2016年聯合國會員國共同簽署訂立的《巴黎協定》中，為了減緩地球氣溫的上升幅度，訂立要在本世紀後半讓全球達到淨零排放，並將全球溫度穩定控制較前工業化時代升幅遠低於2°C，並接近1.5°C；2018年的聯合國政府間氣候變遷專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)報告，則是建議2030年全球碳排要接近減半，並在2050年前達成淨零排放(IPCC, 2018)，因此各國紛紛希望透過自願承諾甚至配合法規訂立方式來擴大減碳力道，透過全球合作讓排碳影響逐漸得到控制。而最近在英國格拉斯哥(Glasgow)召開COP26(26th UN Climate Change Conference of the Parties)氣候峰會的首要任務，便是要讓各國就本世紀中葉實現淨零排放做出相關承諾(BBC News, 2021)。相較於國際，我國行政院長蘇貞昌，則是在今年8月底時，要求環保署積極辦理「溫室氣體減量及管理法」修法作業，並納入「2050年淨零排放」目標(行政院，2021)，希望能與國際共同追求此淨零排放目標的達成。而國際認為實現淨零碳排的重要關鍵點之一，便是在要整個經濟體系中追求永續循環性，例如以推動循環經濟著名之非營利組織艾倫·麥克阿瑟基金會(Ellen MacArthur Foundation)之研究資料顯示，為了達成淨零排放願景，其中約有高達45%的溫室氣體降低可以透過追求循環經濟加以達成(Ellen MacArthur Foundation, 2019)。

氫燃料電池協助能源潔淨循環模式之實現

而為了要與國際共同實現淨零排放願景，亟需仰賴能源循環模式之建構，而為了確保實現有效率且潔淨之能源循環，需要納入氫燃料電池的協助。氫氣是廣存地球上的乾淨燃料之一，因其燃燒後的產物只有水，並可以用多元形式加以儲存，所以是一種潔淨能源載體。後續也有多元化循環利用方式，例如當有過剩再生能源電力時，透過電解水(water electrolysis)方式生產氫氣後，以氫或氫衍生物的方式儲存，可以提供給產業作為燃燒使用，亦可以做為氫燃料電池之燃料，反應產生穩定且乾淨的電力與水，並提供給運輸部門或住商部門使用。而此種透過水生產氫氣，氫氣透過氫燃料電池產生電力與水的雙向轉化模式，便促進了能源潔淨循環利用之實現。

國際氫燃料電池研究發展趨勢

透過科睿唯安公司（Clarivate）Web of Science資料庫檢索2016至2020年氫燃料電池相關文獻，並由InCites平台分析全球氫燃料電池相關的論文發表情形，可以發現相關的研究領域前三名為：化學、材料科學與能源燃料領域（圖一），對應歸納氫燃料電池的研究重點在於電解質的開發、電極材料與能源效能的提升等。

圖一：2016-2020年全球氫燃料電池論文之研究領域分布（資料來源：Web of Science）

　　透過檢視2016至2020年全球氫燃料電池論文發表趨勢（圖二），可以發現近五年來的相關論文發表量快速成長，五年間的發表量增加近3,000多篇論文，成長率超過60%。近期氫燃料電池的技術發展趨勢是以開發商用定置型(stationary)燃料電池與燃料電池車(fuel cell vehicle)為主，而美國、日本、歐盟等主要發展國家皆開始進行佈建加氫站的規劃，透過建構完善的加氫站網絡以助於加速氫燃料電池技術與市場需求的進展。依據不同的電解質可以進行燃料電池的分類，包括以下五種，(1)質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)、(2)鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell, AFC)、(3)磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)、(4)熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)與(5)固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)等。由於質子交換膜燃料電池的操作溫度約攝氏80度，適合作為車輛載具動力的來源，而固態氧化物燃料電池可達攝氏600度，較適合於熱電共生系統。

圖二：2016-2020年全球氫燃料電池相關論文之成長趨勢（資料來源：Web of Science）

　　進一步從各國論文發表量加以分析，可以發現近五年全球投入氫燃料電池相關研究的國家以中國（15897篇論文）、美國（4445篇論文）及南韓（2413篇論文）為主，我國則發表610篇論文，排名第13名（圖三）。而透過解析我國發表的學術論文中可以發現，主要研究領域為化學(60%)、材料科學(36%)與能源燃料(35%)領域，與國際燃料電池發展趨勢一致。我國主要的研究重點為電解質與電極材料的開發，以達到高效能量轉換與高穩定性的氫燃料電池，例如:各式電解質(electrolyte)的調配與結構、催化劑(catalyst)的金屬摻雜(metal-dopping)、石墨烯奈米結構電極(graphene nanostructure electrode)等。

圖三：2016-2020年全球各國氫燃料電池相關論文發表量與排名（資料來源：Web of Science）

國際氫能與氫燃料電池科技推動概況

為因應目前全球131個國家提出在2050年前要達到凈零排放的目標，各國都將面臨如何建構淨零排放的能源循環系統，完成佈署乾淨且高效能能源技術的挑戰，亦紛紛投入氫能及氫燃料電池之研究。從主要國家推動科技情形來看，美國燃料電池和氫能協會在2019年提出「氫能應用路徑圖」(Road Map to a US Hydrogen Economy)(Fuel Cell and Hydrogen Energy Association, 2019)，認為氫能至2050年將佔據美國能源需求14%，並希望逐步推動在運輸燃料、發電與電網平衡、住商部門燃料、長程運輸以及產業原料與燃料相關的應用。歐盟除在「綠色政綱」(European Green Deal)訂立明確的氫能目標與發展路徑外，2024年以前主要將氫能用於化學工業，2025-2030年要擴展至鋼鐵工業和交通運輸，而2030年以後要將綠氫擴大使用於較難脫碳的產業(Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking, 2019)。日本「2050碳中和綠色成長戰略」(Green Growth Strategy Through Achieving Carbon Neutrality in 2050)則是設立2050 年將氫／氨發電佔比提高至約10%，應用領域亦包括運輸、發電、煉鋼、化學與燃料電池等領域(METI, 2020)。此外，日本與澳洲已經開始合作氫能生產、運輸，希望未來可以從澳洲進口氫氣至日本，形成跨國氫能循環利用之產業供應鏈。

掌握我國能源循環發展契機

我國過往在能源減碳與循環科技上，首要推動目標著重在再生能源的推動與擴展上。在我國政府的大力支持再生能源佈建並擴大裝置容量下，未來則需要逐步因應高占比再生能源下之能源供給調節，而氫與氫燃料電池技術的交互搭配，便可以在其中扮演能源緩衝及循環利用之中介角色。在國內氫能技術研發和產業推動政策上，2016年「新能源政策」(New National Energy Policy)訂下了2025年再生能源發電占比要達20％政策目標，且在「2016年能源產業技術白皮書」(Energy Industrial Technology White Paper(2016 Edition))中，提出我國氫能與燃料電池產業技術發展重點，包括氫燃料生產技術、氫燃料供應技術、質子交換膜燃料電池等技術細項，與短程(~2018年)、中長程(~2025年)發展時程。而我國在2009-2018年執行之第一、二期能源國家型計畫(National Energy Program, NEP)，已經投入氫燃料電池相關的研發投資，包括質子交換膜燃料電池與固態氧化物燃料電池等，同步則有經濟部能源局(Bureau of Energy, Ministry of Economic Affairs)在2009-2013年推動燃料電池示範驗證計畫，促成了目前國內中下游相關產業之業者約有20-30家。而針對氫能未來在淨零排放目標下的需求，2021年起科技部綠能科技聯合研發計畫(Green Energy Technology Joint Research and Development Program)更是推動了先進氫能材料等研究項目，針對開發製備氫氣的電解裝置(hydrogen electrolysers)以及儲氫材料(hydrogen storage material)等技術進行計畫推動。此外，經濟部能源局「業界能專計畫」(Industrial Energy Technology Program)，亦補助業界申請相關研發計畫，包括定置型燃料電池、氫能生產技術和燃料電池周邊組件及應用系統開發等。在新近研究成果上，清華大學嚴大任教授團隊(Dr. Ta-Jen, Yen, National Tsing Hua University) 突破過去水電解產氫效率太低的限制，利用電漿子奈米天線(plasmonic nanocomposites)搭配雙層二硫化鉬(molybdenum disulfide, MoS2)，以光電催化模式(light-induced hydrogen evolution reaction)把產氫的效率提升了近30倍(Sriram, 2018)；而中央大學王冠文教授(Dr. Kuan-Wen Wang, National Central University)團隊則建置高效、穩定、低成本之雙效產氫產電(hybrid photoelectrochemical and voltaic)系統，利用其太陽能轉換再生能源電力進行光電催化分解水(photoelectrochemical water splitting)產氫(Huang, 2021)。

　　面對全球淨零排放趨勢，將對我國產業發展帶來極大挑戰，加上我國亦宣示要在2050年達成淨零排放目標，除了短期推動大規模的再生能源(太陽能與風力發電)佈建，長期的能源發展規劃則需重視利用餘電產氫的循環經濟儲能模式。以全球而言，目前氫能已有高達359個大型計畫，預估2030年這些計畫和整體價值鏈的總投資將達到5,000億美元，其中又有30國已經建立具體的氫能戰略(Hydrogen Council, 2021)。在全球先進國家皆積極投入氫能與氫燃料電池之研究與經費支持下，我國應重視氫能與氫燃料電池的發展，並透過善用目前在地電池零組件供應鏈的優勢，對於氫燃料電池規劃整體性的發展策略，提升我國在氫燃料電池產業的競爭力。為加速氫燃料電池的推動，政府首要應注重氫能基礎建設，如產氫、運氫與儲氫設施之規劃與研發投資，並建立各縣市或示範區域的補助策略。在產業部分則應該提供燃料電池相關產品的經費補助，增加政府採購之機會與誘因，此外，也需要制定相關符合國際標準的產品規範以利於未來國際之行銷。另在氫燃料電池的商業化應用可參考日本、英國、德國等先進國家的規劃與做法，如日本長期投入氫能與燃料電池的發展下，提出實現氫能社會的具體應用，如：(1)在燃料電池開發並實現質子交換膜與固態氧化物燃料電池替代家用傳統能源系統；(2)開發氫燃料電池載具(如卡車)與建置加氫站，以提高行駛之距離；(3)在中長期再生能源的佈建下，氫能發電可成為彈性備用電源，以實現低碳化的能源轉型。另外，我國亦應持續與氫燃料電池技術領先國家進行國際交流，例如今年在台英氫能論壇中所提及的公路運輸如何部佈署氫氣站，從離岸風機生產綠氫等議題；以及在台德能源轉型論壇中，可借鏡德國明確訂定使用節能、綠能與氫能達成2050年淨零排放目標的推動策略，透過參考各國的推動計畫與目標，加速我國相關技術的應用。

參考文獻

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