智能設計與節能生產系統之開發與應用
節能材料－可撓式電致色變元件
　　逢甲大學研發處因鑑於整合逢甲大學研究能量之重要，於86學年起規劃推動以研究群機制方式投入研究之校級卓越計畫。在2002年所核定之校級卓越計畫 中，「智能設計與節能生產系統之研究與開發計畫」是由工學院最具有研究特色之團隊進行研究。由工學院化工系及能源資源中心節能材料組為主之研究群（吳石 乙、詹志潔、袁維勵及林永森教授等）所執行之子計畫一「電致色變材料製備之智慧型遮光窗戶」為一具有節省能源效率之智慧型遮光窗戶（Smart Window），主要是藉由提供低電壓（5伏特以下）來驅動由電致色變材料所製備之電致色變元件，藉由控制所提供之負電壓及正電壓，使電致色變材料所製 備之電致色變元件得以由透明轉變成藍色或由藍色轉變成透明，因此在夏天陽光普照的時候，可調整電致色變元件為藍色，即為低光穿透率之狀態，以減低太陽光 照射造成室內溫度的提高，因而減少冷氣使用量；而在冬天時，則調整電致色變元件為高光穿透率狀態，以增加太陽光之照射，使室內溫度提高以達到減少暖氣之使用量，如此依外界之光線強度來調整電致色變元件之光穿透率，將可達到節省能源的效果。所以在能源短缺之今日，電致色變元件遂成為節省能源之一利器。
　　目前雖已有許多公司如Gentex、Donnelly等已能提供電致色變元件，然而目前之電致色變元件不僅價格昂貴，而且均侷限在玻璃基材之電致色變元件，因而使得玻璃基材之電致色變元件在取代傳統窗戶來作為智慧型遮光窗戶時，需要通過窗戶之安全性驗證，使得電致色變元件至今仍無法被大量採用。工學院化工系及能源資源中心節能材料組之電致色變研究群遂提出一「可撓式電致色變元件」之構想，希望能提供可貼合在傳統窗戶上之「可撓式電致色變元件」，使一般傳統窗戶得以達到具有「智慧型遮光窗」之效果，另外，因「可撓式電致色變元件」可藉由roll to roll方式來生產，因此可提供具低價格成本之「可撓式電致色變元件」，一旦「可撓式電致色變元件」經研究開發成功後，將可被廣泛使用在「智慧型遮光窗」上。
　　對於「可撓式電致色變元件」之應用而言，因其具有著色記憶特性，在提供數伏特之負電壓著藍色後，可維持藍色達一週以上，若能藉由微影技術將一些顯示文字、數字及圖片所需之微小化陣列線路製作出來，將可擴大應用在電子紙（e-paper）及智慧型RFID之應用上。電子紙最主要是被研究用來取代傳統之報紙，藉由可捲成如一支筆之「電子報紙」，在讀者需要閱讀新聞時，將可撓式顯示螢幕拉出，在按下開關按鈕後，即可經由無線傳輸來閱讀新聞，電子紙之發明可減少報紙之使用，進而減少樹林被砍伐，使得自然資源得以保存。電子紙所使用之可撓式顯示螢幕，除需具有可撓性外，亦必需具有非常節省能源之顯示螢幕， 目前尚處於研究階段。智慧型RFID可視為小型之電子紙，在物品需要隱藏其相關資訊時，「可撓式電致色變元件」可處在去色透明態，而在需要檢驗相關資訊時，則可處於著色藍色態。此類物品為攜帶式小巧產品，所以需在物品上配置可撓式電池，此外物品大部份具有曲面，所以亦需具有可撓性。「可撓式電致色變元件」不僅具有可撓性，且在著色及去色時僅需數伏特之負電壓及正電壓來驅動，因此可與太陽能電池結合使用，尤其在電池取得不易之偏遠地區，更顯出「可撓式
電致色變元件」具備節省能源特性之優點。
　　目前研發之「可撓式電致色變元件」去色態透明時之照片及其著色態藍色時之照片如前頁圖所示，同時亦顯示出「可撓式電致色變元件」具有良好之可撓性，而其光調幅（LightModulation），即去色態透明時之光穿透率與著色態藍色時之光穿透率差異更可達50 % （450 nm）以上，且「可撓式電致色變元件」之壽命則經驗證已可達數萬次以上，目前正加速將「可撓式電致色變元件」商業化的腳步，使得逢甲大學及產業界達到雙贏之成果。

　工學院校卓越計畫團隊/林永森教授提供

環保能源技術之開發與應用
燃料電池關鍵技術－質子交換膜燃料電池
　　理學院所執行的校卓越計畫「環保能源技術之開發與應用」著重於「質子交換膜燃料電池PEMFC」的研究開發。如下圖所示，PEMFC基本上是由兩個電極夾著一層高分子薄膜之電解質所組成，其電解質必須維持溼度（含水）才具離子導電性，陰陽兩極，除碳粉外也包含降低電化學反應所需溫度的最佳催化劑?白金粉末。本計畫相關研究成果不但兼具基礎實驗機制的學術探討，也透過專利之申請，彰顯其未來市場技術研發轉移的可能商機，例如：碳紙電極之實測結果已優於日本Toray及美國Electrochem等公司之產品；電泳披覆Pt粉體之觸媒催化效果亦與傳統Pt網印製程相當，且更節省Pt觸媒之劑量；而本計畫所研製之金屬基雙極板亦已完成實驗室之基礎防蝕測試，正進行燃料電池之環境測試。

PEMFC工作原理

本計畫燃料電池所需之儲氫系統的合金開發與微型儲氫系統設計，相關成果重點可簡述如下：
燃料電池分析系統
　　由於能源危機與環保問題，近幾年來，不論國內、外對於新能源的研發都莫不投入大量人力與財力，其中尤以使用氫氧為燃料的燃料電池之研發最為熱門。故此， 燃料電池之測試分析系統在國內、外都擁有廣大的市場，早期的發展與研究，著重於一個已組裝完成的燃料電池全電池（單電池）之測試，所以，燃料電池全電池分析系統已是相當成熟的技術，但其測試時程卻相當漫長。
　　如今，燃料電池研發的瓶頸大多為基本組成元件（質導膜、觸媒、碳電極材、雙極板）之材料問題，例如，電極的觸媒活性、電子阻抗、離子阻抗、腐蝕性質。相較於全電池分析系統，本（半電池）測試分析系統可提供較快速且精密、多樣化的測試數據。
此系統包含燃料供應裝置、電化學分析裝置、資料擷取裝置、溫度控制裝置以及殘餘燃料收集裝置，因而可控制氣態或液態燃料流量，並模擬實際工作時電池所須面臨的臨場溫度。此外，資料擷取裝置可紀錄交/直流可調變之電化學反應分析數據，並透過殘餘燃料收集裝置收集反應殘留之燃料及分析燃料消耗總量。本測試系統還可應用於腐蝕分析、電化學鍍膜、電化學蝕刻等多功能用途。

電化學半電池製具
　　本電化學半電池製具能精確分析燃料電池各種材料於電化學環境中的反應，例如：正/負極材料的研發，質導膜的擴散行為、觸媒催化效率、氣體擴散層的改良等，並可針對改良的元件材料進行精確的分析，釐清其在全電池當中複雜的反應機制，因此，在電化學實驗或製程上，本製具皆屬一項相當有競爭性的利器。本製具擁有多功能的用途，不但可適用於半電池分析，更可應用於腐蝕分析、電化學鍍膜、電化學蝕刻等，提高單一製具的利用效能。在腐蝕分析方面，本製具改良了傳統腐蝕製具電解液滲漏的困擾，也因選用石墨為工作電極材料而避免了因製具本身腐蝕而產生的訊號。製具的模組化設計讓不同的製程可更換單一組件即可，也因而大幅降低使用成本。

燃料電池分析系統圖

電化學半電池製具

多孔性碳纖維紙之製造方法及其組成結構
　　以時間較短、製程更簡化的碳紙製造技術，將厚度0.1~20 mm、碼重5~500 g/m2的氧化纖維布含浸高分子樹酯後，再加以熱壓硬化及高溫碳化處理，而製得具高柔軟性、導電性、高空孔率、高撓曲強度之多孔質碳纖維紙，並做為燃料電池中適合氣體擴散的多孔質碳電極基材。

Toray商用碳紙及自製之多孔性碳纖維紙的微觀結構

電極表面親（疏）水層之電漿處理製程
　　利用電容耦合式電漿及電感耦合式電漿技術，並透過Ar/N2/O2及氟化有機物混合氣氛搭配不同處理能量、處理順序，調製出製程配方，使我們能在碳、矽、金屬、高分子（PE、PC、PVC等）表面成功地製作出親水層或疏水層。製程僅需價廉之機械幫浦、不鏽鋼電漿腔即可，利於自動化、大面積化。 此製程的主要優點包含：快速（~1分鐘）、均勻性佳、無污染，並對傳統產業升級極有幫助。製程配方的應用範圍包含燃料電池、光碟製造、IC封裝、機械工具、汽車/航太版金、表面塗裝等產業。

Current Density (mA/cm2)

製備燃料電池膜極組觸媒粉體之電泳披覆技術
　　不同於傳統的絲網印刷法（Screen Printing）、轉印法（Transfer Printing）、噴塗或濺鍍沈積法，本技術用可即時電場調控的電泳披覆（EPD）方法，於燃料電池的碳布（或碳紙）電極之氣體擴散層（GDL）表面形成奈米級Pt/C觸媒粉體層，使用奈米粉體可降低Pt使用量，並提高觸媒效率。EPD可施行於高比表面積之碳纖維布之氣體擴散層，亦可直接施加於Nafion等質子傳導膜，藉由控制EPD懸浮液的有機溶劑種類和pH值，可獲得分佈均勻和懸浮穩定性良好的奈米級Pt/C觸媒層。 EPD製程的特點包含：(1)高塗佈效率且簡化的製程，可節省工時與貴金屬觸媒的材料成本；(2)減低觸媒粉體的團聚行為，並增大其利用率；(3)較易結合膠體析鍍技術，達到觸媒粉體表面吸附修飾的功能；(4)連續式生產設計潛力，可提供大量商業化的技術方案。本技術可應用(1)電極觸媒及(2)聚全氟磺酸膜（Nafion）之質子交換膜在改善電極觸媒活性、增長壽命及抵抗毒化等燃料電池關鍵材料技術的開發需求。

以方盒環式相對電極在電場強度500V/cm下，進行電泳披覆60sec所得之碳電極SEM顯微圖像

燃料電池金屬基雙極板之表面改質
　　高分子電解質膜燃料電池由於其發展成本過高，目前仍無法大量的商業化，其中一個瓶頸即為雙極板的發展，其須兼具導電性、導熱性、氣密性、抗蝕性及易加工與便宜的特質，而諸如304不鏽鋼等金屬板，則是可能取代傳統石墨板的發展方向，而先決條件則是須解決其抗蝕性的問題。鎳鋁介金屬因具有良好的抗氧化性、耐蝕性及導熱、導電性等特質，相當符合雙極板的應用需求，因此選取作為鍍層材料。實驗採用磁控濺鍍式的真空製程技術及直流電源供應系統來被覆保護性鍍層，以不同製程與參數變化進行其抗蝕性最佳化之研究，達到雙極板抗蝕性的要求。實驗結果顯示，經由控制真空製程參數或熱處理製程，可以提高其腐蝕電位，並有效降低腐蝕電流密度，顯示被覆鎳鋁鍍層確實具有抗蝕的效果。

AISI 304表面NiAl鍍膜改質之腐蝕極化曲線

　理學院校卓越計畫團隊/李英德、陳士　教授提供

高性能複合材料避震系統之智能設計與開發
高性能避震結構系統開發－編織複合材料彈簧之應用
　　本計畫為工學院卓越計畫「智能設計與節能生產系統之研究與開發」之子計畫，由本校纖維與複合材料學系邱長塤教授組成之研究團隊，以三年的時間完成超輕量編織複合材料智能避震系統之設計與製造技術。避震系統是提升交通工具舒適性與性能的重要機構之一，長久以來改善避震系統的性能與重量一直是交通運輸工業的主要研發課題，為了節省能源並提高性能，現代交通工具越來越講求輕量且高性能的避震系統。避震系統結構是由彈簧元件和緩衝元件所組成，其中緩衝元件目前已可用鋁合金材料製造而成，但為了達到高剛性的要求，目前的彈簧元件還是必須以鋼材為材質，而受限於鋼材的高比重（7.8 g/cm3），使得避震系統之重量無法大幅減低。因此，本研究開發以高性能碳纖維複合材料製造彈簧元件取代傳統的鋼材，達到超輕（比重約為1.6 g/cm3）且高性能的避震結構系統。因螺旋彈簧的性能要求甚高且形狀特殊，以傳統複合材料製程無法達到該性能的要求，而須以編織結構混成單一方向疊層結構，並突破傳統組合式製程才能完成。
　　編織複合材料彈簧結構是以碳纖維和玻璃纖維混成後，再補強奈米黏土/環氧樹脂系統所製成的結構，其技術涵蓋高韌性樹脂系統的調製、編織技術的建立和螺旋彈簧的成形技術，本成形技術已獲國內發明專利。此一彈簧結構經30萬次耐疲勞測試後，其性能遠優於鋼製的彈簧。
　　編織複合材料螺旋彈簧的應用非常廣泛，舉凡自行車、機車、汽車與工業用彈簧皆可應用，也可設計應用在絕緣的場合。目前此一彈簧的剛性在極限壓縮不斷裂的條件下，最高可達到550磅/吋。

工學院校卓越計畫團隊/邱長塤教授提供