一、前言
基本上，燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電能的裝置，不需另行充電，只要持續(xù)的補充燃料及氧化劑，即可連續(xù)運轉(zhuǎn)發(fā)電。所補充的燃料及氧化劑并不經(jīng)過燃燒反應(yīng)的過程，而是燃料與氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電流。
所以說，這樣的電化學(xué)反應(yīng)是因為化學(xué)作用而伴隨著產(chǎn)生電荷的轉(zhuǎn)移，電子及離子以不同的反應(yīng)路徑完成電荷的轉(zhuǎn)移。在燃料電池的反應(yīng)過程中，燃料與氧化劑不可混合，而是分開進入燃料電池中，個別在電池的陽極及陰極產(chǎn)生反應(yīng)。
燃料經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生電子，電子經(jīng)由電極及外線路流向另一電極與氧化劑反應(yīng)，氧化劑接受電子后，產(chǎn)生反應(yīng)，并由電池內(nèi)的電解質(zhì)傳導(dǎo)離子，形成電子運轉(zhuǎn)的回路。
一般燃料電池的核心單元是由三個基本組件所構(gòu)成：一個陽極，一個陰極，以及兩個電極之間的電解質(zhì)。通常以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑，在陽極氧化燃料，在陰極還原氧氣。燃料電池就是由這樣的核心單元串聯(lián)組成為較大功率的電池組，或是被稱為電池堆。
一般氧化劑可用空氣中的氧氣，而當(dāng)作燃料的氫離子及電子均來自陽極，電解質(zhì)傳導(dǎo)氫離子。氫離子產(chǎn)于陽極后，經(jīng)電解質(zhì)到達陰極，而電子產(chǎn)于陽極后，則經(jīng)由電池外的回路進入所使用的電器物品，再經(jīng)過電器回路另一端回到電池的陰極。電子流經(jīng)負載的電器時，電器品即可運轉(zhuǎn)，如發(fā)電、汽車、航空器、電動機運轉(zhuǎn)等。
陽極與陰極之間，有電解質(zhì)可做為傳導(dǎo)離子用。一般燃料電池因電解質(zhì)中所傳導(dǎo)的離子不同或工作溫度不同，可被分類為堿液燃料電池、磷酸燃料電池、碳酸融鹽燃料電池、固態(tài)氧化物燃料電池、質(zhì)子交換薄膜燃料電池，及直接進料甲醇燃料電池等六種。
燃料電池中的燃料與氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)速率甚低，須借助于催化劑加速，因此需要陽極催化劑及陰極催化劑。以高分子電解質(zhì)燃料電池為例，主要的發(fā)電機制來自于常被稱為是燃料電池心臟的電極膜組(Membrane Electrode Assembly, MEA)?；旧想姌O膜組有五層結(jié)構(gòu)，其中心是傳導(dǎo)氫離子的高分子膜，兩旁各為陽極催化劑層及陰極催化劑層，最外層氣體擴散層(常被分為燃料氣體擴散層及氧氣擴散層)。
催化劑層的構(gòu)造頗為復(fù)雜與多樣，由于最主要的電化學(xué)變化皆在此產(chǎn)生，如果催化劑層的設(shè)計或制造不良，燃料電池就無法產(chǎn)生足夠電流，效率因此會降低。催化劑層夾在高分子膜與氣體擴散層之間，其制造方法是先將適量的催化劑與高分子膜的溶液均勻混合，此混合液稱為催化劑混漿?；鞚{可涂在氣體擴散層上，或涂在高分子膜上，但是高分子膜因易吸收混漿中的溶劑而變形，往往造成制造上的困難。
現(xiàn)以氧氣催化劑層來說明反應(yīng)如何進行。氧氣進入燃料電池時，首先須加以分散，以便均勻地到達催化劑層，一般構(gòu)成氣體擴散層的材料是碳布或碳紙，兩者須經(jīng)高溫石墨化，使其具有導(dǎo)電性并增加抗蝕性，因為在電場的影響下，碳材容易被腐蝕。
而且氣體擴散層也必須要疏水化，若將聚四氟化乙烯(PTFE，又稱鐵弗龍)加在氣體擴散層內(nèi)，因為鐵弗龍的疏水特性，進出電極膜組的水氣不會凝聚在氣體擴散層內(nèi)，可以避免凝聚的水滴造成氣體擴散層的阻塞。另一方面鐵弗龍同時具有結(jié)合劑的功能，因其碳氟結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不會因電位操作下所產(chǎn)生自由基的攻擊而解構(gòu)。
反應(yīng)氣體經(jīng)氣體擴散層后到達催化劑層，電化學(xué)反應(yīng)皆在催化劑金屬的表面上產(chǎn)生。氣體擴散層的另一功能是傳導(dǎo)電子，反應(yīng)所需的電子利用氣體擴散層進出，故氣體擴散層必須能傳導(dǎo)電子，且導(dǎo)電性要高。一般氣體擴散層加入鐵弗龍后，導(dǎo)電性會降低，所以要加入導(dǎo)電度高的碳粉，使導(dǎo)電度增加。
催化劑表面必須與電解質(zhì)(即質(zhì)子傳導(dǎo)膜)接觸，因電化學(xué)反應(yīng)是在兩者的界面產(chǎn)生。而反應(yīng)所需的氫離子皆由電解質(zhì)傳遞，所以催化劑與電解質(zhì)接觸不良，將不利反應(yīng)的進行，若催化劑不與電解質(zhì)接觸，其功能即消失。反應(yīng)所需的電子皆經(jīng)由催化劑進出，但催化劑本身的導(dǎo)電度不良或各個催化劑顆粒間的接觸不佳，也會造成電子的進出阻力。上述因素皆造成電極膜組內(nèi)電阻的增大，減少電池的功率輸出。
在使用于燃料電池時，電極催化劑通常須具備催化劑活性高、導(dǎo)電度高、電化學(xué)穩(wěn)定性高、不易被氧化或還原、價格便宜，及來源充裕等條件。鉑價格昂貴，應(yīng)盡量減少使用，可是太少亦影響反應(yīng)的進行。替代性催化劑材料也是現(xiàn)今研發(fā)的重點之一。電極催化劑是電極膜組結(jié)構(gòu)中最重要的功能性材料，主要的功用是催化電化學(xué)反應(yīng)的進行。
在陽極使氫分子被氧化成為電子及質(zhì)子，若以甲醇直接進料，則由于反應(yīng)更為復(fù)雜，必須使用不會被甲醇氧化反應(yīng)的強吸附生成物占據(jù)反應(yīng)表面位置的電極催化劑所組成，如合金及氧化物，以持續(xù)催化甲醇與水分子產(chǎn)生電子、質(zhì)子和二氧化碳。
在陰極的部分則需要能將氧進行還原反應(yīng)的催化劑，通常使用可吸附氧分子的大環(huán)金屬錯合物為電極催化劑，表面吸附氧分子是氧還原電化學(xué)反應(yīng)的催化條件。催化劑在催化劑層中需要高分子黏合劑來接合，此黏合劑也可以是高分子電解質(zhì)，不但具有接合催化劑的功能，同時也是傳送氫離子的途徑。以氧氣陰極為例，當(dāng)反應(yīng)在催化劑表面上進行時，需要氧的存在。此氧不是氣體，而是溶于電解質(zhì)中的氧，而氫離子也經(jīng)由電解質(zhì)到達催化劑表面，電子經(jīng)由氣體擴散層及催化劑層的接觸而到達催化劑表面。其中溶氧、氫離子及電子三者缺一不可，缺一反應(yīng)即無法進行。
另一方面，反應(yīng)所產(chǎn)生的水分不可滯留在催化劑表面上，所生成的水要立即移去，才能騰出空間讓反應(yīng)物再度進駐催化劑表面，生成物的離去亦是影響反應(yīng)快慢的因素之一。燃料電池的生成物是水，因此，如何將水迅速地從燃料電池中移去是一個重要的課題。
對使用氫氣為進料的高分子電解質(zhì)燃料電池而言，一個良好的燃料電池運作核心，其基本條件要有四條路徑存在，即氫離子通道、溶氧通道、電子通道及水的通道。這些路徑如果功效不彰，會造成發(fā)電效能降低，因此至今電極膜組的制造仍是一種技術(shù)工藝，每一個燃料電池組制造商皆有其獨特的制作方法來生產(chǎn)這一個關(guān)鍵零組件。
一個燃料電池的功率大小，是由電極膜組的尺寸及電池組中電極膜組的數(shù)量來決定的。電極膜組是高分子電解質(zhì)燃料電池的核心單元，也是燃料電池組功率性能的關(guān)鍵元件，加上合適的流場設(shè)計、水管理與熱管理的操作條件，以形成不同用途的燃料電池。
燃料電池依據(jù)其影響整體性能的要件及技術(shù)，大致上可以分類為工作環(huán)境、制備技術(shù)、電壓電流特性、電池材料等四大技術(shù)主軸，其下再依據(jù)此四大主軸更可細分為多項不同之部件或制造技術(shù)，相關(guān)分類可參考下方魚骨圖分析：
由上面魚骨圖可知，影響燃料電池性能的因素非常多，除了工作環(huán)境、制備技術(shù)、電壓電流特性、電池材料等方面，可以看到再細分的項目繁多，里頭相關(guān)于膜電極組的技術(shù)，都被分類在電池材料一支，而氣體擴散層的技術(shù)，也僅為電池材料中的一項技術(shù)分類，但是由膜電極組的作用來看，燃料電池模塊的成本幾乎取決于此，而膜電極中的成本，又分別落在碳電極、觸媒層與質(zhì)子交換膜上，因此同時擔(dān)任催化劑載體、氣體擴散層、排水層的碳紙，就自然成為燃料電池的關(guān)鍵零組件之一了。
質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴散層結(jié)構(gòu)的基材通常為碳纖維(Carbon-Fiber)產(chǎn)品，如碳紙(Carbon Paper)?和織物纖維(Woven Fiber)?或稱為碳布(Carbon Cloths)，以碳纖維作為氣體擴散層材料的優(yōu)點是由于它有高孔隙度結(jié)構(gòu)及高導(dǎo)電率特性。
燃料電池氣體擴散層結(jié)構(gòu)最常使用為碳纖維紙，其制程一般稱為抄紙制程，在制程中還必須改善碳紙原料特性、導(dǎo)電性以及化學(xué)安定性。其方法為以碳纖維紙為基礎(chǔ)再添加碳復(fù)合材料混合后熱處理，其制程中還可以添加適當(dāng)?shù)闹虚g原料并配合使用的特性研發(fā)出相同的碳紙。
碳紙在造紙階段前必須先將連續(xù)長絲纖維切斷成為 3~12mm 之間的短纖維段，組成短纖維段后的制程依序分為 1. 抄紙，2.含浸復(fù)合樹脂，3.熱壓成形，4.碳化處理以及 5.石墨化處理。
目前可應(yīng)用在燃料電池氣體擴散層的碳紙生產(chǎn)廠商有 TORAY、SGL、Ballard、Avcarb、中國臺灣碳能等公司。一般微孔層(MPL)的制作方式，是先利用超音波震蕩器將這些組成進行混合及拌攪，最后制成液態(tài)的漿料(Ink)，再利用涂布技術(shù)(如噴涂法、刮刀法、網(wǎng)印法)將此漿料涂布于碳紙的表面，之后再經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)就可獲得此微孔層。生產(chǎn)碳紙之廠商亦提供涂布微孔層之完整產(chǎn)品給予客戶。氣體擴散層?(GDL)?在燃料電池中扮演相當(dāng)多角色與功能，例如：
(1)提供反應(yīng)氣體?(H2、O2 )?通道
(2)提供反應(yīng)產(chǎn)物?(?水、熱?)?離開觸媒層的通道
(3)提供電化學(xué)反應(yīng)電子的進出通道
(4)充當(dāng)觸媒層及質(zhì)子交換膜體的結(jié)構(gòu)支撐
由上述特性可知，氣體擴散層?(GDL)?必須同時具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、多孔性、透氣性及親?/?疏水性等特性。目前全球在燃料電池氣體擴散層的材料供應(yīng)商，目前僅有 Toray、Ballard 、Avcarb 及 SGL 、中國臺灣碳能，但單價甚高，且經(jīng)常供不應(yīng)求，所以若能有一創(chuàng)新技術(shù)能降低成本，達到經(jīng)濟規(guī)模來生產(chǎn)此關(guān)鍵材料，即值得來進行此一技術(shù)之投資。
氣體擴散層是 PEMFC 的核心部件，而氣體擴散層是電極的重要組成材料。常用的氣體擴散層材料有碳纖維紙、碳纖維編織布、非織造布及碳黑紙等。但有的也使用金屬材料，如扁平的金屬海綿──網(wǎng)狀金屬鎳。
其中碳纖維紙是一種廣泛應(yīng)用于電極中的氣體擴散層材料，為使用在PEMFC?中，它必須滿足以下性能要求︰
(1)均勻的多孔質(zhì)架構(gòu)，賦予它優(yōu)異的透氣性能；
(2)低的電阻率，賦予它高的電子傳導(dǎo)能力；
(3)架構(gòu)緊密且表面平整，減小接觸電阻，提升導(dǎo)電性能；
(4)具有一定的機械強度，利于電極的制作，提供長期操作條件下電極架構(gòu)的穩(wěn)定性；
(5)具有化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；低的制造成本，高的 CP 值。
根據(jù)上表 2-1 之碳紙競爭廠商產(chǎn)品物理特性之分析比較，我們可以知道VEL科旸多孔質(zhì)碳纖維紙具有比其他廠商好的導(dǎo)電性、高透氣度、高柔軟性、高空孔率、低表面電阻及高撓曲強度。因此可作為燃料電池必要之元件-『氣體擴散層』，VEL科旸商品碳紙/碳布所帶給燃料電池的影響會比其他廠商更為優(yōu)異，目前VEL上?？茣D新材料有限公司技術(shù)商品碳紙/碳布,已具備大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)能力,并已實現(xiàn)原料來源全部國產(chǎn)化。也證明商品量產(chǎn)后所帶給中國燃料電池廠商的眾多好處。
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蔡憲民 VIBRANT EPOCH LIMITED? 中國區(qū)代表
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VIBRANT EPOCH LIMITED是一家集先進碳材料研發(fā)與應(yīng)用于一體的創(chuàng)新型高科技企業(yè)。獨立研發(fā)團隊及技術(shù)支持專家團隊，致力于為業(yè)界提供先進生物碳纖維及新能源碳材料的應(yīng)用解決方案，以滿足當(dāng)今各行業(yè)發(fā)展對先進碳纖維材料的綜合性需求。
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦氫科技網(wǎng)）：氫燃料電池氣體擴散層碳紙技術(shù)解析
