淺談氫能源技術發展

自工業革命以來,化石燃料過度使用,不僅影響到能源供應問題,並且造成嚴重的環境污染與生態破壞。目前全球公認氫氣為未來理想能源載體 (Energy carrier),由於氫氣能夠從再生能源中產生且使用時幾乎無污染,故為潔淨及永續性能源。因此,發展再生能源產氫技術能減少我國對進口能源的依賴性,對於非蘊藏大量自然資源的國家而言,有助於提升國家能源安全[1]。

目前歐美、日本等先進國家已將氫能技術列為國家能源技術之發展重點。在氫能經濟產業的未來展望中,首要解決問題是如何讓氫能之製造價格降低。目前產氫的主要方式為化石燃料重組、水電解、熱化學等方式。然而,從煤、石油和天然氣等化石燃料中製取氫氣雖然價格便宜,但不符合永續發展之目標。現今,許多研究致力於發展生質能、太陽能、風力能、水力能等再生能源產氫,例如英國於2001~2006年期間進行HARI(Hydrogen and Renewables Integration)計畫。於Leicestershire建立一套整合系統,將氫能儲存系統加入到既有的可再生能源系統中。氫能系統包含電解槽、加壓氣體儲存槽和燃料電池,當電力供應過剩,電解槽將電能轉化成以氫為形式的化學能。當電力短缺時,再於燃料電池中以反向電解轉換回電力 [2]。美國國家再生能源實驗室(NREL)和Xcel公司,從2004年開始於Colorado進行Wind-to-Hydrogen (Wind2H) Project,利用風力及太陽能產生氫儲存。挪威在2004~2008年期間,於Utsira建立了第一個風/氫能工廠,此系統是於風能過量時,以電解產氫,再利用燃料電池及內燃機提供電力給客戶 [3]。太陽能產氫技術若單純使用太陽能電池與電解槽法製氫,其每公斤氫氣成本偏高,約為6~12美元。使用雙槽式光反應製氫法結合太陽電池與光觸媒,預估每公斤氫氣成本可以降至2~3美元,具備發展潛力 [4]。

光觸媒分解水製氫機制為光源照射半導體後,其價電帶的電子被激發躍升至導電帶,並於價電帶留下電洞 (Hole)。於價電帶,水或其它種有機物質提供電子以彌補電子的不足。在導電帶,由價電帶激發的電子被H+所捕捉而產生H2 [5]。目前此方法最需要克服的問題在於光能利用率低與水解產氫速率慢。因此,許多學者透過新材料研發、尺寸奈米化、複合材料改質等方法,藉此提升光能利用率與產氫速率。此外,當光催化產氫程序添加犧牲劑(或稱為電子供給者)後,產氫速率明顯改善。透過犧牲劑(或稱為電子供給者)與光催化產生的電洞反應,而延緩電子-電洞對之再結合速率 [6]。因此,近年已逐漸發展利用有機廢水進行光觸媒分解水製氫,藉由廢水中之有機物作為犧牲劑,藉此提升產氫速率與降低製氫成本[7]。此方法,具備潛力降解有機污染物並將其轉換為氫氣,有助於降低太陽能產氫技術成本,兼具環保與再生能源發展。

 

Reference:

[1] 經濟部能源局,2010年能源產業技術白皮書。

[2] Gammon, R., Roy, A., Barton, J., Little, M. (2006). Hydrogen and renewables intergration (HARI), IEAHIA.

[3] Nakkena, T., Frantzenb, E., Elisabet, F., Hagenc, H.S. (2006). Utsira- demonstrating the renewable hydrogen society. WHEC16.

[4] 經濟部能源局,2007年能源產業技術白皮書。

[5] Ni, M., Leung, M.K.H., Leung, D.Y.C., Sumathy, K. (2007). A review and recent developments in photocatalytic water-splitting using TiO2 for hydrogen production. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11, 401-425.

[6] Nada, A.A., Barakat, M.H., Hamed, H.A., Mohamed, N.R., Veziroglu, T.N. (2005). Studies on the photocatalytic hydrogen production using suspended modified TiO2 photocatalysts. International Journal of Hydrogen Energy, 30, 687-691.

[7] Villa, K., Domènech, X., Malato, S., Maldonado, M. I., & Peral, J. (2013). Heterogeneous photocatalytic hydrogen generation in a solar pilot plant. International Journal of Hydrogen Energy, 38(29), 12718-12724.

作者介紹

黃柄橓
黃柄橓為逢甲大學綠能中心博士後研究員 專長:1.光催化產氫技術 2.能源政策分析研究