氫氣是一種早已被廣泛利用的重要化學品，同時也是高能量密度能源載體，但隨著暖化議題的浮現，如何潔淨與永續生產氫氣是現今全球重要課題之一。現今歐、美、日各國均已將氫能經濟列入未來發展永續能源的重要核心，各國不約而同地將低成本產氫的鹼性水電解產氫列為短中期發展的關鍵技術。
本文將從以下大綱，就氫能經濟發展、電解產氫技術發展及氫能產業應用進行現況說明。
‧氫氣來源
1. 熱化學法
2. 水電解法
(1) 酸性電解產氫
(2) 鹼性電解產氫
(3) 固態氧化物電解產氫
3. 光催化法
4. 生物法
‧潔淨發展與氫能經濟
‧明日之星—水電解產氫
‧產業應用趨勢
【內文精選】
在尋找各種可能方案以替代石化能源的發展過程中，氫能被視為一種極具潛力的綠色能源。氫氣的能量密度非常高，每公斤可產生約142萬焦耳的能量，約為汽油的3倍、天然氣（甲烷）的3.5倍，而燃燒後的產物僅有水而已，並不產生如二氧化碳等溫室氣體。全球氫能經濟(Hydrogen Economy)預估在2021年可達到1,547億美金的規模，但目前96%氫氣仍以化石原料（天然氣、煤與液化石油氣）作為料源生產，使用化石原料及生產過程中仍然排放二氧化碳，因此非潔淨永續生產氫氣的方法未來將備受挑戰。
氫氣來源
由美國能源部DOE所提供之現今社會主要產氫方法有四種，分別為熱化學法（天然氣重組、煤炭氣化、生質物氣化、液態生質衍生物重組與熱化學水裂解法）、水電解法（酸性電解法、鹼性電解法與固態氧化物電解法）、光催化法、生物法等。分別說明如下。
2. 水電解法
利用水電解法產氫被視為未來短中期極具潛力生產潔淨氫氣的重要方法，因電力來源可依靠再生能源（太陽能、風能），而料源則是覆蓋全球70%面積以上的水，因此料源部分非常充足。電解設施可應用於分散式與集中式產氫，利於搭配再生能源或其他餘電來源進行產氫，若搭配前者則可實現零碳排放之產氫程序，也因此電解法近年備受注目。目前常見之水電解法分為三類，說明如下。
(3) 固態氧化物電解產氫
固態氧化物電解法(Solid Oxide Electrolyzer Cell; SOEC)顧名思義使用具傳導氧離子之陶瓷材料作為電解質，如圖三所示。由於使用固態電解質，因此系統必須操作於高溫環境(700~800˚C)，以熱力學觀點，高溫將利於降低電解電壓，也因此以固態氧化物電解產氫具有較高效率，但系統材料的耐熱性也同時備受考驗。此技術發展時間最短，目前研究大多均以實驗室規模為主，因此也被視為中長期發展目標之一。
圖三、固態氧化物電解產氫示意圖
明日之星—水電解產氫
2017年由丹麥科技大學與丹麥綠能應用相關業者EWII主辦第一屆International Conference on Electrolysis (ICE2017)會議，此為國際間第一次針對電解產氫專門進行完整探討之研討會，由此說明水電解產氫於近年備受國際注目。該會議主要分為四大類水電解產氫探討：①鹼性電解產氫；②質子交換膜電解產氫；③固態氧化物電解產氫及④其他電解應用。其中不乏技術主要領導廠商，如AEL領域之Nel Hydrogen、PEMEL之Proton OnSite、Hydrogenics與3M及SOEC領域之Sunfire，相關彙整如表一所示。
目前國際上大規模產氫仍以AEL為市場主流，近年來亦有學者發展新型鹼性膜電解產氫(Anion Exchange Membrane Electrolysis; AEMEL)，此技術結合了AEL與PEMEL之各自優點，如表二所示，因此其技術發展備受各界注目。工研院材化所於2017年投入此前瞻技術開發，目前於陰離子交換膜與非貴金屬系觸媒開發初步均已獲得重要突破...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
表二、新型鹼性膜電解產氫與傳統電解法之差異
作者：林國興、林有銘、林俊男／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」376期，更多資料請見下方附檔。