一、前言
目前美國以使用天然氣發電為主，美國能源部(United States Department of Energy, DOE)指出，天然氣將成為2040年代生產電力的主要燃料。然而，天然氣屬於化石燃料，燃燒發電時會產生CO2排放(其排放量為煤炭CO2排放量的42%-63%)。
根據美國全球變遷研究計畫(U.S. Global Change Research Program，USGCRP)的分析，如果溫室氣體排放量以預測的速度持續增長，而不採取減排措施，那麼氣候變化的影響將對美國社會、經濟帶來嚴重的負面影響。

由於氫可作為能源載體和清潔燃燒特性(氫氣屬易燃氣體，僅需少量能量即可燃燒，且與氧氣燃燒反應後，僅會產生熱量和水，具有低碳甚至是脫碳的潛力)，因此擴大氫能應用替代或減少使用化石燃料以減少溫室氣體排放為國際能源發展趨勢。為此美國第116屆國會提出許多法案，提議聯邦政府支持氫能運輸基礎設施，以及氫氣的儲能應用。例如，2019年6月頒布的《2019年碳捕集改進法》 以及2019年7月頒布的《2019年碳捕集改善法》 。文章將先簡述美國目前的製氫技術，再說明氫能的主要應用以及面臨的挑戰。最後，再歸結出臺灣可參考的發展方向。

二、製氫技術
氫氣不會自然產生，主要是在液體、氣體或固體中與其他元素以複合的形式存在，必須使用適當的技術從各種來源中提取氫氣，綜整目前市場上主要的製氫技術如下：
(一) 蒸氣重組(Steam-Methane Reforming, SMR)
為美國生產氫氣的主要技術，目前有超過95%的氫氣使用甲烷SMR技術生產，利用天然氣(主要成分為甲烷)在壓力3-25 bar與溫度700–1,000°C的蒸氣進行反應，生成氫氣和一氧化碳的混合物，再進一步處理還原一氧化碳，最後生成氫氣。SMR技術的製程效率可高達74-85%，但會產生CO與CO2等副產物，天然氣價格波動也會影響原料供應。

(二) 氣化
以煤炭為原料，在高溫高壓下與氧氣進行化學反應，生成氫氣與灰渣。此技術的主要優點在於原料取得容易且便宜(製氫成本為1.63–2.05$/kg)，但會產生灰渣與焦油等副產物，其製程效率偏低，僅有30-40%。

(三)電解
可利用再生能源將水電解產生氫氣，反應過程可在室溫下進行，常用的電解質是硫酸，電極則是不與硫酸反應的鉑(Pt)，其副產品為O2屬於零碳排的製氫技術。電解製氫的製程效率為60-80%，生產氫氣的成本為7.50-10.30$/kg，是目前製氫技術中成本最高的。

(四)熱解
在熱解製氫過程中，在沒有氧氣的情況下加熱生質物(有機原料)，構成生質物的成分，如纖維素和木質素會熱分解為可燃氣體和木炭，並產生3種產物：生物油(液體)、生物炭(固體)和合成氣，這些產物的比例會因原料組成和製程而不同，其中合成氣可再進一步將其分離、重整生成氫氣。熱解技術使用的原料豐富、便宜，製氫成本為1.59–1.70$/kg，但會產生焦油，其製程效率35-50%偏低。

三、氫能應用與挑戰
(一)氫能應用
美國市場中已商業化的氫能應用包括：使用氫氣取代天然氣進行大規模發電、混和甲烷與氫氣驅動燃氣渦輪機與正在成長中的氫能燃料電池發電市場。
1.大規模發電
氫氣具高能量密度，其能量含量為120MJ / kg，約為汽油44 MJ / kg能量含量的3倍，亦為所有燃料中的單位能量最高的原料。此外，氫氣燃燒後的主要產物為水，並不會產生CO2，使用氫氣取代天然氣進行大規模發電可以降低溫室氣體排放。

2.氫能燃氣渦輪機
傳統的燃氣渦輪氣是燃燒甲烷驅動，由於氫氣的韋伯參數(Wobbe Index)與燃燒空氣需求指數不同，因此不適合直接應用在燃燒天然氣的渦輪機中。再加上氫氣燃燒時會提高局部火焰的溫度，容易產生大量的氮氧化物(NOx)，會導致臭氧形成。

(1)混合甲烷與氫氣作為燃料
現有的渦輪機根據氫氣的特性進行改造才能使用氫氣作為燃料，目前使用中的新型渦輪機使用的燃料為甲烷和氫氣的混合物，例如三菱日立電力系統有限公司(Mitsubishi Hitachi Power Systems , MHPS)與美國猶他州的燃煤發電廠Intermountain Power Agency簽訂合約，提供兩台M501JAC燃氣渦輪機，可利用30%的氫氣混合甲烷燃燒趨動。

(2)減少NOx排放量：乾式低排放(Dry Low Emissions , DLE)技術
使用燃燒氫氣、甲烷混合物驅動渦輪機時需要控制火焰溫度以減少NOx的排放量，利用DLE燃燒器可以控制並維持火焰溫度，進而減少NOx的排放量。然而，靠近燃燒器尖端處的地方NOx排放量較高，可再透過調整燃燒器設計與二次NOx排放控制系統來解決上述問題。

3.氫能燃料電池
使用氫能燃料電池的產物為電、水和熱能，不會產生CO2，過程中也不會產生煙霧。此外，燃料電池可以將燃料中的化學能轉化為電能，其效率高達60%，高於化石燃料發電廠40%的效率。再加上燃料電池發電時不會產生噪音，適合直接安裝在用電量較高的城市中，可降低從傳統發電廠輸電到城市中的輸電網路需求，進而減少冰雹或大風雪引起的停電風險。因此，越來越多的家庭、企業和政府機關正轉向使用燃料電池進行發電。

近年來，氫能燃料電池的應用和市場已經擴大，安裝5-63MW的氫能燃料電池小型發電廠是正在成長中的市場。氫能燃料電池的應用範圍涵括主電源、備用電源、緊急電源和輔助電源，可為旅館、醫院、大學和資訊中心供電。目前在美國的Connecticut、Delaware和California等3個州已建造了數個大型氫能燃料電池發電廠。

(二)挑戰
由於氫氣的分子小，使得氫氣的儲存和運輸面臨相當大的挑戰。此外，在室溫和標準大氣壓力下，氫氣的單位體積能量密度低，因此儲存氫氣時需要利用外部能量冷卻或壓縮氫氣。

1.運輸
初期建設輸送氫氣專用管線的資本成本高昂且須面臨氫氣可能導致鋼和焊接的縫隙脆化、需要防止氫氣洩漏等技術問題。另一種解決方案是使用現有的天然氣輸送基礎設施輸送氫氣，既有的天然氣管道可輸送天然氣和氫氣的混合物(可輸送混合約15%的氫氣)，DOE預計若要改造現有的天然氣管道以輸送100%的氫氣成本過高，因此研發出使用纖維增強聚合物(Fiber Reinforced Polymer , FRP)管線輸送氫氣，FRP管線的優點在於安裝成本比鋼製管線低20%，且需要焊接的地方也比鋼製管線少。目前美國目前正在使用中的氫氣管線約有1,600英里，由氫氣生產商建造，主要集中於墨西哥灣沿岸煉油廠和化工廠等氫氣需求較高的地方。

2.儲存
氫氣可用氣體或液體形式儲存，氫氣作為氣體的儲存需要使用350-700 bar (5,000-10,000 psi)的高壓儲氣罐；在1大氣壓力下氫的沸點是-252.8°C，因此液態氫的儲存需要低溫並輸入能量來壓縮氣體，目前可以在大型壓力容器或洞穴中儲存氫氣。例如，在2900 psi的壓力下，可將100 GWh蓄電量的氫氣儲存於500,000立方公尺的地下鹽穴中。
DOE也指出美國需要更大容量的地下儲存空間儲存氫氣才可滿足全年的電力需求，可以利用的天然地質構造包括鹽洞、含水層結構與岩洞等空間，目前美國已有4個鹽洞用於儲存氫氣。

四、小結
依據2019年的統計 ，G20國家和歐盟中有11個國家已訂定氫能應用相關政策、9個國家有設定目標。其中氫能應用以小客車為主，其次是針對交通運具加氫站、公車、電解、貨車、建築供暖及供電、電力生產、工業和其他交通運具。
此外，臺灣擁有完整的燃料電池供應鏈 ，包括材料(上游)、電池組件(中游)、系統應用(下游)以及零組件。全球最大的燃料電池公司美國BloomEnergy(每年出口產值至少有30億美金)的定置型燃料電池發電設備中有60%之零組件(如電源供應器、熱交換器、金屬鏈接板及金屬表面噴塗等)來自臺灣廠商。
未來臺灣政府可結合太陽光電、風電的發展與氫能產業供應鏈，進一步推動綠能產業間的合作，帶動經濟發展並促進環境永續。