓的過程，這是非常耗費能源的。經過估算，加壓至80大氣壓的氫氣，含有的能量只有等壓等體積天然氣的三分之一。一輛能裝載2,400公斤天然氣的罐裝拖車，只能載運不到300公斤的氫。液態氫的裝卸容量可以5倍於高壓氫，但液化過程是非常費事的，而且只適合於短距離的運輸。氫氣在奈眓眓眓上的吸眓以一部汽車須具有足夠行駛500公里的油箱來衡量，目前的氫能儲存方式都無法和汽油箱相提並論。因此必須尋找一種質量輕、體積小、價格便宜，而且使用安全的氫儲存方法，否則氫能經濟難以推廣。一些化學反應的反應熱或燃燒熱化學反應氫氣和氧氣反應產生水碳和氧氣反應產生二氧化碳甲烷和氧氣反應產生水和二氧化碳雲烷和氧氣反應產生水和二氧化碳甲雲和氧氣反應產生水和二氧化碳乙雲和氧氣反應產生水和二氧化碳燃燒熱285.8KJ/mole393.5KJ/mole890.3KJ/mole5,511.7KJ/mole726.5KJ/mole1,500.0KJ/mole3種儲氫方式的雲力比雲，表內數據尚未把容器估算進去氫原子/cm3雲×1022雲0.994.26.55.96.05.5氫重量比雲雲雲1001007.63.61.891.37儲存形式氫氣，200大氣壓液態氫，20K氫化雲雲固態雲鎳雲氫化物雲固態雲鈦雲氫化物雲固態雲鎳雲氫化物雲固態雲以一部汽車須具有足夠行駛500公里的油箱來衡量，氫能不管是以高壓、低溫或金屬氫化物的方式儲存，都無法和汽油箱相提並論。因此必須儘快尋找一種質量輕、體積小、價格便宜，而且使用安全的儲存方法，否則氫能經濟難以推廣，高壓或低溫只適用於特定用途。解決之道，近期內須加速提升金屬氫化物的儲氫密度，長期則奈米碳管似乎是最為恰當的儲氫材料。氫雲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。雲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，汽車以燃燒方式帶動內燃機，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。在氫氣儲存問題尚未合理解決之前，發展氫氣內燃機似乎是必經之路，市區公車及卡車是適用的對象，因為它們有足夠的空間置放氫儲存箱，而且行駛路線固定，可設立統籌的加氫站。芝加哥公車已經使用氫能，而世界各大車廠也積極參與氫能車的研發。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73科學眓展2006年3月眓399期燃料雲量密度的比雲燃 料雲量密度雲J/Kg雲氫1.43×108燃煤0.33×108甲烷0.56×108庚烷0.48×108甲雲0.23×108乙雲0.32×108「油井到車雲」雲welltowheels雲不同驅動方式及燃料組合的雲源效率內燃機汽油12雲天然氣12雲氫氣12雲燃料電池氫氣8雲雲電雲水雲氫氣22雲雲蒸汽雲雲雲汽油18雲甲烷16雲乙烷10雲汽電共用17雲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。雖微不足道，但附加價值高，而且數量龐大。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。