林國興 / 工研院材化所
自工業革命以來，大量石化原料應用於我們的生活中，全球每年碳排放量達360億噸以上，導致了極端氣候頻繁發生。在本文中，將就近年來備受關注的電解水產(綠)氫技術進行探討與說明，包含了電解水產氫的發展歷史、全球各種電解水產氫技術現況研究、工研院材化所研發團隊所發展之自主鹼性膜電解水產氫技術研發歷程，以及國際發展現況。透過建立自主化電解水產氫技術，未來可結合綠電生產綠氫，有望協助製造業、石化業、鋼鐵業等產業加速落實淨零目標。
【內文精選】
電解水產氫發展
在18世紀末期，科學家首次觀測到將水通電後產生氣體的現象，自此開啟了200多年的電解水產氫發展史。在1902年，全球已有400套電解系統用於工業應用，其中包括了氨合成(Ammonia Synthesis)、氨肥工業(Ammonia Fertilizer Industries)、氯鹼製程(Chlor-Alkali Process)。20世紀中期是電解技術發展的黃金時代，許多因應工業化需求的電解系統都是在這個時期誕生的，例如：1939年，全球第一座氫氣產量為10,000 Nm3/h的電解水產氫系統投入運行；在1948年，第一座耐壓型的電解水產氫系統(Pressurized Electrolyzer)完成開發。初期的電解水系統主要使用石棉(Asbestos)作為隔離膜(Separator，或稱Membrane)，由於石棉在強鹼與高溫環境下的穩定性不足，且帶有危害人類健康等因素，石棉隔離膜逐漸被無機材料(ZrO2)的隔離膜所取代。
電解水產氫技術介紹
電解水產氫技術(Electrolysis of Water)是一種透過水和電產生氫氣的電化學反應，在電解水產氫的過程中有許多因素影響整體電解反應的效率，以電化學的角度稱為極化現象(Polarization)。
目前全球主要的電解水產氫技術大致分為四種，包含①鹼性電解水產氫(Alkaline Electrolysis; AEL)、②質子交換膜電解水產氫(Proton Exchange Membrane Electrolysis; PEMEL)、③固態氧化物電解水產氫(Solid Oxide Electrolysis Cells; SOEC)與④鹼性膜電解水產氫(Anion Exchange Membrane Electrolysis; AEMEL)。
近年來國際間廣泛討論的鹼性膜電解水產氫技術(AEMEL)，被認為是可供應未來全球電解綠氫的新興技術。鹼性膜電解水產氫技術在概念上，是一種兼具AEL與PEMEL之優點的創新技術，AEL因操作於鹼性電解液的環境下，故許多非貴金屬觸媒可用於此技術中；PEMEL因其膜電極組(Membrane Electrode Assembly)可設計為Zero-gap，能有效降低電子阻抗，因此具有較佳之理論操作效率。
鹼性膜電解水產氫技術
工研院材料與化工研究所自2017年開始投入鹼性膜電解水產氫技術，迄今所研發之項目涵蓋觸媒(Catalyst)、離子交換膜(Anion Exchange Membrane)、膜電極組(Membrane Electrode Assembly)、電堆模組(Stack)與原型系統(Prototype System)等設計與驗證技術。在2019年，本團隊首度完成自主AEMEL電堆開發與驗證，該電堆單元活性面積為25 cm2，總活性面積為250 cm2。自此，在經濟部產業技術司科技專案支持下，本團隊致力於發展兼具高效率與低成本的自主化AEMEL技術，迄今為止，已開發之電堆模組氫氣產量由0.04 Nm3/h增加至5 Nm3/h，電堆產氫能耗由4.8 kWh/Nm3降至4.3 kWh/Nm3。另外，為了提升AEMEL的應用性，本團隊亦進行耐壓型的電堆開發(降低後端須設置氫氣壓縮機的成本)，已完成設計壓力為15 barg的電堆模組開發(圖三)。
圖三、工研院材化所AEMEL電堆發展歷程
未來展望
依本團隊所彙整之資料顯示，今後全球至少將有20%(約80億噸)之二氧化碳需透過綠氫進行去化，未來全球在電解產(綠)氫系統預估需求量將>100 GW(2030年)、>1,000 GW(2050年)，2050年歐洲與美國市場產值分別為8,500億歐元與7,500億美元。綠氫未來的低碳應用主要以工業、交通運輸、供熱與發電四大類為主，其中在工業應用部分，主要以石化及鋼鐵業減碳應用為主；交通運輸業則以重型移動載具(貨車、卡車、飛機等)為主；在緯度較高之區域，將可使用氫氣供暖以取代傳統天然氣供暖；最後一項氫氣低碳應用為電廠發電，例如以氫氣取代天然氣之燃氣渦輪發電。
工研院材化所團隊迄今所建立之自主鹼性膜電解產氫技術，如圖五所示。透過多年於關鍵材料、電堆模組與系統架構之研發經驗，期望在全球2050淨零發展的契機下，協助國內業者建立自主化電解綠氫技術 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖五、工研院材化所建立自主之鹼性膜電解水產氫技術
★本文節錄自《工業材料雜誌》451期，更多資料請見下方附檔。