射出成型參數對燃料電池雙極板導電品質之影響

南 亞 學 報 第 二 十 九 期射 出 成 型 參 數 對 燃 料 電 池 雙 極 板 導 電 品 質 之 影 響射 出 成 型 參 數 對 燃 料 電 池 雙 極 板 導 電 品 質 之 影 響*李 平 惠 、 林 明 俊 、 廖 威 量南 亞 技 術 學 院 機 械 工 程 系摘 要燃 料 電 池 (Fuel Cell) 是 一 種 對 地 球 生 態 污 染 性 較 低 且 發 電 效 率 較 高 的 能 源 , 而雙 極 板 (Bipolar Plate) 佔 據 全 部 電 池 大 半 主 體 , 是 燃 料 電 池 的 主 要 元 件 。 以 高 分 子 導電 性 複 合 材 料 成 型 之 雙 極 板 , 具 有 重 量 輕 、 抗 腐 蝕 佳 、 成 本 低 、 加 工 快 的 優 點 ,若 能 於 導 電 度 上 有 所 突 破 , 就 能 逐 漸 取 代 石 墨 或 金 屬 雙 極 板 。 本 研 究 選 取 聚 酚 硫(PPS)+50wt.% 碳 纖 維 (CF) 高 分 子 導 電 性 複 合 材 料 , 藉 由 改 變 射 出 成 型 製 程 參 數 ( 模溫 、 料 溫 、 射 出 速 度 與 保 壓 壓 力 ), 探 討 射 出 成 型 製 作 無 流 道 平 板 製 程 中 , 對 碳 纖維 配 向 、 分 佈 與 導 電 性 之 影 響 。研 究 結 果 顯 示 , 射 出 成 型 較 佳 化 製 程 參 數 為 : 模 溫 210℃、 料 溫 330℃、 射 速60mm/s、 保 壓 150MPa, 雙 極 板 平 面 導 電 度 為 81S/cm, 接 近 DOE 國 際 之 標 準 , 達到 本 研 究 目 的 之 關 鍵 要 求 。關 鍵 字 : 雙 極 板 、 碳 纖 維 、 配 向*Email:phui@nanya.edu.tw Tel:03-4361070#6303 Fax:03-438467081

南 亞 學 報 第 二 十 九 期射 出 成 型 參 數 對 燃 料 電 池 雙 極 板 導 電 品 質 之 影 響Effects of Injection Molding Parameters for Fuel CellsBipolar Plates with Conductivity QualitiesP. H. Lee*, M. J. Lin, W. L. LiawDepartment of Mechanical EngineeringNanya Institute of TechnologyAbstractFuel cells constitute one of the most promising sources of clean energy and bipolarplate is an important component of a fuel cell. Electrically conductive polymercomposites for molding of bipolar plates, has the advantages of lightweight, low cost,chemical stability, and ease of fabrication. They will can alternative to graphite andmetal-based material if one can improve the conductivity of polymer composite. In thisstudy, bipolar plates without channel were injection molding (IM) using PPS polymerfilled with 50 wt% carbon fiber under different molding parameters was addressed. Theeffect of processing parameters including mold temperature, melt temperature, injectionvelocity, and packing pressure on the electrical conductivity performance were analyzedand correlated. Meanwhile, influence of fiber orientation and distribution from moldingconditions was evaluated.The results showed when the better molding condition was chosen (moldtemperature 210 ℃ , melt temperature 330℃, injection velocity 60mm/s, and packingpressure 150MPa) for IM. The in-plane conductivity can reached 81S/cm and it has beclose to the DOE target.Keyword: bipolar plate, carbon fiber, orientation82

南 亞 學 報 第 二 十 九 期射 出 成 型 參 數 對 燃 料 電 池 雙 極 板 導 電 品 質 之 影 響壹 、 前 言在 解 決 替 代 能 源 方 案 中 , 燃 料 電 池 (Fuel Cell) 能 源 發 電 技 術 是 一 種 對 地 球 生態 污 染 性 較 低 且 發 電 效 率 較 高 的 一 種 能 源 , 燃 料 電 池 不 同 於 傳 統 電 池 把 電 能 儲 存 於封 閉 裝 置 內 , 它 是 使 用 如 甲 醇 或 天 然 氣 可 以 再 裝 填 的 能 源 , 將 反 應 物 ( 例 如 氫 和 氧 )的 化 學 能 直 接 轉 換 成 電 能 的 電 化 學 裝 置 。 氫 氧 燃 料 電 池 是 以 氫 氣 為 燃 料 , 和 氧 氣 經電 化 學 反 應 後 透 過 質 子 交 換 膜 產 生 電 能 , 其 具 有 發 電 效 益 高 , 且 最 終 副 產 品 只 有 熱能 與 純 水 , 不 會 對 環 境 造 成 任 何 威 脅 , 因 此 堪 稱 是 一 種 環 保 能 源 。燃 料 電 池 的 主 要 組 成 元 件 , 包 括 電 極 (electrode)、 電 解 質 隔 膜 (electrolytemembrane) 與 雙 極 板 (bipolar plate)。 電 極 是 燃 料 氧 化 和 氧 化 劑 還 原 的 電 化 學 反 應 發生 的 場 所 , 可 分 為 陽 極 (anode) 與 陰 極 (cathode) 兩 部 分 。 電 解 質 隔 膜 的 功 能 是 分 隔 氧化 劑 與 還 原 劑 , 並 同 時 傳 導 離 子 。 雙 極 板 它 具 有 收 集 電 流 、 傳 送 、 疏 導 反 應 氣 體 、熱 平 衡 與 散 熱 的 管 理 , 以 及 分 隔 氧 化 劑 與 還 原 劑 的 作 用 , 因 此 雙 極 板 需 具 備 導 電 度高 、 氣 密 性 好 、 機 械 性 質 優 良 和 耐 熱 性 佳 的 特 性 。 在 燃 料 電 池 中 , 雙 極 板 最 主 要 的功 能 為 電 流 的 收 集 及 導 電 , 因 此 必 須 有 良 好 電 傳 導 性 , 才 能 確 保 電 池 的 正 常 運 作 ,美 國 DOE (Department of Energy) 也 針 對 雙 極 板 之 導 電 性 提 出 基 本 需 求 為 100S/cm[1], 此 為 目 前 研 究 雙 極 板 相 關 人 員 之 主 要 目 標 。目 前 大 多 數 導 電 高 分 子 複 合 材 料 之 製 造 方 法 是 將 高 分 子 中 添 加 導 電 材 料 如 奈米 碳 管 (Carbon Nano Tube)、 石 墨 (Graphite)、 碳 黑 (Carbon Black)、 碳 纖 維 (CarbonFiber) 與 金 屬 纖 維 (Metal Fiber) 等 , 使 導 電 材 料 在 高 分 子 成 品 中 互 相 接 觸 形 成 導 電 通路 , 達 成 導 電 效 果 。Kaiser [2] 等 人 提 議 用 熱 塑 性 樹 脂 PPS 加 入 碳 黑 、 碳 纖 或 石 墨 ,有 足 夠 的 導 電 化 學 性 、 機 械 及 熱 性 質 與 良 好 尺 寸 安 定 性 , 且 適 合 使 用 於 雙 極 板 。Bisaria [3] 指 出 將 熱 塑 性 高 分 子 添 加 導 電 強 化 材 料 , 可 用 射 出 成 型 製 程 製 作 雙 極板 , 採 用 射 出 成 型 加 工 方 式 具 成 本 低 且 可 高 速 成 型 , 亦 可 較 準 確 的 射 出 重 量 (moreprecise shot weight) 控 制 , 同 時 比 起 熱 壓 成 型 方 式 生 產 速 度 快 很 多 。 而 Heinzel [4]等 人 指 出 成 型 品 所 混 合 之 導 電 性 材 料 , 若 能 正 交 (orthogonal) 於 平 板 之 平 面 能 有 效 提高 導 電 性 。 而 在 Davenport [5] 研 究 中 亦 指 出 導 電 度 隨 展 弦 比 (aspect ratio) 增 加 而 增加 , 較 大 的 展 弦 比 較 易 形 成 導 電 通 路 , 此 外 展 弦 比 增 加 亦 可 降 低 導 電 碳 纖 維 量 , 並且 改 進 塑 膠 製 品 機 械 性 質 。Blunk [6] 等 人 也 在 研 究 成 果 中 提 到 高 分 子 複 合 材 料 雙 極板 藉 由 控 制 碳 纖 維 配 向 能 增 加 燃 料 電 池 的 導 電 性 。如 前 所 述 , 高 分 子 基 材 、 導 電 性 添 加 物 與 製 程 方 式 , 皆 能 影 響 到 高 分 子 複 合 材83

南 亞 學 報 第 二 十 九 期射 出 成 型 參 數 對 燃 料 電 池 雙 極 板 導 電 品 質 之 影 響料 的 導 電 性 。 同 時 纖 維 展 弦 比 、 纖 維 配 向 、 分 佈 與 添 加 導 電 纖 維 的 含 量 , 也 會 影 響雙 極 板 的 導 電 性 能 。 但 是 以 零 件 製 造 商 的 觀 點 來 看 , 有 關 於 導 電 度 受 成 型 參 數 的 影響 性 之 量 化 成 型 法 則 以 及 成 品 之 成 型 性 也 是 非 常 重 要 的 。Mighri [7] 等 人 雖 然 提 出了 製 程 方 式 對 導 電 性 的 影 響 提 出 了 初 步 的 研 究 , 但 並 未 針 對 導 電 性 能 品 質 與 成 型 參數 間 之 相 互 關 係 提 出 有 系 統 之 研 究 。 因 此 本 研 究 的 目 的 即 針 對 燃 料 電 池 雙 極 板 的 應用 , 以 射 出 成 型 方 式 對 製 程 特 性 與 導 電 品 質 進 行 探 討 研 究 , 期 能 突 破 技 術 上 的 瓶頸 , 與 創 造 更 多 經 濟 價 值 。貳 、 材 料 與 方 法2-1 高 分 子 複 合 材 料 製 備本 研 究 所 使 用 的 聚 酚 硫 (PPS)+50wt.% 碳 纖 維 (CF) 導 電 性 複 合 材 料 是 由 冠 中 企業 社 所 提 供 , 碳 纖 維 的 尺 寸 直 徑 為 5 μm, 長 度 是 3.2 mm。PPS 本 身 為 結 晶 性 材 料 ,密 度 為 1.8g/cm3, 結 晶 溫 度 約 121℃、 裂 解 溫 度 約 590℃, 操 作 溫 度 在 290℃~320℃之 間 , 具 有 良 好 耐 熱 性 、 耐 蝕 性 及 抗 張 強 度 、 彎 曲 強 度 與 彈 性 率 等 機 械 性 質 。 模 具採 用 兩 片 模 板 上 下 對 開 方 式 , 其 主 澆 道 、 流 道 、 澆 口 與 模 穴 位 於 同 一 側 , 模 具 為 扇型 澆 口 (Fan Gate)。 於 上 下 模 間 具 有 對 稱 之 冷 卻 水 管 道 (cooling channel) 設 計 , 以 使試 片 在 成 型 過 程 中 獲 得 適 當 溫 度 調 節 。 模 具 採 一 模 一 穴 方 式 , 為 無 流 道 結 構 的 平 板狀 模 仁 , 模 具 材 料 為 AISI-P20 低 碳 模 具 用 鋼 ( 含 碳 量 在 0.28%~0.4% 之 間 )。 無 流道 結 構 的 平 板 尺 寸 長 寬 各 53 mm、 厚 度 2 mm, 試 片 尺 寸 如 圖 1 所 示 。 採 用 日 本 日鋼 公 司 所 生 產 型 號 為 J85ELⅡ 的 JSW 全 電 式 射 出 成 型 機 , 鎖 模 單 元 為 全 電 雙 肘 式 ,最 大 螺 桿 傳 送 速 度 為 300 mm/sec( 流 動 速 率 288 cm 3 /sec), 以 及 最 大 射 出 壓 力 為 167MPa。 射 出 成 型 選 定 模 具 溫 度 範 圍 為 150℃~210℃, 熔 膠 溫 度 範 圍 為 290℃~330℃, 射 出 速 度 範 圍 為 60 mm/sec~120 mm/sec, 保 壓 壓 力 範 圍 為 100MPa~150MPa,成 型 參 數 如 表 1 所 示 , 而 各 參 數 範 圍 之 中 間 值 為 原 始 參 數 以 便 作 為 比 較 。 成 型 過 程中 每 個 參 數 各 做 10 片 , 取 樣 待 成 型 穩 定 ( 指 其 料 量 與 模 溫 穩 定 ) 後 開 始 取 樣 , 以確 保 成 型 穩 定 性 , 而 有 效 樣 本 取 樣 數 為 5 片 試 片 ( 標 準 差 在 3% 以 內 ), 求 其 平 均 值做 實 驗 分 析 討 論 。2-2 導 電 性 量 測 方 法量 測 導 電 性 量 測 方 法 有 平 面 電 阻 量 測 (In-Plane Resistance Test) 與 穿 透 電 阻 量 測(Through-Plane Resistance), 平 面 電 阻 量 測 之 儀 器 使 用 德 技 股 份 有 限 公 司 生 產 之 四84

南 亞 學 報 第 二 十 九 期射 出 成 型 參 數 對 燃 料 電 池 雙 極 板 導 電 品 質 之 影 響點 探 針 面 電 阻 值 量 測 儀 (4-Point Probe Sheet Resistance Measurement) QTI-Model5601Y/QT-50。 其 主 要 由 5601Y 面 電 阻 測 試 儀 與 QT-50 四 點 探 針 測 試 平 台 所 組 成 ,電 阻 值 量 測 範 圍 為 10μΩ~30MΩ, 其 中 分 為 九 個 段 位 , 本 實 驗 使 用 10μΩ~330mΩ之 段 位 , 精 準 度 達 ±0.05%。 四 點 探 針 面 電 阻 值 量 測 示 意 圖 如 圖 2 所 示 , 其 四 根 探針 置 於 一 線 上 , 電 源 由 外 面 兩 端 探 針 輸 入 , 而 內 側 兩 探 針 量 測 電 壓 以 歐 姆 定 律 計 算出 電 阻 值 。 而 穿 透 電 阻 量 測 之 示 意 圖 如 圖 3 所 示 , 將 成 品 置 於 正 負 電 極 之 中 , 並 施與 一 固 定 力 量 夾 持 , 此 時 成 品 與 電 極 接 觸 面 放 置 軟 性 導 電 石 墨 減 少 其 接 觸 阻 抗 , 而後 將 兩 端 之 金 屬 電 極 輸 入 一 固 定 電 流 , 並 以 萬 用 電 錶 連 接 電 極 兩 端 , 讀 取 其 電 壓 值並 經 由 歐 姆 定 律 換 算 出 電 阻 值 。 萬 用 電 表 使 用 FLUKE 公 司 生 產 之 8840AMUTLIMETER, 其 電 壓 整 體 範 圍 可 量 1μV~1000V, 其 中 分 為 六 個 段 位 , 本 實 驗使 用 100μV~20V 之 段 位 , 精 準 度 達 ±0.003%。 而 電 源 供 應 器 使 用 GW GPC-3060D,其 機 台 上 限 為 3A、5V, 電 源 精 準 度 達 ±1%, 量 測 夾 具 則 為 自 製 組 件 。 試 片 電 阻 量測 時 , 量 測 點 以 澆 口 處 算 起 分 成 九 區 塊 , 量 測 各 區 塊 中 心 點 , 整 片 電 阻 值 取 此 九 點之 平 均 值 , 而 電 阻 均 勻 性 則 以 近 、 中 、 遠 澆 口 三 區 域 三 點 的 平 均 值 來 比 較 均 勻 性 ,量 測 位 置 如 圖 4 所 示 。叁 、 結 果 與 討 論圖 5 與 圖 6 為 模 溫 變 化 對 穿 透 電 阻 與 平 面 導 電 度 均 勻 性 之 影 響 , 模 溫 愈 高 時 ,穿 透 電 阻 有 下 降 之 趨 勢 , 而 穿 透 電 阻 的 均 勻 性 則 呈 現 近 澆 口 與 遠 澆 口 端 之 電 阻 值 較小 , 且 中 央 區 域 電 阻 值 較 高 , 穿 透 電 阻 平 均 為 3.22Ω, 模 溫 愈 低 時 穿 透 電 阻 均 勻 性較 差 , 而 模 溫 高 時 穿 透 電 阻 的 均 勻 性 改 善 不 少 , 因 此 模 溫 對 穿 透 電 阻 的 均 勻 性 之 影響 有 其 效 果 。 至 於 平 面 導 電 性 方 面 , 模 溫 愈 高 , 平 面 導 電 性 愈 好 , 平 均 導 電 度 可 達到 59.01 S/cm, 模 溫 之 高 低 對 平 面 導 電 度 有 明 顯 之 趨 勢 , 模 溫 高 對 平 面 導 電 的 均 勻性 有 很 大 提 升 。 圖 7 與 圖 8 為 料 溫 變 化 對 穿 透 電 阻 與 平 面 導 電 度 均 勻 性 之 影 響 , 料溫 愈 高 時 , 穿 透 電 阻 有 下 降 之 趨 勢 , 而 穿 透 電 阻 均 勻 性 則 呈 現 近 澆 口 與 遠 澆 口 之 電阻 值 較 小 , 而 中 央 區 域 電 阻 值 較 高 之 情 形 , 穿 透 電 阻 平 均 為 4.22Ω, 且 於 料 溫 從290℃ 變 化 到 310℃ 時 , 穿 透 電 阻 均 勻 性 的 值 有 平 移 之 趨 勢 , 但 近 、 中 、 遠 澆 口 不均 勻 之 趨 勢 則 無 改 變 , 因 此 料 溫 變 化 對 穿 透 電 阻 的 均 勻 性 影 響 甚 小 。 至 於 平 面 導 電性 方 面 , 料 溫 之 高 低 對 平 面 導 電 度 的 影 響 , 有 很 明 顯 的 趨 勢 , 平 均 導 電 度 可 達 到76.63 S/cm, 料 溫 的 增 加 使 平 面 導 電 度 成 線 性 的 增 加 。 而 平 面 導 電 均 勻 性 之 計 算 乃依 近 、 中 、 遠 澆 口 導 電 度 平 均 而 得 , 在 高 料 溫 330℃ 時 , 平 面 導 電 的 均 勻 性 比 低 料85

南 亞 學 報 第 二 十 九 期射 出 成 型 參 數 對 燃 料 電 池 雙 極 板 導 電 品 質 之 影 響溫 (290℃、310 ℃ ) 佳 , 因 此 可 以 知 道 料 溫 高 可 提 升 使 平 面 導 電 均 勻 性 。圖 9 與 圖 10 為 射 速 變 化 對 穿 透 電 阻 與 平 面 導 電 度 均 勻 性 之 影 響 , 射 出 速 度 愈快 時 , 穿 透 電 阻 有 漸 增 之 趨 勢 , 而 穿 透 電 阻 均 勻 性 如 同 料 溫 般 , 呈 現 近 澆 口 端 與 遠澆 口 端 之 電 阻 值 較 小 且 中 央 區 域 電 阻 值 較 高 , 穿 透 電 阻 平 均 為 3.63Ω, 且 於 射 速 變化 時 , 各 區 域 穿 透 電 阻 變 化 的 斜 率 相 近 , 穿 透 電 阻 均 勻 性 的 趨 勢 並 無 改 變 , 因 此 射速 的 變 化 對 其 穿 透 均 勻 性 影 響 甚 小 。 至 於 平 面 導 電 性 方 面 , 射 速 增 加 , 平 面 導 電 性下 降 , 兩 者 成 反 比 的 關 係 , 平 均 導 電 度 為 64.78 S/cm, 而 平 面 導 電 均 勻 性 , 在 高 射速 時 , 有 較 佳 的 均 勻 性 。 圖 11 與 圖 12 為 保 壓 變 化 對 穿 透 電 阻 與 平 面 導 電 度 均 勻 性之 影 響 , 保 壓 壓 力 大 時 , 穿 透 電 阻 有 下 降 之 趨 勢 , 穿 透 電 阻 平 均 為 3.04Ω, 而 穿 透均 勻 性 仍 呈 現 近 、 遠 澆 口 之 電 阻 值 較 小 , 且 中 央 區 域 電 阻 值 較 高 之 情 形 , 但 於 保 壓壓 力 較 小 時 趨 勢 有 較 不 均 勻 之 情 形 , 因 此 保 壓 對 均 勻 性 有 所 影 響 。 至 於 平 面 導 電 性方 面 , 保 壓 壓 力 增 加 對 平 面 導 電 度 提 升 有 限 , 平 均 導 電 度 為 58.35 S/cm, 而 保 壓 壓力 變 化 對 平 面 導 電 均 勻 性 影 響 不 大 。圖 13 為 各 製 程 參 數 變 化 之 顯 微 組 織 (SEM) 1000 倍 觀 察 , 由 圖 (a) 與 圖 (b) 比 較 可發 現 模 溫 210℃ 時 接 近 表 皮 層 處 之 纖 維 含 量 較 模 溫 150℃ 高 。 模 溫 變 化 主 要 影 響 成品 凝 固 層 之 厚 度 , 當 模 溫 愈 高 時 表 皮 層 厚 度 有 較 薄 之 情 形 。 成 型 過 程 中 因 表 皮 層 瞬間 凝 固 導 致 纖 維 極 少 分 佈 於 表 皮 層 表 面 , 雖 模 溫 較 低 有 浮 纖 之 現 象 但 伴 隨 著 表 皮 層較 厚 , 因 此 導 電 性 也 無 法 提 升 。 而 模 溫 較 高 時 表 皮 層 之 纖 維 含 量 雖 與 模 溫 低 時 相近 , 但 表 皮 層 相 對 較 薄 情 況 下 , 剪 切 層 之 纖 維 與 表 面 之 距 離 較 近 , 導 電 效 果 也 相 對較 佳 。 在 料 溫 變 化 之 SEM 觀 察 方 面 ( 圖 (c) 與 圖 (d)), 料 溫 高 時 , 其 表 皮 層 有 較 薄 之情 形 , 纖 維 較 接 近 表 皮 層 , 但 表 皮 層 處 纖 維 仍 沉 於 高 分 子 下 方 。 因 此 可 推 斷 料 溫 愈高 , 熔 膠 之 黏 度 愈 低 纖 維 較 容 易 翻 轉 , 因 此 纖 維 沿 流 動 方 向 之 配 向 較 少 。 纖 維 翻 轉造 成 隨 機 的 纖 維 配 向 且 料 溫 較 高 時 , 表 皮 層 有 較 薄 之 情 形 , 對 導 電 性 有 提 升 之 效果 。 在 射 速 變 化 之 SEM 觀 察 方 面 ( 圖 (e) 與 圖 (f)), 可 發 現 射 速 60mm/s 時 , 接 近 皮 層處 之 纖 維 含 量 較 高 且 配 向 明 顯 較 射 速 120mm/s 雜 亂 許 多 。 因 此 可 得 知 射 出 速 度 較慢 時 , 纖 維 易 於 熔 膠 中 翻 轉 交 錯 ; 反 之 射 出 速 度 愈 快 時 , 纖 維 受 速 度 場 之 影 響 , 容易 沿 著 流 動 方 向 配 向 , 且 也 較 容 易 打 斷 纖 維 的 糾 結 。 射 出 速 度 提 高 不 僅 剪 切 層 有 較佳 之 配 向 行 為 , 連 核 心 層 也 從 雜 亂 漸 漸 發 展 成 沿 流 動 方 向 之 配 向 , 因 此 射 出 速 度 愈快 時 導 電 性 有 下 降 之 趨 勢 , 反 之 射 出 速 度 慢 纖 維 翻 轉 互 相 交 錯 時 導 電 性 有 提 升 之 效果 。 在 保 壓 變 化 之 SEM 觀 察 方 面 ( 圖 (g) 與 圖 (h)), 可 發 現 保 壓 壓 力 150MPa 時 , 接近 表 皮 層 處 之 纖 維 含 量 較 多 且 互 相 交 錯 。 當 保 壓 壓 力 較 大 時 , 成 品 內 部 壓 力 提 升 造成 纖 維 相 互 交 錯 與 擠 壓 , 可 有 效 打 亂 內 部 纖 維 配 向 。 雖 對 核 心 層 配 向 影 響 不 大 但 可86

南 亞 學 報 第 二 十 九 期射 出 成 型 參 數 對 燃 料 電 池 雙 極 板 導 電 品 質 之 影 響造 成 剪 切 層 雜 亂 之 配 向 , 有 效 減 少 表 皮 層 之 厚 度 進 而 提 升 導 電 度 。 且 保 壓 壓 力 較 大時 成 品 之 密 度 較 高 , 因 此 纖 維 密 度 也 較 高 。 保 壓 壓 力 愈 高 導 電 性 也 愈 高 , 整 體 趨 勢起 伏 相 當 明 顯 , 因 此 可 推 斷 保 壓 壓 力 對 成 品 之 導 電 性 有 顯 著 影 響 。射 出 成 型 中 以 高 模 溫 (210 ℃ ) 、 高 料 溫 (330 ℃ )、 低 射 速 (60mm/s) 與 高 保 壓 壓 力(150MPa), 四 種 較 佳 化 參 數 進 行 射 出 成 型 , 並 與 整 體 製 程 參 數 對 導 電 性 的 影 響 與 效果 之 比 較 如 表 2 所 示 , 由 表 中 可 得 知 較 佳 化 參 數 對 穿 透 導 電 性 有 所 提 升 , 穿 透 電 阻平 均 為 2.03Ω, 且 於 穿 透 電 阻 均 勻 性 也 有 改 善 , 此 乃 保 壓 效 果 充 分 到 達 充 填 末 端 且於 表 皮 層 與 剪 切 層 之 影 響 所 致 , 此 組 參 數 於 平 面 導 電 性 量 測 過 程 中 量 測 值 較 穩 定 ,且 效 果 較 佳 並 呈 現 均 勻 之 情 形 , 此 因 纖 維 愈 接 近 表 皮 層 影 響 所 致 。 在 平 面 導 電 性 方面 , 較 佳 化 參 數 製 程 使 平 面 導 電 度 與 均 勻 性 皆 有 增 加 之 情 形 , 平 均 導 電 度 為 81.39S/cm。肆 、 結 論本 研 究 以 PPS/CF 高 分 子 導 電 性 複 合 材 料 射 出 成 型 平 板 成 品 , 針 對 碳 纖 維 配向 、 分 佈 以 及 導 電 度 之 影 響 進 行 探 討 , 並 獲 得 實 驗 上 相 關 之 應 用 參 數 。 在 射 出 成 型製 程 參 數 中 , 以 模 溫 與 保 壓 壓 力 變 化 對 穿 透 電 阻 影 響 最 大 , 與 原 始 對 照 其 穿 透 電 阻降 低 程 度 分 別 達 26.73% 與 30.69%; 而 料 溫 變 化 對 平 面 導 電 度 影 響 最 大 , 平 面 導 電度 可 提 升 39.61%。 而 較 佳 化 之 製 程 參 數 成 型 後 , 整 體 之 穿 透 電 阻 有 53.73% 的 下 降 ,而 平 面 導 電 度 也 提 升 48.27% 之 多 , 平 面 導 電 性 成 果 已 達 81 S/cm, 接 近 DOE 國 際標 準 。 然 而 , 由 於 高 分 子 導 電 性 複 合 材 料 不 同 的 成 型 條 件 對 導 電 品 質 的 影 響 非 常大 , 因 此 , 本 研 究 的 結 果 能 對 碳 纖 維 充 填 PPS 高 分 子 複 合 材 料 射 出 成 型 成 品 提 供一 個 較 佳 成 型 條 件 , 建 議 製 程 參 數 為 模 溫 210℃、 料 溫 330℃、 射 出 速 度 60mm/s與 保 壓 壓 力 150MPa, 得 以 獲 得 較 好 導 電 性 能 。伍 、 參 考 文 獻1. U.S Department of Energy (DOE) Website http://www.energy.gov/2. R. Kaiser and H.-G. Fritz, Proc. Polymer Processing Society Annual Meeting,PPS-17, Montreal (May 21_24, 2001).3. M. K. Bisaria and K. Mukesh, “Injection moldable conductive aromaticthermoplastic liquid crystalline polymer compositions”, WO00/44005, (2000).D. E.Davenport, “Metalloplastics : High Conductivity Materials”, Polymer News, (1982).87

南 亞 學 報 第 二 十 九 期射 出 成 型 參 數 對 燃 料 電 池 雙 極 板 導 電 品 質 之 影 響4. A. Heinzel, F. Mahlendorf, O. Niemzig and C. Kreuz, “Injection moulded low costbipolar plates for PEM fuel cells”, Journal of Power Sources, (2004).5. D. E. Davenport, “Metalloplastics : High Conductivity Materials”, Polymer News,(1982).6. R. H. J. Blunk and D. J. Lisi, “Enhanced Conductivity of Fuel Cell Plates ThroughControlled Fiber Orientation”, AIChE Journal, (2003).7. F. Mighri, M. A. Hunealt, and M. F. Champage, “Electrically ConductiveThermoplastic Blends for Injection and Compression Molding of Bipolar Plates inthe Fuel Cell Application”, Polymer Engineering and Science, (2004).陸 、 圖 表 彙 整表 1 射 出 成 型 製 程 參 數 表模 溫 (℃) 料 溫 (℃) 射 速 (m/s) 保 壓 (MPa)1 1502 180310 90 1253 2104 2905 18031090 12563307 608 180 31090125912010 10011 180 310 9012512150參 數比 較表 2 製 程 參 數 對 導 電 性 之 影 響 比 較穿 透 電 阻 (Ω) 改 善 效 率 (%) 平 面 電 導 (S/cm) 改 善 效 率 (%)原 始 4.392 X 54.889 X模 溫變 化料 溫變 化射 速變 化保 壓變 化較 佳參 數3.218 26.73 59.005 7.494.221 3.89 76.631 39.613.634 17.26 64.775 18.013.044 30.69 58.348 6.32.032 53.73 81.385 48.2788

南 亞 學 報 第 二 十 九 期射 出 成 型 參 數 對 燃 料 電 池 雙 極 板 導 電 品 質 之 影 響圖 1 成 品 尺 寸 示 意 圖圖 2 平 面 電 阻 量 測 示 意 圖1 2 34 5 67 8 9近 澆 口中 央 區 域遠 澆 口圖 3 穿 透 電 阻 量 測 示 意 圖圖 4 試 片 電 阻 量 測 示 意 圖14料 溫 310 o C, 射 速 90mm/s, 保 壓 125MPa10090料 溫 310 o C, 射 速 90mm/s, 保 壓 125MPa穿 透 電 阻 (Ω)1210864模 溫 150 o C模 溫 180 o C模 溫 210 o C平 面 導 電 度 (S/cm)80706050403020PPS+50wt%CF 傳 統 射 出 成 型近 澆 口 中 央 遠 澆 口20100模 溫 150 o C模 溫 180 o C模 溫 210 o CPPS+50wt%CF 傳 統 射 出 成 型近 澆 口 中 央 遠 澆 口量 測 位 置量 測 位 置圖 5 模 溫 變 化 對 穿 透 電 阻 之 影 響圖 6 模 溫 變 化 對 平 面 導 電 度 之 影 響89

南 亞 學 報 第 二 十 九 期射 出 成 型 參 數 對 燃 料 電 池 雙 極 板 導 電 品 質 之 影 響穿 透 電 阻 (Ω)14121086420模 溫 180 o C, 射 速 90mm/s, 保 壓 125MPa近 澆 口中 央量 測 位 置料 溫 290 o C料 溫 310 o C料 溫 330 o CPPS+50wt%CF 傳 統 射 出 成 型遠 澆 口平 面 導 電 度 (S/cm)1201101009080706050403020模 溫 180 o C, 射 速 90mm/s, 保 壓 125MPa料 溫 290 o C料 溫 310 o C料 溫 330 o C近 澆 口中 央量 測 位 置PPS+50wt%CF 傳 統 射 出 成 型遠 澆 口圖 7 料 溫 變 化 對 穿 透 電 阻 之 影 響圖 8 料 溫 變 化 對 平 面 導 電 度 之 影 響穿 透 電 阻 (Ω)141210864模 溫 180 o C, 料 溫 310 o C, 保 壓 125MPa射 速 60 mm/s射 速 90 mm/s射 速 120 mm/s平 面 導 電 度 (S/cm)10090807060504030模 溫 180 o C, 料 溫 310 O C, 保 壓 125MPa20近 澆 口PPS+50wt%CF 傳 統 射 出 成 型中 央 遠 澆 口量 測 位 置20100射 速 60 mm/s射 速 90 mm/s射 速 120 mm/s近 澆 口中 央量 測 位 置PPS+50wt%CF 傳 統 射 出 成 型遠 澆 口圖 9 射 速 變 化 對 穿 透 電 阻 之 影 響圖 10 射 速 變 化 對 平 面 導 電 度 之 影 響14模 溫 180 o C, 料 溫 310 O C , 射 速 90 mm/s80模 溫 180 o C, 料 溫 310 O C, 射 速 90 mm/s穿 透 電 阻 (Ω)1210864保 壓 100MPa保 壓 125MPa保 壓 150MPa平 面 導 電 度 (S/cm)70605020近 澆 口PPS+50wt%CF 傳 統 射 出 成 型中 央 遠 澆 口量 測 位 置4030保 壓 100MPa保 壓 125MPa保 壓 150MPa近 澆 口PPS+50wt%CF 傳 統 射 出 成 型中 央 遠 澆 口量 測 位 置圖 11 保 壓 變 化 對 穿 透 電 阻 之 影 響圖 12 保 壓 變 化 對 平 面 導 電 度 之 影 響90

南 亞 學 報 第 二 十 九 期射 出 成 型 參 數 對 燃 料 電 池 雙 極 板 導 電 品 質 之 影 響(a) 模 溫 150℃ (b) 模 溫 210℃(c) 料 溫 290℃ (d) 料 溫 330℃(e) 射 速 60mm/s(f) 射 速 120mm/s(g) 保 壓 100MPa(h) 保 壓 150MPa圖 13 各 製 程 參 數 變 化 之 顯 微 組 織 (SEM) 1000 倍 觀 察91

南 亞 學 報 第 二 十 九 期射 出 成 型 參 數 對 燃 料 電 池 雙 極 板 導 電 品 質 之 影 響92