氫氣製造

氫氣製造 (Hydrogen production)
臺北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師 / 國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

目前工業上主要的製氫方法是將碳氫化合物以 蒸氣重組 (steam reforming)的方式製得，而在某些其他化學反應中，氫氣也可以副產物(byproduct)的方式獲得。此外還有許多製造氫氣的方法如電解法 (electrolysis)與熱解法(thermolysis)等。目前科學家們正試圖努力尋找能大量且便宜的製氫的方法以符合經濟效益。

早期在許多以氫氣為原料的工業中如：哈柏法製氨的肥料工業與輕油裂解或其他石化相關產業（脫氫環化(dehydrocyclization)與苯環化 (aromatization)反應）等，這些產業通常將未反應或產生的氫氣，直接排放到空氣中，但現在已調整製程系統將氫氣回收再利用。此外著名的鹼氯工業所產生的副產物氫氣也可經 冷卻、壓縮與純化得以充份利用。

蒸氣重組 (Steam reforming)

化石燃料是主要的氫氣製造來源，從天然氣製氫有80％的效率，而藉由其他碳氫化合物來製造其效率也各不相同。在高溫下 (700~1100℃)，水蒸氣與甲烷作用產生合成氣(syngas)，反應式如下：

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂ + 191.7 kJ/mol

在第二個階段更多的氫氣會產生藉由低溫下(130℃)產生水煤氣轉移反應(water gas shift reaction)而生成。反應式如下：

CO + H₂O → CO₂ + H₂ － 40.4 kJ/mol

電解與熱裂解 (Electrolysis and thermolysis)

工業上也常使用電解水來製造氫氣，這個方法只需使用低電壓與簡單的裝置如霍夫曼電量計（Hofmann voltameter）即可達成，但大規模的製氫需使用高壓與高溫的系統來增進電解時的能源效率。進行高溫電解時溫度常達800℃，因此需消耗許多能量，故有多種的催化劑用來提昇電解效率。研究結果發現水在2500℃時會自行分解產生氫氣，但高溫會使製程的管線與設備無法承受而損壞。

硫－碘 循環法 (Sulfur-Iodine Cycle)

為一種熱化學的方法將水轉換的製氫方式，其效率比水分解 (water splitting)為高。硫與碘可回收再利用，這個方法適合使用在本身具有高溫的核反應器來製造氫氣。因為其熱源來自核反應器，故安全性仍有待改進，預 計要到2030年才能克服其技術上問題。其反應式如下：

1. I₂ + SO₂ + 2 H₂O → 2 HI + H₂SO₄ (120°C)
2. 2 H₂SO₄ → 2 SO₂ + 2 H₂O + O₂ (830°C)
3. 2 HI → I₂ + H₂ (450°C)
淨反應式為：2 H₂O → 2 H₂ + O₂

此種製氫方式目前已開發出許多類似的方法如：銅－氯循環(Copper-chlorine cycle)、鋅－氧化鋅循環(Zinc-zinc oxide cycle)等。

生物製氫法 (Biohydrogenation)

生物製氫法，便是利用生物來生產氫氣。目前已開發出不需要光線的暗反應發酵法(Dark fermentation)製氫。但由於暗反應發酵法每莫耳葡萄糖只能產生4莫耳氫氣(four H2/glucose)，因此在2007年科學家使用一種非天然的酵素可將多醣與水作用達到每莫耳葡萄糖產生12莫耳氫氣。生物製氫法具有常溫常壓下就能 反應、低耗能、乾淨等優點，是一種發展潛力高的製氫方式，成為目前科學家研究的重點。而現今生物製氫尚未能推廣普及的另一原因即為成本過高，不符合經濟效益。

參考資料
1. Hydrogen_production。檢索日期 2011.5.20，http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_production
2. http://www.guardian.co.uk/scienc … emistry.agriculture