金屬發泡材質子交換膜燃料電池之研究

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姓名

陳孟怡(Meng-Yi Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

金屬發泡材質子交換膜燃料電池之研究
(Metal Foam in Proton Exchange Membranes Fuel Cell)

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摘要(中)

本研究是使用金屬雙極板與金屬發泡材，組成質子交換膜燃料電池之單電池與電池堆，且搭配不同的商用膜組，探討反應物流量、操作溫度、加濕溫度等，對電池性能之影響。
金屬板導電性能佳、機械性能強度好，適合作為雙極板的材料；使用金屬發泡材取代傳統內流道的作法，在單電池上已被證實有傑出的性能。本研究目的即是在觀察，此組合應用在電池堆時，其性能表現與運作特徵。另外，亦進行電池堆之長效測試與電池堆之交流組抗分析。
由實驗結果可知，增加空氣流量對於電池性能有顯著的增加；而氧氣流量對於電池堆的影響，則有其極限值存在。電池溫度與加濕溫度的適當配合，有助於電堆性能的提昇。長時間測試，對於電堆研究開發有著很大的影響，定時的增加陰極端流量，有助於陰極端的排水控制，也可改善濃差極化的現象。而由電池放電的極化曲線、及交流組抗分析的結果，可建立出一合理的等效電路模型，並確認此電池系統中，最主要的反應阻力來源為質傳阻抗。並藉此分析結果，以討論未來電池堆的性能提昇之研發方向。

摘要(英)

Metal foam is used in this study to replace the traditional graphite flow field plate. Along with commercial catalyst coated membranes, single and multi-cell fuel cell stacks are assembled to investigate the effects of the reactant flow rate, operation temperature, and humidification temperature on the cell performance.
Metals have good electrical conductance and mechanical strength, which are suitable for bipolar plates in fuel cell stacks. Previous studies have shown that fuel cells using metal foam to replace traditional flow channels can have very good performance. The purpose of this study is to study the operation performance and characteristic of the fuel cell stack. In addition, the long-term performance and AC impedance are also investigated in this study.
The results show that the performance of the fuel cell stack is improved by increasing the air flow rate. If oxygen is used as the oxidant, the required flow rate is lower. In order to get better cell performance, suitable humidification in the reactant is required. For long-term operation, periodic purging in the cathode can reduce the polarization loss due to mass transfer.
Equivalent circuit model of the fuel cell stack system can be built from the AC impedance analysis. The results show that the main resistance in this system is mass transfer resistance.

關鍵字(中)

★ 交流阻抗
★ 電池堆
★ 質子交換膜
★ 金屬發泡材

關鍵字(英)

★ fuel cell stack
★ proton exchange membrane fuel cell
★ AC impedance
★ metal foam

論文目次

目錄
中文摘要....................................................................................................................I
Abstracts...................................................................................................................II
誌謝.........................................................................................................................III
目錄..........................................................................................................................V
圖目錄..................................................................................................................VIII
表目錄..................................................................................................................XIII
第一章緒論..........................................................................................................1
1.1 前言........................................................................................................1
1.2 質子交換膜電池堆主要元件分析........................................................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
1.2.5氣密墊片.......................................................................................5
1.3 質子交換膜燃料電池發電原理與極化現象........................................6
1.4 研究動機與方向....................................................................................8
第二章文獻回顧...................................................................................................10
2.1 電池堆..................................................................................................10
2.2 水熱管理..............................................................................................12
2.3 交流阻抗分析......................................................................................15
2.4金屬發泡材...........................................................................................17
第三章實驗裝置與方法.......................................................................................22
3.1 PEMFC電池堆設計..............................................................................22
3.2 燃料電池測試平台..............................................................................23
3.3 交流阻抗分析......................................................................................24
3.4實驗製程與步驟...................................................................................25
3.4.1 疏水微孔層實驗步驟與方法...................................................25
3.4.2 金屬發泡材疏水處理...............................................................26
3.4.3 實驗所需藥品與材料...............................................................27
3.5 實驗流程..............................................................................................28
3.5.1 電池測漏....................................................................................28
3.5.2活化程序.....................................................................................29
3.5.3實驗設定.....................................................................................29
第四章結果與討論...............................................................................................39
4.1流量對電池堆性能之影響...................................................................39
4.1.1空氣流量.....................................................................................39
4.1.2氧氣流量.....................................................................................40
4.2溫度對反應氣體與加濕程度電池性能之影響..................................48
4.2.1陰極和陽極雙邊加濕................................................................48
4.2.1.1氧化劑為空氣..........................................................................48
4.2.1.2氧化劑使用氧氣......................................................................50
4.2.2陽極單邊加濕.............................................................................51
4.3電池堆之長效測試...............................................................................71
4.4電池堆之交流阻抗分析.......................................................................76
第五章結果與未來方向建議...............................................................................82
5.1結論.......................................................................................................82
5.2未來方向...............................................................................................83
附錄一.....................................................................................................................85
附錄二.....................................................................................................................90
參考文獻：.............................................................................................................93
圖目錄
圖2.1 (A)具氣體擴散層之電極示意圖與其(B)等效電路示意圖 [17]20
圖2.2 (a)觸媒層之結構示意圖與其 (b)等效電路模擬圖 [18].....21
圖3.1 金屬發泡材...........................................30
圖3.2 電池堆組裝爆炸圖.....................................30
圖3.3 電池堆組裝爆炸圖 (有鰭片)............................31
圖3.4 燃料電池測試系統示意圖...............................31
圖3.5 氣體鋼瓶與管路.......................................32
圖3.6 溫控器與液氣分離瓶...................................32
圖3.7 電源供應器與電子負載.................................33
圖3.8 等效電路圖1.........................................33
圖3.9 等效電路圖2.........................................33
圖3.10 恆電位儀測試機台....................................34
圖4.1 雙電池（5621）電堆，氧化劑為空氣，電池溫度40℃，在不同的初始流量下，電池性能的比較....................................42
圖4.2 雙電池（5710）電堆，氧化劑為空氣，電池溫度40℃，在不同的初始流量下，電池性能的比較....................................42
圖4.3 八顆電池（5710）電堆，氧化劑為空氣，在不同的初始流量下，電池性能的比較...............................................43
圖4.4 雙電池（5621）電堆，氧化劑為氧氣，電池溫度40℃，在不同的初始流量下，電池性能的比較....................................43
圖4.5 雙電池（5710）電堆，氧化劑為氧氣，電池溫度40℃，在不同的初始流量下，電池性能的比較....................................44
圖4.6 八顆電池（5710）電堆，氧化劑為氧氣，在不同的初始流量，電池性能的比較.................................................44
圖4.7 單電池（5621）氧化劑為空氣，氫氣流量200c.c./min與空氣流量600c.c./min(A)電池溫度40℃，在不同的加濕溫度下，電池性能比較；(B)電池溫度的提高，在不同的加濕溫度下，電池性能比較............53
圖4.8 單電池（5710）氧化劑為空氣，氫氣流量200c.c./min與空氣流量600c.c./min(A)電池溫度40℃，在不同的加濕溫度下，電池性能比較；(B)電池溫度的提高，在不同的加濕溫度下，電池性能比較............54
圖4.9 雙電池（5621），氧化劑為空氣，氫氣流量500c.c./min與空氣流量3000c.c./min(A)電池溫度40℃，在不同的加濕溫度下，電池性能比較；(B)電池溫度的提高，在不同的加濕溫度下，電池性能比較.........55
圖4.10 雙電池（5710）氧化劑為空氣，氫氣流量500c.c./min與空氣流量3000c.c./min(A)電池溫度40℃，在不同的加濕溫度下，電池性能比較；(B)電池溫度的提高，在不同的加濕溫度下，電池性能比較............56
圖4.11 八顆電池（5710）氧化劑為空氣，氫氣流量1200c.c./min與空氣
流量6000c.c./min，在不同的加濕溫度下，電池性能比較.........57
圖4.12 單電池（5621）氧化劑為氧氣，氫氣流量200c.c./min與氧氣流量200c.c./min(A)電池溫度40℃，在不同的加濕溫度下，電池性能比較；(B)電池溫度的提高，在不同的加濕溫度下，電池性能比較............58
圖4.13 單電池（5710）氧化劑為氧氣，氫氣流量200c.c./min與氧氣流量200c.c./min(A)電池溫度40℃，在不同的加濕溫度下，電池性能比較；(B)電池溫度的提高，在不同加濕溫度下，電池性能比較..............59
圖4.14 雙電池（5621），氧化劑為氧氣，氫氣流量500c.c./min與氧氣流量500c.c./min(A)電池溫度40℃，在不同的加濕溫度下，電池性能比較；(B)電池溫度的提高，不同的加濕溫度下，電池性能比較...........60
圖4.15 雙電池（5710）氧化劑為氧氣，氫氣流量500c.c./min與氧氣流量500c.c./min(A)電池溫度40℃，在不同的加濕溫度下，電池性能比較；(B)電池溫度的提高，不同的加濕溫度下，電池性能比較..............61
圖4.16 八顆電池（5710）氧化劑為氧氣，氫氣流量1200c.c./min與氧氣流量1200c.c./min，在不同的加濕溫度下，電池性能比較.........62
圖4.17 雙電池（5621）電堆，氧化劑為空氣，電池溫度40℃，在不同的陽極氣體加濕溫度下，電池性能比較............................63
圖4.18 雙電池（5710）電堆，氧化劑為空氣，在不同的陽極氣體加濕溫度下，電池性能的比較.........................................63
圖4.19 雙電池（5621）電堆，氧化劑為氧氣，電池溫度40℃，在不同的陽極氣體加濕溫度下，電池性能比較............................64
圖4.20 雙電池（5710）電堆，氧化劑為氧氣，電池溫度40℃，電池溫度40℃，在不同的加濕溫度下，電池性能的比較....................64
圖4.21 雙電池(5710)電堆，氧化劑為氧氣，電池溫度為40℃，加濕溫度為室溫加濕，負載40安培，定電流模式.........................74
圖4.22 八顆電池(5710)電堆，氧化劑為氧氣，加濕溫度為室溫加濕，負載20安培，定電流模式.........................................74
圖4.23 八顆電池(5710)電堆，氧化劑為氧氣，加濕溫度為室溫加濕，負載20安培，為80個小時的擷取圖................................75
圖4.24 單電池（5710）氧化劑為空氣，在電池溫度40℃，9A下的阻抗值...........................................................78
圖4.25 金屬發泡材電池之等效電路圖..........................78
圖4.26 單電池（5621）氧化劑為氧氣，在電池溫度40℃，分別在1A、30A、60A下的阻抗值..............................................79
圖4.27 單電池（5710）氧化劑為氧氣，在電池溫度40℃，分別在1A、30A、60A下的阻抗值..............................................79
圖4.28 單電池（5621）氧化劑為空氣，在電池溫度40℃，分別在1A、9A、15A下的阻抗值..............................................80
圖4.29 單電池（5710）氧化劑為空氣，在電池溫度40℃，分別在1A、9A、18A下的阻抗值..............................................80
圖4.30 雙電池（5710）電堆，氧化劑為氧氣，在電池溫度40℃，分別在1A、21A、51A下的阻抗值.....................................81
圖4.31 八顆電池（5710）電堆，氧化劑為氧氣，在電池溫度40℃，分別在1A、21A、45A下的阻抗值...................................81

參考文獻

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指導教授

曾重仁(Chung-jen Tseng)

審核日期

2009-7-10

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