中山大學新型質子膜突破瓶頸　助攻氫能淨零碳排

波新聞─李至文／高雄
邁向2050淨零排放，氫能與燃料電池成為關鍵解方，但核心材料長期受限於高成本與效能瓶頸。國立中山大學光電工程學系教授黃文堯、張美濙團隊研發新型質子交換膜，打造「只讓質子通行的高速公路」，使質子跑得更快。其質子導電率較業界標準杜邦Nafion 211提升逾一倍，兼具高效、低成本與無毒製程，可應用於氫能車、半導體餘氫回收與大型儲能，為氫能產業與淨零轉型鋪路。
質子交換膜是燃料電池中的核心元件，功能就像「高速公路」，負責讓質子快速通過，同時阻隔電子與其他氣體，決定了整個系統的發電效率與穩定度。目前質子交換膜燃料電池（PEMFCs）業界普遍使用杜邦Nafion 211薄膜，但其在高溫環境下導電率下降、材料尺寸不穩定、合成製程複雜，加上成本高昂與降解過程可能產生有毒物質，使得應用發展受限。
黃文堯指出，若要讓燃料電池真正走入交通、產業與日常生活，關鍵就在於打造一條「跑得更快、更穩定，且不汙染環境」的質子高速公路。團隊經多次材料設計與實驗，成功研發出兩款新型質子交換膜SYS7–H與SYS7-L，並透過實際測試驗證其性能。
研究結果顯示，SYS7–H與SYS7-L的質子導電率分別較Nafion 211提升102%與88%，代表質子移動速度大幅加快，電池的能量轉換效率與輸出功率同步提升，且具備優異的瞬間負載能力。此外，兩款新型交換膜在熱穩定性、機械韌性、尺寸穩定性與水分吸收行為等關鍵指標上，皆優於傳統材料。更重要的是，其生產成本較低，且製程中不會產生任何有毒物質。
質子交換膜的應用潛力也不僅止於燃料電池。黃文堯說明，幾乎所有化學電池模組中都需要隔離膜，只要具備良好的傳導特性與穩定度，就能廣泛應用於各類電池與能源系統，為氫能、儲能與電池技術帶來全面升級。例如在氫能交通方面，新型質子交換膜可望推動氫能電動車、氫能電動巴士等發展。隨著政府積極布局氫能政策，去年底高雄楠梓與台南樹谷已設立加氫站，顯示台灣正逐步朝氫能運輸邁進，材料技術的突破將成為關鍵推力。
在半導體產業中，氫氣純化同樣是迫切課題。黃文堯指出，半導體製程使用的EUV極紫外光曝光機需消耗大量氫氣，製程結束後的廢氣多半直接排放，造成碳排放問題。透過質子交換膜技術，可有效回收廢氣中的餘氫並加以純化，重新用於燃料或電池系統，達到發電、發熱與減碳的多重效益。
在儲能應用上，新型質子交換膜亦可用於釩液流電池。相較鋰電池，釩液流電池如同大型儲水槽，能長時間儲存大量電力。黃文堯表示，北歐已廣泛將釩液流電池與太陽能系統搭配，儲存白天多餘電力並在用電高峰時釋放；未來台灣也可結合風能與再生能源，發展穩定的大型儲能系統。
這兩款新型質子交換膜已引起業界高度關注，團隊已與欣緣科技股份有限公司展開產學合作，並布局部分專利，同時與威杰能源及創福新材料公司等氫能燃料電池產業鏈夥伴進行協作，目標於明年推動大規模商業化量產。這項來自中山大學的材料創新，正為氫能應用與淨零未來鋪設更順暢的「能源高速公路」。