基本上，燃料電池是一種將化學能直接轉變成電能的裝置，不需另行充電，只要持續的補充燃料及氧化劑，即可連續運轉發電。所補充的燃料及氧化劑并不經過燃燒反應的過程，而是燃料與氧化劑發生電化學反應而產生電流。
所以說，這樣的電化學反應是因為化學作用而伴隨著產生電荷的轉移，電子及離子以不同的反應路徑完成電荷的轉移。在燃料電池的反應過程中，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生反應。
燃料經電化學反應后產生電子，電子經由電極及外線路流向另一電極與氧化劑反應，氧化劑接受電子后，產生反應，并由電池內的電解質傳導離子，形成電子運轉的回路。
一般燃料電池的核心單元是由三個基本組件所構成：一個陽極，一個陰極，以及兩個電極之間的電解質。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，而當作燃料的氫離子及電子均來自陽極，電解質傳導氫離子。氫離子產于陽極后，經電解質到達陰極，而電子產于陽極后，則經由電池外的回路進入所使用的電器物品，再經過電器回路另一端回到電池的陰極。電子流經負載的電器時，電器品即可運轉，如發電、汽車、航空器、電動機運轉等。
陽極與陰極之間，有電解質可做為傳導離子用。一般燃料電池因電解質中所傳導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、固態氧化物燃料電池、質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反應速率甚低，須借助于催化劑加速，因此需要陽極催化劑及陰極催化劑。以高分子電解質燃料電池為例，主要的發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)。基本上電極膜組有五層結構，其中心是傳導氫離子的高分子膜，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)。
催化劑層的構造頗為復雜與多樣，由于最主要的電化學變化皆在此產生，如果催化劑層的設計或制造不良，燃料電池就無法產生足夠電流，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。混漿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。
現以氧氣催化劑層來說明反應如何進行。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，一般構成氣體擴散層的材料是碳布或碳紙，兩者須經高溫石墨化，使其具有導電性并增加抗蝕性，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，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，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合劑的功能，因其碳氟結構的穩定性，不會因電位操作下所產生自由基的攻擊而解構。
反應氣體經氣體擴散層后到達催化劑層，電化學反應皆在催化劑金屬的表面上產生。氣體擴散層的另一功能是傳導電子，反應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電子，且導電性要高。一般氣體擴散層加入鐵弗龍后，導電性會降低，所以要加入導電度高的碳粉，使導電度增加。
催化劑表面必須與電解質(即質子傳導膜)接觸，因電化學反應是在兩者的界面產生。而反應所需的氫離子皆由電解質傳遞，所以催化劑與電解質接觸不良，將不利反應的進行，若催化劑不與電解質接觸，其功能即消失。反應所需的電子皆經由催化劑進出，但催化劑本身的導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、導電度高、電化學穩定性高、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，應盡量減少使用，可是太少亦影響反應的進行。替代性催化劑材料也是現今研發的重點之一。電極催化劑是電極膜組結構中最重要的功能性材料，主要的功用是催化電化學反應的進行。
在陽極使氫分子被氧化成為電子及質子，若以甲醇直接進料，則由于反應更為復雜，必須使用不會被甲醇氧化反應的強吸附生成物占據反應表面位置的電極催化劑所組成，如合金及氧化物，以持續催化甲醇與水分子產生電子、質子和二氧化碳。
在陰極的部分則需要能將氧進行還原反應的催化劑，通常使用可吸附氧分子的大環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反應的催化條件。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，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，當反應在催化劑表面上進行時，需要氧的存在。此氧不是氣體，而是溶于電解質中的氧，而氫離子也經由電解質到達催化劑表面，電子經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，缺一反應即無法進行。
另一方面，反應所產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物再度進駐催化劑表面，生成物的離去亦是影響反應快慢的因素之一。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，會造成發電效能降低，因此至今電極膜組的制造仍是一種技術工藝，每一個燃料電池組制造商皆有其獨特的制作方法來生產這一個關鍵零組件。
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量來決定的。電極膜組是高分子電解質燃料電池的核心單元，也是燃料電池組功率性能的關鍵元件，加上合適的流場設計、水管理與熱管理的操作條件，以形成不同用途的燃料電池。
燃料電池依據其影響整體性能的要件及技術，大致上可以分類為工作環境、制備技術、電壓電流特性、電池材料等四大技術主軸，其下再依據此四大主軸更可細分為多項不同之部件或制造技術，相關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，除了工作環境、制備技術、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，里頭相關于膜電極組的技術，都被分類在電池材料一支，而氣體擴散層的技術，也僅為電池材料中的一項技術分類，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、觸媒層與質子交換膜上，因此同時擔任催化劑載體、氣體擴散層、排水層的碳紙，就自然成為燃料電池的關鍵零組件之一了。
質子交換膜燃料電池氣體擴散層結構的基材通常為碳纖維(Carbon-Fiber)產品，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點是由于它有高孔隙度結構及高導電率特性。
燃料電池氣體擴散層結構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、導電性以及化學安定性。其方法為以碳纖維紙為基礎再添加碳復合材料混合后熱處理，其制程中還可以添加適當的中間原料并配合使用的特性研發出相同的碳紙。
碳紙在造紙階段前必須先將連續長絲纖維切斷成為 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。
目前可應用在燃料電池氣體擴散層的碳紙生產廠商有 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，最后制成液態的漿料(Ink)，再利用涂布技術(如噴涂法、刮刀法、網印法)將此漿料涂布于碳紙的表面，之后再經過高溫燒結就可獲得此微孔層。生產碳紙之廠商亦提供涂布微孔層之完整產品給予客戶。氣體擴散層?(GDL)?在燃料電池中扮演相當多角色與功能，例如：
(1)提供反應氣體?(H2、O2 )?通道
(2)提供反應產物?(?水、熱?)?離開觸媒層的通道
(3)提供電化學反應電子的進出通道
由上述特性可知，氣體擴散層?(GDL)?必須同時具有導電性、導熱性、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商，目前僅有 Toray、Ballard 、Avcarb 及 SGL 、中國臺灣碳能，但單價甚高，且經常供不應求，所以若能有一創新技術能降低成本，達到經濟規模來生產此關鍵材料，即值得來進行此一技術之投資。
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──網狀金屬鎳。
其中碳纖維紙是一種廣泛應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)均勻的多孔質架構，賦予它優異的透氣性能；
(2)低的電阻率，賦予它高的電子傳導能力；
(3)架構緊密且表面平整，減小接觸電阻，提升導電性能；
(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的穩定性；
(5)具有化學穩定性和熱穩定性；低的制造成本，高的 CP 值。
根據上表 2-1 之碳紙競爭廠商產品物理特性之分析比較，我們可以知道VEL科旸多孔質碳纖維紙具有比其他廠商好的導電性、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異，目前VEL上海科旸新材料有限公司技術商品碳紙/碳布,已具備大規模商業化生產能力,并已實現原料來源全部國產化。也證明商品量產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? 中國區代表
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VIBRANT EPOCH LIMITED是一家集先進碳材料研發與應用于一體的創新型高科技企業。獨立研發團隊及技術支持專家團隊，致力于為業界提供先進生物碳纖維及新能源碳材料的應用解決方案，以滿足當今各行業發展對先進碳纖維材料的綜合性需求。
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