為什麼氫能源重要?
目前世界正朝能源轉型發展，積極開發太陽能、風力、地熱、氫能源等綠色能源，以替代化石燃料，期望能達到淨零碳排、生態永續發展及減少環境汙染。為補償具尖峰與離峰特性的綠色能源，需在系統中安裝合適的儲能系統，使儲能設備的開發成為能源穩定的關鍵，在各種儲能技術中，充電電池、燃料電池、超級電容器和電解水製氫等被公認為高效且可靠的選擇[1]。全球各國都意識到氫能作為一種永續能源的重要性，並積極制定政策和計劃來推動氫能技術的發展。這些國家將氫能視為實現能源轉型、降低碳排放和確保能源安全的關鍵策略，而電力和氫氣（如果來自風能、太陽能或潮汐能）則是無碳的二次能源載體，用於儲存、運輸和使用。為了將我們的社會轉變為可持續和無碳環境，需要引入可再生氫能源，如圖 1 所示 [2]。
圖 1、綠氫能源的願景 [2]
歐盟的氫戰略將綠色氫置於聚光燈下，作為到 2050 年實現碳中和以及全球努力實施《巴黎協定》同時努力實現零污染的優先事項，因此氫氣和電解槽成為技術發展的重點。
圖 2、至2030年的綠氫產能評估 [3]
目前，生產綠色氫的成本大致在每公斤 2.5 美元到 6 美元之間，這需要大幅降低才能在競爭中佔有優勢。然而，如果能夠獲得足夠的投資和充足的材料供應，從長遠來看，實現成本降低是可行的。隨著時間的推移，產生綠色氫所需的可再生電力成本已經降低到接近太陽能和風能的電力成本，甚至低於來自煤炭和天然氣的電力成本。目前全球的電解槽容量約為3GW，但預計到2030年，這一容量將擴大到70GW，這將大幅降低電解槽的資本支出。因此，我們可以預見在未來的發展中，綠色氫生產的成本將逐漸降低，並且具有更強大的競爭力。[3]。如圖2所示。
水電解技術
水電解槽用於生產綠色氫氣大致上分為四種類型。而鹼性 (Alkaline) 和 PEM(Proton exchange membrane)電解槽已經大規模投入商業使用，近年技術現況如表1所示。陰離子交換膜 (Anion exchange membrane, AEM) 和固體氧化物 (Solid oxide electrolysis) 電解槽仍在開發中。PEM電解器和鹼性電解器是兩種不同的水電解技術，PEM使用酸性膜作為固態電解質，並且使用的催化劑是銥和鉑。其具有以下優勢：由於酸性電解質具有高的質子傳導性和低的內電阻且能夠以較高的電流密度(2A/cm2)運行，使其具有高效率，它的電極反應速率比鹼性電解更快之外產生的氫氣純度也更高。PEM電解可以在陰極端使用高壓，而陽極端則可以在大氣壓下操作。整體而言，PEM電解具有許多優勢，並被視為一種具有潛力的水電解技術。各種水電解技術結構與原理對照圖，如圖3所示[4]。
圖 3、各種水電解技術結構與原理對照圖 [4]
表 1、近年PEM與ALK技術概況 [5]
表 1、近年PEM與ALK技術概況 [5]
| PEM | ALK | |
| Cold start (to nominal load)/minutes | < 20 | < 50 |
| Lifetime (stack)/hours | 50,000-100,000 | 60,000 |
| Stack unit size/MW | 1 | 1 |
| Current density (A/m2) | 2000-4000 | 10000-20000 |
| Hydrogen purity (%) | 99.99 | 99.95 |
| Hydrogen production rate/m3h-1 | 400 | 1,000 |
電解槽組成與成本結構
在能源、工業和交通領域，氫和鉑族金屬之間存在著密不可分的連結，這些應用對鉑族金屬的需求將在未來幾十年逐步擴大，其中大幅的增長來自使用電解槽的綠色製氫。在 PEM 電解槽的核心部分，含有鉑族金屬的催化劑塗層膜 (catalyst coated membrance, CCM) 約佔整個系統成本的 10%，如圖 4 所示。如果要降低催化劑成本必須減少 PGMs (platinum-group metals) 負載量，特別是銥，它是鉑精煉的副產品，因此可用量有限。
銥和鉑金屬材料它們在技術上最適合 PEM 電解槽，所以其他材料不太好取代之，降低 PGM 使用量可藉由催化劑表面化學和工程中一些研究方向突破，例如，通過增加催化劑表面積和使用更薄的催化劑塗層材料層。許多年來，PGM 製造商使用這些方法在減少 PGM 負載，並同時提高了產品性能，這一方面取得一些不錯的效果。
圖 4、PEM電解槽成本細項[2]
在PEM 水電解器中，核心組件主要包括雙極板（Bipolar plates, BPs）、氣體擴散層（Gas diffusion layer, GDL）、質子交換膜（PEM）以及陽極和陰極的電催化劑。圖5展示了PEM電解器堆由兩個半電池及PEM分隔所組成，PEM在反應過程中傳輸質子並阻擋產出氣體的通過。催化劑直接塗佈於膜材或多孔傳輸層上，在大多數電池設計中，催化劑層沉積在膜上，形成電池的關鍵組件，即膜電極組件（MEA）。兩個多孔傳輸層（也稱為GDL）夾在MEA的兩側。流場板（也稱為BPs）封裝著兩個半電池，起著傳輸電荷、質量、熱量的作用，並與外部電源建立接觸。氫氣和氧氣產物依次通過催化劑表面、GDL和BPs，從電池中釋放出來，因此也需要補充一些密封元件來防止氣體和水的洩漏[6]。
圖 5、PEM電解槽結構與關鍵組件[6]
在PEM 電池堆疊的資本成本主要由膜電極組件（membrane electrode assembly, MEA）的成本主導，MEA包括全氟磺酸型膜、陽極和陰極催化劑以及擴散層。電池的陽極端，其中鈦多孔傳輸層（porous transport layer, PTL）和銥的催化劑在技術經濟上佔主導地位，通過銥和鈦的過度使用和設計不佳（導致利用率低和流體動力學不盡理想）的組合。目前文獻中對於催化劑層利用率的認識是，它受到催化劑層電子導電性差和多孔性PTL（需要微孔層）導致的界面面積不足的組合影響。然而，近期的研究表明：a）氧通過鈦PTL的傳輸效率可能是影響性能的關鍵因素；b）在無需微孔層的情況下實現超低負載的高性能是可能的；c）當離子體積分數高於 20％ 時，催化劑層的離子阻抗主導電子阻抗。因此，對於實現Ir負載降低至 0.05-0.1 mg cm-2 而言，催化劑層的高效利用非常重要。陽極催化劑和多孔傳輸層內水和氧氣流動的細節，如圖6所示[6]。
圖 6、陽極催化劑和多孔傳輸層內水和氧氣流動的細節[6]。
另外，PTL 的結構差異可能導致 catalyst layer/PTL (CL/PTL)、mid-PTL 和 PTL/channel 內的氧氣分布差異很大。更廣泛和均勻的氧氣分布表示存在更多的氧氣傳輸途徑和較小的氧氣流通阻力，會有助於水滲透到活性位點，這會在PEM運作期間降低整體質量傳輸過電位。如圖 7 所示中，可以清楚看到 PTL 結構對氧氣分布的影響。高孔隙率且低流阻的 PTL 在 CL/PTL、mid-PTL 和 PTL/channel 的每個界面以及平面上呈現了最佳的氧氣傳輸途徑。高流阻且低孔隙率的PTL會因狹窄的通道限制了氧氣在界面和 PTL 平面之間的擴散，這會使在 mid-PTL 與PTL/Channel 的區域中完全沒有氧氣分布，如圖7a,b）0.5-0.125實驗結果所示[7]
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圖 7、說明各樣品 CL/PTL、mid-PTL和PTL/Channel氧氣分佈樣子 [7]。
PEM 水電解觸媒
PEM電解器產氫 (hydrogen evolution reaction, HER) 效能主要關鍵在於催化劑活性 (例如常見商用的 platinum/carbon (Pt/C) 複合材料) 以及穩定性，而催化劑的性能取決於活性材料的分散性及在HER過程中是否可以保持穩定，不會因為活性材料的團聚而導致催化功能下降甚至失效。有許多研究指出，通過化學官能基進行合成，將活性材料穩定分散於碳材的結構中，不僅可以降低活性材料的負載量且能提高HER的效能，這有助於大幅降低 PEM 電解產氫的成本。陰極活性材料結構與簡易反應機制，如圖 8 所示[8]。
圖 8、陰極活性材料結構與簡易反應機制 [8]
規模電解技術的發展正呈快速增長趨勢。這種技術相對於以化石燃料為基礎的氫能源具有更具經濟性的潛力，主要得益於可獲得低成本的可再生電力來源以及材料和製造方面的進步，這些進展已初步顯示出技術的可行性。然而，在低溫電解方面，需要投入資金實現的明確策略可望在未來幾年內實現顯著的成本和性能改善。儘管新的先進水分解技術可能最終取代現有選項，但在接下來的10年中，鹼性電解和質子交換膜電解將成為電解產氫的主要基礎技術。即使在最樂觀的情況下，固體陰離子交換膜技術也需要數年時間才能在MW規模上實現重要的部署和市場普及，而其他技術則需要更長的時間，因為需要設計設備和系統以及整合新材料。因此，研發工作應該包括將先進組件整合到現有商業技術中，同時探索新的想法和技術途徑。通過開發電解系統，可再生氫能源有潛力對能源領域產生影響，從工業合成氨和其他化學品到可再生燃料的生產等多個行業都可能受益[9]。
參考資料
- 邁向2050年淨零碳排的新救星—氫能Available from: https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=48815
- Alexander, T., et al., Renewable Hydrogen: Modular Concepts from Production over Storage to the Consumer. Chemie Ingenieur Technik, 2021. 93(4): p. 1-12.
- The greening of hydrogen Available from: https://www.sfa-oxford.com/market-news-and-insights/sfa-the-greening-of-hydrogen/
- Lee, S., A, et al., Anion exchange membrane water electrolysis for sustainable large‐scale hydrogen production. Carbon Neutralization, 2022. 22: p26-48.
- Guo, Y., et al., Comparison between hydrogen production by alkaline water electrolysis and hydrogen production by PEM electrolysis. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019. (371) 042022.
- Chen, H., Zou, X., et al., Status and perspectives of key materials for PEM electrolyzer. Nano Research Energy, 2022. (1): e9120032.
- Zenyuk, I., V., et al., Insights into Interfacial and Bulk Transport Phenomena Affecting Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer Performance at Ultra-Low Iridium Loadings. Advanced Science, 2021. (8) 2102950.
- Ito, Y., Kawamoto, M., et al., Highly Efficient Electrocatalytic Hydrogen Production over Carbon Nanotubes Loaded with Platinum Nanoparticles Using Solution Processing. Advanced Materials Interfaces, 2023. (10) 2300094.
- Ayers, K., et al., Perspectives on Low-Temperature Electrolysis and Potential for Renewable Hydrogen at Scale. Journal Annual review of chemical and biomolecular engineering, 2019. 10(1) p. 219-239.