碳纖維紙的熱傳導率分析：最佳化燃料電池氣體擴散層

(Thermal Conductivity Analysis of Carbon Paper – Optimizing Fuel-Cell Gas Diffusion Layers)

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質子交換膜燃料電池 (PEMFC)

質子交換膜燃料電池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) 作為一種新興的低溫燃料電池，具有高效率、低運行溫度和零排放等優點，是新型綠色能源的主要發展方向之一。

PEMFC 的核心組件是膜電極組 (Membrane Electrode Assembly, MEA)，它包含兩層氣體擴散層 (Gas Diffusion Layer, GDL)、兩個觸媒層以及一層質子交換膜。

燃料電池的反應原理如圖 1 所示。PEMFC 單電池由 MEA (陽極、陰極和質子交換膜) 以及雙極板組成。陽極是發生氫燃料氧化反應的地方，陰極則是發生還原反應的地方。兩極都含有加速電極電化學反應的觸媒，通常使用鉑/碳或鉑/釕作為電催化劑。質子交換膜作為電解質；氫氣或純化重組氣為燃料；空氣或純氧為氧化劑；具有氣體流道的石墨或表面改質金屬板為雙極板。具有特定濕度和壓力的氫氣和氧氣分別進入陽極和陰極，透過氣體擴散層 (圖中的碳紙) 到達觸媒層和質子交換膜之間的界面，在觸媒的作用下發生氧化還原反應。

• 陽極：H₂ → 2H⁺ + 2e^–
• 陰極：½ O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O
• 電池總反應：H₂ + ½ O₂ → H₂O

在陽極，氫氣透過電化學反應產生氫離子與電子。氫離子隨後穿過質子交換膜到達陰極 (質子交換膜的獨特性質使其僅允許氫離子通過)；同時，電子透過外部迴路到達陰極，在陰極處氫離子、電子與氧氣反應生成水。生成的水會以水蒸氣或冷凝水的形式，連同多餘的氧氣從陰極出口排出。

氣體擴散層 (GDL)

氣體擴散層 (GDL) 位於膜電極的兩端，是燃料電池的重要元件之一；其作用包括支撐質子交換膜、塗佈觸媒、以及連接膜電極與雙極板等。GDL 材料在性能上必須具備以下特點：

• 由於 GDL 介於雙極板和觸媒層之間，電化學反應 (即電流密度) 非常高，存在高度的電偶腐蝕，因此 GDL 材料必須具備抗腐蝕性。
• GDL 材料作為氫/氧或甲醇/空氣擴散至觸媒層反應介質的通道，必須是多孔、透氣的材料。
• GDL 材料扮演電流傳導的角色，必須是高導電材料。
• 電池反應為放熱反應，GDL 材料必須是高熱傳導率的材料；散熱必須及時，以避免局部過熱導致質子交換膜破損。
• GDL 材料應具有高疏水性，以避免電池反應生成的水破壞觸媒層。

碳纖維紙 (Carbon Fiber Paper)

碳纖維紙 (簡稱碳紙) 是以短切碳纖維為原料製造而成；在微觀上呈現纖維多孔結構，能為氣體和水的傳導建立有效的通道。同時，碳紙具有重量輕、表面平整、耐腐蝕和孔隙率均勻等優點。此外，碳紙的高強度能為 PEMFC 電池的安裝和使用提供保護，穩定電極結構並延長電池壽命。碳紙的製造技術成熟且性能穩定；因此，碳紙已成為膜電極中氣體擴散層材料的主流選擇。

由於碳紙在製備過程中的纖維配向排列，使其本身具備各種向異性 (Anisotropies)。有鑑於熱傳導率是 GDL 材料的重要指標之一，在本研究中，我們使用 NETZSCH LFA HyperFlash® 對碳紙樣品進行熱傳導率測試。我們使用 LFA 467 分別測試碳紙樣品在水平 (In-plane) 與垂直 (Through-plane) 方向的熱擴散率 (Thermal diffusivity)，並使用 DSC 測試碳紙樣品的比熱容量 (Specific heat capacity, cp)。將樣品的熱擴散率、比熱容量和密度 (室溫下) 相乘，即可得到該樣品的熱傳導率 (Thermal conductivity)。

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應用與測試結果

表 1 顯示了該碳紙樣品在水平方向的熱傳導率測試結果 (圖 2)。本次測試使用的支架為水平方向樣品支架 (In-plane sample holder，圖 3)，該支架可用於測試高熱傳導率薄膜材料在水平方向的熱擴散率。結果顯示，該樣品在 25°C 和 100°C 下的水平方向熱擴散率分別為 58.610 mm²/s 和 50.122 mm²/s，熱傳導率則分別為 20.568 W/(m*K) 和 21.794 W/(m*K)。

圖 4 顯示了測試的升溫曲線，可以看出測試曲線 (原始訊號 – 藍色) 與擬合曲線 (模型評估 – 紅色) 吻合度非常高。

表 2 顯示了該碳紙樣品在垂直方向的熱傳導率測試結果。本次測試使用的支架為薄膜樣品支架 (Foil sample holder，圖 5)，可用於測試薄膜樣品在垂直方向 (厚度方向) 的熱擴散率。

從結果中可以看出，該樣品在 25°C 和 100°C 下的垂直方向熱擴散率分別為 7.463 mm²/s 和 6.408 mm²/s，熱傳導率則分別為 2.619 W/(m*K) 和 2.786 W/(m*K)。樣品在水平方向的熱傳導率明顯高於垂直方向，展現出顯著的個體向異性。這是因為樣品具有多孔纖維結構，在進行垂直方向測試時存在一定程度的透光現象。

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總結 (Summary)

在質子交換膜燃料電池中，氣體擴散層作為膜電極的重要組成部分，其成本通常佔膜電極成本的 20-25%。產業分析預測，全球氣體擴散層材料的市場規模未來幾年將穩定增長。碳紙作為氣體擴散層的首選材料，其產業發展前景非常廣闊。

熱傳導率是評估碳紙效能的核心指標之一。借助 NETZSCH 閃光法熱傳導率分析儀 LFA 467 及其專屬的水平樣品支架和薄膜樣品支架，研究人員可以準確且便利地測試碳紙樣品在水平和垂直方向的熱傳導率，進而最佳化燃料電池的散熱與整體效能。