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薄膜科技的應用：薄膜–未來能源之鑰

97/09/10 27176

劉英麟｜中原大學化學工程學系／中原大學薄膜技術研究發展中心

賴君義｜中原大學化學工程學系／中原大學薄膜技術研究發展中心

能源、水資源、環保、醫藥等都是未來人類永續生活所須面對的重大議題，而薄膜科技在這些領域的發展將扮演舉足輕重的角色，例如二氧化碳的減量和處理、民生和飲用水的淨化回收、生物材料和新劑型醫藥的開發等，薄膜科技可以說是人類未來生活之鑰。本文著重薄膜科技在新能源開發上的應用，簡介這一把可打開未來能源寶藏的鑰匙。

質子交換薄膜

近年來全世界化石能源的供給並沒有明顯的增加，能源需求卻因為新興國家的經濟起飛而不減反增，原油價格節節升高，取代化石能源的替代能源於焉沸騰。有趣的是，近半年來臺灣股票市場也反應了這一個趨勢，太陽能相關產業的公司股價都因未來有夢而漲勢兇猛。

就人類的歷史來看，太陽能雖然取之不竭，但就目前化石能源使用的範圍來說，我們的確需要一種新的能源裝置，類似於燃燒化石燃料，能隨時隨地產生能源供應動力或電力。也就是說，我們需要一種非化石能源為燃料的能源產生裝置，由之衍生並發展中的裝置就稱為「燃料電池」。

燃料電池的種類很多，其中以「質子交換薄膜燃料電池」（proton-exchange-membrane fuel cell, PEMFC）的發展最受重視。PEMFC 的燃料可以是氫氣、甲醇、乙醇等，發電量範圍寬廣，可以做為小型發電站、交通工具發動機，甚至電子產品的電源。

PEMFC 的燃料，例如氫氣，是由陽極進入，經由觸媒催化產生質子與電子，電子循外部電路到達陰極產生電流，質子則透過質子交換薄膜到達陰極，質子、電子與氧在陰極產生反應。整個電池反應於是可視為氫的氧化反應，而水是唯一的反應產物。

薄膜科技在氫氣與乙醇生產純化過程中扮演著重要且關鍵的角色，而具有質子傳導能力的質子交換薄膜，更是質子交換薄膜燃料電池的心臟。

做為質子交換薄膜的材料，當然必須可以讓質子通過，一般來說，凡帶有可以解離質子的化學團基，例如磺酸基、磷酸基、羧酸基等，都可以達到質子交換的目的。另一方面，帶有胺基的高分子經過四級胺鹽化之後，所形成的四級胺鹽也具有質子交換的功能。考量質子導通的性能和效率，帶有磺酸基的高分子電解質是最理想的質子交換薄膜材料。

目前最廣泛使用做為質子交換薄膜的材料，是美國杜邦公司的 Nafion^®，它是一種具有側鏈的氟碳聚合物，在側鏈上具有磺酸團基做為質子傳導之用。磺酸團基的數目與質子導通率有正相關，但過多磺酸團基會讓高分子變得非常親水而不穩定。

另一方面，Nafion^® 的碳氟主鏈形成疏水的部分，在形成薄膜時會與親水的含磺酸基的側鏈形成微相分離的現象。也就是說，疏水的氟碳主鏈不喜歡和親水的磺酸側鏈在一起，於是在薄膜裡面，疏水的氟碳主鏈自己就形成一個區域，親水的磺酸側基則形成另一個區域，這就是相分離。這種相分離尺度通常不大，肉眼不可見，但自成區域的含磺酸基側鏈就在薄膜裡面形成一個質子的通道，有利於質子由陽極透過薄膜到達陰極。也因如此，Nafion^® 質子交換薄膜具有相當不錯的質子傳導特性。

使用氫氣做為燃料的 PEMFC 較不適合應用於電子產品，而較合適的裝置是使用甲醇為燃料的「直接甲醇燃料電池」（direct methanol fuel cell, DMFC）。它是以甲醇取代氫氣為燃料，在陽極發生化學反應產生的質子和電子，分別透過質子交換薄膜和外部電路到達陰極。這時，質子交換薄膜直接與甲醇接觸，因此它對甲醇的耐受性、穩定性及阻絕甲醇透過的特性，就變得很重要。

一般來說，做為燃料的甲醇濃度通常都不高，約在 5 M 以下，常用的更只有 2 ~ 3 M 左右。但由於質子交換薄膜必須長期和甲醇水溶液接觸，這對高親水性的質子交換薄膜來說，是相當嚴苛的考驗。也因此，Nafion^® 做為 MFC 的質子交換薄膜時，便遇到難以阻擋甲醇通過的問題，開發新的 DMFC 用的質子交換薄膜，就顯得急迫且必須。

研究顯示，以磺酸化而不含氟的高性能芳香族高分子做為質子交換薄膜的材料，或形成奈米複合材料，或引入三維的立體交聯結構在具有磺酸根的巨電解質材料中，都可以達到提高質子交換薄膜性能的目標。

當一種材料真正使用於商品時，它的性能、效能、價格、耐久性之間的平衡，就變成另一個值得研究的議題。這也是為什麼產品從雛型開發到進入市場，通常需要好幾年時間的原因。但透過薄膜科技學者的努力，各種使用 DMFC 做為電源的 3C 產品雛型，已經在各種展覽會中亮相了。相信不久之後，使用者就不用再苦於手機沒電無法暢所欲言，或避免筆記型電腦電池續航力不足而無法長時間在戶外使用的困擾。

滲透膜

水力發電是利用水的位能轉換成動能以推動發電機而發電，在由高處往低處流的溪流裡建水壩累積水的高度，自然會獲得具比較高位能的水。日月潭抽蓄發電廠就是利用離峰時間的便宜電力把水抽至高處，再於顛峰時間放水發電。地球上海水取之不盡，如果能用以發電，會是一理想的資源。

利用海水發電，技術之一是利用潮汐起落的能量差來發電，另一則是利用薄膜技術的「鹽分梯度發電」。當淡水（河水）和鹽水（海水）被薄膜隔開時，因為滲透壓的關係，如果所用的薄膜具有半透性，就只能透過水分子但阻絕鹽分子，則濃度差異會迫使淡水通過薄膜到達鹽水側，鹽水側端的水位就會高過淡水側端，產生的水位差異就可提供足夠的位能用以發電。

這裡所使用的薄膜稱為「半透膜」，廣泛使用在海水淡化程序中，但海水淡化是讓水從鹽水端逆向滲透過薄膜到達淡水端，是屬於逆滲透薄膜，鹽分梯度發電使用的半透過膜則是正滲透薄膜。德國薄膜研發重鎮 GKSS 曾展示過具有商業應用潛力的「正滲透薄膜」，日本的研究人員也證實鹽分梯度發電系統確實可以得到能源的淨輸出，也就是說，發電輸出的能源超過發電本身所消耗的，這些成果都證實鹽分梯度發電是可行的。

事實上，在「歐盟執委會第六期科研架構計畫永續能源系統計畫」中，梯度發電計畫就是一項重要的子計畫。計畫並以開發適用於「鹽分梯度發電設備」的「膜」為計畫執行目標，可見薄膜技術在新能源開發上有其重要性。

要達到薄膜對水及鹽類有選擇性的穿透效果，最重要的就是薄膜的孔洞大小必須在次奈米等級，也就是必須小於鹽類的離子，而大於水分子。另一方面，逆滲透薄膜已是純熟的技術，正滲透薄膜雖然是類似的原理，但因為操作的條件及應用都不一樣，因此薄膜的性質必須有所調整，其困難度和開發新穎的薄膜基本上是相同的。

電透析薄膜

逆滲透薄膜本來是應用於水的純化，但其逆轉程序也可應用於鹽分梯度發電，與這類似的例子便是電透析薄膜。電透析薄膜可以選擇性地讓陰離子或陽離子通過薄膜，而阻擋另一形式的離子，例如陽離子薄膜只讓陽離子通過，而阻絕陰離子。當鹽溶液被置於由陰離子薄膜與陽離子薄膜所形成的槽體時，鹽解離成陰離子與陽離子，陽離子透過陽離子薄膜到達槽體一端，陰離子則反向透過陰離子薄膜到達槽體另一側，如此便可把水溶液中的鹽分去除。

如果逆轉電透析的程序，把陰離子薄膜與陽離子薄膜交錯配置於槽體中，其間也交錯地導入淡水與鹽水（海水）於陰、陽離子薄膜之間，由於擴散作用，鹽水中的鹽分會透過薄膜進入淡水中。然而解離的鹽類產生的陽離子只能通過陽離子薄膜，而由陽離子薄膜這一方進入淡水，陰離子則由另一側透過陰離子薄膜進入淡水，如此一來，在兩個電極之間就會因電荷分離而產生電壓，這就是化學電池的一種類型。

一種新科技的形成和其衍生出來的產品，往往會大幅改變人類生活的形貌，也會帶來無限的方便性，未來科技的發展可以說正朝向「促進人類美好生活」的方向前進。驅動人類社會進步的重要因子之一就是「能源」的發現和利用，而薄膜科技正是啟動「新能源」的鑰匙。全世界的薄膜產業刻在發展成形，也在新能源的競逐中扮演著舉足輕重的角色，我國這一方面的研究發展也正蓬勃發展中。

附錄

薄膜可以從海洋潮汐和鹽分梯度取得能源：當淡水（河水）和鹽水（海水）被薄膜隔開時，因為滲透壓的關係，如果所用的薄膜具有半透性，就只能透過水分子但阻絕鹽分子，則濃度差異會迫使淡水通過薄膜到達鹽水側，鹽水側端的水位就會高過淡水側端，產生的水位差異就可提供足夠的位能用以發電。
陰、陽離子透析薄膜可以選擇性地讓陰離子或陽離子通過薄膜，而阻擋另一形式的離子，例如陽離子薄膜只讓陽離子通過，而阻絕陰離子。當鹽溶液被置於由陰離子薄膜與陽離子薄膜所形成的槽體時，鹽解離成陰離子與陽離子，陽離子透過陽離子薄膜到達槽體一端，陰離子則反向透過陰離子薄膜到達槽體另一側，如此便可把水溶液中的鹽分去除。

資料來源

《科學發展》2008年9月，429期，38 ~ 43頁

甲醇(11) 海水淡化(14) 逆滲透(12) 電透析(2) 科發月刊(5221)

薄膜科技的應用：薄膜–未來能源之鑰

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