王在興、王昭碩、李孟蓉 / 香港理工大學
氨具備成熟的儲運條件與較高的體積儲氫密度，若結合再生能源製氨技術，具有成為低碳氫能載體的發展潛力。氨分解製氫結合燃料電池發電，具高效率與低污染排放優勢，但仍面臨分解反應吸熱、熱管理複雜及殘餘氨控制等挑戰。本文回顧氨分解製氫的反應機制、觸媒設計、供熱方式與燃料電池系統整合之研究進展，並整理本團隊在觸媒改善、系統整合及多元應用場域驗證方面的研究成果。為降低儲運成本並提升氫能跨區域調配的可行性，發展高密度且易於儲運的氫載體已成為重要方向。相較於高壓氫與液態氫，氨具有較高體積儲氫密度、較溫和的液化條件，且可直接利用既有化工儲運體系，因此被視為具潛力的氫載體之一。若再結合再生電力製氨，則有機會建立由綠電、綠氨到終端利用的低碳能源鏈。本文即聚焦於氨分解製氫結合燃料電池之技術路徑，整理其關鍵原理、研究進展與本團隊之相關成果。
【內文精選】
1. 氨分解反應機制與熱力學特性
氨分解製氫是氨作為氫載體實現終端供氫的核心步驟，
其基本反應如下：NH3 → 0.5N2 + 1.5H2 ΔH = +45.92 kJ/mol
此反應屬於吸熱反應，且反應後氣體總莫耳數增加，因此較高溫度與較低壓力有利於提升氨分解平衡轉化率。圖二所示熱力學結果亦顯示，升溫可降低平衡組成中的氨含量，而升壓則不利於反應進行。
圖二、氨分解反應的熱力學平衡特性曲線：(a)不同壓力下，平衡組成中NH3與H2的莫耳濃度隨反應溫度的關係；(b)不同壓力下，NH3平衡轉化率隨反應溫度的變化
然而，熱力學平衡僅代表反應可達到的理論上限，實際系統是否能在有限停留時間內達成高轉化，仍取決於觸媒活性與反應器傳熱能力。由於氨分解對溫度高度敏感，若局部供熱不足或床層溫度分布不均，便可能造成轉化不足與殘餘氨逸出，因此後續觸媒與供熱設計皆與此密切相關。
2. 氨分解觸媒設計
由於氨分解在熱力學上較有利於高溫進行，因此觸媒設計的核心目標，在於降低反應所需溫度，並在較高空速下維持穩定轉化與長時間操作穩定性。對燃料電池供氫系統而言，觸媒表現將直接影響反應器尺寸、供熱需求與整體系統效率。氨分解涉及氨吸附、逐步脫氫與產物脫附等表面反應步驟，因此活性金屬種類、載體性質與界面結構皆會影響反應速率與穩定性（圖三）。目前氨分解觸媒大致可分為貴金屬與非貴金屬兩類，其中Ru具優異低溫活性，常作為基準觸媒；然而，考量成本與規模化應用需求，研究重點已逐漸轉向Ni、Co、Fe等非貴金屬系統。此類觸媒的發展關鍵，在於兼顧低溫活性、抗燒結能力與可規模化製備。
圖三、典型的氨分解反應機制圖
基於上述需求，本團隊在氨分解觸媒研發上採取兩條主線並行的策略。一方面，針對高性能材料設計，團隊發展核殼結構與界面調控方法，以提升非貴金屬觸媒於低溫條件下的活性與穩定性。以Co系統為例，所提出之核殼結構可有效抑制高溫燒結，並透過界面應變調控增強氨吸附與N-H鍵裂解能力，為非貴金屬低溫高效氨分解提供新的材料設計方向---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》474期，更多資料請見下方附檔。