双极板功能及特性要求课件.ppt

1、4.2-1 雙極板功能及特性要求(1)雙極板功能n分隔氧化劑與還原劑n有收集電流作用n雙極板兩側應置有使反應氣體均勻分佈的流道 n確保電池堆的溫度均勻分佈和達到散熱效果(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：n製造成本n抗腐蝕性n材料導電性n材料氣密性n重量輕n良好的機械性質Target Value$10/kg包含材料和加工100 S/cm或者200S/2 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：

2、優點：(1)質輕(2)耐蝕幸好(3)導電佳缺點：(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 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nLawarnce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nBuick et al.在1998年曾發表，利用乙烯基樹脂混合石墨製備雙極板nBesmann 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4.2-3 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

3、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(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：(1)單位密度高，較重(2)易發生腐蝕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：n鈦合金 (1)融點相當高的金屬 (2)屬

4、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n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 n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

5、 (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(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n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)n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

6、合金表面n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(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n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n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

7、較短，但機械性質較差，所以需另外進行熱處理 (3)多層複合型雙極板 (1)以薄金屬（0.10.2mm 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 n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n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 (2

8、)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 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：腐蝕測試n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。n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

9、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 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Icorr29.5596500corrcorrIR鐵的分子量價電子轉移數法拉第常數(g/cm2)/s上陽極曲線下陰極曲線腐蝕電流Icorr熱衝擊循環實驗n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。n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n實驗的操作規範是根據美國陸軍電子零件失效測試標準 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=L/(AR)(L：長度，A：截面積、R：電阻）