2017年3月雜誌專題Dr.Q 技術專欄顧問專欄

氫-材料也是能源,早已存在的未來

■邱耀弘/ACMT

氫,代表了人類進入一個新材料與能源的時代,但它卻是個與宇宙大爆炸時期同時存在的古老元素,一直以來人類對它的了解太少。隨著時代進步與人類文明迅速發展,在大家開始意識到地球資源被濫用到有匱乏之虞前,有幸的是先進科技引導人類自省,使我們重新認識大自然中遠在天邊又近在眼前的物質—水,它就是未來新材料和新能源的來源。讓我們來看看近 年人類先進國家對未來材料—氫的應用究竟是到了什麼樣的地步了!

 

專欄前言

氫,是第一元素,結構簡單就是一個帶有一顆電子的原子,在我們目前所認知的宇宙中可測得的元素物質(注意,不包含各種不知名粒子,如暗物質等)是最多的,
除了知道氫會爆炸和可用來灌氣球之外,其實生命賴以維生的三要素空氣、陽光和水,三者皆和氫氣有關。當然,在地球上,氫不會以單獨的原子(H)或是分子(H2)方式出現,主要在於它的活性過高,所以它和氧結合成水成為地球上出現最多的物質而存在,日本人稱氫為水素、氧為酸素,也是很有道理的說法。

 

原理介紹

那麼,氫為什麼是人類寄望的救贖?下面這個化學反 應式,相信大家一點也不陌生,請看圖(1)
至少在國小五年級到初中的某一堂自然或是地球科學的實驗課,相信都有看過老師在水中插入陰、陽兩電極,在陰極和陽極上套有一隻倒立的試管,進行電解水收集到氫氣和氧氣,然後,把氫氣的試管移出來點火,可以聽到一聲輕微爆炸聲,那就是這個化學式的物理現象表現。
只是這樣嗎?且慢,我們還有燃燒以外的作法來讓氫產生能量,時間回到1960年代中期,美國奇異公司的Willard ThomasGrubb 和Lee Niedrach,參與了美國海軍船務署與美國陸軍通訊兵團的一項專案, 他們倆便發明了磺化聚苯乙烯質子交換膜(Proton  Exchange Membrane,PEM)作為燃料電池(FuelCell), 各位讀者可以到維基百科上找到資料,Dr.Q將之整理成為下列反應式,如圖( 2): 二位的發現使得反應式成功地獲得電能,而不是爆炸後的熱能,這是新能源的曙光–以化學能獲取氫原子外層的電子。在那之後,近代的改進更採用了杜邦公司發明的納飛安(Nafion)離子聚合膜為交換膜,代替 之前的磺化聚苯乙烯膜,氫燃料電池便真的可以開始 工作了。圖(3)顯示一個基本的燃料電池模型,事實上,燃料不是經過燃燒而是化學反應得到的能量,得到的不是熱而是電能,那我們就可以燃料電池是一個化學反應的發電機,只要供應燃料和空氣,排放的是乾淨的水, 那這不就是人類夢寐以求的潔淨能源。

 

 

應用實例

說到氫燃料電池的應用,日本就是人類的代表,在2013年福島大地震所帶來的核災事故之恐懼經驗之後,日本全國上下對氫燃料電池做為未來的主要能源是進全國之力的發展,各位讀者可以上網找到日本巖谷(Iwatani) 這個產業,Dr.Q 只擷取它其中一張圖(4) 來告訴大家,氫經濟是未來能源應用的重要發展,舉凡是能夠發電的太陽能、風力、地熱以及工業副產物, 都能夠以氫/電互相轉換並得到最有效率的轉換,那麼,人類便可以永續的利用這樣的潔淨能源。

 

氫能源的展望

面臨二氧化碳減量與能源需求大增的壓力,各國紛紛在尋找取代傳統石化燃料的再生能源,而氫氣零污染、高性能的特性,極具潛力,各國皆看好氫能源成為取代石化燃料的新能源。但要成為替代石化燃料的能源,氫能源必須要有與石化燃料相當的經濟價值, 然而目前的氫能源技術仍有許多技術要克服,尤其是 氫氣的製造與儲存,當前全球共同努力的目標。

 

結論

沒錯,很多讀者一定會說:氫氣多麼危險!那麼,試 想在數世紀以前人類開始用的各種能源,包含上世界 發現的核裂解反應,那不也是危險?

人類要突破疆界的限制,除了累積前人的知識之外,就是爭取時間的應用,在短暫的人生能夠移動更多的地方、進行更多的知識交換、進行太空旅行,那麼就必須冒險進行新能源的開拓,更何況,氫,其實老早就存在我們身邊的呢!希望大家喜歡今天的分享。

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邱耀弘DrQ. 博士

耀德講堂創立人。畢業於台灣科技大學,林舜天教授粉末冶金實驗室大弟子。 中國與中國台灣MIM產業顧問,有關技術文章超過20篇,專利超過百篇。以“無私分享,升級產業”,被天下雜誌評論為“黑手博士”。

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