張榮桂 / 優氫科技股份有限公司
在全球淨零排放、再生能源占比提升與工業減碳需求推動下，水電解產氫逐漸成為低碳氫氣供應的重要技術路徑。其中，質子交換膜水電解(Proton Exchange Membrane Water Electrolysis; PEMWE)因具備高電流密度、高純度產氫、快速啟停、系統緊湊等特性，特別適合與太陽能、風力等波動型再生能源整合。近年PEM水電解的技術發展，已由早期單電池效率提升，逐步轉向低貴金屬觸媒、薄型質子交換膜、耐蝕多孔傳輸層、金屬雙極板、電解槽放大、BOP系統整合、智慧監測與長期可靠度驗證。本文綜述PEM水電解產氫技術的演進脈絡，並從材料、元件、電堆、系統與應用端說明其產業化挑戰。文中亦以台灣本土企業優氫科技之PEM產氫核心與南投100 SLPM再生能源製氫示範案作為案例，討論台灣在分散式綠氫、高純氫、健康促進設備與現地製氫系統中的可能定位。整體而言，PEM水電解不僅是製氫設備技術，更是連結低碳電力、氣體供應、儲能與多元應用場域的重要平台。
【內文精選】
從低碳氫到現地製氫
氫氣長期以來即為煉油、石化、氨合成、甲醇製造與金屬加工的重要工業原料，但傳統氫氣多由天然氣重組或煤炭氣化製得，若未搭配碳捕捉與封存，仍會伴隨大量二氧化碳排放。國際能源署(IEA)指出，2024年全球氫氣供應仍主要來自化石燃料，低排放氫氣雖持續成長，但占全球氫氣產量仍低於1%，顯示低碳氫市場尚處於由示範走向早期商業化的階段。
在多種低碳製氫路徑中，水電解產氫具有明確的技術與政策意義。若電力來自太陽能、風力、水力或其他低碳電源，水電解即可將電力轉化為低碳氫氣，進一步應用於儲能、工業製程、燃料電池、半導體高純氣體、備援能源與分散式能源(Distributed Energy)系統。相較於集中式製氫、壓縮、運輸、儲存與減壓使用的傳統供應鏈，現地製氫可降低長距離運輸與高壓儲存需求，並提高場域能源自主性。
圖一、低碳電力到PEM現地製氫系統架構：PEM水電解可承接太陽能、風力、電網或儲能系統供電，並依場域需求供應高純氫、燃料電池、工業用氫與健康保健產品
PEM水電解(PEM Water Electrolysis; PEMWE)正好符合此一趨勢（圖一）。其以固態高分子質子交換膜(Proton Exchange Membrane)作為離子傳導與氣體分隔介質，可在高電流密度下運作，並具備快速動態響應與高純度產氫能力。美國能源部(DOE)對水電解技術的評估指出，PEM電解槽在高電流密度、小型化、快速負載追蹤與差壓操作方面具有優勢，但仍面臨貴金屬觸媒、膜材、鈦材與系統成本等挑戰。
PEM水電解技術演進：由單電池到系統平台
PEM水電解的早期發展重點多集中於單電池性能，例如降低電解電壓、提高電流密度與改善觸媒活性。此階段的核心問題是如何在固定面積下，以較低能耗產出更多氫氣。然而，當PEM技術逐漸由實驗室走向產業應用後，研發焦點已轉變為「能否長時間、穩定、安全且低成本地產氫」。
第一階段可稱為材料與單電池性能提升期。研發重點包括陽極氧氣析出反應觸媒、陰極氫氣析出反應觸媒、質子交換膜、觸媒層結構與膜電極組(Membrane Electrode Assembly; MEA)製程。此階段通常以極化曲線、電流密度、單位面積貴金屬用量與短期穩定性作為主要評估指標。
第二階段則是電堆工程化。當電堆層數由單層增加為多層時，會出現單電池測試中不明顯的問題，例如電流分布不均、流量分配不均、壓縮力不均、局部乾涸、氧氣排出不順、密封失效與熱點生成 ---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。