蔡英文、蔡麗端 / 工研院機械所
陰離子交換膜水電解(AEMWE)兼具非貴金屬材料低成本與高電流密度操作等優勢，是未來實現淨零碳所需的綠氫製造關鍵技術。為加速邁向商業化應用，許多企業已投入AEM膜及相關材料之性能提升開發，克服鹼性環境材料活性衰減及耐久性不佳等挑戰，以滿足商業運轉之長壽命應用需求。工研院機械所近年致力於AEM電解產氫技術開發、系統整合等技術，未來也將朝高壓(≧30 bar) AEM產氫技術持續精進，以利投入淨零減碳場域的實績應用發展。本文將探討目前陰離子交換膜電解產氫最新材料發展趨勢及未來發展方向，期能作為AEM技術研發及性能精進的重要參考。未來可透過高耐鹼膜材、先進觸媒設計、耐久型膜電極組(MEA)及系統操作策略等技術發展，有望持續提升AEMWE的性能與壽命，並隨著關鍵材料與系統整合技術逐步成熟，進一步降低綠氫製造成本，在再生能源製氫產業中扮演關鍵角色，推動全球能源體系朝向低碳與永續發展轉型。
【內文精選】
為了達成2050年碳中和的全球性目標，尋找綠色、可持續且具備高經濟效益的能源轉型路徑已是當務之急。氫氣因具極高的重量能量密度(39.4 kWh/kg)且燃燒後不產生任何碳排放，被視為最具潛力的綠色能源載體。根據IEA報告預測，為實現零碳排放的願景，全球氫氣年需求量至2030年將達2.1億公噸，至2050年更超過5.3億公噸，應用領域涵蓋鋼鐵、化工、運輸與電力等產業，如圖一。然而，根據目前全球每年約1億噸(~100 Mtpa)的氫氣產量中，高達99%以上仍依賴化石燃料重組（如灰氫），其碳排放量約占全球總量的2%。因此，利用可再生能源（如風能、太陽能）驅動電解水產生綠氫的技術，過程中不產生碳排放，符合潔淨氫能源標準(<4.0 kg-CO2/kg-H2)。IEA預估，至2030年全球低碳氫產量可望達49 Mtpa，其中電解水製氫將占三分之二以上，可望成為未來淨零碳排路徑中發展的主流。
圖一、全球氫氣年需求量增長趨勢(3)
AEM電解產氫優勢與應用挑戰
隨著全球淨零碳排與再生能源快速發展，綠氫儼然成為未來能源轉型的重要載體，水電解(Water Electrolysis)產氫(Hydrogen Production)技術將扮演淨零關鍵角色，其中又以鹼性水電解(Alkaline Water Electrolysis; AWE)與質子交換膜水電解(Proton Exchange Membrane Water Electrolysis; PEMWE)技術發展較快且導入商業化運行。然而AWE雖技術成熟、全面採用非貴金屬觸媒且成本低廉，但其運行電流密度低(0.2~0.8 A/cm2)、動態響應慢，且無法承受高壓差操作等問題，限制了AWE市場應用拓展；PEMWE則具備高電流密度、低氣體滲透與快速響應的優勢，但其酸性運行環境迫使系統必須高度依賴昂貴的貴金屬觸媒（如鉑、銥等）與鈦合金雙極板，導致其電堆模組資本支出居高不下。在此背景下，陰離子交換膜水電解(Anion Exchange Membrane Water Electrolysis; AEMWE)被視為兼具兩者優勢的新一代綠氫生產技術，被視為兼具兩者優勢的新一代綠氫生產技術，如圖二，其利用陰離子交換膜傳導氫氧根離子(OH-)特性，鹼性環境下允許系統全面採用非貴金屬觸媒（如鎳、鐵、鈷、鉬基等材料），以及低成本的流道板與過渡金屬組件，同時膜電極結構採類似PEMWE之零間距(Zero-gap)架構設計，從而實現高電流密度與低歐姆阻抗技術優勢。
圖二、AEMWE水電解產氫架構與運作機制(1)
然而，要將AEMWE從實驗室推向工業化與大規模商業應用，其關鍵材料的耐久性、傳導率以及系統在高壓、動態負載下的穩定性仍面臨諸多挑戰，本文將針對AEM膜材、電催化HER/OER觸媒(Hydrogen Evolution Reaction; HER/Oxygen Evolution Reaction; OER)及膜電極組件(Membrane Electrode Assembly; MEA)等關鍵材料設計與未來發展趨勢進行全面剖析，以提供AEM關鍵材料技術突破方向及能量建構參考 ---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》477期，更多資料請見下方附檔。