質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）是氫能與低碳運輸的重要技術之一。隨著燃料電池系統朝更高操作溫度發展，如何控制電極材料劣化、降低碳腐蝕並延長燃料電池壽命，也成為重要研究課題。

瑞典 KTH Royal Institute of Technology（皇家理工學院） Applied Electrochemistry 研究團隊，針對 70–120 °C 操作溫度下 PEM 燃料電池的碳腐蝕（Carbon Corrosion） 進行研究，並使用 Hiden Analytical HPR-20 質譜系統，即時監測電化學反應所產生的 CO₂。

PEM 燃料電池為什麼會發生碳腐蝕？

在 PEMFC 陰極中，碳材料可能發生氧化反應：

因此，若能即時且精確量測反應所產生的 CO₂，就能進一步評估電極碳材料的腐蝕速率，以及不同操作條件對碳腐蝕的影響。

本研究將 Hiden HPR-20 質譜儀連接至 PEM 燃料電池出口，在 H₂ / Ar 操作環境下持續監測 CO₂（m/z = 44）。 同時，燃料電池電位在 0.4–1.4 V 範圍內進行掃描，並比較不同溫度與濕度條件下的 CO₂ 生成行為。

即時質譜分析的重要性

燃料電池進行電化學掃描時，量測到的總電流通常同時包含多種不同電化學反應，因此若只觀察電流訊號，很難直接判斷其中有多少比例來自碳腐蝕。

透過 Hiden HPR-20 的高精度與快速資料擷取能力，可以同步取得具有時間解析度的 CO₂ 質譜訊號，再將 CO₂ 訊號與電化學電流進行比較，進一步分離出碳腐蝕對整體反應的貢獻。

這種 Electrochemistry + Online Mass Spectrometry 的同步分析方式，可提供單純電化學量測無法直接獲得的反應資訊。

研究結果：水分壓比單純溫度更關鍵

研究團隊比較電位、溫度、相對濕度與水分壓等參數後發現，在相同電位條件下， 碳腐蝕受到水分壓（Water Partial Pressure）的影響，比單純操作溫度本身更加顯著。

這項結果顯示，在高電位操作條件下，尤其應避免同時出現高濕度與高水分壓環境。此類條件可能發生於燃料電池停機（Shutdown）過程，並可能進一步提高碳腐蝕程度。

研究也指出，碳腐蝕雖無法完全避免，但透過適當的操作策略與系統控制，仍可有效降低其程度，進一步提升 PEM 燃料電池系統的耐久性與使用壽命。

對燃料電池研究的意義

隨著 PEM 燃料電池朝更高操作溫度發展，材料耐久性、濕度、水分壓與操作電位之間的關係變得更加重要。

透過線上質譜即時監測 CO₂，可協助研究人員直接觀察碳腐蝕行為，並可應用於：

• PEMFC 電極碳腐蝕研究
• Start-up / Shutdown（SU/SD）劣化機制分析
• 高溫 PEMFC 操作條件研究
• 濕度與水分壓對電極耐久性的影響
• 電化學反應氣體即時監測
• 燃料電池材料耐久性研究
• Electrochemistry + Online Mass Spectrometry

研究使用 Hiden HPR-20，目前對應機型為 HPR-20 R&D

本研究使用的是 Hiden Analytical 前一代 HPR-20 系統。Hiden 官方亦說明，目前對應的新一代機型為 HPR-20 R&D 。

HPR-20 R&D 是專為高靈敏度、高選擇性及快速反應研究所設計的即時氣體分析質譜系統，適合用於反應氣體、痕量物種與快速動態反應的即時監測。

系統採用 Triple Filter Quadrupole Mass Spectrometer， 並配置 Heated Quartz Inert Capillary（QIC） 進行連續氣體與蒸氣取樣。在光譜干擾條件允許下，其 Ultimate Detection Limit 可達 5 ppb。

Hiden HPR-20 R&D｜高靈敏度即時氣體分析質譜儀

研究來源

研究單位：
KTH Royal Institute of Technology
Department of Chemical Engineering, Applied Electrochemistry

論文：
Nikolić, N., Butori, M., Link, L., Lagergren, C., Lindbergh, G., Wreland Lindström, R. and Eriksson, B. (2026).
Water pressure-induced carbon corrosion in proton exchange membrane fuel cells at 70–120 °C.
Electrochimica Acta, 572, 149133.

DOI： 10.1016/j.electacta.2026.149133

Hiden Research Reference： AP-HPR-20-203160

Hiden 原始研究文章：
Water pressure-induced carbon corrosion in proton exchange membrane fuel cells at 70–120 °C

Hiden Analytical 台灣代理｜恩詠有限公司 ENYONGTEC Ltd.

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