為了減緩地球暖化與因應全球淨零排放趨勢，世界各國紛紛宣示2050淨零轉型的目標，並依各自不同的自然與社會條件訂定其淨零路徑與策略。除了發展再生能源、低碳電力以及提升能源使用效率外，使用無碳排的氫能源也是永續減碳與淨零排放的重要關鍵之一。目前全球80%以上的氫氣來自化石燃料產氫，而使用天然氣(組成分＞90%為甲烷)產氫相比於煤或石油等其他燃料產氫能避免衍生重金屬及氮氧化物等污染物，因此也獲得較多的關注。

其中，天然氣熱裂解產氫是指在無氧環境下進行天然氣熱裂解(Pyrolysis)而產生氫氣與固態碳，因此不會生成二氧化碳。目前天然氣熱裂解產氫技術，可依熱源、反應器型式、觸媒等的不同，概分為電爐熱裂解(無觸媒)、電漿重組、觸媒熱裂解、以及電爐熱裂解(有觸媒)等四種主要方法，茲分述如下。

一、電爐熱裂解(無觸媒)法：以外部感應加熱填充碳粒的移動床(Moving bed)反應器至1200~1400oC，藉碳床由上而下移動並與甲烷進料逆流接觸以進行熱裂解反應，所生成的新碳會沈積於碳粒表面而使碳粒增大，可將部分產出碳粒迴流至反應器，其他碳粒則出流為副產品。

二、電漿重組法：分成非熱電漿法及熱電漿法，非熱電漿法由於轉化率低而較少使用。相較而言，熱電漿法是通電於石墨電極以產生高溫的電弧，並在缺氧的情況下使甲烷熱裂解，其甲烷轉化率可達到80%。由於所需的反應溫度極高，高能耗是主要缺點。因此，有研究嘗試引入氣相觸媒至電漿反應器以降低反應溫度；也有以微波結合電漿來促使反應物熱裂解，可大幅降低操作溫度。然而，研究結果顯示溫度要大於1000oC才能得到較佳的轉化率，但是隨著溫度的提高也將增加能耗與熱損失。另外，如何將製程放大到工業應用規模也是很大的挑戰。

三、觸媒熱裂解法：採用鎳、鐵等過渡金屬或碳觸媒，並使用流體化床(Fluidized bed)或移動床(Moving bed)反應裝置，可降低操作溫度(金屬鎳可於500~700oC下操作；鐵可於650~900oC操作)以及提升甲烷的轉化率。所使用金屬觸媒的比表面積、分散度、碳容量以及可再生性都會影響觸媒與系統的操作效能。由於甲烷熱裂解所產生的碳會沈積在觸媒表面並覆蓋其活化位，也就是碳的生成速率高於其在金屬粒子中的擴散速率時會致使碳在金屬活化位上的累積現象，因此觸媒須不斷再生是其主要缺點。因此，選擇合適的觸媒載體或摻雜物來提高觸媒的穩定性與壽命是研發的重點。此外，無論使用金屬或碳觸媒都會有劣化的問題，雖然可以熱空氣或蒸汽再生觸媒，但額外的能源投入與可能生成的一氧化碳或二氧化碳副產物也是需要特別注意。

四、電爐熱裂解(有觸媒)法：以電爐加熱氣泡塔(Bubble column)反應器中所填充的金屬/鹽類，使其熔融形成合金(例如：鎳鉍合金)並作為熱介質，繼之將甲烷引入反應器以進行熱裂解反應。由於氫氣、固態碳之密度與熔融合金相差甚大，因此除了氫氣可由反應器上部管路收儲外，裂解所生成的碳粒也會懸浮於熔融合金觸媒表面，可有效減少碳的沈積與觸媒的失活。然而，產出的固態碳仍是會沾附金屬觸媒且不易去除，因此降低了固態碳的純度並造成觸媒金屬的減損，也是必須克服的問題。

綜合上述，天然氣熱裂解產氫技術要大規模商業化所必須解決的核心問題，包括避免觸媒失活、防制反應器的積碳阻塞、提升甲烷加熱效率與轉化率、提高氫氣產率、降低能耗與產氫成本等。值得提醒的是，無論採取上述何種方法熱裂解甲烷，每生產一公斤氫氣就會伴隨約三公斤固態碳的生成，如何去化副產物碳，更是各式天然氣熱裂解產氫技術所須共同面對的課題。

林仁斌 (台灣環境保護聯盟學術委員)

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