复合材料在燃料电池的应用

1、複合材料在燃料電池的應用 柯澤豪教授編撰 一、實驗目的 利用氧氈和酚醛樹酯來製成具有導電性且高透氣度的碳紙，用於質子 交換膜燃料電池的氣體擴散層。 二、實驗設備 1.熱壓機 2.碳化爐 3.厚度計 4.片電阻測試儀 5.電子天平 6.電子 密 度比重計。 三、實驗材料 1.碳纖維布2.酚醛樹脂3. 鐵氟龍 4.PES 棉布5.甲醇 四、實驗原理 氣體擴散層，主要功能與其特點為： 因為要通入氫氣及氧氣，必須具有高透氣性的功能，在材料的選擇上必 須採用多孔透氣材料。 氣體擴散層所處環境同時存在還原介質與氧化介質，所以必須具有抗腐 蝕能力。因此選擇碳材料作為氣體擴散層的主要材料。 扮演電流的傳導器，

2、因此氣體擴散層的導電度必須有一定水準以上。 為了確保電池組的溫度均勻分布，氣體擴散層必須是熱的良導體。 氣體擴散層必須具有足夠的彎曲強度來抵抗操作壓力及熱循環穩定性。 PAN 原纖維並不是導電性的材料，這乃是非碳元素 （諸如 :氧、氮、氫 等）鍵結在碳上面，而這些非碳元素並不能提供多餘的導電電子，且碳的 導電區域並不是連續也不連接，所以導電性低，幾乎可以視為絕緣體。為 得到高的導電性必須經過高溫的碳化處理。碳材料經不同溫度碳化處理 後，會使得非碳的元素揮發，進而促使碳的結晶區域成長以及連結，當整 個具有導電的結晶區域一但串聯起來時，碳纖維的導電性會明顯的提高， 甚至當碳化處理至石墨化纖維時還可

3、以和金屬材相互比擬。所以碳化處理 溫度是影響導電性的關鍵之一。 本實驗乃針對於利用碳纖維織物作為碳電極之應用。由過去之研究中 得知，碳纖維之導電性會隨碳化、石墨化溫度升高而隨之增加。而其織物 結構物，如碳纖維布、碳纖維氈等製品之導電性亦有相同行為表現。特別 是在 1000oC至 1300oC 之間，其導電性會有劇烈增加趨勢。 基材的選擇在製造碳/碳複合材料中扮演重要角色，在幾種 常用 基材中，由 於酚醛樹脂的加工性容易，來 源取得方便（ 與高 品質瀝青相比，高品質瀝青為軍事管制品，取得不易且價格昂 貴 ）， 且 價 格 便 宜 同 時 又 具 有 一 定 的 強 度 。最 主 要 是 酚 醛

4、樹 脂 在 裂解 後仍有相 當高的碳產率（ 50-55% ），對 碳/碳 複合材料來說碳 產率是一項不可忽略的性能，可以視為碳/碳複合材料製造的成 本效 益 。 PAN 系碳 纖維 的碳 化行 為 圖是 PAN 在碳 化反應過程中 的分子 結構 變化。 PAN 從 250附 近發 生的 側鏈 反應， 產生 NH 3、HCN 等， 接著環 化 變成 一種梯形聚合物，同時分子間也發生縮合反應。 在 200附近受氧化處 理的 PAN 除了有氫化吡啶環外，另 外也 由吡啶環、 pyrollidone 環等 含氮 的六 環碳 形成 梯狀 聚合 物， 此工 程在碳纖 維的製程稱為安定化工程。接著由於碳化的

5、持續反 應，在 600 時 H 和 O 脫離，而 含氮芳香 族環的 開 環在 500 附 近便 開始作用 了，最後在 800達到最大。 圖、PAN 系纖 維的碳化 過程中之結構變化 五、實驗方法 (1) 、 裁切大約 20cm20cm的氧化纖維氈 (2) 、 放入高溫爐至 1000製成碳纖維氈 (3) 、 接著調配 5%樹脂+95%甲醇的樹脂溶液 ，將碳氈含浸至溶液中浸泡 30 秒 (4) 、 將含浸完的碳氈放入 70烘箱中，烘乾 15min，將甲醇充分揮發掉。 (5) 、 將烘乾完的碳氈放至熱壓機熱壓 15min，壓力分別為 10kg/cm2及 30kg/cm2。 (6) 、 最後放入碳化爐

6、碳化 1300既可完成。 (7) 、 裁切試片成 15cm15cm 六、分析與檢測 1.密度測試 將碳纖維紙烘乾 24 小時，秤重後置入試片座，通入氮氣，充氣清除十 次後進行測試九十次，取最後十組數據平均。 2. 厚度量測 在厚度量測中，利 用 厚度計，取其平均值。由厚度可以推測其材料體 電阻係數，以及對於燃料電池中，濃度極化的影響。 3. 重量損失分析 由於 碳材料在升溫 的過程中，隨著碳層平面的交鏈及重新排 列堆 疊， 會發 生 去氫 (Dehydrogenation) 及去氮(Denitrogenation) 反應，伴 隨著小分子物如 H2O、CO、CO2、CH4、H2 等在熱處理 過程的揮發，造成碳材料的重量損失。 我們以電子天秤，量測碳化前後重量，以測得其重量損失。 4. 片電 阻測 試儀