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1、2009資源與環境學術研討會，花蓮利用微製程技術製作微型PDMS燃料電池TheresearchanddevelopmentofmicroPDMSPEMFCbyusingMEMStechnology許義嘉1彭榮貴2陳瑭原3陳俊勳4Y.J.Hsu1R.G.Peng2T.Y.Cheng2J.S.Cheng41國立交通大學機械工程研究所研究生Graduatestudent,InstituteofMechanicalEngineering,NationalChiaoTungUniversity,1001UniversityRoad,Hsinc
2、hu,Taiwan300,ROC 2國立交通大學機械工程研究所博士生PHDstudent,InstituteofMechanicalEngineering,NationalChiaoTungUniversity,1001UniversityRoad,Hsinchu,Taiwan300,ROC.3國立交通大學機械工程研究所博士生PHDstudent,InstituteofMechanicalEngineering,NationalChiaoTungUniversity,1001UniversityRoad,Hsinchu,Taiwan
3、300,ROC.4國立交通大學機械工程研究所教授Professor,InstituteofMechanicalEngineering,NationalChiaoTungUniversity,1001UniversityRoad,Hsinchu,Taiwan300,ROC摘要本文主要利用微機電製程(MEMS)製作出以聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)為基材之微型流場板並應用於質子交換膜燃料電池(PEMFC)。此研究著重於微型化流場板的製作，並與膜電極組(MEA)組裝成單電池進行不同條件下的性能測試。此
4、製程包含了矽模具的製造以及PDMS的翻模，製作完成之流場板大小約為2.6cm*2.6cm，流場面積約為1.7cm*1.7cm，MEA反應面積為4cm2。經過測試後，其性能在0.47V、燃料溫度及陽極增濕溫度為80°C且燃料流量為15sccm時其最大功率可達250mW/cm2。由於PDMS易於大量翻製的優點，其將有利於未來單電池的堆疊，更能有效的產生較大電壓及功率。關鍵詞：MEMS、PDMS、PEMFC、MEA壹、前言質子交換膜燃料電池由於他們高效率、高電能密度、低噪音、低汙染、以及可在低溫操作的特點，已成為目前極具發展潛力的能源之一
5、。而微小化的PEMFC更能應用在3C產品及可攜式電源供應上，因此將燃料電池微小化已成為不可或缺的技術。2004年Hsieh等人利用SU-8厚光阻做出PEMFC的流場板結構[1][2]。2003年Keyur等人利用微製程將PDMS成功運用在3.1cm*1.6cm大小、反應面積0.8cm2的微型PEMFC上[3]。2008年Yong等人也利用PDMS做出微型流場板用在PEMFC上，使其可產生最大電流輸出4μA/cm2[4]。2008年Chiao等人使用PDMS為材料應用在微型生物燃料電池的極板上，使其單位面積電流、功率密度較傳統以矽為材
6、料的流場板有顯著的提升[5]。貳、實驗方法及步驟一般而言，燃料電池會有數個元件所組成。例如流場板、氣體擴散層、電極觸媒層、質子交換膜、端板等。(1)流場板：主要功能為提供燃料與氧化劑進入電化學反應區的流道以及做為固定內部膜電極組之支撐，同時做為電池與外部電路相連的通道。3382009資源與環境學術研討會，花蓮(2)氣體擴散層：位於模電級組與兩側雙極版之間，主要功能有三：(a)作為氣體進入膜電極組前的擴散媒介；(b)作為燃料電池主要的支撐結構；(c)作為電子流動通道。為了達成此三種功能，一般氣體擴散層所選用的材質多為經過疏水處理的碳紙
7、或是碳纖維所編織而成的碳布。(3)電極觸媒層：為了使氫氣氧化成氫離子，燃料電池觸媒通常都是以鉑為主。當以氫氣為燃料時，使用純Pt金屬或是以碳微載體之Pt觸媒；但若燃料為其他碳氫化合物，則使用含Pt與Ru等金屬的合金為觸媒，以減少CO毒化觸媒的現象，此電極觸媒層陽極和陰極負載量各為0.45mg/cm2Pt/Ru之合金和0.6mg/cm2Pt，此反應面積為4cm2Pt是採用Gore公司之產品。而觸媒與質子交換膜壓合後稱為膜電極組(MEA)。(4)質子交換膜：必須為一絕緣體，以避免電子於電池內部流通；同時須能傳遞氫離子並隔絕未進行反應之燃
8、料[H2]與氧化劑[O2]於電池內部直接產生反應，發生燃燒現象造成危險。(5)端板：主要為支撐燃料電池並提供多層結構之夾持力，以方便裝時燃料出入口之銜接；此夾持力也會影響燃料電池內之阻抗。流場板模具製作如圖1，首先採用<100>厚度為
