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引發最大的使用能量——儲氫材料特性研究

2006/02/05 經濟部能源局 點閱人次: 507

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▓撰文:林怡均 ▓圖片提供:漢氫科技公司

能源是現代國家工業化的重要原動力,人類在使用化石能源兩個多世紀之後,目前正面臨著能源短缺與全球氣候變遷的問題,而氫則提供了未來能源希望的選項。

使用氫氣做為能源原料,其產物只有水蒸氣,並不會產生二氧化碳等溫室氣體,是一種符合環保的高效率能源。但是氫原子一般是以氣態形式存在於自然界中,因此在儲存與運輸的技術上有相當大的挑戰,如何妥善地處理氫氣儲存和運輸的限制,也就成為發展氫經濟的主要關鍵。

儲氫技術發展現狀

氫氣的儲存及運輸方式,一直是各種氫能應用的技術瓶頸之一。儲存的技術可以由價格、系統穩定性、方便性、能量密度以及應用等方面來考量。近年來研究較多的儲氫方式包括有:壓縮儲氫、液化儲氫、金屬氫化物儲氫、以及奈米碳管吸附儲氫等方式。其擁有的特點及性質分別整理於附表之中。

儲氫材料的優勢

目前國內外現行輸送與儲存氫氣的技術大多採用高壓氣體和低溫液體儲氫方式;然而近年來,由於材料科技日新月異,固態儲氫技術逐漸受到氫能研究界的關注重視。氫原子在一般正常的條件下是以氣態形式存在於自然界中,所以在儲存與運輸上帶來相當大的困難,加上氫易氣化、著火、爆炸,因此如何妥善解決氫能的儲存和運輸問題,也就成為開發氫能技術的主要關鍵。

目前儲氫金屬(合金)的儲氫密度(單位體積的儲氫容量)已經可以達到1500cm3-H2/cm3-氫化物,遠高於低溫液態氫的784cm3/cm3及高壓氫氣壓力瓶在200大氣壓所能儲存的200cm3/cm3。利用儲氫合金來儲存運送高純度(99.9%)氫氣,除了沒有爆炸的危險,並具有貯存時間長且無損耗等優點,是一個既安全又有效的方法。

儲氫材料的特性

所謂金屬氫化物的儲氫原理,是使大量的氫氣為金屬所吸收,並且轉變成金屬氫化物的形式儲存,氫就以固態結合的形式儲存於其中。氫和金屬氫化物之間可以進行可逆反應,當外界有熱量加給金屬氫化物時,它就分解為儲氫合金並釋放出氫氣,其反應式如下式所示:

式中,M:儲氫合金,MHn:金屬氫化物,ΔH:反應熱。

利用儲氫合金材料儲存與輸送氫,有以下特點:一、體積儲氫密度高;二、不需要高壓容器和隔熱容器;三、安全性好,沒有爆炸的危險;四、可得到高純度的氫。

用來儲氫的金屬大多是由多種元素所構成的合金,目前研究成功的使用合金大致分為:

一、稀土鑭鎳,具有優良的吸氫特性,較易活化,當釋放溫度高於40℃時,放氫迅速,但是價格昂貴;

二、鐵鈦合金,是目前使用最多的儲氫材料,儲氫量大,且價格低廉,還可以在常溫常壓下釋放氫,給使用者帶來很大的方便;

三、鎂系合金,是吸氫量最大的金屬合金元素,可以高達6wt.%以上,但需要在290℃條件下才能釋放氫,而且吸收氫的過程十分緩慢,因此在使用上受到限制;

四、釩、鈮、鉛等多元素系,這些金屬本身是稀貴金屬,只能適用於某些特殊場合。

儲氫材料的未來發展目標

目前固態儲氫方式存在的問題為:在大規模應用中如何提高儲氫材料的儲氫量以及降低材料成本,節約貴重金屬。國際能源總署(IEA)確定了未來新型儲氫材料的標準,其儲氫重量密度(單位重量的儲氫量)應大於6wt.%,並且能在溫和條件下吸放氫。根據此一標準,目前的儲氫合金大多尚不能滿足這一性能要求。

實用儲氫合金應具備的特性包含:儲氫量大、容易活化、吸釋放氫之溫度與壓力適當、吸放氫反應速率快、使用壽命長、成本低廉等。未來儲氫合金的開發主要分兩個方向:以現有之合金為基礎,利用各種微量元素的添加或結構的改變(包含奈米化)以改進合金特性;開發嶄新的系統,從根本上探討新的合金主要組成要素與改變合金配比著手。隨著儲氫合金之種類和特性的不斷改進,其應用範圍勢必日益擴大,也必將帶來巨大之效益。(作者為工研院能源與環境研究所研究員╱感謝漢氫科技公司安振基經理提供協助)


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