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綠色能源-將水變黃金

文:東吳大學化學系 吳元傑、蘇君益、羅志正

指導教授介紹:王志傑主任

學歷:台灣大學化學系博士

現職:東吳大學化學系教授兼主任、綠色科技與永續發展學程主任

研究興趣與方向:具金屬-有機骨架之孔洞聚合物的設計、合成與應用,具光、電、磁性質之功能性自組裝配位聚合物的設計、合成與性質探討,具自旋交換性質之鐵錯合物的設計、合成與結構分析

 

專題背景與問題意識

  化學系吳元傑、蘇君益和羅志正三位同學研究的主題為最熱門的綠色能源之一「氫能」。為因應日益嚴重的全球暖化、能源危機和汙染等問題,尋找無汙染的替代能源成為了一種趨勢。於是他們將目標放在一個容易得到東西-氫,因為氫氣可以作為燃燒的能源,而且燃燒過後的生產物即是一般的水,無任何汙染的問題,但是氫的儲存不易,且具危險性,世界各國仍是努力找尋一個能夠有效利用此能源的方法。

簡單成果

  氫能是什麼
  氫氣本身並不視為能源,而是被視為能量的載體,所謂氫能源代表的便是以氫氣為載體的能量表現。氫氣(H2)可以從水得來,除空氣中含有氫氣外, 它主要以化合物的形態儲存於水中。

 

網拍的模型汽車,利用電解水產生氫氣發動模型車

製作成本過高,也沒有技術,只能觀賞

優缺點

  氫的發熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高,是汽油發熱值的3倍。其燃燒性能好,點燃快,燃點高,燃燒速度快。利用形式多,通過燃燒產生熱能,又可以作為能源材料用於燃料電池。可依不同型態貯運。在氫氣轉換成電能的過程,工作溫度低、噪音低,唯一排放的是純淨水。

  缺點是用煤、石油和天然氣等燃燒所產生的熱或所轉換成的電來分解水製氫,顯然划不來。氫氣在空氣中的最低爆炸濃度為 4%,室內日光燈的啟動也可引爆滯留在天花板附近外洩的氫氣。而且儲存氫氣不易。

 

製造方法

  主要分為化石原料和非化石原料製氫法二大類,化石原料製氫法分兩種:(1)蒸氣重組法(steam reforming),(2)水煤氣法(coal gasification);非化石原料製氫法又分兩種:(1)水電解法(water splitting by electrolysis),(2)水光電解法(photoelectrochemical water splitting)

 

BMW最初氫氣燃料車的原型

氣重組法利用蒸氣與低碳素的石化原料(常用的是甲烷)反應:CH4+H2O→3H2+CO,水-氣轉化反應:CO+H2O→H2+CO2,總反應:CH4+2H2O+熱→4H2+CO2

陽能與氫氣能源的搭配,光電化學電池分解水製氫:利用太陽光照射到半導體氧化鈦表面時,在氧化鈦上產生的電流會使水分解,產生氫氣,效率已達12%。

太陽能發電收集系統

 

 儲存方法

  要容0.5 千克的氫,需要150個大氣壓,40公升的鋼瓶。將氫氣冷卻液化儲存,液化氫體積密度可達長壓氣態氫時的845倍,約0.0708公斤/公升,而液態氫則須要維持-253℃以下。

  儲存方式主要分為二種,一種是用海綿狀的吸氫金屬將氫儲存起來,使用時吸氫金屬將氫放出,此法能減輕重量,便於攜帶,可儲存較多氫氣。另一種是利用某些金屬氫化物(例如palladium),可以隨溫度變化的特點來儲存和放出壓力。

 

海綿狀的吸氫金屬

金屬氫化物

2004年可達時速300公里的氫氣燃料車。

 

國外的研究成果

  BMW於2007年六月推出四部氫燃料車,最大馬力為150馬力、時速為210公里,比起汽油的210馬力、時速240亦不遜色太多。燃料桶內加滿氫燃料後可以跑400公里,約汽油車的一半。賓士公司以氫燃料電池為主要動力,氫燃料電池運作的原理是和電解水相反的方法,在陽極通氫氣,在陰極通氧氣,利用白金催化氫氣分解為質子與電子,質子再與氧氣生成水,反應過程中產生之電子流動即可提供汽車使用,目前其動力只有45馬力、最高時速110公里、行程250公里。目前許多世界著名車廠皆大力研發此一燃料電池中。

 

由王主任頒發獲綠色科學獎

心得

  綠色科技與永續發展實習這個課程原本會選的原因是,希望找點把學分修完,而剛好因為課很多的關係很多課都沒辦法選,而剛好這個課程開在星期六,就在這陰錯陽差之下,我們成為的綠色課程的一份子,也因為課程開在星期六,第一次上課我拖著千百個不願意的身軀起身出發東吳,對著綠色科技與永續發展實習此課程做了第一次的接觸,因為理工科只有我們三個化學系的同學一起修課,所以很自然的成為了一組,也就此開啟了我綠色的奇幻旅程。

接下來幾個禮拜就是訂題目、寫計畫表等等一連串事情,綠色科技與永續發展實習分很多面向有的是做問卷統計有的是收集資料整理報告,傳說還有人拍記綠片,拍得很感人連老師都讚不絕口,我們理科的思考模式當然是先了解目的原理最後考慮有無實際利用的可能性,所以就定下題目:綠色能源-點水成金,也開始了這個課程學習的第一步,了解目前綠色能源的原理及如何利用,以及後面的一些實際運用。慢慢的我們開始發覺,其實這個課程真的能學到很多東西,像是之前對綠色能源的不了解,課程中還有三次的講座綠色能源、綠建築這個課程找了很多很好的講師來辦講座,我們慢慢由原來的心不甘情不願轉成對這課程的興趣,講座中可以聽到很多課本上無法得到的新知識,像是太陽能電池的知識與綠建築其實很多是假的綠建築等等,很多新的東西。

最後的成果發表的前一個禮拜,還聽說校長要來,害我們緊張了一個禮拜,不過還好成果發表也圓滿結束,一個學期也就這麼過去了,當中有歡笑有淚水也很充實,希望如果有沒修過的同學可以一起成為綠色人。而且這個課程吸收新知外,課程又有趣,而且最重要的事也不會影響課程太多,可以說是一個課程三種滿足的好課啊!