何敏碩、陳耀明 / 工研院材化所
因應氣候變遷，氫燃料被視為一種能取代高碳排放化石燃料的乾淨能源。各國正在積極建置氫氣生產、儲存、運輸及應用等產業鏈的基礎設施。然而，氫氣無色無味且快速擴散，一旦洩漏，不僅會造成公共安全問題，也會帶來經濟及財產損失。由於氫氣的獨特性質，使得其洩漏識別具有挑戰性。為確保氫能產業的安全發展，在不同產業鏈大規模部署低成本、易安裝和維護、高靈敏度和精確度、穩定耐用及快速反應的氫氣感測器顯得非常重要。本文將簡介氫氣偵測技術及創新發展，討論其基本原理與優缺點，並概述現有商用氫氣感測器，以及可能對感測器造成干擾的其他氣體。期能為氫能基礎設施場域檢測或監測氫氣洩漏，提供選擇適用偵測工具的參考依據。
【內文精選】
氫氣偵測技術
大多數氫氣偵測原理已為人所知，本節將綜整文獻中現有和創新之氫氣偵測主要技術的工作原理及優缺點，並簡介最近的技術發展和性能改進。傳統氫氣偵測技術可分為八種類型，其偵測原理簡述如下：
①催化型：可燃性氣體與氧氣在催化材料表面的反應，進而會釋放熱量產生電信號，因此可偵測包括氫氣在內的任何可燃性氣體。
②導熱型：利用氣體的熱導率，測量目標氣體與周圍氣體的熱損失。
③電化學型：藉由感測電極上發生的電化學反應而導致的電荷傳輸或電氣特性的變化。
④電阻型：透過金屬氧化物暴露於還原氣體時，其電性能發生的變化。
⑤電學型：係為將電子從固體表面去除所需的最小能量。
⑥機械型：當氫氣被金屬吸收時，會占據金屬晶格中的間隙位點，導致該晶格膨脹，從而改變金屬的物理性質。
⑦光學型：利用材料與氫氣相互作用時的光學特性發生變化。
⑧聲學型：經由壓電材料表面的吸附物導致之聲波特性變化。
1. 記憶體(Memory-based)感測
應用半導體技術可開發輕量型及低能耗的氫氣感測器(Hydrogen Sensors)，其中電阻式隨機存取記憶體(Resistive Random Access Memory; ReRAM或RRAM)是一種非揮發性隨機存取記憶體，即斷電後儲存的內容仍保留。ReRAM由導體/絕緣體(或半導體)/導體夾層結構組成，其電阻因氧化還原反應而改變，物理現象如電阻開關(Resistive Switching; RS )，在外部刺激下可轉換成高電阻狀態(High Resistance State; HRS)或低電阻狀態(Low Resistance State; LRS)。因此，透過量測電阻的變化量可偵測作為還原劑的氫氣濃度，工作原理如圖二所示。
圖二、不同燈絲狀態下的記憶體氫氣感測電流變化
3. 氫氣感測變色膠帶
2003年，美國太空總署甘迺迪太空中心(NASA Kennedy Space Center)為開發視覺定位氫氣洩漏的方法，和中佛羅里達大學(University of Central Florida; UCF)研究人員隊利用日本專利，將氧化鈀(PdO)和氧化鈦(TiO2)混合，當存在氫氣時，混合粉末會變色。因為專利配方變色速度很慢，研究團隊對支撐物TiO2及實際變色化學反應PdO進行調整，使其具有正確的顏色對比度(從米色到深灰色，如圖五)，可支援非常快速的偵測反應，並且可以應用於有機矽膠帶上。經過兩年的研發，顏料配方完成，但因膠帶必須具有低溫穩定性、耐燃性和耐候性，研究團隊設計一種由聚四氟乙烯和其他基質製成的密封劑，完成新版本的氫氣感測膠帶。2013年，兩個團隊將這項技術商業化，由HySense Technology LLC以Intellipigment™的名稱開始生產和行銷，該產品具有易於應用和拆卸、無需電源即可運作、可透過目視方式檢測洩漏點、反應速度快(100%氫氣在10秒內可偵測出來；1%氫氣洩漏，反應時間為3分鐘)等優點。
圖五、HySense Technology氫氣感測變色膠帶比色情形
商用氫氣感測器
1. 電化學感測器
電化學感測器(Electrochemical GasSensor)是利用氣體與電極之間的化學反應產生電流信號，進而測量氣體濃度的裝置。其優勢在於體積小巧、成本低廉及能耗低，且對目標氣體具有高度的靈敏度和選擇性，允許設計成手持式或固定式儀器，因此，市面上已有許多此類商用感測器產品用於氣體的檢測和監測。然而，其電解質的穩定性是限制其應用場域及工作溫度範圍的主要因素。電解質的種類和性質會直接影響感測器的性能，如：反應時間、線性度和長期穩定性。傳統的酸性水溶液電解質在濕度和溫度變化下容易發生膨脹或乾燥，當電解質的體積和阻抗發生嚴重變化，會導致感測器性能不穩定。此外，封裝的缺陷可能發生電解液洩漏，進一步影響感測器的可靠性 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》458期，更多資料請見下方附檔。