前瞻能源技術─太陽能製氫技術

 化材系　鄭光煒助理教授

　　氫雖為宇宙間存量最豐富之化學元素，但卻幾乎無法以元素態穩定存在，而主要以水分子方式存在。水的熱力學能階較低，相當穩定，不易發生反應，因此，水可說是氫最豐富之載體。氫能在能源分級中不屬初級能源 ( primary energy )，而是能源載體 ( energy carrier )，需由特殊程序處理後，方具有應用價值。氫能具有安靜和乾淨等環保方面的優勢，使其在未來能源發展上，具有極重要之地位。

　　氫氣可以從水產生，傳統的電解與較先進的高溫製程，如核能或太陽能都可以用來當作熱源，也可從生質物與煤炭氣化產生氫氣。目前，世界上大多數氫氣 ( 大約每年5000億噸 ) 是從處理天然氣過程中獲得，相關的產氫技術都已經商業化，有待解決的主要問題是產氫過程所產生的CO₂，仍需發展有效的分離和捕捉技術以控制其排放。

　　再生能源製氫技術，為未來潔淨能源中，極具發展潛力之能源技術。其主要以太陽能源為主，製氫程序如下圖所示。再生能源製氫具有提高能源供給之優勢，同時能滿足一定程度之環保訴求。可利用水力、風能、太陽光電、太陽熱能等再生能源產生電能來電解水產氫。目前著重於能提升效率的各種技術研發。

　　太陽光能製氫法為乾淨、豐富、值得努力發展之產氫法，其主要方法有四種：( 1 ) 太陽能電池結合水電解法、( 2 ) 直接光催化將水分解製氫法、( 3 ) 生物光化學製氫法、( 4 ) 太陽熱能分解製氫法等四種。由上述方法所獲得之氫氣，無須進一步純化，對於高效率與低碳狀態要求之低溫型燃料電池，或鹼性燃料電池之適用性較大。

　　目前將太陽光能轉成電力之技術，已屬發展接近成熟的技術，但價格過高與應用之廣泛性差，為其缺點。然而，太陽光能之應用潛力卻極大，以發電效率10%計算，若在美國1.7%國土面積上裝設太陽能電池，約可發電 3.3TW，相當於美國在2000年所消耗之石化能源總量，也相當於3300座發電量 1GW 之核能電廠，或相當於在美國海岸線與主要運河上，每10英哩蓋上一座核電廠所產生之能量。是美國現有103座核電廠發電量之30倍以上。以下將介紹光化學製氫技術之發展現況。

( 一 ) 光電池製氫技術

　　目前最有效率但也最貴之太陽能源製氫法，是利用固態光伏打電池 ( Photovoltaic PV )，商業上可以獲得之 PV 電池有單晶矽電池 ( single-crystal silicon )，如 GaAs ( 砷化鎵 )、非晶型矽電池與薄膜型材料，如 CdTe ( 鍗化鎘 )及 CuIn_(1-x)GaxSe₂ 等多種。在日光照射下，太陽能轉電能之效率約為12~25%之間，雙排型光伏打元件，使用兩種半導體材料，如 ( GaAs 與 GaInP₂ )，能夠吸收較多之日光能量，效率上可提高。目前水電解系統製造氫氣之效率大約為75%左右，若與太陽能電池相結合，整體製氫效率約為15%左右，可做為發展其他相關技術之效率標準。另外一種具降低價格潛力之技術為光電化學電池 ( Photoelectrochemical Cel l)，主要使用多晶系或奈米結構之半導體材料、染料敏化二氧化鈦觸媒、Texas Instruments 發展之微球型矽元件及有機液晶或高分子薄膜等，但效率較低。

 　　另外一種蓬勃發展中之太陽能製氫技術為染料敏化光電化學電池 ( dye-sensitized photoelectrochemical cell )，或稱 Gratzel Cell ( Gratzel 2000 )。電池主要由高孔洞性之二氧化鈦薄膜 ( ~15mm ) 構成。具奈米結構之二氧化鈦以群聚方式 ( 約 20nm 大小 ) 形成薄膜，再於二氧化鈦上塗佈適當染料，而液體電解質是具反應性之碘離子或具有適當氧化／還原能力之中間體，再與玻璃或塑膠板形成三明治型結構之電池。當染料受到光激發後，由 S^O 變成 S* 形成激發態與 S⁺ 之氧化態，即產生電子電洞對，激發態 S* 將電子注入二氧化鈦中，不同材料所產生之光激發電子電子能量不同，二氧化鈦為載體，主要作用為將電子傳至導電玻璃中，並由導電玻璃傳至外環路，由於染料之電洞極不穩定 ( S⁺ )，會與槽內之氧化還原中間體產生氧化反應，獲得電子而達到穩定，而在外環電路之電子釋放出能量後，與反應中間體進行還原反應，形成穩定之迴路。染料敏化太陽能電池之轉化效率約為10%，壽命可超過1年。由於染料敏化太陽能電池多由價格低廉之物質組成，如果未來效率可以提昇，價格可再降低，在太陽能製氫上就會有極大之應用潛力與競爭力，目前染料敏化太陽能電池主發展上， 仍需朝降低氧化／還原中間體之電位、介面現象、發展紅色染料、降低材料及生產成本等方面努力。

( 二 ) 光電化學製氫技術

　　半導體光化學反應法製氫為近年來熱門之研究方向，主要原因是在觸媒材料上有重大之突破，使應用光能製造氫氣變為可行。此技術至今已發展近三十年，其基本原理是在1972年由 Fujishima 和 Honda 所發現。然而，半導體類光觸媒之價電子帶與傳導帶間之能階差 ( band gap )，必須與入射光光譜相配合，才能吸收光能，以產生電子電洞對。同時也必須和化學反應相關之電位相符，方能催化氧化還原反應，以分解相關化合物。因此，光觸媒材料之開發合成是此技術之發展重點。目前日本在此一領域具領先地位，已開發成功多種光觸媒材料。其中，如紫外光光觸媒產氫量可達 2180 mmol/g-hr；可見光光觸媒產氫量可達 940 mmol/g-hr。

　　本技術商業化之時程，以技術發展達日光轉化效率10%，壽命達10000小時為大規模商業化之目標。由太陽能分解水製氫，結合燃料電池或氫引擎，為未來潔淨能源社會應用之最終目標。本技術對於二氧化碳反應產生甲醇、海水製氫與淡化技術，皆具有極大之應用潛力，目前工研院技術研發團隊對於水分解製氫、二氧化碳還原反應、海水製氫技術，申請並擁有多項專利，也以完成小型光化學反應器設計製造，然而此技術尚處於實驗室-示範系統階段，欲得到高效率，可商業化之反應器，仍有許多關鍵點待加強研究。目前有少部分之光化學反應器已公開發表，最高光轉化效率為12.4%之鎵-磷-銦系列光反應器，但需將日光聚光10倍以上或採用光強度為日光強度10倍以上之燈源，方能保有如此高之轉化效率，且反應元件壽命表現不佳。有鑑於此，英國 Solar Hydrogen 公司，美國 Altair Nanomaterials 公司以策略結盟方式，採用日光轉化效率為8%，壽命可達1000小時以上之染料敏化光電化學製氫技術，作為技術發展主軸，目前已經完成示範機組設計製造，預計於近幾年內將會商業化，並與燃料電池相結合，提供燃料電池或氫能源之氫氣供應來源，未來氫能源社會之來臨，將不再只是夢想。