〈工業技術與資訊〉濾氫薄膜新技術 魚與熊掌可兼得

氫，是地球上含量僅次於氧與矽的元素，燃燒後只會變成水、不排碳，被視為潔淨的能源選項。然而地球上的氫普遍存在於化合物中，須以人工方式提取並純化才能使用。工研院打造創新「高選擇率與滲透率之濾氫薄膜」技術，讓純氫產製既快又純，成本更較現行鈀膜大降 5 成以上，入圍 2019 年「全球百大科技研發獎」。

「這是一條艱辛漫長的研發歷程！」工研院綠能與環境研究所儲能技術組組長張文昇有感而發。2006 年開始投入研究至今，耗時 13 年終於研發出獨步全球的純化氫氣技術。

當時團隊研發的目標是產製氫燃料電池所需的純氫燃料。「氫氣純化有幾種方式，其中以普遍用於化石原料產氫程序中的『變壓吸附』（Pressure Swing Adsorption；PSA）和半導體產業的『鈀膜過濾』為主要選項，」張文昇娓娓道來。

然而，PSA 取得的氫氣純度上限約為 99.999%，若要應用於超純氫需求者如半導體產業等，純度仍不夠高，此外 PSA 的體積大，空間限制相對較多；鈀膜過濾是以鈀（Pd）金屬或鈀合金製成薄膜，利用其對於氫氣有特別高的選擇率，能從原料氣中專一地過濾出氫氣，但鈀價格高昂，通常只有高價值超純氫產業如半導體業使用，能源應用如氫燃料電池就比較少見。

主流純氫產製技術均有瓶頸

正因兩項主流技術都有瓶頸，工研院研究團隊有了找出「第三條路」的新想法。研發團隊之一的工研院綠能所熱能應用技術研究室經理林育立分析，薄膜是最簡單的純化架構，新想法理應建立在薄膜過濾的基礎上；現行薄膜最大的問題是成本，因此須設法提高薄膜的氫氣產率、或用其他材料來替代昂貴的鈀金屬。

到底什麼物質既便宜，又具備高過濾量並兼顧氫氣純度？工研院綠能所資深研究員紀岩勳日以繼夜埋首研究室，不斷地做實驗，嘗試找出適合的材料，但效果都不顯著。由於鈀金屬還是至今最有效能分離氫氣的物質，「氫氣是以溶解後擴散的方式通過鈀膜，其他物質幾乎不會溶入，」林育立解釋，「結構理想無缺陷的鈀膜，可過濾出純度達 7 個 9 以上的高純度氫氣。」

因此紀岩勳依然採用鈀金屬作為濾氫薄膜材料，一方面減少鈀的用量來降低成本，但要維持相同過濾效果，勢必得加入其他材料，來彌補所減少的鈀金屬層效果。在一次的會議中，研究團隊提出了「篩分－質傳」的新構想。

先粗篩後精濾　兼顧速率與純度

「篩分－質傳」是將傳統過濾領域常見的先粗篩、後精濾的概念，組合成一種獨特的微觀多層次分離模式，「簡單來說，可以把這個薄膜想成三明治，利用不同層做不同的事，例如上層先粗篩掉雜質，下層再從相對乾淨的氣體精濾出氫氣，」林育立說明。「什麼材料不會阻擋氫氣通過，但對其他成分造成妨礙呢？」團隊絞盡腦汁，這才發現理想中的材料早已應用在自製的鈀膜上。

原來團隊幾年前導入一種片狀的多孔陶瓷材料，來解決鈀金屬薄膜附著在基材上容易脫落的問題，紀岩勳索性把這個多孔陶瓷材料，長在鈀膜表面，意外發現居然有粗篩的效果，更令人驚艷的是，鈀膜表面長了額外的多孔陶瓷層後，非但不影響氫氣滲透率，選擇率竟還提升至 5 倍以上。

「在薄膜研究領域，滲透率是物質通過薄膜的能力，選擇率則是篩選特定物質通過的比例，兩者向來是魚與熊掌不可兼得，」林育立說明，這個令人振奮的進展，可讓薄膜厚度再減少以提升氫氣產率，同時降低成本，而多孔陶瓷材料則幫忙維持高氫氣純度，一兼二顧，兩全其美！

「高選擇率與滲透率之濾氫薄膜」技術不僅成本比傳統鈀膜低了 50%，滲透率也提升了 50%，目前該技術已與國內廠商合作，目標 2 年內技轉授權、3 年進行試量產、5 年後進入市場。未來這項技術不僅可用於氫燃料電池，此外還能協助半導體等製造業，以更經濟的方式處理含有氫氣的製程尾氣，純化後循環利用，達到國產化綠色製程的願景。

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 336 期 2019 年 12 月號，未經授權不得轉載。