第二章 理論原理介紹
2.2 PEMFC 雙極板
2.2.1 雙極板特性
(1) 機械性質: PEMFC 在組裝過程中，為了降低各元件間的接觸組抗，
必須施加應力於各部位使之接觸能更緊實。雙極板為了抵抗這些 應力所造成的變形使精密度失真，必須具有一定的拉伸、抗彎強 度。
(2) 導電性與導熱性 : 雙極板須具有集流作用，因此雙極板材料必
須是電的良導體，如此才會獲得高電流密度。燃料電池電能轉換 效率約為40～50％左右，換言之，其中有一半左右之能量會以熱 能表現，若電池在長時間、高電流密度運轉下，必定會產生大量 熱量，這些熱量如無法適時排出，也會使電池局部過熱，因此雙 極板也要具備良好導熱性，使電池能提高散熱能力並確保電池堆 內溫度分布均勻。
(3) 抗腐蝕性 : 由於 PEMFC 會產生副產物水，且高分子電解質膜 在經過長時間使用後，會有一些酸離子溶於水中，例如：F− 、
−
SO4 、SO3−、HSO4−、SCO3−和HCO3−[24]，這些酸離子會對雙極 板產生腐蝕作用，經長時間使用後，雙極板會發生嚴重腐蝕而產 生裂紋、破壞。若要使PEMFC 能夠商業化，雙極板必定要承受 長時間使用之抗腐蝕性，以抵抗這些酸離子造成之腐蝕。
(4) 可加工性 : 為降低電池組的成本，製備雙極板的材料必須是易 於加工的(如加工流場)。雙極板加工性高，則加工容易，成本自 然降低，反之，則需要更多高科技加工技術，不但耗費工時且成 本亦會提高，因此雙極板應選擇適用於大量生產技術加工的材 料。
(5) 氣密性 : 因為雙極板兩側的流場分別是氧化劑與燃料通道，所 以雙極板必須是無孔的，以免氧化劑與燃料在氣體流道均勻流動 時，由雙極板擴散至電池外部造成浪費。
(6) 氣體流設道設計 : 雙極板氣體流道具有輸送氣體使氣體能均勻 分佈，並排出生成水之功用，若能提高氣體流速，增加氣體對流 與擴散能力，則電化學反應便不會因為氣體不足而降低反應速 度。
(7) 材料密度 : 雙極板可說是 PEMFC 體積最為龐大之部分，但對於 商業化利用來說體積重量越大越不符合需求，所以雙極板必定要 使重量更輕、厚度更薄。
(8) 材料價格 : 目前 PEMFC 石墨板之成本佔了總成本約 60%以上 [25-26]，如果能有效的降低雙極板的成本，PEMFC 的成本勢必 能夠降低，這對於PEMFC 而言，市場競爭力與商業化利用能有 效的提升。
2.2.2 雙極板種類
目前雙極板材料根據應用與製程方面，大致可整理歸類為石墨雙 極板、金屬雙極板及複合雙極板三種。
石墨雙極板一般是由石墨粉、焦炭與可石墨化的樹脂或瀝青混合 後經由 2500~2700℃高溫碳化所得[27]，由於碳化須按嚴格的升溫程 序進行，以避免石墨板彎曲或收縮等變形，所以碳化時間很長。石墨 本身的導電及導熱性均佳，一般石墨的導電度/導熱度比碳鋼高 2 倍，比不鏽鋼高 4 倍。石墨的化學穩定性佳，低溫時不易氧化，能 耐多數強酸強鹼與有機溶液腐蝕。由於石墨是脆性材料，其抗拉強度 與抗衝擊均低，因此無法做到很薄。如果石墨在成型時沒有加入足夠 的結合膠，會導致石墨顆粒間會有空隙而無法隔絕兩側氣體。因此目 前量產石墨板大都採用類似塑膠壓鑄成型的方法，也就是將石墨粉加 上熱固性或是熱塑性樹脂，經過攪拌後再進一步熱壓成型。所以此種 方法可以節省先前製成石墨板後需要在利用機械加工成型的時間與 費用。不過由於加入的是不導電物質，所以會增加電池的內電阻。
金屬本身具有良好的延展性，所以易於採用衝壓技術大量生產，
使板體與流道結構可以一體成形，並能夠製作厚度極薄之雙極板，可 以大幅降低電池組的體積而提高電池的比功率。由於金屬材料具有高 的抗拉及抗衝擊強度，所以具有抵抗外部衝擊或震動之能力。此外金
屬本身能有效隔絕兩側的反應氣體，不會有氣體混合的問題。但是因 為PEMFC 雙極板的兩側均為潮濕環境，且電化學反應所產生的水具 有微弱酸性，陽極的金屬板會產生腐蝕現象而導致觸媒活性降低，在 這種情形下陰極的金屬板會生成金屬氧化膜而導致接觸電阻增加。所 以PEMFC 金屬雙極板最重要的關鍵在於表面改性處理，一般比較常 用的方法是在表面鍍一層惰性金屬薄膜，不過這將會造成雙極板成本 大幅增加。
所謂複合雙極板就是以兩側的碳質流場板夾著中間一層分隔氣 體之無孔金屬薄板，以構成一整套雙極板。比起石墨的雙極板，此複 合雙極板有較高之機械強度且雙極板本身重量也可以減輕，氣體隔離 性亦佳。不過在製作與電池組裝方面比較繁瑣，而且石墨板與金屬板 之間的接觸電阻也會造成電池效率的下降。