氫能漫談(二)---氫氣的發電應用

  徐瑞鐘＊主筆

* 成功大學能源科技與策略研究中心兼任副研究教授，前工研院能源與環境研究所副所長      

　　在TEPA第78期電子報—氫能漫談(一)提到我國的2050淨零排放規劃中,有9~12%的去碳電力是要以氫氣為來源，因此就來談談怎樣應用氫氣來發電.

　　最直接的方式就是把氣渦輪機(gas turbine)發電系統(如圖一)，所使用的燃料從天然氣改成使用氫氣，這樣就可以把發電的碳排放係數從約450克/kWh降低(請參考表一)。如果是用再生能源電力產製的綠氫來發電，它的碳排放就和太陽光電或風力發電相同；如果是用天然氣重組製成的灰氫發電，則和天然氣一樣；如果是用再經由捕捉CO2的藍氫來發電，它的碳排放量會再低一些。表一中有特別提到燃料電池(fuel cell)，其使用氫氣的發電碳排放量，就要看氫氣的來源是再生能源還是化石燃料。

圖一: 氣渦輪機發電系統基本架構

資料來源: The Energy Solutions Center (ESC), https://understandingchp.com/chp-applications-guide/4-3-gas-turbines/

表一:各種發電方式的二氧化碳排放量

資料來源：黃得瑞教授檔案,沙崙氫能產業發展論壇,2016/12/1

　　因為氫氣和天然氣的性質差異很大(分子量、熱值、燃燒特性..)，在氣渦輪機發電系統的應用就需要做設計修改。幾家主要的廠商–Mitsubishi Hitachi Power Systems、 GE Power, Siemens Energy等，早就投入研究測試，希望早日開發出使用100%氫氣的氣渦輪機。這種氣渦輪機要維持原有性能不是很容易，因此就先使用氫氣混入天然氣的燃料來測試驗證各種機械設計、設備材料和系統整合等技術問題。根據廠商試驗結果，在天然氣混入10%比例以下的氫氣時，氣體壓縮設備可以直接使用；低於40%比例時，氣體壓縮機的葉片和齒輪需要調整；高於40%時，則整個氣體壓縮系統就要重新設計了。現在也有學術單位和廠商開發使用100%氫氣的氣渦輪機發電實驗成功的經驗，日本Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS)公司早在2019年就公開一組試驗中的250kW燃氫氣渦輪機結合SOFC燃料電池的系統Megamie，該氣渦輪機的混氫比例達30%(參見圖二的系統架構)。燃料先進入SOFC發電後，高溫廢氣再到微渦輪機繼續發電，在熱電聯產下效率，估計可達70%以上，二氧化碳排放量可減少約47%。這套系統還在日本好幾個地方持續做長期運轉測試中。

圖二 日本MHPS公司開發的燃氫氣渦輪機/SOFC燃料電池系統

資料來源:Gas to Power Journal, 2020/3 https://gastopowerjournal.com/technologyainnovation/item/10703-mhps-combines-solid-oxide-fuel-cell-and-micro-gas-turbin

　　國內台電公司與德國西門子能源公司已經在高雄興達電廠展開合作，透過升級改造既有燃氣發電機組模式，搭配新建氫氣和天然氣混合設備，試驗國內首部可混燒氫氣的發電機組，預計2023年底測試運轉，2024年達成混氫5%發電示範，爾後混燒發電比例可上看15%。

圖三: 台電公司測試天然氣混氫氣發電的興達電廠示意圖(台電資料)

　　接下來介紹燃料電池氫氣發電。燃料電池(fuel cell)和我們熟知的電池(battery)不一樣，它是個經由化學反應來發電的發電機。燃料電池依據其反應機制至少有四種，表二為四種燃料電池的特性說明。但現在發展推動中的主要有兩種：質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC,又稱固體高分子,PEFC)和固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC)。各種燃料電池的差異是在反應機制、導電離子、使用材料和反應溫度的不同。

表二:四種燃料電池的特性, 資料來源:維基百科

　　燃料電池的基本原理如圖四(左)所示(以質子交換膜燃料電池為例)，燃料氫氣進入陽極(anode)，經由觸媒反應放出一個電子到外線路(發電)並產生導電離子(質子H+)，氧氣(空氣)進入陰極(cathode)，質子則由陽極經過電解質層擴散到陰極，和經由外線路來的電子合成水排出。它的反應在陽極為: ,在陰極則是 

圖四 燃料電池原理示意圖    資料來源:維基百科

　　圖四(右)是個單電池(single cell)示意圖，由陽極、陰極、電解質層、氣體擴散層和雙極板等組成，將很多個單電池組合起來就成為發電基本單元--stack(電堆)，如見圖五(左)所示，再加上輸送燃料和空氣的pump、blower、各種sensors和控制線路等成為module(模組)，如見圖五(右)所示，再加上電力電子轉換裝置，就是可以發電並輸出電力的燃料電池系統。

圖五 燃料電池電堆(左)和商用模組(右,Ballard Power System公司)

資料來源: (右) https://www.engineerlive.com/content/new-fuel-cell-module

　　PEMFC系統的發展較早、技術較成熟，有不少廠商具備此技術。它是使用高分子材料，運轉溫度在60~80C，比較適合需要短時間啟動/關機的應用場合。它在車輛的應用已經實用化–包括轎車和巴士，日本豐田公司和韓國現代公司是主要的領先廠商，它的發電應用偏向小型kW系統。以日本在2009~2018推動的Ene-Farms計畫最成功，總共裝設了約28萬套系統，日本政府補助裝設750~1000W發電量的家庭用天然氣燃料電池系統參見圖六，是可以同時提供電力和熱水的CHP(combined heat and power)系統，其能源使用效率可高達90%。這個產品在補助停止後持續銷售，到2021年6月時，總共超過40萬套。

圖六 家庭用天然氣燃料電池系統示意圖(左),(右)Panasonic公司的產品,左
邊是熱水桶,右邊是燃料電池     
資料來源:Panasonic公司網站

　　擁有SOFC技術的公司較少，它的主要材料是陶瓷金屬，反應溫度在700~900C，系統的開機/關機需要較長的時間(5~10小時,看系統規模)，就發電應用則適合當基載使用。SOFC在大型發電系統(>1MW)的應用也已實用化，其裝置系統可以到達數十MW的規模。大型SOFC發電系統的發展應用以美國Bloom Energy(BE)公司為領先廠商，其發電效率可達65%(參見圖七從SOFC單電池組成模組到系統之說明)，值得一提的是它的產品零組件供應鏈主要就在台灣(核心的stack除外)。BE的SOFC系統在美國、日本和韓國等國家已裝置有數百MW的規模，屬於電廠級的應用。我國直到今(2023)年8月才有欣興電子中壢合江廠裝置了一個600kW的SOFC系統(參見見圖八)，此系統所使用的天然氣來自中油公司管線，是24小時運轉發電。該公司並規劃未來4年要在其他廠區共裝設到10MW規模，為我國的氫能燃料電池發電開創新的里程碑。

圖七 美國Bloom Energy公司的SOFC系統說明

資料來源: Bloom Energy公司網站

圖八 欣興電子公司裝設的SOFC發電系統   
資料來源:工研院綠能所

　　利用氫氣來做電廠級(MW)的發電應用，不管是經由氣渦輪機或是燃料電池，將是未來重要的能源議題，能源發電業者(台電公司、民營電廠)和大量電力使用者(大型工廠、科學園區、購物中心、醫院等)都要密切關心它們的發展進度。