陳震宇 助理教授

國立嘉義大學機械與能源工程學系

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質子交換膜燃料電池(PEMFC)目前為各種燃料電池種類中，發展較為成熟者，然而質子交換膜燃料電池供電系統在商業化之前仍然面臨許多挑戰，其中一項即為燃料電池之成本。使用沖壓金屬雙極板取代傳統石墨雙極板為一項能有效降低質子交換膜燃料電池成本的方式，因為金屬材料成本低於石墨，同時因為金屬雙極板可利用沖壓加工成型，其加工速度遠快於僅能藉由銑床加工之石墨雙極板，故可有效地降低雙極板之加工時間成本。

雙極板在質子交換膜燃料電池中主要負責輸送反應氣體至觸媒反應區進行電化學反應，並使反應氣體均勻分佈於膜電極組上，同時傳導電化學反應產生之電流，另外在電池堆中，雙極板亦有散熱之功能。在質子交換膜燃料電池運作時，其內部的工作溫度處於60-80 oC之間，內部相對濕度通常為100%，且因電化學反應產生氫質子的關係，內部為一酸性環境(pH = 2-3)。綜合以上幾點，可得知雙極板材質必須具高導電性、良好的導熱性及不錯的抗腐蝕能力，另外考量到雙極板上的流道加工，選用雙極板材料時亦須考量其加工特性。

 

圖1 傳統石墨雙極板(左)與沖壓金屬雙極板(右)之厚度比較。

 

目前最常用的雙極板材料是石墨，因其材料性質符合以上幾個特點，但其缺點是材料成本高、機械強度較差、易脆及受限的加工性。石墨之機械特性使得石墨雙極板的主要成型方式為機械銑床加工成型與射出成型，加工後的石墨雙極板有著板件厚、體積大、重量重(傳統石墨板重量約佔電池堆總重的50~60 %)等缺點，難以作為未來小型化及輕量化燃料電池的雙極板材料。金屬同樣具有高導電性及良好的導熱性，而其優異的延展性使其能以沖壓或液壓等方式成型，因此板件之厚度可有效降低(如圖所示)，故金屬雙極板之體積與重量遠低於石墨雙極板，也因此使用金屬雙極板可進一步減少電池堆之體積與重量，使電池堆單位體積和單位重量的功率密度能夠提升。另外，金屬雙極板具有較好的抗震能力，可增加燃料電池動力系統未來應用於載具上之競爭力。除了以上較佳之機械性質所帶來的優點外，金屬之成本亦較石墨低，沖壓成型方法亦可大幅縮短雙極板生產之時間，因此可降低量產階段之電池成本。但金屬雙極板的缺點是低抗腐蝕性，於高溫、高濕度及酸性的燃料電池環境下，金屬表面容易因腐蝕及氧化反應生成鈍化層，進而使得接觸阻抗增加，降低燃料電池發電效率，另一方面，金屬離子亦可能傷害膜電極阻性能，因此，金屬雙極板表面須再鍍上一層抗腐蝕材料，而開發兼具抗腐蝕性與高導電性的抗腐蝕材料則是另一項重要的研究工作。

目前主要的金屬雙極板料為不銹鋼，但亦有研究單位嘗試以鈦合金及鋁合金作為雙極板之主要基板材料，目前主要的抗腐蝕層材料包含氮化鈦、氮化鉻與石墨，相信未來在成型技術與抗腐蝕材料開發的持續進步下，金屬雙極板可有效降低質子交換膜燃料電池之成本，加速質子交換膜燃料電池之商業化進程。