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改變速度 蹦出新材料

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。
 
 
 
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。
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