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

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1 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
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

2 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

3 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：
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

4 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

5 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

6 (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

7 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

8 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

9 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

10 (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

11 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

12 (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

13 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

14 (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

15 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

16 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
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

17 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：

18 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

19 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

20 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

21 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）