星期四, 5月 19

    氢-材料也是能源,早已存在的未来

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    ■邱耀弘/ACMT

    氢,代表了人类进入一个新材料与能源的时代,但它却是个与宇宙大爆炸时期同时存在的古老元素,一直以来人类对它的了解太少。随着时代进步与人类文明迅速发展,在大家开始意识到地球资源被滥用到有匮乏之虞前,有幸的是先进科技引导人类自省,使我们重新认识大自然中远在天边又近在眼前的物质—水,它就是未来新材料和新能源的来源。让我们来看看近 年人类先进国家对未来材料—氢的应用究竟是到了什么样的地步了!

    专栏前言

    氢,是第一元素,结构简单就是一个带有一颗电子的原子,在我们目前所认知的宇宙中可测得的元素物质(注意,不包含各种不知名粒子,如暗物质等)是最多的,
    除了知道氢会爆炸和可用来灌气球之外,其实生命赖以维生的三要素空气、阳光和水,三者皆和氢气有关。当然,在地球上,氢不会以单独的原子(H)或是分子(H2)方式出现,主要在于它的活性过高,所以它和氧结合成水成为地球上出现最多的物质而存在,日本人称氢为水素、氧为酸素,也是很有道理的说法。

    原理介绍

    那么,氢为什么是人类寄望的救赎?下面这个化学反 应式,相信大家一点也不陌生,请看图(1)
    至少在国小五年级到初中的某一堂自然或是地球科学的实验课,相信都有看过老师在水中插入阴、阳两电极,在阴极和阳极上套有一只倒立的试管,进行电解水收集到氢气和氧气,然后,把氢气的试管移出来点火,可以听到一声轻微爆炸声,那就是这个化学式的物理现象表现。

      

    图 1: 简易的水电解得到氢与氧的实验;图 2:氢气的化学反应式

    只是这样吗?且慢,我们还有燃烧以外的作法来让氢产生能量,时间回到1960年代中期,美国奇异公司的Willard ThomasGrubb 和Lee Niedrach,参与了美国海军船务署与美国陆军通讯兵团的一项项目, 他们俩便发明了磺化聚苯乙烯质子交换膜(Proton  Exchange Membrane,PEM)作为燃料电池(FuelCell), 各位读者可以到维基百科上找到资料,Dr.Q将之整理成为下列反应式,如图( 2): 二位的发现使得反应式成功地获得电能,而不是爆炸后的热能,这是新能源的曙光–以化学能获取氢原子外层的电子。在那之后,近代的改进更采用了杜邦公司发明的纳飞安(Nafion)离子聚合膜为交换膜,代替 之前的磺化聚苯乙烯膜,氢燃料电池便真的可以开始 工作了。图(3)显示一个基本的燃料电池模型,事实上,燃料不是经过燃烧而是化学反应得到的能量,得到的不是热而是电能,那我们就可以燃料电池是一个化学反应的发电机,只要供应燃料和空气,排放的是干净的水, 那这不就是人类梦寐以求的洁净能源。

     

            图 3:一个基本的燃料电池模型;图 4:氢的产生

    应用实例

    说到氢燃料电池的应用,日本就是人类的代表,在2013年福岛大地震所带来的核灾事故之恐惧经验之后,日本全国上下对氢燃料电池做为未来的主要能源是进全国之力的发展,各位读者可以上网找到日本巖谷(Iwatani) 这个产业,Dr.Q 只撷取它其中一张图(4) 来告诉大家,氢经济是未来能源应用的重要发展,举凡是能够发电的太阳能、风力、地热以及工业副产物, 都能够以氢/电互相转换并得到最有效率的转换,那么,人类便可以永续的利用这样的洁净能源。

    氢能源的展望

    面临二氧化碳减量与能源需求大增的压力,各国纷纷在寻找取代传统石化燃料的再生能源,而氢气零污染、高性能的特性,极具潜力,各国皆看好氢能源成为取代石化燃料的新能源。但要成为替代石化燃料的能源,氢能源必须要有与石化燃料相当的经济价值, 然而目前的氢能源技术仍有许多技术要克服,尤其是 氢气的制造与储存,当前全球共同努力的目标。

    图 5:氢经济的真实未来 – 以氢气储存 / 发电供人类社会应用

    结论

    没错,很多读者一定会说:氢气多么危险!那么,试 想在数世纪以前人类开始用的各种能源,包含上世界 发现的核裂解反应,那不也是危险?

    人类要突破疆界的限制,除了累积前人的知识之外,就是争取时间的应用,在短暂的人生能够移动更多的地方、进行更多的知识交换、进行太空旅行,那么就必须冒险进行新能源的开拓,更何况,氢,其实老早就存在我们身边的呢!希望大家喜欢今天的分享。

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