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氫能源儲能應用

2022-02-14

徐子雯 總經理特助

錫力科技股份有限公司


氫經濟社會的理想願景是人類能源使用的終極解答,純淨的氫氣經由自由運輸,送到有電力需求的地方,並利用燃料電池快速啟停的優勢,人類可根據隨時的需求,將氫氣的化學鍵能轉換為電力形式,提供終端負載使用,過程不經燃燒,只產生純淨的水。未來,不論是小客車、公車、貨車……,或是發電站、備用電源等,排出的不再是汙染的臭氣,而是可以飲用的水資源!

換句話說,利用氫氣做為高能量密度載體、透過儲存及移動,達到多種應用場景。氫氣來源多種而豐富,可由再生能源類的風電、太陽能、水力、或核電製氫,亦可利用傳統化工業的裂解、重組等副產氫氣,經適當提純後,成為燃料電池氫氣來源。同時,氫氣由於氣體的特性,可壓縮到150倍、350倍、甚或700倍的狹小空間,搭配所需續航里程的鋼瓶、或裝置燃料管路,做出各種形式的應用,氫氣迅速補充,相當便捷好用。一般而言,應用領域分為四大類,交通領域,如各型式車輛、各類船舶……等;分散式能源領域,如充電樁、大樓型發電應用、大型工廠發電……等;後備電源領域,如通信、緊急備用電源、獨立電網……等;特用市場領域,如急難用電源、航空用電源……等。另一方面,利用燃料電池可隨電力需求做拉載、降載、啟動、停止等,因此,在未來再生能源量大而間歇性特性,燃料電池可以與之做補充,使不論白天或黑夜、風大或無風等情景,都可以穩定電力輸出,而達到削峰填谷、平衡電網之效,解決太多電力進不了饋線、以及電力需求驟升等問題。

圖1 氫經濟社會。

由此觀之,氫燃料電池在未來能源轉型占據重要的角色,這也讓燃料電池政策在許多地方上升到了國家戰略層次,如美國、歐盟、日本、中國等。美國能源部提供6400萬美元於氫研究項目基金,推動氫能與燃料電池技術進步,如氫氣生產、運輸及儲存等技術。其中加州更如火如荼展開,通過約20億美元延長乾淨能源汽車和燃料補貼至2023年的法案,編列每年2000萬美金於加氫站建設,2025年加氫站目標為200座,2030年零排放汽車目標為50萬。歐盟2016年成立GrinHy計畫,總補助經費為450萬歐元,Horizon2020計畫,對氫能與燃料電池投入220億歐元經費,包含12個歐盟會員國參與,推動1000套燃料電池熱電共生系統。日本經產省公佈燃料電池車普及計畫,力推2025年燃料電池車累計銷售達25萬輛,並在2030年達到80萬輛,日本政府宣佈為每輛燃料電池車提供至少200萬日元補貼。中國發布「中國中長期科學和技術發展規畫綱要」將「低能耗與新能源汽車」和「氫能及燃料電池技術」分別列入優先主題和前沿技術,同時,發佈大量相關政策,如《中國節能與新能源汽車技術路線圖》明確燃料電池汽車發展的技術路線與商業目標、《中國製造2025》明確燃料電池為發展重點之一。近期,國家能源局《關於開展燃料電池汽車示範應用的通知》的「以獎代補」政策,大力推動燃料電池汽車關鍵核心技術產業化、人才引進及團隊建設、新車型及新技術的示範應用等。據《中國氫能產業發展報告2020》所繪製氫能藍圖,到2050年,中國氫能占終端能源消費比例達10%,氫燃料電池汽車保有量3000萬輛,氫氣需求量6000萬噸,進入氫能社會。另一方面,就市場規模而言,資料亦顯示,氫燃料電池市場即將進入爆炸性成長期,15年成長千倍以上。同時,近來各國政府及企業投入燃料電池力度明顯加強,2015年億級美元、2020年十億級美元、2030年百億級美元的速度發展。

燃料電池如此應用廣泛,卻可歸根於一個簡單的化學式,2H2+O2→2H2O。燃料電池利用氫氣與氧氣兩種物質,形成迴路時,因為兩者電位差,低電位發生氧化而放出電子,高電位發生還原而得到電子,結合產出水的過程中,化學能轉變成電能,同時產生部分的熱能。燃料電池既沒有柴油引擎的燃燒,也不是類似鋰電池的充放電,氫氣(H2)與氧氣(O2)的反應結合,副產物只有水(H2O),真正零排放!

圖2 燃料電池發電原理。

實際上,我們可以視燃料電池為「氫能」發電機!跟其他幾種儲能相比,因氫氣的可壓縮性,使能源密度對比其他儲能系統多出許多倍!由於反應不經過燃燒,其電堆內利用高分子觸媒進行靜態的電化學反應,在約70~80 °C的低溫,氫氣與氧氣間電子進行高電位流向低電位而發電,能源效率可高達45~55%,對比汽油、柴油效率大約只有20~30% !燃料電池具有比柴油環保,比鋰電池能量密度高、快速補充燃料、易回收處理等優點。因此,氫燃料電池在未來很有潛力取代鋰電池﹑內燃機,成為儲電﹑能源產生的主流產品。

進一步觀之,燃料電池系統由兩大核心技術所組成,分別是電堆和BOP系統,以PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)技術路線做說明。電堆由一片片的燃料電池片構成,每個燃料電池片由陰極、陽極、質子交換膜及兩片極板組成。燃料電池片堆疊起來,即構成燃料電池堆,然後再與周邊零部件組成發電模組,放置到電力應用端場域裡,即為一個發電機組,隨著目標功率不同,可建構分布式發電站或大型發電廠等各類型發電設備。

圖3 各層級燃料電池。

BOP全稱為Balance of Plant,由五大子系統組成,這五大子系統分別是空氣供應、溫度控制、氫氣供應、電控通訊、電力電子。每個子系統有其重要的功能及性能要求,也就是BOP系統的重要設計原理,如空氣供應系統應考量空氣氣流速度及阻力丶供氣品質狀態丶溫度及濕度控制丶電堆背壓建立等;溫度控制系統則需要維持燃料電池適合的反應溫度丶控制反應水生成、散熱機制等;氫氣供應系統則需要氫氣與空氣壓力均衡控制丶燃料壓力、注入量控制、堆積水排除等;電控通訊系統要注意溫濕度丶壓力丶電壓、電流等訊號封包傳遞正確性丶操作速度提升丶各類演算法丶電路硬體設計等;電力電子系統要求高轉換效率丶快速追載丶抗干擾開發等設計。可參考下圖說明。

圖4  PEM燃料電池系統基本架構。

 

綜上所述,燃料電池因具有乾淨能源、穩定電網、來源豐富、高能密度、充氫快速等諸多特性,在未來能源轉型占極具重要的地位。燃料電池的市場應用與尋找氣源為一體的兩面,除特別設置加氫站作為加注氫氣來源外,如工廠歲修的多餘氫氣釋放,可考慮燃料電池發電、廠內氫氣不平衡而有餘氫時,也可考慮燃料電池發電、廠內若有低價值(已純化但尚未加至高壓)氫氣,亦可考慮燃料電池發電。氫經濟社會便是串聯供給與需求端而設計出最佳化能源需求應用場景,大家一起為氫經濟社會願景努力!