產生電力的同時也能儲存電能，真的有這種如永動機一般的電池組合嗎？「固態氧化物電解電池」（solid oxide electrolysis cell, SOEC）與「固態氧化物燃料電池」（solid oxide fuel cell, SOFC），就是當代材料與機械工程專家的一大妙招！
研究這種電池組合，終歸是希望能在 2050 年前達到「碳排放淨零」的目標。這種具循環特性且效能絕佳的技術固然好，然而綠電產業實際上正陷入成本高昂、難以大規模投入生產的窘境。
持續降低二氧化碳人為淨排放量，早已成為國際間共識，具體是在 2030 年前降至 2010 年的 45％，直到 2050 年完全淨零——讓大氣中的溫室氣體（二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氫氟碳化物等）達成「進出平衡」——以緩解全球暖化的態勢。
為此，國家發展委員會於 2022 年 3 月公布「臺灣 2050 淨零排放路徑及策略總說明」，並規劃出五大淨零科技領域，同時也是 2023~2026 年「淨零科技方案第一期」的主要目標，包含：1. 投入永續及前瞻能源研究，將再生能源極大化；2. 降低產業與運輸相關的碳排放、減少工業石化能源使用，並發展電動車等去碳載具；3. 加強碳補存技術；4. 開發資源循環應用技術，提升能源再使用率；5. 投入「社會、產業、生活、能源」四大轉型調適，並加入社會經濟研究，以強化決策和社會溝通的基礎，鼓勵民間參與淨零轉型。
思考電與能的循環，走上減碳道路
當前願景如此，但僅憑單一再生能源還是不夠。中山大學機械與機電工程學系教授郭振坤指出，「使用多種再生能源平分壓力，進而實現平衡電網、減少各種能源因環境變化產生的波動，那才是上策。」即便我們已有太陽能和風電，但這些仍「受季節與局部天候、設置地點等條件影響，而發電出力時頻繁的瞬間變動，也容易造成電網調控因應不及。」中央大學材料科學與工程研究所教授李勝偉接著解釋：在供電穩定、經濟效益與潔淨能源的權衡下，過去幾年全球已陸續發生『棄風』、『棄光』的現象，使得有效儲存或調節間歇性過剩綠電的儲能技術更受重視。
氫能與燃料電池在目前可以擔下這個重責大任。郭振坤教授這樣表示。既然如此，就需思考「電轉Ｘ」（Power-to-X, P2X）這個延伸概念。「這是一種將電能轉換成氫氣、氨氣或其他液態化學品來儲存電力的方式，主要以水或二氧化碳為原料做電解。」李勝偉教授進一步解析，傳統蓄電技術的裝置容量有其上限，反觀此類電解器裝置本身「無儲能上的容量限制，能提供穩定、大規模、長時間的電力儲存。」以上種種，足見綠電應用能否細水長流、保有經濟優勢，是各項氫能技術持續發展的重要前提。
在效能與價格之間取得平衡，是綠電科技能否實踐的關鍵因素。
固態氧化物電池 SOEC 與 SOFC
在眾多產氫技術中， SOEC可謂階段性達成淨零目標的一大福音，它能利用電能，將水或二氧化碳轉化成氫氣或其他可再生化學品。名稱有些類似的SOFC，原理則與前者相反，是透過燃料氣體產生電能。SOEC 和 SOFC 這對「兄弟檔」，多在 700~1000℃ 的溫度範圍下操作，且具有安全、高效能、穩定輸出、低碳足跡等特性。李勝偉對其優異性能抱持信心。
當然，SOEC 和 SOFC 也並非沒有「對手」，好比質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）。這類電池也以氫氣作為燃料，並透過高分子質子交換膜作為傳導媒介，整個過程除了發電外，就只會產生水和熱，是目前技術相對成熟、接近商業化理想的燃料電池之一。由於其操作條件處於低溫（約 50～100℃）與常壓，加上對人體和環境都沒有危害，因此相當適合用於日常生活。可惜的是，由於目前氫氣仍有儲存與攜帶不便等缺點，使得 PEMFC 無法不斷提供燃料，僅能運用在汽車、定置型或較大的移動裝置上。
回到 SOEC 與 SOFC，雖說它們的操作溫度條件比 PEMFC 高出很多，但還是能把這個劣勢變成一種機會。「高溫讓它們的效能，相比其他低溫燃料電池來的高，可以有效地將化學能轉換為電能。」郭振坤教授認為，這反倒是 SOEC 和 SOFC 能在未來發電與儲能扮演重大角色的原因之一。
破除高溫帶來的成本與操作限制
話是這麼說，但極高的溫度仍考驗生產與運作成本。為了找到維持出色性能的更低溫選項，就需對溫度狀況有所掌握。「確定熱效應及溫度分布，確保系統運行在適當的範圍內，可以進行更好的熱管理。」郭振坤教授以他對 SOFC 系統的分析經驗告訴我們，預測不同溫度下的系統故障，便能提前採取預防措施、減少停機時間、增強系統的可靠性。「產業界如台達電，也正積極布局這方面的技術開發與應用。」
在這方面，李勝偉教授與其團隊從傳導媒介著手。該團隊聚焦開發「質子傳導型」（proton conducting）SOFC／SOEC電池單元多年，專注研究高質子傳導性電解質與高活性電極，也針對電極進行創新的微結構設計，盼能讓電池單元效能更上一層樓。此類電池單元傳統上以氧離子作為電解質的傳導載子，在利用質子作為傳導載子後，確實可將操作溫度降到 600℃ 左右。
除了電池本身的運作，電池製程經常涉及「燒結」過程，燒結溫度的控制亦是對製程熱預算與電池性能的考驗。近年，李勝偉教授所在實驗團隊成功開發助多種燒結劑（sintering aid）技術，大幅降低 SOFC 電池製程所需燒結溫度，可望降低電池製作所需的能耗成本並同時優化電池性能。
SOEC與SOFC讓儲能與供電合一成為可能。
儲能、供電一機搞定，連帶解決廢熱和餘電困境
落在正、逆反應的兩端，SOEC 與 SOFC 還握有其他燃料電池所沒有的籌碼——發展「儲能與釋能兼具的技術」的可能性。元智大學機械系教授鐘國濱與其團隊，在國科會首屆「能源國家型科技計畫」內，跨越機械熱流、化工材料、電機智控等學門領域藩籬，將 SOEC「僅能製氫儲電」和 SOFC「僅能放電釋能」的特性整合在一起，打造出「可逆固態氧化物燃料電池」（reversible solid oxide fuel cell, RSOFC)。
這個系統分為「電力儲存組」與「放電組」。過剩電力與廢熱搭配 SOEC 電解出氫氣做儲存，這些被保留下來的能源將能透過 SOFC 轉換成電力，以因應尖峰需求。鐘國濱教授透露他對此一前瞻技術的期許，「希望能突破如低溫鋰電池、低溫質子交換膜（PEM）技術等『以儲電為儲能主軸』的傳統思維，在儲電同時也存取太陽熱能和核電廠廢熱。」除此之外，RSOFC 除了解決餘電與廢熱等大型儲能問題，製造上也不含貴金屬，可謂成本低、效率高的選項。他認為，這將會是邁向氫經濟未來的終極捷徑。
建立模型廣泛研究，加速打造高效電池
如欲將 SOEC 和 SOFC 的產氫效能極致發揮，深入了解電池其他性能就相當重要。對此郭振坤教授有一套，而且不用每做一次研究就造一顆電池，而是透過模型來探索各類氫能與燃料電池的關鍵數值。這些模型除了能用來評估燃料電池性能，還可以深入研究電池效率、可持續性等議題，最終達到系統優化、提高發電效率、降低成本等目標。
郭振坤教授向我們勾勒出模擬電池研究的藍圖。團隊將專注在使用實際的系統參數去建構 SOEC 模型，再加入其餘組件組成系統，進行模擬。待模型組建完畢，他們將針對壓力、氣體組成等不同條件對電池的影響進行研究，並從多元參數分布中做隨機抽樣，企圖找出這些參數間與結果的相互關係。最終加入 AI 算出最佳化參數值，再代回實體模型中修改比對、找到最佳操作條件，就能提高系統效率和穩定性。
除了 SOEC 和 SOFC，團隊也正努力培養對各項燃料電池進行實驗的能力，並積極推動與廠商合作開發，期能在研究中保有實用性與實際性。
綠電在技術上的革新與突破，是減緩溫室氣體排放、達成淨零的重點環節。固態氧化物電池的製氫效能有目共睹，盼未來能克服成本難題，讓氫能一步步從實驗室走向生活應用。
資料來源：科技魅影
