生產氫氣：氫氣如何產生以及何為氫氣？
氫氣作為深具前景的乾淨能源載體，特別是針對實現氣候友善的未來，其重要性可說是與日漸增。不過，您是否曾經思考過氫氣到底是什麼，以及它是如何生產？在本文中，我們將一起探討生產氫氣的基礎原理和技術，以及氫氣成為特殊元素的原因。
氫氣：最簡單的化學元素及其成分
簡而言之，氫氣是無色無臭無味的氣體。享有世界上最簡單也最豐富之化學元素的美稱。氫氣是由微粒、質子和電子組成。
氫氣的反應性極佳，可與其他元素相結合而形成水等化合物。能作為功能強大的燃料使用，並用於發電、作為車輛動力及產生熱能。氫氣是乾淨能源載體，具有降低環境影響的潛力，亦有助於永續能源供應
氫氣工業應用
運用技術生產氫氣
目前的幾種氫氣生產技術是根據具體需求與可用資源來使用。以下是一些常見方法：
- 天然氣的蒸氣重組：這是目前最廣獲使用的氫氣生產技術。在此過程中，將主要由甲烷組成的天然氣，置於存有觸媒的環境中，利用水蒸氣加熱。打個比方，蒸氣重組可聯想成天然氣「分離」。
在此過程中，天然氣所含的甲烷與水蒸氣起反應，進而產生氫氣 (H2) 和一氧化碳 (CO)。據此獲得的氫氣經過純化後，可作為車輛燃料使用，在燃料電池或各種工業應用中發電。此過程雖然經濟實惠，還是有缺點存在。二氧化碳會作為副產物排放，對環境造成影響。
- 水電解：在電解時，水在電流的協助下分解成氫氣和氧氣。設備或我們稱為電解器的設備執行電解過程以達成此目的。
- 太陽能製氫：此方法使用太陽能而非電能以進行電解過程。這可透過陽光直射，或藉由太陽能集光鏡或收集器的協助，集中太陽輻射進行。這項新技術可用於日照充足的國家/地區以進行製氫，尤其具成本效益。
- 熱化學製氫 (生物製氫)：有些微生物，例如特定的細菌或藻類，能透過發酵或光合作用產生氫氣。此方法雖然還在發展中，卻具有成為永續環保氫能來源的潛力。然而，這種生產類型的缺點是資源有限。
氫氣生產永續性：選擇合適的能源
請注意，並非所有的氫氣生產過程都同樣永續或環保。氫氣生產的永續性，取決於生產過程使用的能源和 CO2 排放量。為了充分發揮氫氣作為乾淨能源的優勢，使用再生能源製氫的能力至關重要。
利用太陽能、風力或水力發電等再生能源，可大幅減少氫氣生產所致的 CO2 排放量，讓氫氣變得更加永續。產生環保氫氣，這是達成低碳未來和因應氣候變遷的重要步驟。
氫氣常被稱為「能源轉型的香檳」。不過，我們要如何利用再生能源量產氫氣？
氫氣於交通工具的應用
電解法是最具前景的過程。電解過程能以環保方式生產氫氣，尤其是使用再生能源電力時。這些技術在讓乾淨的氫氣成為各種應用的永續能源載體上，具有舉足輕重的地位。我們接下來將詳細探討不同技術，並檢視各種技術的優缺點。
PEM 電解：
PEM 電解，又稱為質子交換膜電解，其使用聚合物膜和電流，將水分解成氫氣和氧氣。
優點：
- 快速啟動且迅速適應可變負載
- 部分負載操作效率高
- 操作溫度低 (50-80°C)，減少昂貴材料用量
- 體積輕巧，可輕鬆整合至現有系統
- 技術成熟度高 (TRL 7-8)
缺點：
- 對水中雜質相當敏感，因此水需要經過事先處理
- PEM 燃料電池的使用壽命有限 (運作時數約 10,000 小時)
- 成本較鹼性電解高
鹼性電解：
鹼性電解是使用鹼性電解液 (通常是氫氧化鉀水溶液)，讓水分解成其構成物，也就是氫氣和氧氣。
優點：
- 成本較 PEM 電解低
- 可穩固抵擋水中污染物
- 電解電池的使用壽命長 (運作時數約 40,000 至 80,000 小時)
- 技術成熟度最高 (TRL 8-9)
缺點：
- 反應速率較 PEM 電解慢
- 操作溫度較高 (70-100°C)，導致用電量攀升
- 由於操作參數不同，較難與既有系統整合
SOEC (固態氧化物電解電池)：
SOEC 代表固態氧化物電解電池，係指一種高溫電解電池，在高溫下將水轉換成氫氣與氧氣，並以固體氧化物作為電解質。
優點：
- 由於操作溫度高 (800-1000°C)，效率及熱回收皆高
- 可彈性使用不同燃料 (如蒸氣、CO2)
缺點：
- 操作溫度高，所以需要昂貴材料與特殊隔熱效果
- 緩慢啟動以適應可變負載
- 尺寸較為龐大，系統整合複雜
- 大規模操作經驗不多
AEM 電解 (陰離子交換膜)：
AEM 代表陰離子交換膜，係指一種使用特殊膜的電解器技術，可讓負離子滲透，並利用電流將水分解成氫氣和氧氣。
優點：
- 成本較 PEM 電解低
- 可穩固抵擋水中污染物
- 在較低溫度下操作 (約 60-80°C)
缺點：
- 發展性和商業化程度較 PEM 及鹼性電解有限
- 膜是否能長期維持穩定為潛在挑戰
- 沒有大規模安裝可供使用。技術成熟度低。