直接甲醇燃料電池氣體擴散層之研究

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姓名

宋政勳(Zheng--xun Song) 查詢紙本館藏

畢業系所

能源工程研究所

論文名稱

直接甲醇燃料電池氣體擴散層之研究
(The research of DMFC gas diffusion layer)

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摘要(中)

本文以刮塗法(scrapping method)來製備直接甲醇燃料電池(DMFC)之微孔層，再搭配自製之疏水碳布和商用疏水碳紙做為 DMFC 之氣體擴散層，利用以 PTFE 為主之疏水性微孔層與以 Nafion 為主之親水性微孔層，藉由陰、陽極端不同的實驗參數規劃，找出能使 DMFC發揮最高性能之微孔層與氣體擴散層之組合。
與PEMFC最大不同處，一般 DMFC 陽極端微孔層跟氣體擴散層之設計除了能幫助甲醇水溶液能均勻、順利地供給陽極端觸媒使用，還需考慮能將陽極所產生之二氧化碳順利地由陽極微孔層和氣體擴散層排除，使觸媒能發揮最大功效。大部份研究顯示，陽極使用親水性微孔層與以疏水碳布為主之氣體擴散層、陰極使用疏水微孔層和疏水碳布之氣體擴散層，能使 DMFC 發揮較佳性能。
本研究結果顯示，當陽極供給較大流量之甲醇水溶液(6 ml/min)與較低濃度(1.18M)時，反而是陽極端使用20 wt% PTFE 含量之疏水性微孔層，陰極端使用60 wt% PTFE 含量之疏水性微孔層，再搭配10 wt% PTFE 含量疏水碳布作為氣體擴散層能使電池達最大性能，在0.27V時，電流密度達274 mA/cm2、功率密度74.9 mW/cm2，此時陽極端碳黑負載量為1.87 mg/cm2、陰極端碳黑負載量為1.12 mg/cm2。

摘要(英)

The purpose of this study is to investigate the effects of microporous layer (MPL) and gas diffusion layer (GDL) on the performance of direct methanol fuel cell (DMFC). Both carbon cloth and carbon paper are used as the GDL. The scrapping method is used to prepare the MPL. The MPL is made hydrophobic using PTFE and hydrophilic using Nafion. The effects of hydrophobic and hydrophilic treatment on cell performance are studied.
Unlike in proton exchange membrane fuel cells, the GDL and MPL in DMFCs need to provide the function of carbon dioxide removal as well as uniform fuel distribution. Most previous work shows that using a hydrophilic MPL with hydrophobic carbon cloth at anode and hydrophobic MPL with hydrophobic carbon cloth at cathode results in better DMFC cell performance.
Results of this work show that, for the condition used in this study, using 20 wt% PTFE hydrophobic MPL at anode and 60 wt% PTFE hydrophobic MPL at cathode with 10 wt% PTFE hydrophobic carbon cloth as the GDL at both anode and cathode exhibit the best cell performance. The carbon black loading in this case is 1.87 mg/cm2 at anode MPL and 1.12 mg/cm2 at cathode MPL. The current density reaches 274 mA/cm2 and the power density reaches 74.9 mW/cm2 at 0.27 V and 50℃.

關鍵字(中)

★ DMFC
★ 微孔層
★ 氣體擴散層

關鍵字(英)

★ DMFC
★ gas diffusion layer
★ microporous layer

論文目次

摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 X
第一章緒論 1
1-1 前言 1
1-2 燃料電池主要元件分析 2
1-2-1 質子交換膜 2
1-2-2 觸媒層 3
1-2-3 氣體擴散層 4
1-2-4 流道板(雙極板) 5
1-3 直接甲醇燃料電池電池發電原理與極化現象 6
1-4 研究動機與方向 10
第二章文獻回顧 12
2-1 疏水碳紙與碳布的特性分析 12
2-2 以不同種類疏水劑用於微孔層技術探討 14
2-3 以不同種類碳黑做為微孔層技術探討 14
2-4 陽極微孔層(MPL,MICROPOROUS LAYER)技術探討 15
2-5 陰極微孔層技術探討 17
第三章實驗儀器與方法 20
3-1 儀器使用簡介 20
3-1-1 掃描式電子顯微鏡(SEM) 20
3-1-2 加壓式孔徑分析儀(POROSIMETER) 21
3-1-3 加壓式氣體滲透率量測儀 22
3-1-4 接觸角(CONTACT ANGLE)量測儀 23
3-2 燃料電池測試平台 23
3-3 實驗製程與步驟 25
3-3-1 氣體擴散層(碳布)疏水步驟與方法 25
3-3-2 疏水微孔層(整平層)實驗步驟與方法 26
3-3-3 親水微孔層(整平層)實驗步驟與方法 27
3-4 實驗所需藥品與材料 28
3-4-1 實驗參數規劃 30
第四章結果與討論 31
4-1 A系列微孔層 31
4-2 B系列微孔層 33
4-3 C系列微孔層 36
4-4 D系列微孔層 39
第五章結論 47
参考文獻 50
附錄 53

參考文獻

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指導教授

曾重仁(Chung-jen Tseng)

審核日期

2008-7-22

推文