<p>工業廢水也能化身儲電救星，甚至比普通的水還好用？電解海水製造氫能又是難在哪裡，為何電解槽這麼容易被腐蝕？</p>
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<p>臺灣於 2022 年的發電量占比中，燃煤與燃氣加總占比就超過 80％，這個占比極高的燃料組合會產出二氧化碳，進到大氣，讓氣候變化日益加劇。近年，隨著發展潔凈能源成為全球趨勢，像氫這樣燃燒後只會產生水的能源，因能減少廢氣排放而逐漸得到重視。然而，氫的產製在實行上仍存在污染和高成本的疑慮。</p>
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<p>在此之前，我們先簡單了解幾個當代常見的產氫技術。</p>
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<p>氫常見於許多我們所熟悉的分子，甚至幾乎所有地球生物體都含有這項元素，但純「氫氣」卻非常稀缺。我們可以透過幾種常見方法生產氫氣：將水電解，或將天然氣進行高溫蒸汽重組反應（steam reforming）；由於後者會在過程中產生二氧化碳，因此可加入碳補存技術（CCS）來降低其排放量。當然也有其他選項，像是透過綠藻等微生物，在光照下消耗水分所產出的副產物，也包含氫氣。</p>
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<p>雖然產氫手法與來源眾多，但它們的純度與對環境的危害卻各有不同；對燃料電池系統而言，即使是最微量的雜質，也可能損害其性能與耐用性，尤其氫能汽車。為了快速區別不同來歷的氫氣，人們開始透過「顏色」做分類。</p>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">從顏色看出氫氣製程中的污染根源</span></strong></h2>
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首先是存在於自然環境中的氫，它們有許多都是透過地下水與礦石作用（或與金屬結合）產生，所以又稱作「白氫」或「金氫」。</p>
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<p>再來是需要透過工業過程取得的氫。最古老的做法，是讓煤與氧氣、蒸汽一起，透過 700℃ 以上的高溫進行氣化反應，最終轉換成一氧化碳、二氧化碳和氫氣；由於「製造原料」是煙煤或褐煤，加上期間得到的一氧化碳或二氧化碳會被釋放到大氣中、污染較高，才有了「黑氫」或「褐氫」之稱。如果是以天然氣為原料進行蒸汽重組，過程中排放的溫室氣體比黑氫少，因此就成了比較淡的「灰氫」。</p>
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<p>相對黑褐灰，產氫過程更低碳的就屬於藍綠色系——例如結合碳補存技術、讓所得碳產物儲於地下（或避免逸散至大氣者）為「藍氫」；透過甲烷裂解產生氫氣和固體碳者，則叫「綠松石氫」。</p>
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<p>最後是所謂的「零碳組」，通常是以電解水作為產氫手段。有以核電廠所產廢能進行電解或熱化學過程的「粉紅氫」，也有 100％ 以再生能源（例如太陽能、海洋能、水力、風力、地熱等）產電所製造出的「綠氫」，最終只會排放氫氣和水蒸氣。</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2024/03/5-1_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">以工業廢水作為產氫素材，有望在電解時降低用電，還能解決部分污水處理的成本。</div>
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<h2><span style="font-size: 20px;"><strong>以碘廢液製造氫氣，降低可觀電力成本</strong></span></h2>
<p>綠氫產製方法百百種，然而受制於「成本」這個千古不變的難題，大部分技術知而不用。根據英國能源刊物《氫能洞察》（Hydrogen Insight）報導，綠氫科技公司普拉格能源（Plug Power）執行副總裁班傑明・海克拉夫特（Benjamin Haycraft）就指出，光是電力就占產氫成本的 60％，就電解槽效率與支出來看都很不划算。</p>
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<p>面對如此困境，科學家不斷努力尋找能降低用電、提升能源效率的辦法。臺灣科技大學永續電化學能源發展中心主任黃炳照所帶領的團隊，便將電解原料「水」換成工業廢棄物中的「碘廢液」，大幅降低用電量。</p>
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<p>談起產氫工作，黃炳照主任感嘆：「全世界做電解水產氫已久，但是耗電還是很大、成本很高，很難跟天然氣、甲烷重組相比。」他解釋選擇碘廢水作為研究對象的具體原因：「電解水產氫的過程中，一邊是將水還原成氫氣、一邊是氧化成氧氣，電位較高；若以碘廢液進行電解，則電位差較少。兩者的用電量差了一半。」除了可生產綠氫，其低耗電量已足以跟一般的灰氫做競爭。</p>
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<p>不僅省下電力成本，以廢碘液產氫所製造的副產物碘，還能用於工業和醫藥產業，相比於氧更有應用價值。黃炳照解釋，在染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cell）裡的電解液材料也有碘，因此該技術在太陽能面板發電領域大有發揮潛力。此外，電解碘廢水產氫對半導體或顯示器業者同樣助益良多——原本生產過程中殘餘的廢水多半得送到國外做再生處理，如果能採用這個方法，就能省下這個步驟，原地解決污水問題。</p>
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<p>除了碘廢液之外，同樣的方法也有類似應用；只要調整陰、陽兩極的觸媒，就能對不同材料或化學品做氧化還原反應。由黃炳照領軍的永續電化學能源發展中心正致力開發各種材料或化學品應用的可能。「我們現在有嘗試一些增殖廢棄物或生質化學品，例如乙二醇，希望找出更多能做氧化程序、產物也有用的選項。」他坦言，「光是靠一種碘廢水是不夠的，一定要找很多搭配選項。」</p>
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<h2><span style="font-size: 20px;"><strong>海水產氫為何這麼難？</strong></span></h2>
<p>那如果就地取材，拿海水來做電解是不是更好？其實，海水的處理又是一門學問，就現階段來說它不是一個可以直接送到電解槽裡的原料。「在類似海水或富含鹽類的電解質中進行電解催化反應時，陰極和陽極的材料與特性需要考慮電解質的成分，因為它們可能與電極材料發生反應，影響電解過程的效率和穩定性。」中央大學材料科學與工程研究所教授洪緯璿解釋。</p>
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<p>高鹽的海水中存在具腐蝕性的氯離子，會嚴重降低氫氣的產能與純度，還可能在陽極產生氯氣。因此洪緯璿教授認為，選用抗腐蝕性良好的觸媒材料就相當重要。同時影響電解效率的，還有那些附著在陰極表面的有機和無機雜質。「海水本身也屬於一個複雜且骯髒的水體，除了上述所提到的鹽類，還會包含一些生物遺留的污染物，像是碎屑以及排泄物等，這些都會在電解產氫的過程中造成影響。」不僅如此，海水產氫還延伸出一道更難跨越的檻，那就是「各地區的海水成分也並非固定，甚至同一地區也會受到季節與鄰近地區的影響，造成成分上的差異。」</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2024/03/5-2_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">要用海水產氫，最大難題還是各水體中不同的電解質，長期下來有損毀電極的疑慮。</div>
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<h2><span style="font-size: 20px;"><strong>改良氧化還原觸媒材料，提升海水製氫可能</strong></span></h2>
<p>為了對抗海水產氫過程中可能衍生的成本問題，例如海水淡化、去除水中鹽分、設備損毀等，洪緯璿教授積極投入相關研究。「我們實驗室在海水產氫這方面，是整合應用的完整縱向研究——從最基礎的陰極、陽極材料製造，到水電解器的實體應用、相關理論的軟體模擬等，都有在進行。」</p>
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<p>其中，研究最深入的是「高熵陽極」這種耐高溫氧化、耐腐蝕、高電阻率的催化材料開發。他與團隊利用獨步全球的製程技術，將六種金屬元素均勻合成到各式基板材料上，成功開發出能在海水中穩定運行的高效活性觸媒材料，一舉解決陽極材料在海水中的效能與壽命問題。未來，也將持續著重在實務應用上的研究，包括大面積電極（直徑大於 12 公分）與公斤級高效活性高熵觸媒的粉末製造。</p>
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<p>即便洪緯璿團隊目前開發的電解系統，能適用在鹼性或偏鹼的電解質環境中，但海水產氫始終繞不開水體處理的困境。洪緯璿教授針對現況說明：「就目前而言，對那些中性、甚至完全未處理的海水，還是有一些使用壽命上的難題需要克服。」</p>
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<p>海水的原料處理是一題，如何擴大技術效能，攸關實行成本多寡。對此洪緯璿教授表示，「我們期望可以進一步研發能耗更低、氫／電轉換效率更好，且能生產更高純度的低成本氫氣製造技術，來達到氫氣應用的普及性。」不僅如此，他也期待未來能做出「可在更極端環境中長久運作的高效耐用電極材料」，進而開發出完整的整合系統。</p>
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<p>面對氫能產業的未來挑戰，黃炳照主任認為臺灣仍需投入更多研發能量、找到更多可以搭配的氧化反應，以期及早布局和申請專利。洪緯璿教授也提到，此一產業初期須多仰賴政府的資源投入（不論是政策資金補貼面或法規面的完整化），而將關鍵零組件做有效的規模化量產，也可有效降低製氫成本。氫能的前景無庸置疑，每一個既存的挑戰，也都是引領我們走向零碳永續未來的路標！</p>
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<p>（客座總編輯｜國立中央大學機械工程學系 講座教授兼工學院院長 蕭述三院長；研究顧問團隊｜中央大學材料科學與工程研究所洪緯璿教授 、臺灣科技大學永續電化學能源發展中心黃炳照主任；責任編輯｜曹盛威、趙筱文）</p>
