氫能源

氫能源 第一組林雨農陳栢林陳子敬陳昶宏吳志杰吳佳靜吳宇耕吳侑儒葉明婷閻正剛王婉馨李依純

Introduction 閻正剛

回顧人類使用能源的歷史 • 火的發現和利用 • 畜力、風力、水力等自然動力的利用 • 化石燃料的開發和熱的利用 • 電的發現及開發利用 • 原子核能的發現及開發利用

面臨問題 目前全球能源結構：石油 51.4% 煤炭 30.8% 核能 9.0% 天然氣 6.7% 再生能源 2.1%

氫能源的優勢 2H2 + O2 → 2H2O 產物為 H2O，零污染 △H=286 kJ/mol 氫的燃燒熱值高汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍

氫能源發展待解決的問題 1.如何產氫？目前朝利用太陽能的方向進行研究 2.氫氣的儲存 Ex: 高壓鋼瓶，合金金屬儲氫、吸附儲氫

產氫的方法 • Water splitting • 化石燃料製氫 • 生質製氫技術

Water splitting 林雨農

Water splitting • 最一開始的方式 - 電解水 H2O H2+O2

Water splitting的方法 • 再生能源製氫 - 太陽能源 1.提高能源供給 2.環保訴求 • 太陽光能製氫法主要方法有： • ( 1 ) 太陽能電池結合水電解法 • ( 2 ) 直接光催化將水分解製氫法 • ( 3 ) 太陽熱能分解製氫法

光觸媒？ • 當化學物質受到光線照射時，可藉光的能量促使化學反應的產生。EX.冷氣機的殺菌光 • 能分解水的光觸媒受到光的照射，會生成電子及電洞 • 電子水分子氫氣 • 電洞半導體氧氣

光電化學產氫技術 PEC • PhotoElectroChemical

光催化反應產氫技術 • Photocatalytic • 光觸媒表面 Step 3. H+ H2 O2 H2O Step 3. Step 2. e- h+ Step 1. Recombination Hv > Eg Particulate photocatalyst

Principle

水分解三大需求 • 能量需求過電壓 • 穩定性水溶液 • 能階位置高低

Titanium Dioxide, TiO2 二氧化鈦陳子敬

TiO2 • Occurs in nature as well known minerals Rutile, Anatase and Brookite. • Most stable form is Rutile. • All contained 6 coordinated titanium. • Their band gaps are similar. (3.0 eV for Rutile and 3.15 eV for Anatase) Unit cell of Rutile: Unit cell of Anatase:

Honda-Fujishima Effect • Discovered by AKIRA FUJIJSHIMA and KENICHI HONDA in 1972. • Suggested that water can be decomposed by visible light without any external voltage. TiO2 + 2hv  2e- + 2p+ 2p+ + H2O  ½ O2 + 2H+ 2e- + H+  H2 ----------------------------------- Overall: H2O + 2hv  ½ O2 + H2

This effect is very similar to the photosynthesis process.

Development of TiO2 • Efficiency is low when pure TiO2 is used. • Over the years, different materials have been used to develop TiO2. • Replacement of Pt with Rh as the cocatalyst. • TiO2 combine with metal oxides (eg SrO) to form metal tanalates (SrTiO3). • NiO deposition on the metal tanalates improves the Quantum Efficiencies (QEs). • Rh > Ru > Re > Pt > Ir > Pd > Os > Co

The table below shows some of the photocatalysts that have been developed over the years.

化石燃料製氫 陳栢林

簡介 • 世界上商業用氫氣大約有 96％來源依然仰賴化石燃料 • 化石燃料製造氫氣依原料不同，大致可分為固態、液態以及氣態三種

煤製氫： 煤的焦化煤的汽化 (1) C(s) ＋ H2O(g) → CO(g) ＋ H2(g) (2) CO(g) ＋ H2O(g) → CO2(g) ＋ H2(g) 天然氣製氫：天然氣水蒸氣重整製氫 CH4 (g) ＋ 2H2O(g) → CO2(g) ＋ 4H2(g) 天然氣水蒸氣重整與部分氧化法製氫 CH4 (g) ＋ 0.5O2(g) → CO(g) ＋ 2H2(g) 天然氣裂解製 CH4 (g) → C(s) ＋ 2H2(g) 液體化石能源製氫：甲醇產氫反應 CH3OH(l) ＋ H2O(g) → CO2(g) ＋ 3H2(g) 輕質油製氫重油部分氧化法製氫化石燃料製氫

天然氣水蒸氣重整製氫 氫氣產率：75％ (1) CH4 (g) ＋ H2O(g) → CO(g) ＋ 3H2(g) (2) CO(g) ＋ H2O(g) → CO2(g) ＋ H2(g) 總反應：CH4 (g) ＋ 2H2O(g) → CO2(g) ＋ 4H2(g) http://blog.roodo.com/energytech/archives/3936257.html

甲醇蒸氣重組產氫 • 貴金屬系鉑、鈀：優點：在於活性高、選擇性好、穩定性佳缺點：價格高昂、且易受一氧化碳毒化 • 銅系觸媒：活性雖不如貴金屬系，但由於價格便宜，具有商業化之潛能 • 電漿重組製氫：優點：不需使用觸媒

銅系觸媒：Cu/Zn/Zr/γ-Al2O3 觸煤製備方法：初濕含浸法 incipient wetness Taylor C. E. Ind. Eng. Chem. Res. 2007, 46, 8906-8909

甲醇電漿重組製氫 高能量將氧化氣體變為電漿氣，利用高導熱導電性能以及富含離子、電子、自由基可使混合良好的液體或氣體燃料充分加速反應產生以氫氣與一氧化碳為主的合成氣體 http://blog.roodo.com/energytech/archives/3936577.html

生質製氫技術 葉明婷

生物法製氫途徑 • 光合作用(photosynthesis) • 光醱酵(light fermentation) • 暗醱酵(darkfermentation)

光合作用(photosynthesis) hydrogenase 2H+ + 2Fd-H2 + 2Fd • 發展歷史最久，研究最為透徹 • 產氫效率較差 • 需較大反應面積，不適合台灣發展

光醱酵(light fermentation) • Glucose + 6 H2O 6 CO2 + 12 H2 • 廢棄有機物降解，解決環境汙染 • 可將有機物完全分解 • 光醱酵菌中nitrogenase需高能合成氫氣 • 太陽能轉換效率低 • 反應器建構複雜

暗醱酵(darkfermentation) H2 • C6H12O6+2H2O 2CH3COOH+4H2+2CO2 • C6H12O6 CH3COOH+2H2+2CO2 • 非完全降解，有伴隨其他產物（乙酸、乙醇 etc.） • 操作條件要求低（常溫常壓、免日光可不分晝夜） • 代謝速率最快、效率最高

生物氫能國內外發展現況

儲氫吳宇耕

未來是氫能的時代!如何儲氫決定氫能經濟的實現!未來是氫能的時代!如何儲氫決定氫能經濟的實現! • 壓縮儲氫以壓縮氣體形式儲氫是目前最普遍儲氫方式，目前燃料電池車的儲存壓力大約落在25~35MPa之間。 • 研究發展目前為了儲存足夠的能源，以滿足載客汽車所需行駛的里程數，目前已有測試壓力達到70MPa其能將效率由1.9wt％提升到3wt％

氫的壓縮 1. 壓縮功在溫度T和壓力為P1和P2之間的等溫壓縮所需的功為 W＝A T log(P2/P1) A為一經驗壓力修正係數低壓=1、70MPa為0.8 2. 絕熱壓縮絕熱壓縮需要更多的能量輸入，較佳的方式為多階段中高壓風冷式壓縮機，其能夠將單階段式的能量輸入減少一半。

高壓氫槽安全性 • 在乘客身邊的高壓氫槽安全性現已列入主要研究重點。 • 增加容器的抗壓性 • 玻璃塑鋼材料

液態氫儲氫 王婉馨 Advantages Disadvantages Examples

Advantages • 以液氫儲氫具有較高的體積能量密度。常溫、常壓下液氫的密度為氣態氫的845倍 845

Disadvantages • 需要耗用許多能源。 • 儲存成本較昂貴 • 安全技術較複雜。

BMW旗下第一款豪華氫氣動力房車－Hydrogen 7

多層複合金屬材質，再加上3mm的中空設計，讓儲存槽內的溫度得以經常保持在-250℃根據BMW的官方資料，這個儲存槽的保溫性能，可以讓放在裡面的雪人，得要花上17年的時間才能融化。

儲氫金屬儲氫 李依純

儲氫金屬之儲氫原理 • LiAlH4、NaBH4等含氫化合物、化學氫化物之氧化還原 • 電化學方法 • 金屬吸附氫氣體儲氫：

吸附型儲氫金屬作用機制

儲氫合金應用

吸附儲氫 吳佳靜吳侑儒

吸附儲氫 物理v.s化學吸附優點 1.儲存條件溫和 2.成本較低 3.使用安全 4.儲存效率高

氫能源

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Presentation Transcript

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