◎ 林仁斌
目前氫氣的產製主要還是來自高碳排的化石燃料（煤、天然氣與碳氫化合物），大部分是應用在石油化學工業做為生產氨氣、甲醇等工業原料。不同的產氫方式（例如：煤的熱裂解氣化、天然氣的蒸氣重組、以及各種的工業副產氫氣等）所得到的氫氣純度和主要雜質各不相同。為防止生產製程所使用的觸媒被毒化，原料氣中的一氧化碳、硫化物等組成分必須預先去除。從氫氣的產製到應用需要經過純化程序，使不純物含量能降低，以符合製程與應用領域的要求。
氫能源因燃燒後僅生成水與無碳排的特性，被認為是具環境親和力且有潛力的綠能選項之一。示意圖。（圖取自Freepik）
氫氣純化方法主要分為變壓吸附法、冷凝分離法、金屬鈀膜分離法、以及金屬氫化物分離法，茲分述如下：
一、變壓吸附法是藉不同壓力下吸附劑對氣體組成分吸附能力的不同，以壓力變化來進行反覆式的吸附／脫附循環操作，從而實現氣體的分離和純化。根據原料氣中雜質種類的不同，吸附劑可選取分子篩、活性炭、活性氧化鋁等，可以得到純度為99.999%（5N）的氫氣，氫氣的回收率可達到95-97%，是目前最成熟且已在工業上被廣泛應用的氫氣純化技術。
二、冷凝分離法是利用原料氣中不同組成分沸點上的差異，透過製冷將原料氣降低到特定溫度，從而將不同沸點的物質分離以達到純化目的。隨著溫度的降低，甲烷、其他碳氫化合物、二氧化碳、一氧化碳、氮氣等沸點相較氫氣為高的氣體會先冷凝而被分離出來。冷凝分離法適用於原料氣含氫量相對低且需要分離回收多種副產品的情況。然而，由於製冷的壓縮、冷卻過程耗能很大，因此冷凝分離純化的成本也相對較高。
三、金屬鈀膜分離法是利用鈀膜對氫氣有良好的穿透選擇性。在300-500℃下，氫吸附在鈀膜上，並施加電壓使其游離為質子和電子。在濃度梯度的作用下，氫質子可擴散至低氫分壓側，並在鈀膜表面重新與電子再結合為氫分子。由於鈀複合膜有獨特的氫氣選透機制，因此幾乎可以去除氫氣外的所有雜質，所分離得到的氫氣純度高，回收率也高（＞99%）。為防止鈀膜的中毒失效，金屬鈀膜分離法對原料氣中的一氧化碳、水分、氧氣等雜質含量的要求較高，需預先脫除。此外，鈀複合膜的生產成本較高，氫的穿透速率低，因此尚無法實現大規模的工業應用。
四、金屬氫化物法是利用儲氫合金對氫的吸附／脫附可逆性來純化氫氣。在降溫升壓的條件下，氫分子在儲氫合金（稀土系、鈦系、鎂系等合金）的催化作用下分解為氫原子，然後經擴散、相變、化合反應等過程而生成金屬氫化物，雜質氣體則吸附於金屬顆粒之間。當升溫減壓時，雜質氣體從金屬顆粒間排出後，氫氣再從晶格結構中析出，純度可高達99.9999%（6N）。金屬氫化物法同時具有純化和儲存的功能，具有安全可靠、操作簡單的特性、材料成本相對較低、以及產出氫氣純度高等優勢，但是金屬合金存在容易劣化、釋放氫氣緩慢、以及需要較高操作溫度等問題。
各個應用領域對氫氣的要求也不盡相同。例如：煉鋼廠會評估氫氣純度對加氫處理單元的設計和操作之影響與經濟效益，並使用必要的氫氣純化技術；在冶金和陶瓷工業，氫氣可用為冶煉金屬時的還原劑，防止金屬或陶瓷材料在高溫煅燒時被燒結或被氧化；在半導體工業，氫氣可用於晶體成長、退火、電漿蝕刻、以及化學氣相沈積等製程。
由於氫氣與製程半成品或產品會有直接接觸。因此，製程上對氫氣的純度和雜質成分的要求較高。目前大多數廠家會採用外購的高純氫或電解水產氫方式來因應生產需求，若對氫氣純度和雜質要求更嚴格者，則可建置氫氣純化裝置以進一步精製氫氣。
能達到低碳、零碳的可再生能源電解水產氫（綠氫）方式將是未來主流，也是淨零碳排最後的理想目標。圖為國輻中心跨國團隊投入綠氫研發，有助開發高效能的氫能。 （國輻中心提供）
另外，在提供質子交換膜燃料電池陽極的氫氣進料時，由於硫化物、一氧化碳對鉑觸媒的化學吸附性比氫氣更強，會先佔據觸媒表面的活化位，且不易脫附而造成鉑觸媒的毒化失效，致使燃料電池的性能和壽命大幅降低。因此除了要求氫氣的純度達到99.97%外，對一氧化碳、硫化物等雜質更是有嚴謹的規格要求（一氧化碳濃度<0.2ppm；總硫濃度<4ppb）。
氫氣非自然可取得的氣體，氫氣生產目前是以化石燃料產氫（灰氫與藍氫）為主的方式。由於不同氫氣來源的雜質種類各異，因此純化方法的選擇與氫源及其供應規模和各種不同的製程應用需求密切相關。但不論是對氫氣純度（>99.5%）與主要雜質（氧氣、水分）、以及純化方法的經濟便利性而言，能達到低碳、零碳的可再生能源電解水產氫（綠氫）的方式將會是未來主流，也是最後的理想目標。
（作者為台灣環境保護聯盟學術委員）
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