一、氫能時代的到來

目前維持人類文明所消耗的能源是以碳循環的方式進行，綠色植物藉光合作用將太陽能轉換成含有機碳的葡萄糖供其他動植物賴以維生，而同時空氣中的二氧化碳也轉換成碳氫化合物將太陽能轉換成化學能，動植物經由呼吸作用又產生二氧化碳回到大氣中，此謂之碳循環，在遠古時期二氧化碳的消耗與產生應可平衡，但工業革命後人類大量使用煤、石油而產生過多的二氧化碳因而造成溫室效應的環保問題。隨著化石燃料的日漸枯竭，氫能的使用應運而生，氫能不只是替代石油能源的明日之星，其燃燒及產生過程均與二氧化碳無關自成一循環稱之為氫循環。

能源可以分為兩大類，一次能源和二次能源。一次能源是指以自然形態存在的能源，包括風能、水能、太陽能、地熱能和核能等。二次能源是指由一次能源經過加工轉換以後得到的能源，包括電能、汽油、柴油、液化石油氣，氫能等。二次能源又可以分為“過程性能源”和“合能體能源”，電能就是應用最廣的過程性能源，而汽油和柴油是目前應用最廣的合能體能源。使用氫能燃料電池的交通工具被認為最有希望取代以汽油為能源的內燃機交通運輸工具。對氫能的應用主要是通過氫燃料電池來實現的，氫燃料電池本質不同於內燃機，氫燃料電池通過化學反應產生電能來推動汽車而內燃機車則是通過燃燒產生熱能來推動汽車。由於燃料電池汽車工作過程不涉及燃燒因此無機械損耗及腐蝕，氫燃料電池所產生的電能可以直接被用在推動汽車的四輪上從而省略了機械傳動裝置，研究證明氫燃料電池的產能效率是內燃機的四倍以上且對空氣和環境無污染。隨著氫能不斷被媒體關注和曝光，氫經濟一詞也逐漸被政治家和戰略家們提出。正如全球對石油高度依賴導致了石油經濟一樣，氫能的廣泛應用將影響到每個人生活的方方面面，進而成為主導經濟的主要因素和工業的血液。由於氫能技術特別是氫燃料電池技術不但可以驅動汽車，船隻和飛機，還可以為手機，電腦，工廠及家庭提供穩定高效無污染電源，實際上氫經濟比石油經濟的影響還要廣大和深遠。

二、發展氫能的瓶頸

研發替代能源的專家都希望讓氫燃料電池車取代以汽油為燃料的汽車，目標就是讓氫氣能與石油在能源用途上相提並論。氫能經濟的主要動力就是取代汽車對石油的依賴，氫能至今還没有被廣泛使用的主要原因是成本過高，燃料電池的成本很高，氫的製造、貯存和輸送的費用也相當高。氫氣雖然在地球上無處不在，不過它通常都和其它物質合成在一起，很少單獨存在，因此，分離純氫氣不是一件容易的事。核能、太陽能、煤碳都是主要的能源來源，而氫氣不是，它不單獨存在，它需要被製造出来。電力也不單獨存在，它也需要被生產出來。所以，不論是氫氣還是電力，都必須利用一種主要能源把他們製造出來，發展氫能的瓶頸技術問題包括氫的生產、運輸、貯存及安全問題。　

(一)氫的生產

目前工業上應用的製氫方法主要是甲烷蒸氣重整和水電解法，前者製氫過程和產物都產生大量的二氧化碳，後者則需要大量的電能成本較高。目前許多國家都在執行氫能的研究及開發工作，要發展氫能經濟，需要研究可持續的、非化石燃料的、過程不產生温室
氣體的製氫方法。水是自然界中含氫最豐富的物質，但水的直接分解需要很高的温度,在正常環境下不可行，而通過熱化學循環過程則可以在較低的温度下分解水;如果能與高温核反應器接軌則可成為大規模生產、不產生温室氣體且具經濟效益的製氫方法。熱化學循環分解水的研究始於60年代末，美國70年代開始研究利用核能熱化學循環製氫，在90 年代末啟動名為“Nuclear Hydrogen Initiative”的核能製氫計畫。按照涉及的物料, 熱化學循環制氫体系可分為氧化物体系、鹵化物体系及含硫体系。

1. 氧化物体系

氧化物体系是利用較活潑的金屬與其氧化物之間的互相轉換或不同價態的金屬氧化物之間進行氧化還原反應的兩步循環，一是高價氧化物(MOox )在高溫下分解成低價氧化物(MOred )，放出氧氣，二是MOred被水蒸汽氧化成MOox並放出氫氣。目前的主要研究方向是尋找能在較低温度下分解的氧化物体系。

MOred (M) + H₂O  →  MOox + H₂              (1)

MOox  →   MOred (M) + 1/2 O₂               (2)

2. 含硫体系

含硫体系研究的循環主要有4個 : 碘硫循環、H₂SO₄ -H₂S循環、硫酸-甲醇循環和硫酸鹽循環，其中研究最廣泛的是碘硫循環如圖9所示，碘硫循環由美國GA公司發明，除美國外，日本、法國也都選擇碘硫循環作為未來核能製氫的首選  。

理論上,該過程由3個反應組成 :

Bunsen 反應產生

SO₂ + I₂ + 2H₂O → HI + H₂SO₄               (3)

硫酸分解反應

H₂SO₄ →  H₂O + SO₂ + 1/2 O₂               (4)

氫碘酸分解反應

2HI  →  H₂ + I₂                                                (5)

淨反應為水分解

H₂O →  H₂ + 1/2 O₂                      (6)

3. 金屬-鹵化物体系

在金屬-鹵化物体系中,氫氣的生成反應可以表為

3MeX₂ + 4H₂O  →  Me₃O₄ + 6H₂O + H₂         (7)

其中Me可為 Mn及Fe , X可為Cl 、Br 及 I。該体系中最著名的循環為日本東京大學發明的絕熱UT23循環 ,金屬選用Ca ,鹵素選用Br。

4.熱化學雜化循環

熱化學雜化過程是水裂解的熱化學過程與電解反應的聯合過程，雜化過程為低温電解反應提供了可能性,而引入电解反應則可使流程簡化。效率最高並經循環驗証的是Westinghouse循環。Westinghouse循環和碘硫循環相同的步驟是硫酸的高温分解，碘硫循環利用較低品位的熱從其它中間產物產氢，Westinghouse循環則採取了兩個新步骤: (1) 用H₂O吸收SO₂ ,釋放O₂形成電解液(2) SO₂水溶液電解,形成H₂SO_4並放出H₂ 。

(二)氫的傳輸
     氫單位重量的體積龐大，再加上安全問題故運輸成本昂貴。運輸管線的材料一般使用碳鋼，但它會發生氫脆化有安全的問題。遠地的傳輸須把氫氣加壓或液化，然後以特殊的罐裝拖車運送。不管是以何種方式運送，都需要經過加壓的過程，這是非常耗費能源的。經過估算，加壓至 80 大氣壓的氫氣，含有的能量只有等壓等體積天然氣的三分之一。一輛能裝載 2,400 公斤天然氣的罐裝拖車，只能載運不到 300 公斤的氫。液態氫的裝卸容量可以五倍於高壓氫，但液化過程是非常費事的，而且只適合於短距離的運輸。
(三)氫的儲存
      由於氫的密度很小，再加上安全的考量，它的儲存一直是一個頭痛的問題。氫可以用氣體、液體或固態化合物三種形態儲存。
 1.壓縮氫氣：氫氣可以經壓縮後儲存在加壓罐內，氣體的壓縮或液化是一種很昂貴的過 

程，壓力可以高至 400 大氣壓，因此需要定期檢查它的安全。
2.液態氫：氫沸點是攝氏零下 253 度，液化的過程需要壓縮和冷卻，會用掉很多能源。 

由於溫度超低，液態氫的儲存需要特殊的低溫裝置，以減少氫氣的蒸發。

3.固態形式：使氫氣吸附在金屬氫化物或奈米碳管上加以儲存。金屬氫化物有很多種，氫的吸附率大多是本身重量的 1 ~ 2％，金屬氫化物也會透過化學吸附的方式吸附其他氣體，但不釋放，因此釋放出來的氫氣是很純的。奈米碳管的管徑由數個至數十奈米都有，空孔的比率很高，是一種理想的儲氫材料。固態儲氫方式的最大優點就是安全和方便，氫能不管是以高壓、低溫或金屬氫化物的方式儲存，都無法和汽油箱相比。因此尋找質量輕、體積小、價格便宜且安全的儲存方法是推廣氫能經濟的要件。

(四)安全問題

氫在常溫下是一種無色、無臭、無毒的氣體，甚至燃燒的火焰都是無色的，很不容易察覺它的存在。它的問題出在很容易燃燒和爆炸，在空氣中含有 3 ~ 75％ 體積的氫氣都可引發氣爆，而天然氣的範圍是 5 ~15％。除了前述可能的氫脆問題之外，由於氫是分子量最小的氣體，運動速度非常快，滲透性也最強，因此所有的管線或儲存槽的界面連接都須非常嚴緊，氫氣閥需要特別設計，否則很容易產生漏氣問題。

三、燃料電池與氫能的發展

(一)燃料電池的歷史

隨著現代文明的發展，人們認知傳統的能源利用方式有兩大缺點，一是儲存於燃料中的化學能必需首先轉變成熱能後才能轉變成機械能或電能，受卡諾循環及材料限制，效率只有33~35%，一半以上的能量白白地損失掉了；二是傳統的能源利用方式帶給環境廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪音的污染。多年來人們一直在努力尋找既有較高效率又不污染環境的能源利用方式，這就是燃料電池發電技術。

1839年英國的Grove發明了燃料電池，並用以鉑黑為催化劑的氫氧燃料電池點亮了倫敦演講廳的照明燈。60年代，燃料電池成功地應用於阿波羅登月太空船，從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛用於太空領域，同時磷酸燃料電池也研製成功。從80年代開始，各種小功率電池在軍事及交通等各領域中均得到應用。依據電解質的不同，燃料電池分為鹼性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質子交换膜燃料電池（PEMFC）等。

(二)燃料電池的特點與原理

由於燃料電池能將燃料的化學能直接轉化為能，因此没有像火力發電須通過鍋爐、汽輪機、發電機的能量變化，可以避免能量轉換損失，達到高發電效率。同時有以下特點：

• 不管是負載多寡及裝置規模大小均能保持高發電效率
• 具有很強的過負載能力且可適用的燃料廣泛
• 發電出力由電池堆的出力和組數決定，機組容量的自由度大
• 電池本體的負荷反應性好，用於電網調峰優於其他發電方式

燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同，其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極，正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池内部，因此限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供给，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續發電。    

燃料電池不受卡諾循環限制，能量轉換效率高，潔淨、無污染、噪音低，模組結構、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之後第四代發電裝置和替代内燃機的動力裝置。國際能源界預測，燃料電池是21世紀最有吸引力的發電方法之一。 

(三)世界各國發展氫能狀況

美國政府將氫能和燃料電池確定為維繫經濟繁榮和國家安全必須發展的技術之一。能源部目前的特定目標主要有三個，即從現有的和未來的資源中獲取氫能；自由汽車計畫；燃料電池研究。燃料電池研究包括兩個項目：一是“氫能、燃料電池和基礎設施技術項目”，將氫能生產、儲藏和運输方面的技術進行整合，其主要目標是降低氫能生產和配送成本，開發高效、低成本的燃料電池技術，同時建立高效率、低成本的氫能輸送基礎設施網絡。二是“自由汽車和汽車技術項目”，主要將資金集中支持涉及輕型汽車、燃料電池以及相關基礎設施等方面的一些研究項目。 

國防部的研究則主要集中於氫能和燃料電池在軍事方面的應用，研究重點核心項目包括“高級電力和能源項目（APEP）”、“熱電電力生產”、軍事應用研發燃料發生器（達到10kW）等。美國能源部在華盛頓舉行的一場能源會議上表示，美國正在尋求能源的多樣化，其中布希總統在2003年提出的氫能經濟的遠景就是其中之一，美國發展氫經濟已從政策的評估進入了技術研發階段。

歐盟25國在2003年促成了“歐洲研究區”(ERA)，旨在從共同體的層次來開展更具戰略意義的研發活動。該項目涉及諸多領域，包括奈米技術和燃料電池。作為該項目的内容，歐盟建立了大量的研發“平台”，其中就有“歐洲氫能和燃料電池技術平台（EHFCP）”。該平台的目的在於向歐盟委員會推荐燃料電池和氫能技術發展的一些關鍵性領域。在ERA之前，. 歐洲制訂了“至2005年歐洲的研發與示範戰略”，這是一個為期10年的研發戰略，其中明確地提出了2005年歐盟燃料電池研發所要達到的目標，其核心是降低燃料電池的成本。 

日本研究氫能較早，目前燃料電池是日本氫能的主要發展方向，主要分為車載電池和固定裝置電池兩類。日本本田的氫燃料電池轎車已透過檢測，成為商品車。日本政府為促進氫能實用化和普及、完善汽車燃料供給體制，已於２００５年完成了燃料電池車公路行駛驗證、氫氣站驗證、住宅用和業務用燃料電池驗證。全國出現了不少“加氫站”，近百輛燃料電池車已經取得牌照上路。政府計劃逐漸擴大燃料電池車的市場規模，到２０３０年，燃料電池車達到１５００萬輛，固定裝置燃料電池發電能力達到１２５０萬千瓦。日本自1974年由經濟產業省提出“陽光工程”以來，對各种新能源開發一直非常活躍。1993年進一步提出了新陽光工程，主要致力於太陽能、風能、燃料電池、潔淨煤技術的研發，並且尋求國際合作共同致力氫能系統的開發。目前，就各種燃料電池而言，PAFC和MCFC在日本已經得以應用。而應用於汽車領域的PEMFC也進入實用階段，SOFC的應用在不久的未來也將商業化。

       韓國是我國的強勁經濟對手，近年來多項經濟發展均超越我國，其能源政策值得我們參考，重度依賴進口能源的韓國，提出四個階段的發展計劃，於2040年前以氫能替代現有的石化能源。第一階段是由韓國前三大煉油廠，SK企業., LG Caltex及Korea 瓦斯公司於2007年建造三座加氫站，第二階段則是在2012至2020推動燃料電池的商業化，預計於2030年可望建造氫能經濟的發展基礎。2003年韓國科技部在“21世紀前沿科學計畫”項目的資助下成立了“氫能研發中心”。該中心針對韓國未來10年内氫能的發展，將目標分解為三階段，即2003～2005年基礎研究階段、2006～2008年示範階段、2009～2012年推廣執行階段，每個階段均涉及氫能生產、貯藏和利用三方面。

     加拿大計劃將燃料電池電動汽車技術發展成國家的支柱產業，加拿大對氫能的研究與開發投入在增加，加拿大的長期目標是搶佔世界氫能領域的制高點。加拿大總理宣布聯邦政府將為“氫公路項目”提供資助。氫公路項目的實施將是加拿大能源史上的氫能革命。該項目的具體內容是在2010年前，在溫哥華到2010年冬奧會主辦城市威斯勒的120公裡公路上建立5個燃料電池車的加氫站，並生產出必要數量的燃料電池車，由氫燃料電池車承擔2010年冬奧會期間機場與主辦城市之間的人員運輸任務。
   中國對氫能的研究與發展可以追溯到60年代初，中國科學家為發展航天事業，對作為火箭燃料的液氫的生產，H₂／0₂燃料電池的研製與開發進行了大量而有效的工作。將氫作為能源載體和新的能源系統開發則是7O年代的事。氫能的利用首先必須解決氫源問題，大量廉價氫的生產是實現氫能利用的根本。中國在氫能單項技術研究方面有的達到世界先進水平，例如在在儲氫合金材料方面已批量生產，並由高等院校、中國科學院及石油化工等部門組成氫能研究、開發團隊，在國家自然科學基金會、國家科學技術部、中國科學院和中國石油天然氣集團公司的支持下，在製氫技術、儲氫材料和氫能利用等方面進行了開創性工作，中國自己研製的燃料電池汽車已實驗跑行兩千多公里，同時在北京和上海進行的燃料電池公共汽車示範項目得到聯合國開發署(UNDP)、全球環境基金(GEF)支持。

三、核能製氫的背景

韓國原子能研究院朴昌奎先生在與中國的核能製氫合作會議中提及韓國為什麼要開發核能製氫技術，因為韓國97%的能源要要靠進口，對國外能源的高度依賴已經長期成為關鍵問題，採用核能製氫甚具吸引力，因為此種解决問題的方法是對技術依賴性較高，而不是依賴天然的能源資源，因此可以提高國家能源的安全保障。除此之外，韓國擁有較多的核能開發技術經驗，在過去約20年期間，韓國的經濟成長没有遇到任何障礙，這是由於政府對國家長期能源供應做了完整的規畫，尤其是核能。韓國的經驗極其適用於台灣，目前韓國的經濟突飛猛進，同時有20座核能機組運轉中，6座建造中，廉價穩定的核能提供韓國各項輕重工業無比的活力，韓國在能源上的規畫及遠見值得吾人學習。

氫製造需耗費巨大能量而使其成本增高.而高温氣冷式反應器能以很低的成本提供巨大的能量,從而大幅降低製氫成本.因此,核能製氫有可能成為未來生產清潔能源極具競爭力的新興產業。多種新開發的技術將使氫能成為21世紀的主要能源之一。科學家認為能源正從現在的資源依賴向技術依賴轉變。從煤轉到石油，從石油轉到氫能，21世紀的第四代高温氣冷式反應器工率彈性大、投資低、系統簡單、建造工期短、經濟競爭力強，對中、小型工業區極其適合。高溫氣冷式反應器所需面積不大，只要6公頃土地即可提供270個加氫站的需求，而風力及太陽能則需甚大的面積如圖10所示。

四、氣冷式反應器的發展

第四代反應器的研究包括超高温氣冷式反應器VHTR，它可提供高温( 950℃)氦氣，通過熱交換進行熱利用或直接驅動氣輪機發電(布雷頓循環)，產生接近50%的效率，而高溫氣冷式反應器最大的好處是可經濟有效的製造氫氣，配合氫能源時代的來臨。     

各國發展氣冷式反應器的情形如下:

(一)中國

中國的10MWt的HTR-10實驗爐是一種高温球床式反應器(PBMR)於2000年啟動，2003年達到滿載功率，爐心中有27000個球狀燃料元件，濃縮度達17%，用於廣泛的研究目的，球床反應器含有成千上萬個網球大小的鈾球，鈾球的外殼有由金剛砂碳化物、陶料和石墨製成的數層保護如圖11及圖12 所示，二氧化鈾作為燃料被包裹在裏面。這種鈾球就是所謂的“卵石”其散熱效果非常好，鈾燃料根本不可能達到穿透保護層的温度，所以球床反應器無需護套。球床式技術的先進在於其安全性，在“轍諾堡”事故中，反應器或爆炸或熔化，若採用球床式技術就不致發生爐心熔毀情形。球燃料體内鈾的温度無法達到熔點或發生爆炸，而冷卻劑使用惰性氣體氦，而不是水(水含有氫及氧，在特定環境下是易燃的)。而傳統的輕水反應器的缺點是數以千計的金屬棒發熱需要良好的冷卻系統防止過熱，同時還需一個堅固的水泥圍阻體，以防因過熱而生意外。球床反應器的另一個優點是體積小，建造容易。許多國家對球床技術很感興趣，因為球床反應器可用來製造氫氣。中國研製的高温氣冷式反應器温度高達700-950oC，採用先進的的氦氣冷卻可直接推動汽機或經蒸汽產生器轉成蒸汽推動，發電效率達45%以上。

(二)日本的核能製氫發展

    日本的氫能發展是依據2003年能源政策基本法制定的能源供需基本計畫，日本原子力開發機構(JAEa)的目的是研究高溫氣冷式反應器在熱能上的應用包括製氫，日本開發的30MWt的高溫實驗爐(HTTR)在1998年啟動，成功地在850℃下運轉行，2004年冷卻劑出口温度達到900℃。它的燃料設計為棱柱狀如圖13所示。在高温實驗爐的基礎上，日本還正在開發氣輪機高温氣冷式反應器(GTHTR)，它使用改進的燃料元件，採用14%濃縮度的鈾，燃耗達到112GWd/tU。850℃的氦氣驅動卧式氣輪機產生300MW的電功率，效率達到47%。

  四、結論

     能源關係到國家整體經濟的發展，在迎接氫能源時代的到來準備工作上，我們已較日本、韓國甚至中國大陸落後許多，由於我國沒有核能工業，因此在使用核能大量製造氫氣方面應及早規畫研究採購高溫氣冷式反應器，建議考慮採用南非的經濟便宜的球床式反應器(PBMR)，由於國際能源價格的飆漲，台電公司已呈現虧損情行，可考慮以核能製造氫氣配合設置加氫站，創造新的利基。另外亞洲的鄰國亦大力發展核能擺脫對石油進口的依賴，配合核能科技的更新及更安全的反應器，以第四代反應器及快滋生反應器邁向核融合的發展以徹底解決人類的能源問題，此時政府亦應考慮檢討非核家園的適宜性以免脫離世界主流造成經濟問題。