氫氣生產為氫能研發與推廣的重要技術之一，短期是以化石燃料作為原料進行重組而產氫，本文將討論二種先進的重組技術，包含以鈀合金薄膜分離氫氣的助效式重組反應，及使用高溫及高游離態常壓電漿的重組反應。長期則是以水為進料，以再生能源產製氫氣，本文將介紹三種應用太陽能產氫的技術，其中最重要的是雙槽式太陽光電化學法，結合太陽能電池與半導體觸媒材料，直接合併光與化學反應，可有效提升產氫效率。
氫能之研發與推廣，可分為生產、運輸、儲存、轉換及應用等五部分，其中氫氣生產為最重要的技術之一。一般認為，氫氣生產技術的研究策略，短期內應以現有的化石燃料作為進料，以重組反應產製氫氣，其研究目標在達到高重組轉化率、高能源使用效率、緊緻型及可現場(On-site)產氫等方面，譬如薄膜助效重組反應及常壓電漿重組反應。長期研究策略，則是以水為進料，以再生能源產製氫氣，譬如再生能源發電搭配電解水技術、太陽光電化學法(Photoelectrochemical Method)，及太陽熱搭配熱化學技術。本文將介紹上述各項先進的氫氣生產技術，另有其他技術例如生物產氫、煤炭產氫等，不在此贅述。
以化石燃料為進料之先進產氫法
傳統的化石燃料製氫法包含蒸氣重組法(Steam Reforming)、部分氧化法(Partial Oxidation)、煤炭氣化(Coal Gasification)等方法，為集中式大量生產的製程。國內外石化公司如美國Air Product 、德國Carbotech 、中國石油、台塑石化等，皆利用最普遍的蒸氣重組反應，使用蒸氣與低碳之石化原料（大部分以甲烷為主，即天然氣）反應產生氫氣，提供石油裂解中的加氫脫硫製程之用。
典型蒸汽重組製氫製程，如圖一所示。此為吸熱反應，須在650~850°C 的高溫下搭配Ni 觸媒才能得到僅70% 的轉化率，其中燃料成本佔生產成本的52~68% ，且製程設備佔地面積大。由於未來能源趨勢，朝向可現場產氫並搭配燃料電池發電，當務之急乃發展體積緊緻簡單之中小型製氫技術及反應器設計，其中包含了薄膜助效重組反應及常壓電漿重組反應。薄膜助效重組反應乃利用鈀金屬薄膜，在重組反應器內移除氫氣，改變熱力學平衡的限制，可進一步提升甲烷的轉化效率。常壓電漿重組反應，則是利用電漿作為能量來源，藉由高溫及高游離態電漿參與反應，可在短時間內，將各種碳氫化合物，轉換成富含氫氣的氣體。下文將詳述此兩種先進的重組反應。
圖一、典型蒸汽重組製氫的工廠方塊製程圖
1.薄膜分離助效式重組技術
薄膜分離反應器是根據勒沙特列定律(LeChatelier’s Principle)，在重組反應中移除氫氣，氫氣經由選擇性薄膜滲透而分離，使重組反應持續朝向生成物方向前進，超越熱力學平衡轉化率，提高產率，在較低的反應溫度即可讓反應更完全。薄膜分離反應器同時具有分離與反應的特點，其優點為：1.突破熱力學上的限制，增加轉化率及改進選擇率；2.提高系統總效率，降低操作溫度及減少能源耗損；3.增加整體經濟效益，提高產率與減少系統總體積。
在設計薄膜分離助效式重組器中，關鍵元件為可以分離氫氣與其他氣體的合金薄膜，目前分離效果最好的是鈀金屬。十九世紀的蘇格蘭科學家Thomas Graham 發現鈀金屬(Palladium)對氫氣有相當好的溶解度，從而開創了以鈀及其合金作為氫氣分離薄膜的後續研究，發展高選擇性、高滲透率及使用壽命長的薄膜。基本上，高選擇性薄膜必須具有完整且緻密的表面，而降低薄膜厚度以減少質傳阻力，並搭配機械強度高的多孔性物質為基材可得到高滲透率。延長薄膜使用壽命則要克服氫脆的問題。
2.常壓電漿重組反應
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再生能源產製氫氣技術
由於再生能源有供需不穩定的缺點，可將氫氣作為能源載體，將再生能源轉換為氫氣，再送到需要使用能源的地方，以直接燃燒或是利用燃料電池來發電。再生能源可利用水力、風能、太陽光電、太陽熱的方式來提供能量，在下文的討論中，將以太陽能為主，介紹太陽光電搭配電解水技術、太陽光電化學法 (Photoelectrochemical Method)，及太陽熱搭配熱化學技術。
1. 太陽光電搭配電解水技術
水電解法是靠外加電場將水分解，由於水本身屬熱力學穩定化合物，外加能量來源是必須的，此來源可來自於核能發電、化石燃料發電或再生能源發電，藉由電解法，負極產生氫氣，正極產生氧氣。利用太陽光發電去電解水以產生氫氣，是最容易理解的產氫技術，也是相對成熟的技術。目前商業化矽基太陽光電效率可達14~18% ，實驗室中可達24.7% ，而利用多重介面製作的GaInP/GaAs/Ge 更可達32% 。在電解技術方面，傳統的鹼性雙極板電解槽效率僅達47~64%，如使用多孔鎳電極效率可再提升到75%。依此估計，現行商業水準的太陽光電搭配電解水技術可達到效率為10% 左右。美國再生能源實驗室的J. A. Turner 博士曾經估計，如果以氫氣供應美國一年所需能量（1019 J，約合120 百萬噸的氫氣），用太陽光電搭配電解水技術，僅需一塊邊長120 公里的新墨西哥州正方形土地，約佔美國國土的0.15% ，即可滿足所需。
2.太陽光電化學法
3. 太陽熱搭配熱化學技術
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使用氫氣取代含碳的化石燃料是人類邁向永續文明發展與生存的必要之路，逐漸由含碳量高的煤炭、石油、天然氣，進入完全不含碳的氫能經濟時代。長遠看來，本文所討論的重組技術及再生能源產氫，不僅在可預見的未來將搭配燃料電池發電使用，並將過渡到氫能經濟的全面發展，解決人類面臨的能源與環境危機。
對氫能生產技術有興趣者，歡迎mail至materialsnet@itri.org.tw
作者：楊昌中、林育立、施明憲、張文昇、鄭名山 / 工研院能環所
★本文節錄自「工業材料雜誌265期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7460