氫能技術應用｜氫循環、儲氫與燃料電池中的熱分析
氫氣被視為綠能與未來移動載具的重要能量載體，從再生能源製氫、壓縮或化學儲氫， 到燃料電池與合成燃料發電，整個氫能循環牽涉大量的材料研發與安全評估。 透過熱分析與熱物性量測，可在受控溫度與氣氛條件下，精確掌握材料的相變化、分解行為與熱傳特性， 作為氫能系統設計與壽命評估的關鍵依據。
氫能技術為何需要熱分析與熱物性量測？
氫能系統橫跨再生能源發電、電解槽、儲氫材料、燃料電池與高溫熱儲存等多個子領域， 各階段都涉及高溫操作、壓力變化與氫氣高反應性的風險。 適當的熱分析與熱物性量測能協助工程師在研發階段就預先掌握材料行為，降低後續放大與實際運轉的風險。
- 再生能源與結構材料：量測風機葉片複合材料與支撐結構的熱膨脹與固化行為，確保長期運轉可靠度。
- 電解槽與催化材料：評估電極與載體在高溫、高電流密度下的熱穩定性與導熱行為。
- 儲氫材料與表面吸附：透過高壓 TGA / STA 與吸附量測，定量氫氣吸附容量、放氫速率與放熱行為。
- 燃料電池與堆疊封裝：量測密封材料、焊料與雙極板的熱膨脹與熱傳，避免熱疲勞與洩漏風險。
- 氫氣安全與系統熱管理：以熱導率、比熱與分解溫度資料支援系統安全設計與氣體處理單元規劃。
應用案例一：再生能源設備中輕量複合材料的熱膨脹與固化行為（DIL / DEA）
氫能經濟的起點來自再生能源，例如風力與太陽能發電。 風機葉片與大型複合結構多採用輕量聚合物複合材料或鋁合金， 若熱膨脹或固化條件控制不當，長期運轉下容易產生翹曲、微裂縫或疲勞失效。 透過熱膨脹儀（Dilatometer）與介電固化監測（DEA），可精準掌握材料在熱循環中的尺寸與交聯行為。
量測與解析重點：
- 線膨脹係數（CTE）：比較不同複合材料在室溫至 200 °C 以上的膨脹行為，確認與金屬接合件的匹配性。
- 固化過程監測：利用 DEA 量測離子黏度與其斜率，取得開始反應、最大反應速率與固化完成時間點。
- 原料品質與批次穩定性：透過熱膨脹與固化曲線比對不同批次樹脂或增強纖維的差異。
這類資料可用於風電葉片、氫製造設備支撐結構以及其他輕量化部件的設計準則， 降低長期載荷與溫度循環造成的結構風險。
應用案例二：電解槽催化電極與導熱材料的熱膨脹與熱導率（DIL / LFA）
高效率水電解與合成燃料製程仰賴穩定的電極與催化材料。 白金及其合金常被用作電極與催化層，石墨與碳材料則用作電流收集與導熱結構。 這些材料在 1000 °C 以內的熱膨脹與熱導率變化，會直接影響電解槽堆疊的密封可靠度與熱管理設計。
量測與解析重點：
- 貴金屬與合金熱膨脹：比較白金與白金–銠合金的膨脹曲線，評估在高溫運轉下的尺寸偏移與熱應力。
- 石墨熱傳特性：利用雷射閃射法（LFA）量測熱擴散率與比熱，計算隨溫度變化的熱導率。
- 熱管理設計：以熱導率與比熱資料作為模擬邊界條件，優化電解槽或反應器的溫度均勻性。
藉由這些熱分析與熱物性量測，可在材料選型階段就兼顧導電性、催化活性與熱穩定性， 降低高溫運轉下結構失效或效能衰退的風險。
應用案例三：金屬氫化物儲氫與燃料電池供氫行為（STA HP / GSA / DIL）
由於氫氣分子小、擴散快，僅以高壓氣體儲存會面臨設備成本與安全上的挑戰。 金屬氫化物與多孔材料（如金屬有機骨架、催化載體）可透過表面吸附或化學鍵結方式儲氫， 再藉由升溫或降壓釋放氫氣，適合搭配燃料電池或化學製程使用。 透過高壓 STA 與重力式吸附系統，可同時取得質量變化與放熱行為。
量測與解析重點：
- 金屬氫化物分解行為：以 STA 量測氫化鈦等材料自室溫至 800 °C 的質量損失與放熱／吸熱峰，對應放氫溫度區間與熱效應。
- 高壓吸附與放熱：利用高壓 TG-DSC 或重力式吸附儀，在數十 bar 下量測 Pt/Al 等催化載體的氫吸附量與吸附焓。
- 供氫動態與安全評估：從質量與熱流曲線推估吸放氫速率，作為燃料電池啟停策略與安全控制（避免局部過熱）的依據。
搭配線膨脹與熱導率資料，這些量測結果可用於完整評估儲氫罐、供氫模組與燃料電池堆疊的整體熱行為與長期可靠度。
氫能技術常用熱分析與熱物性量測技術一覽
- 差示掃描量熱（DSC / STA）：量測相變化、分解行為與比熱，用於評估催化材料、儲氫材料與封裝材料的熱穩定性。
- 熱重分析與高壓 STA（TGA / STA HP）：在高壓氫氣或水蒸氣條件下量測質量變化，模擬氣化、合成燃料與儲氫循環。
- 熱膨脹量測（DIL / TMA）：取得金屬、陶瓷與複合材料的線膨脹係數，避免在高溫氫氣環境中產生過大熱應力。
- 熱導率與熱擴散率量測（LFA 等）：建立電極、雙極板與結構件的熱傳模型，支援電解槽與燃料電池熱管理設計。
- 吸附與脫附熱量測（GSA / TG-DSC）：同時量測氫氣吸附容量與吸放熱行為，優化儲氫材料與催化系統的循環效率。
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郭文龍｜FST International｜Email: Allen.kuo@fstintl.com.tw