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改變速度蹦出新材料

98/09/08 25993

張志玲｜《科學發展》特約文字編輯（文字整理）

逢甲大學材料科學與工程學系的陳士堃教授和其研究團隊，利用化學氣相沉積法（chemical vapor deposition, CVD）在不銹鋼表面上披覆一層碳膜，並在製程中加入調控熱裂解參數的動作，結果得到表面上覆蓋一層緻密連續碳膜的新材料 CFCSS （carbon film-coated stainless steel）。

這種材料的機械強度佳、成本低，又經實驗證實，它的導電性與化學惰性優於高順向石墨，是取代高順向石墨的好材料，尤其適合用來製造質子交換膜燃料電池的雙極板。相關研究成果已刊登在 2008 年的《能源》（Journal of Power Sources）上。

「以化學氣相沉積法在不銹鋼表面上披覆碳膜」的研究，早在 2000 年就有論文發表。只是當時在金屬表面形成的碳膜是由許多碳纖維結構所構成，這種碳膜無法保護底下的金屬板。

陳教授由探討碳膜在金屬板上的生長機制著手，結果發現：金屬板上的碳鍍膜結構，是由「金屬原子擴散到碳鍍層表面的速度」與「碳鍍層成長速度」之間的快慢決定。如果前者的速度比後者快，析出的金屬原子會在表面聚集而形成小金屬顆粒，然後再經催化後續沉積的熱裂解碳原子而形成管狀碳結構。但若後者的速度比前者快，金屬原子就無法到達表面，碳鍍層便會在表面形成一層緻密的連續碳膜，而得到一種兼具石墨與金屬優勢的新材料。

燃料電池是近幾年來最夯的新能源裝置，主要原理是透過氫氣與氧氣的電化學反應來產生電力。燃料電池有許多種類，質子交換膜燃料電池是其中的一種。所謂車用燃料電池指的就是它，只是至今仍無法大量使用，主要因為成本高、體積過大等問題，而其體積中的 95％就是由高順向石墨製成的雙極板。

現在的新材料 CFCSS，具有沖壓容易、可以大量生產、成本低、導電性佳、化學惰性高、能在酸性環境長期運作等諸多優勢，在未來的許多應用上將可取代高順向石墨。陳教授表示，除能源科技外，這種材料在生醫、電子、化學等產業上也有很大的發展潛力。

質子交換膜燃料電池的核心是質子交換膜，兩旁夾著一對電極（氣體擴散層的一面塗布觸媒層），最外圍緊壓著一對雙極板。雙極板是以 CNC 等加工技術車出氣體流道的石墨板，或是沖壓成形的金屬板。氫氣由左方氣體流道通過擴散層到陽極觸媒層後，被分解成氫離子（或質子）與電子。電子再經擴散層由左雙極板流出，經過外部電路時可驅動電器（電子負載）。氫離子通過質子交換膜到達陰極，與空氣中經右雙極板擴散而至的氧分子和經外部電路傳送來的電子，在陰極觸媒層共同反應生成水和廢熱氣。氫燃料的發電效率可達 60％以上。質子交換膜燃料電池大至發電廠發電機，小至 3C 產品的電源供應器，都可採用。

資料來源

《科學發展》2009年9月，441期，70 ~ 71頁

石墨(14) 質子交換薄膜(4) 燃料電池(18)

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