高溫條件下的接觸角量測數據可以如何應用於燃料電池的開發
背景知識：
燃料電池是一種新興技術，通過氫與氧的氧化還原反應形成水，將化學能轉化為電能，在氧化還原反應中，氫原子將其電子轉移到陽極。電子被傳導到陰極。產生的電流可用於驅動電動設備，例如電動汽車馬達。
圖一、聚合物電解質燃料電池運行機制 (電解質: polybenzimidazole polymer membrane with embedded phosphoric acid；電極: platinum-coated carbon paper)
在陰極處，電子使氧原子離子化，接著氫離子通過電解質遷移至陰極並與離子化的氧結合形成水，在這個過程中電解質扮演了關鍵作用的角色，而電解質中又有許多不同的成分，例如氫氧化鉀、鹽碳酸鹽和磷酸，這些可以嵌入在聚合物基質中。
在眾多燃料電池中有一種最具發展前景的類型，可用作汽車和房屋的能源來源，便為具有高能量轉換效率的聚合物電解質燃料電池，特別是高溫聚合物電解質燃料電池（HT-PEFC）由於相較於低溫系統具有多個優勢而受到越來越多的關注：
1. 高效率
2. 避免冷卻系統
3. 減少白金電極的CO毒化 (CO poisoning of the platinum electrodes)
4. 提高反應性
在這些電解質系統中，磷酸等輔助液體將作為質子導電介質，然而這樣會有一個缺點是在電池長期運行下磷酸會滲漏至膜電極組件內，導致其不均勻分佈促使HT-PEFC的劣化。
實驗設計：
為了暸解磷酸如何影響燃料電池內部，需要監控在電池使用過程的溫度條件下對電池組件的沾附濕潤行為，這是目前比較少人去探討的部分，研究學者Halter等人最近將其作為研究命題，發現磷酸濃度和電池作用溫度等變因均對HT-PEFC的濕潤行為具有關鍵作用：為此，在兩個不同的表面上進行了接觸角測量：聚四氟乙烯（PTFE）和高度定向熱解石墨（highly oriented pyrolytic graphite；HOPG）。
當溫度升高時，濃度85 wt%的磷酸在聚四氟乙烯（PTFE）上的接觸角從25°C的104°增加到100°C的110°，再增加到160°C的112°，另一方面當磷酸濃度從0增加到85 wt%時，25°C時PTFE上的接觸角從107°降低到104°。
從上述實驗結果中我們可以得到以下結論：
1. 當溫度升高時磷酸對PTFE的接觸角略微增加
2. 在相同溫度條件下，增加滴定的磷酸濃度將些微降低對PTFE的接觸角
從上述兩個趨勢我們發現在160°C時 (模擬電池作用溫度)下，濃縮磷酸和室溫下的水將具有相似的濕潤行為(wetting ability)。
在高度定向熱解石墨(HOPG)上，濃度85 wt%磷酸的接觸角從25°C的40°增加到100°C的53°，再增加到160°C的54°，並且隨著磷酸含量的增加從64°降低到40°，相較於聚四氟乙烯(PTFE)，HOPG表現出更強的磷酸濕潤行為(磷酸對於其具有40°的接觸角)，這是一種自發沾附濕潤行為；而對於聚PTFE，磷酸的接觸角則為104°，表現出非沾附濕潤性，因此我們可以推測當磷酸滲漏時會更容易沾附並浸濕HOPG燃料電池部件的趨勢。
圖二、不同溫度時濃度85 wt%的磷酸與室溫水對於聚四氟乙烯(PTFE)和高取向熱解石墨(HOPG)上的接觸角數據
表面化學性質的溫度相依性
表面張力等表面化學性質在很大程度上取決於溫度條件，例如：水在20°C時的表面張力為72.75 mN/m，在60°C時則降至66.18 mN/m，由於液體在固體表面上的接觸角會受到液體表面張力的影響，因此接觸角結果也會隨溫度而變化。
因此在執行接觸角實驗時應需要嚴格控制溫度，可以通過安裝在接觸角測量系統上的特殊溫度控制腔室來實現，Dataphysics公司具有不同的溫控腔室可以在廣泛的溫度範圍內進行精確的溫度控制，範圍從-30°C到700°C，並且所有腔室都具有氣體進口，以在所需的氣體構成下執行實驗。
圖三、Dataphysics公司針對不同溫控需求開發出一系列的溫控腔室可加裝在接觸角測量設備上
總結來說，作者們研究了溫度和磷酸濃度對高溫聚合物電解質燃料電池（HT-PEFC）中常見材料的沾附濕潤行為的影響，研究範圍涵蓋高達160°C。他們發現磷酸對聚四氟乙烯(PTFE)具有非濕潤性，而對高度定向熱解石墨(HOPG)具有自發濕潤性，這有助於深入了解HT-PEFC其內部組件對於磷酸的沾附濕潤行為，並有助於未來在HT-PEFC中開發多孔材料的工作。
在這項研究中，作者們使用了由Dataphysics公司所開發的光學接觸角測量系統OCA 25，並配備了溫控腔室TEC 400，詳細資訊可參考下方文獻
參考資料：
1. J. Halter, T. Gloor, B. Amoroso, T. J. Schmidt, and F. N. Bchi, Wetting properties of porous high temperature polymer electrolyte fuel cells materials with phosphoric acid, Phys. Chem. Chem. Phys. 21 (2019), 13126–13134
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