〈工業技術與資訊〉六大氫能應用技術齊發

工研院超前部署,投入研發多項跨領域的氫應用技術,協助國內產業掌握氫能應用趨勢,加速布局2050淨零排放關鍵技術。(圖:工研院)
工研院超前部署,投入研發多項跨領域的氫應用技術,協助國內產業掌握氫能應用趨勢,加速布局2050淨零排放關鍵技術。(圖:工研院)

零碳排的氫能應用不僅是世界趨勢,高效率的氫應用技術,更是臺灣在全球氫經濟競爭下勝出的關鍵。工研院已超前部署,投入研發多項跨領域的氫應用技術,包含儲氫瓶、電解水產氫、氫氣燃料電池系統、餘氫再利用等,協助國內產業掌握氫能應用趨勢,加速布局 2050 淨零排放關鍵技術。

1. 載具專用儲氫瓶 採用碳纖複合材

氫為氣態燃料,為應用於運輸載具,須以高壓儲氫瓶盛載,才能安全的儲存與輸送。由於氫氣分子極小,若以一般的鋼瓶儲存,氫氣會鑽入金屬的結構中,長久使用後,金屬瓶會產生裂斷現象,也就是所謂的「氫裂」。

工研院以碳纖維複合材料打造儲氫瓶,由於碳纖維分子比氫氣還要小,因而更加安全,重量也減少 60% 以上,更加輕量化。在碳纖維的纏繞技術上,工研院完成基於機械手臂的自動化纏繞製程系統,相較於傳統動輒上千萬元的龍門型纖維纏繞專用機,能大幅降低建置成本,並具有小量多樣的生產彈性。這項技術已和德宇複合材料合作投入開發,未來將鎖定氫能車儲氫瓶市場。

過去儲氫瓶的研發專利都掌握在國際大廠手中,目前工研院的製程技術涵蓋高溫硬化至中低溫硬化、乾式纏繞或濕式纏繞等客製化材料技術,及配套材料製程設備,搭配輕量化結構設計與力學分析,可協助複材高壓儲氫氣瓶產業國產化。

2. PEMC 金屬板燃料電池電堆 輕薄省成本

燃料(通常是氫)轉換為電能的裝置,反應後產物主要是水,被譽為是最潔淨的能源,也是達成 2050 淨零排放的主要路徑之一。

在燃料電池核心組件電堆中,雙極板扮演重要角色,提供氣體流道,防止電池氣室中的氫氣與氧氣接觸,並在陰陽兩極之間建立電流通路。過去雙極板大多採用碳板,厚度較厚,體積難以縮小;同時放在移動載具上時,也容易因為震動而裂開。

工研院研發的金屬雙極板,體積更加輕薄,成本只有碳板的 50%,也更加耐震動、耐衝擊,適合用在交通載具或利基產品上,如可攜式及備援電力設備。其隨時開關的特性,搭配獨有的金屬雙極板流場結構設計、多層導電碳薄膜與電池模組化等專利技術,能有效提升電池功率密度與壽命,進而達到減碳效益。

近期工研院連結捷克 UJV、CAS 以及臺灣 6 家廠商,成立跨國金屬板電堆研發聯盟,共同開發燃料電池,掌握關鍵自主技術。今年 9 月,研發團隊也將延伸成立新創公司,提升產業技術能量。

3. 定置型 SOFC 自給自足氫能發電

面對減碳壓力,許多企業紛紛評估自建電力系統,也讓固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell;SOFC)備受關注。SOFC 是透過電化學反應,將碳氫燃料能量轉換為電力輸出,具有發電效率高(大於 55%)、低污染排放、低噪音等特點,SOFC 系統可適用天然氣、沼氣、工業副產氫及純氫等多元料源,是極具潛力的氫能分散式電力技術。

SOFC 除了發電外,附帶產出的熱水,也能充分用於製程或洗滌,冬天亦能轉成熱風,作為廠內供暖設備,應用場域包含工廠、旅館、大樓、溫泉業、醫療院所等產業;而小型 SOFC 系統,則可作為家用供電、供暖的整合方案。

臺灣產業已具有燃料電池系統整合及零組件製造能力,工研院與亞氫動力等公司合作,建立本土化 SOFC 系統整合技術,自製率達 75%,目前已打造一套系統置於臺南沙崙綠能科技示範場域。同時也與中油公司展開實場驗證,後續將布局國際燃料電池分散式電力市場,帶動國內相關產業發展。

4. 再生能源電解產氫系統 自產綠氫關鍵技術

氫能潔淨,用途多元,但氫的取得方式是一大關鍵,主要來源之一便是透過電解水產氫技術。以綠電來產氫,可作為鋼鐵、石化業者的潔淨料源,不會有因天然氣重組反應製造氫氣,導致二氧化碳排放的問題。

現階段電解水產氫的一大挑戰在於成本,過去使用氟系質子交換膜,得用昂貴的鉑銥觸媒,工研院自主研發鹼性膜材,能以較便宜的鎳系觸媒替代,不僅降低產氫設備成本達 30%,產氫效率更高達 80%,成為便宜綠氫的最佳提供方案,可供應二氧化碳再利用反應所需的綠氫料源,協助難脫碳產業達到減碳效益。

國際能源署(IEA)預估,全球若要實現淨零排放,2050 年氫能需占整體能源比例達 13%。全球對於電解水產氫的目標是,在 2050 年每 1 立方公尺的氫氣可以產出 5 度電,目前工研院雖然還在實驗室階段,但 1 立方公尺的氫氣已能產出 4.5 度電,距離目標不遠,未來將和中油、台電合作,把規模放大,逐步實現氫能新世界。

5. 綠色甲醇生產技術 二氧化碳變身高值品

臺灣每年產生 2.7 億噸二氧化碳,想要減碳,除了從源頭減量,也能將二氧化碳捕獲再利用與氫氣反應,合成為重要的基礎化學品甲醇。甲醇應用廣泛,可轉化為一氧化碳、醋酸、烯烴、芳香烴等化工產業的基礎料源,2021 年全球甲醇用量約 1 億噸,預估至 2050 年成長至 5 億噸,臺灣每年也要進口高達 150 萬噸甲醇,市場商機龐大。

目前全球進行二氧化碳轉化甲醇時,反應溫度高達攝氏 250 至 280 度,工研院研發高性能的二氧化碳觸媒氫化技術,以獨家專利的銅鋅合金觸媒配方,能將反應溫度降到攝氏 220 度,不僅轉化能耗較低,產出效率也較高。對比目前市面上每公斤觸媒每小時可產出 600 克甲醇,工研院可產出 1,000 至 1,100 克甲醇,成果領先國際。

工研院已和中鋼合作設立先導實驗廠,未來將捕獲煙道氣中的二氧化碳進行轉化,預計今年 9 月建置完成,明年初也將和中油合作蓋廠,加速產業化落實目標,未來若結合使用再生能源,還能達到負碳排的效果。

6. 高效濾氫純化模組 建立氫氣循環經濟

能源轉型如何和現有產業結合?臺灣工業餘氫產量高達數千萬立方公尺,針對大量餘氫去化問題,工研院研發高效濾氫純化模組,能將半導體、石化、鋼鐵、造紙等產業製程中的餘氫,進行純化回收,達到循環再利用的目的,同時也減少燃燒餘氫所需添加天然氣產生的數萬噸碳排。

針對市面上的濾氫技術,使用只讓氫原子穿透的鈀金屬作為膜材,藉此取得高純度的氫氣。但鈀金屬相當昂貴。工研院研發低成本的陶瓷金屬材料,取代部份鈀金屬,除了成本減少 50% 外,透過「篩分隔離」與「質傳過濾」雙機制技術,體積也只有一般市售純化器體的一半。

這項技術能將製程所產生約 70% 餘氫,純化至 99.9999% 以上的高純度氫氣,供產線再利用,減少製程所需氫氣的購買成本,或是供給燃料電池發電。工研院已和國內尾氣設備處理廠合作,解決國內產業的碳排痛點,打造臺灣綠色供應鏈。

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 365 期 2022 年 8 月號,未經授權不得轉載。


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《工業技術與資訊》月刊,現為工研院發行之全院性對外出版品,刊物發行於1991年,目前每期發行數量約為6,000份;對象含括全國具研發單位的中小企業、立法委員、政府官員、媒體等。

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