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創新平台/工研院濾氫薄膜 十年磨一劍

2019-12-19 01:37經濟日報 李珣瑛
半導體

「這批很純,給我來一批」!在網路世代用語中常可以看到網民使用這句玩笑話,但是在半導體及電子產業中講到純這件事,可是十分嚴肅,因其製程中需使用濃度達到99.99999%以上的高純度氫氣作為保護,這麼純的氫氣可一點也不便宜。根據統計,全台灣的半導體及電子產業製程中,每年會使用超過1億立方米以上的高純度氫氣,成本高達數10億元。

這些使用後的「製程餘氫」因含有各種雜質,考量目前純化處理成本太高,因此多以焚燒處理而沒有回收,非常可惜。若這些氫氣能被回收再利用,不管是回到製程使用,或是提供燃料電池發電,都能為產業和國家帶來不小的經濟與環保效益。工研院研發的高選擇率與滲透率之濾氫薄膜嘗試克服此一難題,傑出的成果也入圍2019全球百大科技研發獎。

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此純化技術的關鍵,是工研院自行研發的多孔陶瓷與金屬複合結構。談到此一濾氫薄膜的研發歷程和機緣,與濾氫技術奮鬥15年的工研院綠能所資深研究員紀岩勳坦言:「其實這也是一個偶然的發現。」

紀岩勳回憶,兩年前接到產業界回收製程餘氫的需求,由於傳統的濾氫薄膜都以鈀金屬或鈀合金製成,價格相當昂貴,也容易被雜氣干擾純化效率,因此希望能找到兼顧經濟性與效能的方案。對此,紀岩勳首先思考的是,要怎麼做才能夠降低雜氣的影響?若能克服此一問題,過濾的效能提高,處理成本自然也會下降。

在經濟部能源局的支持下,團隊一開始的任務只是要尋找一種可以保護鈀金屬的材質,並非研發新的薄膜材料。工研院綠能所經理林育立談到,剛巧團隊之前就積極研究一種多孔基材的表面修飾材料,這種材料是具有奈米孔洞的陶瓷材質。既然微小的多孔結構本身就可以用來過濾,能不能就用這個多孔陶瓷當先鋒部隊來抵擋雜質,同時讓最小的氫氣分子趁隙通過?一開始只是一個從理論想出的點子,團隊測試後,實驗結果卻大為驚人。

一般而言,在濾膜外加一層過濾材質,產物純度提升是合理的,但也必然因為阻礙而使過濾量下降。令人意外的是,團隊發現,鈀金屬外加一層多孔陶瓷層,純化後的氫氣濃度可從99.5%提升至99.99%以上,更重要的是氫氣透過量幾乎毫無影響。

這項實驗一完成,等同於宣告發現了一個神奇的陶瓷材質可以輔助過濾氫氣,而且陶瓷每公克僅10元,但是鈀金屬每公克高達1,200元,成本僅為原先的120分之1。不過,這個神奇的材質也遭到外界的質疑:如果真的這樣神奇,何不以陶瓷材質取代全部的鈀金屬材質?

團隊確實也嘗試以全陶瓷當作濾氫薄膜,不過純化出來的氫氣純度,卻沒有先前以陶瓷加上金屬來的好。針對這個奇特的現象,團隊最後終於找到一個關鍵密碼,原來是陶瓷層的孔隙大小和結構之間暗藏玄機!

經過數十次實驗讓團隊證明,這項技術巧妙地結合多孔陶瓷層的雜質「粗篩」與鈀金屬層的氫氣「精濾」雙重效果,解開了此複合濾氫薄膜強效的謎團。

對研發團隊來說,雖然前後已在此技術上投入超過十年光景,終於因為兩年前的重大發現而有神速突破,但這一切只是創新研發的開端。

未來工研院的團隊將展開試量產規劃並逐步邁向產業化,持續為台灣產業創造更高的經濟效益而奮鬥。

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