氫是宇宙間最簡單、最普遍的化學元素，燃燒後的產物為水，沒有碳排放，能源轉換效率比化石燃料高，是終極潔淨能源，也是邁向淨零不可或缺的拼圖。
打造氫能新經濟，開啟淨零新時代！
迎接終極潔淨能源
氫能時代來臨
從取之不盡的水資源中分解氫，透過能量轉換提供電力並生成水，如此周而復始的資源循環，描繪出人們對於未來永續世界的想像。氫是宇宙最豐富的元素，能量密度大，燃燒後又不會產生二氧化碳，因而被視為「終極潔淨能源」。
早在1970年，美國德州農工大學教授博克里斯（John Bockris），在通用汽車技術中心的一場演講當中，提出「氫經濟」（Hydrogen Economy）一詞，設想未來以氫氣取代石油，成為支撐全球經濟的主要能源。20多年前，氫燃料電池有了新的技術進展，日本和美國再次倡議氫經濟，但最終受限於成本和技術尚未成熟，仍舊無法實現氫經濟願景。
近來氫能復興，最主要的驅動力就是2050淨零排放。為了達到淨零目標，全球苦尋替代傳統石化燃料的潔淨能源，工研院綠能與環境研究所副所長萬皓鵬指出，取自大自然的再生能源雖然扮演要角，但發展有其環境限制，仍需部分低碳燃料支撐零碳世界。
國際能源署在其公布的「全球能源部門2050淨零排放路徑」中指出，若想達到2050淨零排放，氫能需占整體能源使用13%，在國發會公布的臺灣2050年淨零排放路徑中，氫能也占電力供給的9%至12%。從整體能源使用角度來看，「氫能不僅是全球、也是臺灣達到2050淨零排放的關鍵角色。」
為了加速臺灣邁向氫能時代，工研院在近日提出「臺灣2050氫應用發展技術藍圖」。氫氣長期做為石化煉製中不可或缺的要角，中油董事長李順欽就指出，「這是氫能發展的一小步，卻是臺灣邁向2050淨零排放的一大步；要達到淨零排放，沒有氫能萬萬不能。」
2040綠氫將成主力
氫氣依照來源不同，而有灰氫、藍氫、與綠氫的分別。以化石燃料如天然氣經蒸汽重組產生的氫氣，稱為灰氫；若將蒸汽重組過程中的碳排，經由碳捕捉及封存或再利用，避免二氧化碳排放到大氣中，則稱為藍氫；只有以再生能源電解水產氫的方式，才是最潔淨的綠氫。現今全球氫氣生產大部分為灰氫，隨著技術提升與成本下降，預計在2040年綠氫將會成為主力。
萬皓鵬指出，目前臺灣氫氣用量大約在30～40萬噸，主要來自以石化燃料產氫，幾乎百分之百都是灰氫。在工研院規畫的藍圖裡，2050年臺灣氫氣需求量將達435萬噸，成長10倍之多。這些氫氣來源，評估臺灣再生能源設置與調節情境下，高達四分之三要靠進口，四分之一則是自產藍氫及綠氫，自產數量約為110萬噸，估計其中7成是綠氫，3成是藍氫。
雖然氫氣進口成本不低，但萬皓鵬認為，到了2050年，使用化石燃料需付出碳費，而氫氣成本以鄰近日、韓所提出的目標，均在每公斤2元美元左右，而未來可能的氫氣供應大國澳洲，則提出出口目標為每公斤1.4-1.5美元，雖然比目前天然氣貴一點，但若加上碳排和碳費的考量，「氫能和化石燃料在經濟成本上的競爭就會拉近，會具備替代能源的優勢。」
多管齊下投入氫能發電
萬皓鵬指出，未來氫能主要有三大應用，也就是發電、工業應用和交通載具，臺灣各有不同機會。首先在發電上，分為定置型發電和分散型發電兩種模式，前者就像大眾熟知的火力發電廠，後者最具代表性的就是燃料電池發電。
在定置型發電上，近幾年國際已實地測試以氫氣替代天然氣燃燒，30%的混燒比例已完成技術驗證。臺灣因產業能量及市場規模等因素，切入大型發電系統的機會不大，但未來引進氫氣機組後，在地的工程公司可負責運轉維護。
在分散型發電上，現階段市場主力有兩種，一種是可快速啟動的質子交換膜燃料電池（PEMFC）；另一種是適合作為基載的固態氧化物燃料電池（SOFC）。早在20多年前，臺灣便投入PEMFC研究，有許多燃料電池供應商都以PEMFC為主，有些甚至已能做到整組成品輸出，外銷至東南亞和日本等地。工研院也投入發展PEMFC的金屬雙極板，不僅體積更輕薄，成本也只有原先碳板的50%，「未來臺灣在PEMFC的發展很有機會，」萬皓鵬說。
而SOFC有Bloom Energy等國際大廠掌握核心技術，臺灣則以關鍵零組件供應商的角色，切入供應鏈。工研院也打造了2套SOFC，自製率達75%，建立本土化SOFC系統整合技術。
氫能車滿足長途運輸需求
在工業應用上，萬皓鵬表示，產業因不同製程，使用氫氣已是行之有年，像是煉油業、石化業、鋼鐵業等，都是氫氣需求量很大的產業。此外，也有些產業在製程中，會有餘氫排出，如造紙業、半導體業等。過去工業餘氫直接排放或燃燒，但近年因為能源議題，也開始出現餘氫回收再利用的討論。
但若採用燃料發電，純度需達99%以上，如果餘氫雜質過多，可能會讓燃料電池的觸媒受到毒化，降低發電效率。工研院投入開發工業餘氫的純化跟回收技術，可將50%的低濃度氫氣直接發電或回收純化到99.999%回到製程使用，讓餘氫發揮最大價值。
在交通載具上，為達2050淨零排放，國際專家一致認為，小型車朝向電動化發展，許多國家研擬停售油車；但對於需要長途運輸和載重的巴士和貨車，電動車續航力就顯不足，也需要較長時間充電，預料大型車會以氫能車為主。
相比電動巴士最多只能跑200公里，充電動輒數小時，氫能巴士只要儲氫5到10分鐘，就能跑400公里，更具優勢。工研院也投入車用儲氫瓶技術，開發碳纖複合材料，更安全又輕量。
氨氣加速實現零碳願景
氫能雖然具備潔淨優勢，但也有不少挑戰。首先，在國際進出口上，由於氫液化後體積會比氣態時小了近1,000倍，可以載送更多氫氣，因此長途運輸都是採用液化氫的形式。
但氫要液化，溫度需達零下253度，為了達到如此低溫，能耗相對較大。同時在運輸過程中，也要全程維持低溫，且需重複加壓液化，導致損失部分氫氣及增加能耗，因此長途運輸目前仍在驗證中，今年初日本和澳洲也才剛完成全球第一艘液態氫運輸船的航程。
即使運輸到目的地，也還有關卡要克服。由於氫分子小，容易鑽入金屬的分子鏈中，久了就會產生裂斷現象，也就是所謂的「氫脆」，因此包含輸送氫氣的管線、儲氫瓶、接收站等設備，都要使用鋼管材料。同時，氫是易燃氣體，爆炸範圍比天然氣還要大，在儲存跟運輸上需要更加小心。目前國際上有幾個在地示範系統，大約可運輸100～200公里，但都還在驗證階段。
由於氫氣在儲存和運輸上的挑戰，讓國際開始思考短期替代方案，也就是氨氣。萬皓鵬表示，氨氣是由氫氣和氮氣反應而成，燃燒後同樣沒有碳排，又比氫氣安全，不易爆炸，最重要的是，氨氣液化的溫度只要零下33度，在長途運輸上非常具優勢。IEA指出，在1萬公里以上的運輸，氨氣的運輸成本只有氫氣的75%，過往氨氣作為肥料應用，在國際間運輸也非常成熟。
一般來說，氨氣可直接燃燒使用，不須再分解成氫，因此最好的應用就是直接用於發電。在工研院的「臺灣2050氫應用發展技術藍圖」中，2050年臺灣的氨氣需求量約為315萬噸，百分之百依靠進口和煤炭進行混燒。台電公司規劃今年底和日本三菱重工簽訂MOU，預計將在林口發電廠先行驗證煤炭混燒5%的氨氣。
雖然氨氣優點不少，但萬皓鵬提醒，氨含有氮，在燃燒時會產生氮氧化物，也是一種污染物，因此目前日本和美國都在研究如何控制氮氧化物的排放量，不過看來技術難度不算太高，「整體來說，氫仍然是終極目標，但氨是短中期立刻就能使用，可加速實現零碳燃料的願景，」萬皓鵬解釋。
搶先布局未來氫能經濟
能源是最基礎的民生需求，但能源系統建置需要時間，不管是自產或進口，都需要長時間的規劃和建設，就像過去發展天然氣，也花了很長時間建置天然氣接收站，並且和天然氣供給國簽約。
萬皓鵬進一步指出，國際研究調查機構普遍估計，氫氣大規模使用將在2040年以後，看似還有不短時間，但臺灣從現在就要開始布局，不僅是建構儲存和運輸等基礎設施，還有法規調和，甚至要在氫能技術上做出突破，屆時臺灣就能以技術領先者的角色，在新興的「氫經濟」上搶得先機。
加速布局氫產業供應鏈
六大氫能應用技術齊發
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。
PEMC金屬板燃料電池電堆 輕薄省成本
質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell; PEMFC）是運用電化學反應，將燃料（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。
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。
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。
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。
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。
布局零碳「氫」時代
臺灣氫產業的機會和挑戰
節能減碳已是全球大勢之趨，從減碳到零碳，氫能被視為未來的重要能源之一，各國競相布局，紛紛提出氫能相關的發展策略，逐步實現新型氫世界。
工研院產業科技國際策略發展所能源組石蕙菱博士表示，現階段各國氫發展以發電、工業、交通載具為三大應用方向，但發展目標與方式各不相同，大致可分為3種模式。模式一，減碳與氫應用產業並重，像是日本、韓國和中國等國家，以內需市場示範營運模式，規劃中長期系統輸出，並著重國際氫進口供應鏈的建置以及應用國際化，藉此創造新興產業效益。
模式二是擴大應用，達成減碳目標，諸如歐盟成員國、英國與美國，以其可整合廣大地域資源的地利之便，善用既有資源與產業基礎，聚焦在氫於零╱低碳燃料的應用，推動綠氫與藍氫的規模經濟來達成減碳目標。模式三，則是著重氫出口，主要以欲從化石能源出口轉型的地區，例如澳洲、中東和北非等國家或區域為主，為了加快其產業轉型速度，降低運儲成本是其發展關鍵。
產學研相繼投入 成果仍待商業化
在各國如火如荼展開氫能戰略之下，臺灣的氫產業發展狀況如何？石蕙菱表示，目前臺灣氫氣來源以灰氫為主，料源主要依靠化石能源，如甲醇、甲烷重組，先進口料源至工廠，再製造分銷，少部分回收工業副產氫。現行運儲方式則以進口高壓槽車運送氣態氫為主，尚無地下氫氣運輸管路與大型定置型液態儲槽，基礎設施亟待建置。
在應用上，臺灣氫發電以備援電力為主，僅小型（10kW以下）燃料電池有商業化實績，中大型（10至數百kW）等長期發電裝置仍在研發階段。工業用氫上，主要用於半導體、食品和金屬加工等產業，不過隨著5G手機需求增加，連帶讓晶圓長晶製造、面板、靶材應用等製造對高純度氫氣（>99.999%）的需求越來越高。
在氫能備受關注下，臺灣學界、法人、產業也相繼投入相關技術研發。學界以電解產氫轉換效率的提升，以及低成本儲氫或燃料電池材料的開發為重點，不過新型製氫例如太陽能製氫技術仍處研發階段，相關成果尚未商業化。法人過去以應用端為主，配合政策推廣新能源裝置應用，如工研院開發長航時燃料電池無人機，以及工業副產氫發電與純化回收等。
產業界的投入以燃料電池發電系統與交通工具居多，如中興電工利用燃料電池示範微電網系統、聯合再生能源研發燃料電池機車等，近期氫╱氨渦輪發電、中大型商務運輸工具、加氫站等基礎設施等相關專案也正陸續發展中。
三大應用多管齊下 實現氫能經濟願景
未來，臺灣在氫應用上的發展，將以減碳為目標，逐步提高氫需求。石蕙菱建議，在發電上，可用氫或氨混入傳統燃料再進入渦輪發電機，或使用燃料電池協助能源減碳，以既有火力發電機組改良應用，歐美日皆有相關驗證計畫，臺灣可在既有港區、電廠等場地運行，但挑戰是目前綠氫與藍氫價昂，發電成本可能拉高。
產業應用包含氫氣煉鋼、製氨等化工製程和半導體等應用，歐盟等國正發展傳統產業氫氣減碳，臺灣可善用既有工業運儲氫氣體系，但要注意的是，不同產業對氫氣價值評估落差大，傳統產業需有足夠的用氫誘因。
在交通應用上，主要以氫能車和氫能巴士為主，日韓由高市占車輛品牌帶頭發展，但臺灣車輛產業的國際影響力有限，加上需建構加氫站，安全規範嚴格，石蕙菱也提醒，須注意和氫能車與電動車之間的資源競爭問題。
石蕙菱指出，臺灣發展氫能的優勢在於，具備可結合氫或由氫合成原料的工業，也有明確的減碳目標；但挑戰也不少，目前臺灣僅有天然氣管線，尚未建置跨域的天然氣管線整合能源；未來若要發展綠氫，也需要有過剩的再生能源電力，加上工業副產氫多有用途，電解製氫與儲氫技術成本仍高，同時也需要制定加氫站的設置法規，仍須多管齊下努力。
石蕙菱建議，在減碳的終極目標下，臺灣需審慎評估氫能導入的模式、擬定策略，同時整合技術研發與實地驗證，輔以環境建構以擴大應用。未來可朝向前瞻製氫技術研發、臺灣氫需求與減碳潛力分析、再生能源電解製氫整合場域模擬分析三大方向前進，實現氫能經濟願景。
想了解更多氫能經濟精彩報導，請看8月號工業技術與資訊月刊
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