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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

336期2019年12月號

出版日期:2019/12/15

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濾氫薄膜新技術 魚與熊掌可兼得

撰文/劉映蘭

工研院打造創新濾氫薄膜技術,讓純氫產製既快又純,不僅成本比傳統鈀膜低了50%,滲透率也提升了50%,開創國產化綠色製程的願景。上圖為測試中的純氫產製系統,右圖為長在多孔基材金屬棒上的「陶瓷金屬複合濾氫薄膜」。
工研院打造創新濾氫薄膜技術,讓純氫產製既快又純,不僅成本比傳統鈀膜低了50%,滲透率也提升了50%,開創國產化綠色製程的願景。上圖為測試中的純氫產製系統,右圖為長在多孔基材金屬棒上的「陶瓷金屬複合濾氫薄膜」。

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

工研院濾氫薄膜技術VS.傳統產氫技術。
工研院濾氫薄膜技術VS.傳統產氫技術。

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。

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