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「氫」壓一下!——熱壓縮儲氫壓縮機系統發展介紹

2006/02/05 經濟部能源局 點閱人次: 562

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▓撰文:鄭錫聰 ▓圖片提供:工研院能環所

零排放的氫能將成為全球矚目焦點,冰島宣布在2030年以前,開發成非碳能源的氫經濟世界,目前先進國家對氫能的研發投入相當多的努力。

近10年來,由於燃料電池技術的進步與京都議定書對於二氧化碳排放量的管制,因此屬於零排放能源的氫能成為能源發展的注目焦點。世界各大汽車廠爭相投入氫能汽車的開發工作,1998年冰島更宣布要在2030年以前,將冰島開發成非碳能源的氫經濟世界,顯見氫經濟時代即將來臨。但是氫能的推廣應用有一個重大問題亟需克服,氫氣是世上最小的原子,要如何將大量的氫氣儲存使用是一大關鍵,尤其是要如何將氫氣供應給路上行走的汽車使用,及如何將生產的氫氣儲存與運輸至消費地點。為解決此問題,未來的氫氣儲存壓力將高達350~700個大氣壓力,以利有限體積下能供應更多的氫氣。為了將氫氣加壓,勢必需要發展更符合經濟效益的氫氣壓縮機。

熱壓縮儲氫系統與傳統機械式氫氣壓縮機之比較

熱壓縮儲氫系統是利用儲氫合金在不同溫度下,具有不同的吸氫與釋氫壓力特性進行氫氣加壓的功能,與傳統機械式氫氣壓縮機透過活塞或透過隔膜壓縮氫氣,達到加壓氫氣功能的方式不同。熱壓縮儲氫系統是利用儲氫合金在常溫狀態下,只需要較低的壓力即可使氫氣被儲氫合金所吸收,當合金材料處於高溫時,可以提供較高的壓力將氫氣從合金材料中釋放,以達到將氫氣壓力提高的功能。相較於傳統機械式氫氣壓縮機利用電能來推動馬達的驅動方式,熱壓縮儲氫系統是透過溫度的變化來將氫氣加壓,直接供應熱能給儲氫合金以提供加壓氫氣所需要的能源。

在2003年美國能源部委託的研究結果中評估,將1公斤氫氣從1大氣壓加壓至350大氣壓,利用機械式壓縮機的能源效率約為12%,熱壓縮儲氫系統的理想效率可達15%,同時由於電價與天然氣燃料費用的差距,熱壓縮儲氫系統的運轉費用更只有使用電力的機械式壓縮機運轉費用的六分之一。

由於氫氣製造工廠大部分都會產生廢熱,因此如能利用這些廢熱來當做熱壓縮儲氫系統的能源,則可以使運轉費用更為降低。除此之外,熱壓縮儲氫系統沒有複雜且需要耐高溫高壓的動件設計,因此可以減少壓縮機的運轉維護成本與減低氫氣壓縮機的運轉噪音。當然除了消極的減低氫氣壓縮成本外,使用熱壓縮儲氫系統,更可以在加壓過程中將氫氣純度提高,更積極的提升了所生產高壓氫氣的附加價值。

熱壓縮儲氫系統各國的發展近況

美國Ergenic公司在2001至2003年,接受美國能源部經費對熱壓縮儲氫技術做一系列開發與先導實驗系統。Ergenic公司除了完成熱壓縮儲氫的先導系統建立,並完成利用熱壓縮儲氫系統將氫氣中混雜的一氧化碳、二氧化碳與氧氣等不純氣體加以排除的能力測試,藉以提高燃料電池的使用壽命。該公司所建立的先導系統可製造出高達560大氣壓的高壓氫氣,不過Ergenic公司後來被加拿大HERA氫氣儲存系統公司所購併。HERA公司目前提供微量熱壓縮儲氫泵的商品,壓縮能力可達200大氣壓,流量為每小時2.5立方公尺,是利用電熱器加溫當做動力來源。該公司網站上並預告在2005至2006年完成利用瓦斯或廢熱源當做壓縮動力熱源的大型展示系統,預期系統輸出壓力345大氣壓,並希望在2007年能將大型系統商品化。

挪威的IFE(Institute of Energy Technology)規劃在2003至2006年要開發出供給汽車燃料電池用高壓氫氣使用的熱壓縮儲氫系統,預期可以提供的壓力為345大氣壓以上的高壓氫氣,未來並希望發展出壓縮能力達700大氣壓以上的商業機種。冰島大學也計劃利用冰島具有的豐富地熱資源當做能源,建立大型熱壓縮儲氫系統,預估輸出壓力300大氣壓以上,預計在2007年完成建置。

日本製鋼所(Japan Steel Works)針對儲氫合金應用與發展已超過20年,是日本主要開發儲氫合金的公司,該公司將儲氫合金應用在氫氣儲存與取代冷媒壓縮機應用上。熱壓縮儲氫系統是因應客製氫氣儲存設備的需求,依照客戶需求進行儲氫系統的改良,加熱儲氫合金達到加壓氫氣的目的。

俄羅斯與烏克蘭等獨立國協科學家從1970年代,即針對儲氫合金技術做了長久的開發研究。其在2005年於國際氫能期刊所發表的回顧文章中顯示,獨立國協中的烏克蘭目前具有將氫氣加壓到300大氣壓的熱壓縮儲氫系統技術能力。

工業技術研究院在經濟部能源基金的支持下,配合未來氫能技術運用所需要的熱壓縮儲氫系統,目前已完成實驗型熱壓縮儲氫系統,在90℃溫度下,可將氫氣壓力提高到50大氣壓。預期到2007年,將可完成把氫氣壓力提升到345大氣壓以上的大型熱壓縮儲氫系統。

熱壓縮儲氫系統的未來展望

氫能是將來的重要能源,在氫能推廣使用上,首先要解決的問題是氫氣使用的經濟性。美國能源部規劃在2010年每加崙當量汽油的氫氣價格希望降到1.5美元以下。而熱壓縮儲氫系統能利用較低廉的熱源運轉、減低壓縮機的維護成本並提高壓縮機的能源效率,可降低氫氣的成本,對氫能的推展將是一大助力。(作者為工研院能源與環境研究所副研究員)


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