【探索31-7】氫能材料與技術發展

2024 年 09 月 02 日2024 年 09 月 02 日 CASE PRESS

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氫能應該可以說是近年來最受矚目的綠色能源了，因為它的產能過程並不會有碳排放產生，而燃燒後的產物僅有水，對自然完全無害，因此被專家們認為是減碳目標、永續目標非常重要的達成手段之一。儘管氫能如此美好，但離我們想要普及使用，還有很長、很多的路需要走。除了人們對於它的安全性存有疑慮之外，如何儲存、如何降低它的放能溫度門檻，都是非常需要專家們持續努力研究，以及一般民眾去改觀與適應的。本期探索基礎科學講座邀請到臺灣大學材料科學與工程學系謝宗霖教授，來與我們分享氫能的產能原理，以及目前技術開發的近況，並分析與討論未來的氫能普及可能面臨哪些考驗。

講者｜臺灣大學材料科學與工程學系謝宗霖教授兼任工學院副院長

彙整、撰稿｜何緯綸

氫能，一種新的可能

氫能屬於一種綠能而非再生能源，即一種零碳排的能源；所謂再生能源，如太陽能、風能……等，還是會有一定的碳排放量，但比化石能源少很多。氫能是一種很珍貴的材料，可以長時間被儲存是它的優點之一。另外，其能量密度極高（33.6 kWh（度）／公斤）約為化石燃料的三倍，也使其成為各國低碳能源中不可或缺的一環。

然而，低碳氫（綠氫、藍氫）的製造亦是一門高深的學問，其重在碳捕捉、封存、以及再利用的技術。如此所生產的低碳氫，也從2020年的10%上升到2030年的70%，依此比例計算，2050年有望達到將近99%！屆時，預估將有60%的低碳氫會藉由水的電解而生產出來。若要達到淨零排放的目標，須於2050年達到3600 GW，因此電解水槽裝置的設立已然是當務之急，應要逐年增加、循序漸進。

氫能的顏色與應用

何謂綠氫呢？氫能又分為綠氫、粉紅氫、藍氫、藍綠氫、灰氫，是依照其製造技術進行分類。綠氫是由再生能源電解水所產生的氫，粉紅氫是由核能，至於藍氫、藍綠氫和灰氫則皆是由化石燃料產生，而後經由不同的技術製成，例如對「灰氫」和「褐氫」的二氧化碳進行捕捉、利用、和封存，便形成了藍氫。其中，褐氫是以煤炭作為燃料，碳足跡較高。

2050年是一個目標，大家將諸如減碳目標、永續發展目標……等，都是希望在2050年能夠達成。氫能的應用也不例外，以重點輸出國――智利作為例子，智利政府於2020年推出了國家綠色氫戰略，期望在2050年吸引累積投資達3300億美元。

氫能的應用層面極為廣泛，除了能源應用（供電、供熱）外，也能使用於生產工業材料（如氨氣）、半導體製程、煉鋼和運輸轉型。其中，尤以運輸轉型為優先，工業應用其次；譬如跨洲的長途運輸車、郵輪……等等，將由氫能這種綠能所替代。然而，今天若汽車是使用瓦斯作為燃料，那麼很多人一定會擔心它的安全性，氫能亦然，包括加氫站的設立、氫氣管線如何安置等，都是需要考量的。其中，液態氫（需-253 ℃）相對較好運送和儲存。

水如何電解產生氫

水的電解有許多方式，謝教授便舉了四個例子：鹼性電解、鹼性膜（陰離子交換膜 (AEM)）電解、質子交換膜 (PEM) 電解、固態氧化物 (SOEC) 電解。目前最常用的是鹼性電解，由於它的技術較成熟，且成本相對較低，因此為目前主流，但由於它的電解質需要極高的濃度，因此目前專家們改將焦點放在了鹼性膜電解，因為它不需要貴金屬作為催化劑，故被世人所重視。

AEM將會用到以二維活性碳材MXene (Mo₂C) 作為基材的合成雙金屬有機骨架 (MOF) 全水分解電催化觸媒，其技術特色在於MOF有大量的催化位點及活性金屬中心，所以能當作良好的電催化材料，並能同時提升機械的性質。

電解槽中，當單位時間內通過越多電子，即能電解越多氫氣。電流密度若要高，偏壓也會跟著變高，而電流乘上施加的偏壓即是能耗。若是能耗越小，但電流越大，便能有更好的效率，因此需要使偏壓及能耗越低越好，這便是目前的研究趨勢。

另外，如何儲存氫也是需要探究的問題。謝教授提到，這些低重量、高密度的複合纖維（如碳纖維）所鑄成的儲載裝置都屬於戰略物資，目前技術領先的有日本和美國。700 bar是目前高壓氫的指標，在車用氫氣瓶、加氫站、氫氣管線中，都將以這數值為標準。目前常見的儲氫方式是「儲氫合金固態儲存法」，以鎂基儲氫合金來儲存固態氫；它具有體積小、壓力低、安全性高等特徵，適合將氫氣以固態的相態儲存。由於氣態高壓儲存法需用到笨重且高強度、高壓的氣瓶，有洩漏或爆炸的危險性，而低溫液態儲氫法則需要高耗能的液化處理，且需用到昂貴的低溫絕熱容器才能確保氫氣處於凝固點下，因此，固態氫反而成為保存氫能的最佳選擇。

值得一提的是，謝教授的團隊們在臺大創造出一種鎂基合金 (NTU-Mg) 可噴灑在儲氫容器裡，使儲氫密度最大化，且溫度維持在300 ℃即可放能，著實為一重大的研究發現，但要如何使其能夠在更低的溫度下放能，這方面卻仍值得人們去探究。

結　語

氫能是未來必要的趨勢，屬於綠能的它不僅有極低的碳排，還有比石化燃料還要高的能量密度。然而，要往氫能普及化發展還有一段長途需要克服，包括氫氣生產（電解水）的效率最大化、氫能如何有效儲存、氫能的管線建置，還有人們對未知事物的恐懼……等，都是必須與社會與資源各方面多方討論的。氫能的產生實現了淨零排放，也讓環保、自然保育等議題有了新的發展方向。不過，一項新燃料的產生勢必有其諸多關卡和不便之處，若能持之以恆地持續研究，且大家一同努力精進，勢必將會有氫能廣為人知的一天。