4.2-1 雙極板功能及特性要求 (1) 雙極板功能 分隔氧化劑與還原劑 有收集電流作用 雙極板兩側應置有使反應氣體均勻分佈的流道 4.2-1 雙極板功能及特性要求 (1) 雙極板功能 分隔氧化劑與還原劑 有收集電流作用 雙極板兩側應置有使反應氣體均勻分佈的流道 確保電池堆的溫度均勻分佈和達到散熱效果

雙極板材料選擇有列下幾項考量，美國能源部對車用雙極板考量幾點制訂出規範： (2) 雙極板規格特性要求 雙極板材料選擇有列下幾項考量，美國能源部對車用雙極板考量幾點制訂出規範： 製造成本 抗腐蝕性 材料導電性 材料氣密性 重量輕 良好的機械性質 Target Value <$10/kg包含材料和加工 <16μA/cm2 >100 S/cm或者>200S/㎝2 < 2×10-6 cm3/cm2-s ΔP=2atm >1kW/kg (對於交通工具用) 足夠強度和彈性，允許雙極板製作較薄

4.2-2 石墨雙極板 目前雙極板最普遍使用的材料為石墨，利用碳粉或石墨粉混合可石墨化樹脂備製。大致來說，有下列優缺： 缺點： 優點： 4.2-2 石墨雙極板 目前雙極板最普遍使用的材料為石墨，利用碳粉或石墨粉混合可石墨化樹脂備製。大致來說，有下列優缺： 缺點： (1)脆性物質，易造成組裝上的難度 (2)一般雙極板燒結製備而成為多孔 性，需添加添加物 優點： (1)質輕 (2)耐蝕幸好 (3)導電佳

由於石墨備製而成的石墨雙極板，屬於多孔性結構，會造成燃料從雙極板擴散而浪費，因此現行雙極板均有添加其他材料製備而成 Lawarnce等人在1980申請專利，利用約 20%聚氟乙烯混合石墨製造雙極板 Buick et al. 在1998年曾發表，利用乙烯基樹脂混合石墨製備雙極板 Besmann et al. 在2000年發表，利用化學滲透法(CVI)，將碳纖維植入石墨板表面，強化表面層的氣密度

4.2-3 替代性材料及改質技術 由於無孔石墨的製備繁複，造成石墨板的價格偏高。另外添加不導電聚合物注塑成型的石墨板，會造成電阻阻抗增加影響性能，且在燃料電池的操作環境下有可能熔解，影響電池性能。因此目前各單位都在研究不同的替代材料，可歸納如下： (1) 金屬替代性材料雙極板 (2) 複合材料雙極板 (3) 多層複合型雙極板

(1-1) 金屬雙極板 金屬材料是目前各單位研究的重點，最可能取代石墨雙極板。採用金屬雙極板有下列各項優缺點特性： 優點： (1-1) 金屬雙極板 金屬材料是目前各單位研究的重點，最可能取代石墨雙極板。採用金屬雙極板有下列各項優缺點特性： 優點： (1) 良好的電、熱導體 (2) 機械型質佳 (3) 無孔性 缺點： 單位密度高，較重 易發生腐蝕

發展中的金屬替代材料很多種，大致可歸納為不鏽鋼材料，鈦合金，鋁金屬，等種類。下面將簡單介紹其特性： (1) 融點相當高的金屬 (2) 屬於活性金屬 (3) 易成鈍化狀態，生成安定的TiO2 (4)強酸或強鹼下，被動膜會被破壞 (5)防腐蝕性和不銹鋼316相近

鋁合金 (1) 鋁在標準電動勢表中為非常活性金屬 (2) 與空氣作用，形成鈍化膜 (3) 被動膜在酸或鹼中會遭受破壞 (4) 1000系列含不同合金，可提高抗蝕性 (5) 2000系列為鋁-鋼雙相合金，抗腐蝕差 (6) 3000系列為鍛造含錳，抗蝕性好 (7) 5000系列為鋁鎂單一相合金

不鏽鋼 由於不鏽鋼表面含豐富的Cr/Ni/Mo等金屬，其表面的氧化膜在燃料電池中可以保護不受腐蝕。最好的不鏽鋼材料，其Cr/Ni/Mo的含量百分比至少為16%/20% /3%，每一種含量金屬各有其功能 (1) Cr：在表面可形成CrO2，保護不鏽鋼 (2) Mo：可增加鈍化膜Cr含量 (3) Ni：具有穩定鈍化膜作用

(1-2) 金屬雙極板與表面改質 由於每一種金屬材料，其抗蝕效果有限，因此，需要進行表面改質，目前採用改質的方式有下列幾種： (1) 電鍍 (1-2) 金屬雙極板與表面改質 由於每一種金屬材料，其抗蝕效果有限，因此，需要進行表面改質，目前採用改質的方式有下列幾種： (1) 電鍍 (2) 物理蒸鍍(PVD) (3) 電化學加工

電鍍： 利用氧化還原反應，將抗蝕性良好的貴重金屬，如金、銀電鍍在金屬基材上。(1999年Woodman et al. 提出) 物理蒸鍍(PVD)： 由於電鍍的方式，因為熱膨脹係數(CTE)不同的關係，會造成表面度呈剝落現象嚴重，PVD可改善此問題，1997年Yang Li et al. 提出此種方式改善，將TiN鍍於鋁合金表面 電化學加工： 可提升不鏽鋼表面Cr/Ni的含量，使的Cr氧化物形成更縝密，以提升抗蝕性

(2) 複合材料雙極板 以金屬做替代材料需要進行表面改質，因此，另有科學家進行高分子複合材料的研究，希望能取代現有石墨雙極板。 優點： (2) 複合材料雙極板 以金屬做替代材料需要進行表面改質，因此，另有科學家進行高分子複合材料的研究，希望能取代現有石墨雙極板。 優點： (1)用射出成形，製造快 (2)重量輕 (3)抗蝕性佳 缺點： (1)導電效果較差 (2)機械性質差，組裝需小 心

方案一 熱塑性材料(例如聚乙烯(polyethylene)聚乙烯-氟化物(PVDF))混合石墨粉或碳纖維製備 需要冷卻處理，導致處理時間較長 方案二 熱固性材料(例如phenolics, epoxies, polyesters etc.)混合石墨粉製備而成 無須冷卻，處理時間較短，但機械性質較差，所以需另外進行熱處理

(3) 多層複合型雙極板 (1)以薄金屬（0.1~0.2mm 的不銹鋼板）作分隔板 (2)採用聚碳酸脂等注塑 成型的邊匡，將其與金 屬黏合。 (3) 多層複合型雙極板 (1)以薄金屬（0.1~0.2mm 的不銹鋼板）作分隔板 (2)採用聚碳酸脂等注塑 成型的邊匡，將其與金 屬黏合。 (3)有孔薄碳板做為流場板 (4)金屬與碳流場板之間以 一層極薄的導電膠進行 黏合

方案一 (1)以薄金屬做分隔板(如不鏽鋼、鈦板) (2)以導電聚合物或複合材料做流場 方案二 (1)以金屬板做分隔板 (2)外圍以導電聚合物包覆 (3)將gasket以及墊圈一做在一起，減少組莊流 程

4.2-4 材料實驗量測 發展雙極板需要注意下列幾項基本重點，針對這幾項重點，可進行相關的實驗規劃： (1)抗腐蝕性：確保電池的壽命 4.2-4 材料實驗量測 發展雙極板需要注意下列幾項基本重點，針對這幾項重點，可進行相關的實驗規劃： (1)抗腐蝕性：確保電池的壽命 (2)導電性：用以提升電池性能 (3)機械性質：增加組裝時的穩定性 (4)氣密性：避免氣體經由雙極板擴散 造成內燃燒的或燃料浪費

針對之前所述幾個重點及相關研究工作，基本雙極板材料特性實驗歸納如下： (1)腐蝕測試：恆電位儀實驗 (2)熱衝擊實驗：確保表面改質層的穩定 (3)導電電性量測實驗：利用四點式量測量測體積 阻抗 (4)機械性質量測：抗彎強度和拉伸實驗量測 (5)氣密性量測：

腐蝕測試 金屬腐蝕是一種電化學反應，因此，電化學技巧即用來探討腐蝕現象，速度快而精確 。 本實驗利用Solartron恆電位儀控制電位獲得，一般以陰極極化測試比較易於控制。以金屬樣本為工作電極（陽極），陰極電流借由輔助電極的控制提供電流。通電時，對於每一陰極電流測得相對電位，以電位相對於電流的對數繪圖，利用塔弗外差法，量取腐蝕電流

如圖，由量測所繪製的極化曲線圖中，上半部是相對於陽極極化曲線，下半部則相對於陰極極化曲線，利用塔弗法求得Icorr 上陽極曲線 鐵的分子量 下陰極曲線 (g/cm2)/s 腐蝕電流Icorr 法拉第常數 價電子轉移數

熱衝擊循環實驗 燃料電池典型操作溫度低於100oC。然而，車輛在不同條件下，操作溫度介於75oC到125oC。 使用鍍層披覆的方式進行改質時，由於表面層和基材的熱膨脹係數不同，會導致披覆層剝落 實驗的操作規範是根據美國陸軍電子零件失效測試標準

導電電性測試 體積電導率量測： 以四點式進行導電率量測：將試驗片兩端塗上銀膠當作電極，以Power supply通以電流，在其中選取兩點量測電壓，再以歐姆定律推算電阻。最後由試驗片尺寸之量測，導電率ρ=L/(AR)(L：長度，A：截面積、R：電阻）