李勝偉、汪俐穎 / 中央大學材料所；曾重仁、李侃融 / 中央大學機械系；鄭博駿 / 中央大學能源所
可逆質子傳導型固態氧化物電解電池(R-PSOC)為一兼具發電/儲能功能的新興儲能裝置，適用於各規模之定置型能源應用，可作為穩定輸出電源外，亦可作為電解裝置，將電力轉換為氫能應用。本文闡述技術團隊在R-PSOC技術研發之現況，針對漏電流機制改善與導入離子半導體概念之新型結構低溫SOFC來提升電池效率，並透過系統放大模擬分析以配置低能耗高效率系統，將有助於把R-SOFC多元使用情境特性與再生能源架構結合，進行實際的儲能應用。
前言
由於氣候變遷、溫室效應等環境安全與永續經營等議題，世界各政府不遺餘力地推動能源政策，我國政府也規劃能源轉型以減煤、增氣、展綠、非核之潔淨能源發展方向為原則，確保電力供應穩定；前瞻基礎建設並訂定2025年再生能源發電占比20％為政策目標，預計2025年太陽光電裝置容量達20 GW、離岸風力裝置容量則達5.7 GW以上，同時並規劃2019年到2025年備用容量15%、備轉容量10%之穩定供電目標。由於太陽光電與風力發電受天候條件影響極大，其間歇發電的特性造成供電端與用電端在調控上需要更大的彈性，否則容易出現瞬間電力輸出斷層，對現有電網系統衝擊極大。
面對再生能源間歇供電的問題，兼具發電/儲能功能的可逆固態氧化物燃料電池(Reversible Solid Oxide Fuel Cell, R-SOFC)提供了一個新的配套技術選項，因R-SOFC對現有的天然氣或合成氣等燃料來源容忍性高，且其高轉換效率、低碳排放與穩定性輸出之特性，未來在彌補電力缺口、穩定供電之前提下，扮演關鍵角色。另一方面，R-SOFC優勢在於不僅可作為穩定輸出電源，亦可作為儲能裝置，透過燃料電池進行逆反應操作即為電解電池(Electrolyzer Cell; EC)，可利用太陽光電與風力發電離峰時刻所產之電力進行能量轉換，將過餘電力以氫能形式進行儲存，此兼具發電/儲能雙向功能的裝置對於再生能源穩定供電將扮演重要的角色。
電轉氫儲能技術
將電能透過電解反應轉換成氫氣或其他氣體的技術稱為電轉氣(Power to Gas; PtG)，PtG是最近幾年德國大力推廣零污染、高效率之產氫技術，利用電解裝置將電力轉換為氫能，不同以往電池或水力蓄電技術受到裝置容量的限制，電轉氫技術的裝置本身無儲能容量的限制，其所儲存的氫能可應用在能源的長期儲存(數日~數月)(如圖一(a)所示)，也可根據後端使用者需求情境，轉換成電力、熱或製成化工產品(如天然氣或其他液態燃料)使用，電轉氫與再生發電裝置整合後成為現地產電/產氫之系統，彈性調度能力高。
圖一、(a)儲能技術規模與儲能時間對照圖，氫能是適合長時間大規模儲能的最佳技術；(b)各類型電解器產氫之熱力學參數比較
目前電轉氫技術最常用的三種電解器為傳統鹼性電解(Alkaline Electrolyzer; AEL)、質子交換膜電解電池(Proton-exchange Membrane Electrolyzer Cell; PEMEC)與固態氧化物電解電池(Solid Oxide Electrolyzer Cell; SOEC)。傳統鹼性電解與質子交換膜電解電池是目前技術成熟度較高的技術，其電解反應操作溫度較低(50~80℃)，但是利用操作溫度區間高(800~1000℃)的可逆固態氧化物燃料電池(R-SOFC)進行逆反應電解水有其轉換效率上的優勢，如圖一(b)所示。以熱力學觀點可知：當系統溫度越高時，電解反應所需的電壓越低，故操作溫度高之SOEC產氫所需電力能耗較AEL與PEMEC更低，產氫效率更高。SOEC另一優勢為觸媒成本，因其高溫操作之特性有助於加速觸媒催化，因此無須使用貴重金屬鉑(Pt)當作觸媒，可大幅降低製程成本，亦可結合熱電共生系統(Combined Heat and Power; CHP)大幅提升系統效率。目前SOFC系統效能達50~70%，優於PEMFC (32~60%)。比較不同類型之燃料電池水電解產氫技術之系統效率、操作壽命、設備及運作成本等，可發現SOEC是眾多燃料電池中最有潛力運用於大規模商轉之PtG系統的最佳選擇。
圖二展示了德國Sunfire與美國波音公司在2014~2016年間合作的電轉氣整合系統，該R-SOFC系統結合了…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。