紀岩勳、黃軍儒、張文昇／工研院綠能所；張秉宏/工研院材化所
工研院開發之「陶瓷-金屬複合濾氫薄膜」，為濾氫薄膜領域發展30年來，性能首位達成同時具備高氫氣滲透量與高氫氣純度之製備技術，研發團隊將自製之多孔陶瓷披覆於低膜厚的鈀金屬薄膜上，使膜材兼具多孔陶瓷的「篩分隔離」與金屬薄膜的「質傳過濾」雙重機制，是一種獨特之微觀多層次分離模式，也突破傳統單一質傳過濾機構的限制。未來這項技術不僅可用於傳統石化燃料重組產氫純化，此外還能協助半導體與電子等產業，以更經濟的方式處理含有氫氣的製程尾氣，將其純化後循環利用，開啟環保之綠色製程，落實低碳家園之願景。
【內文精選】
前 言
濾氫薄膜主要應用於富含氫氣(Hydrogen)之混合氣體中，可分離出氫氣使氫氣濃度提高，以符合不同精密工業之需求標準。富含氫氣之氣體常來自於化工、半導體、光電與金屬製造等製程，這些工業在製程中常需要氫氣作為保護氣氛，而使用後之氫氣會變成混合其他成分之「餘氣」(Off Gas)被排出，其濃度低於原製程之要求無法重複使用，現階段大多使用焚燒處理並未回收再利用。然而氫氣是有價的製程原物料，隨氫氣濃度越高，其單價也越高，因此若將餘氣中氫氣回收純化，不論是提供原製程使用，或是作為其他用途，如燃料電池發電等，都較直接焚燒排放更具有經濟與環保效益，亦可減少上游氫氣製造所造成的化石原料消耗及環境污染。
眾多薄膜材料當中又以「鈀金屬」(Pd)為目前世界上性能最好的濾氫薄膜材料。表一為變壓吸附與薄膜分離技術的比較。一般而言吸附系統規模較大，但體積也相對更大；薄膜分離可達到較高的氫氣濃度，在某些領域如半導體與光電等產業，必須使用達到此純度的氫氣，因此薄膜過濾成為高純度氫氣市場的重要技術。
技術現況
薄膜分離技術具有體積小、容易安裝維護等特性，故比起變壓吸附技術，更適合作為各種分散式氫氣回收設備。然而，此技術受限於貴金屬材料與濾氫機制影響，使膜分離技術無法真正同時做到低成本與高效能。 在濾氫薄膜製備方面，大多數國家是使用純鈀 (2,400元/g)、鈀銀、鈀銅或鈀金等合金作為濾氫膜主要成分。以純鈀金屬膜為例，說明其過濾機制：藉由氫氣在鈀膜表面產生一連串化學反應，如氫氣分子吸附於膜表面、氫氣分子分解成氫原子、氫原子滲透進入鈀金屬、藉由壓力差擴散至滲透端表面、氫原子再結合為氫分子與氫氣分子脫附鈀金屬表面等程序，可實現對於氫氣專一之過濾特性。
技術創新與特色
工研院所開發的陶瓷-金屬複合濾氫薄膜，是將薄膜材料成長在多孔基材上的「支 撐式薄膜」(Supported Membrane)。薄膜材料主要包含兩種材質：①是多孔陶瓷層，主要成分為氧化鋁；②是貴金屬，其材料為鈀(Pd)，而薄膜則是利用多孔不鏽鋼基材(PSS)提供機械強度，使其能應用於高壓環境下，其結構示意圖如圖二所示。
圖二、陶瓷-金屬複合濾氫膜結構示意圖
商業化應用與市場機會
依據Research and Markets調查，2017年全球氫氣市場產值為1,032億美元，預計到2026年時將達到2,074億美元，增幅達1倍以上，這與工業氫氣需求量不斷提升、氫能與燃料電池技術在能源市場地位提升等因素有關，也顯見氫氣製造，包含氫氣純化設備，在未來幾年內的需求將持續顯著上升。國內目前並沒有自行開發並成功銷售氫氣純化設備的業者，各氣體公司如三福、聯華、亞東等，或小型產氫設備供應商如碧氫、中興電工、高力等，都是採購或技轉國外氫氣純化技術。雖然能滿足現行市場，但在未來需求擴張下，一方面有更大的純化設備市場機會，另一方面需要更具競爭力的低成本/高效能純化技術，才能掌握未來市場的領導地位。本團隊所開發之「高選擇率與滲透率之濾氫薄膜」在量產下的單位產氫率(Nm3 /hr)成本小於1,000美元，與成熟的變壓吸附技術幾無差異，但具有純化到更高氫氣純度的能力，如表四所示。本技術具有低成本、體積小、操作程序簡單、容易模組化擴充等技術特點，未來將會是氫氣純化領域裡極具競爭力的產品…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
表四、工研院濾氫薄膜技術與傳統產氫技術
★本文節錄自《工業材料雜誌》414期，更多資料請見下方附檔。