質子交換膜燃料電池發泡材流道與傳統流道之模擬分析

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：25

、訪客IP：3.133.117.85

姓名

莊鎰瑋(Yi-Wei Juang) 查詢紙本館藏

畢業系所

能源工程研究所

論文名稱

質子交換膜燃料電池發泡材流道與傳統流道之模擬分析
(Numerical Study on Metal Foam Flow Field and Channel Flow Field in PEMFC)

相關論文

★ 定開孔率下流道設計與疏水流場對質子交換膜燃料電池之性能影響	★ 熱風循環烘箱熱傳特性研究
★ 以陽極處理製備奈米結構之氧化鐵光觸媒薄膜應用在光電化學產氫	★ 規則多孔碳應用在燃料電池陰極觸媒擔體之研究
★ 鉑錫/多孔碳觸媒應用於燃料電池陰極反應之研究	★ 腐蝕特性對金屬多孔材質子交換膜燃料電池性能影響之研究
★ 碎形理論應用在質子交換膜燃料電池中氣體擴散層熱傳導係數之研究	★ 中溫固態氧化物燃料電池複合系統分析
★ 中文質子傳輸型固態氧化物燃料電池陽極之研究	★ 鋯摻雜鋇鈰釔氧化物微結構與電化學特性之研究
★ 發展應用脈衝雷射沉積製備奈米顆粒堆疊多孔觸媒層與滴塗聚苯並咪唑介面層製作高溫型質子交換膜燃料電池	★ 直接甲醇燃料電池氣體擴散層之研究
★ 不同流道設計之透明質子交換膜燃料電池陰極水生成現象探討	★ 鋰離子電池陰極材料LiCoO2粉體尺寸與形貌對電池性能的影響
★ 多孔性碳材應用於質子交換膜燃料電池觸媒層之研究	★ 多孔材應用於質子交換膜燃料電池散熱之研究

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

[檢視]

[下載]

本電子論文使用權限為同意立即開放。
已達開放權限電子全文僅授權使用者為學術研究之目的，進行個人非營利性質之檢索、閱讀、列印。
請遵守中華民國著作權法之相關規定，切勿任意重製、散佈、改作、轉貼、播送，以免觸法。

摘要(中)

本研究是建立出不同孔隙率的實體發泡材流道與不同肋
條比例的平行流道，綜合探討氣體傳輸與電流傳遞對質子交換
膜燃料電池性能的影響，且觀察電池內部的氣體分布、流場變
化及電流傳輸的細部現象。建立三維局部燃料電池模型及格點
是使用D E S IGN MOD E LE R 與M E S HING 軟體，且使用計算流
體力學軟體FLU E N T 的燃料電池模組進行分析。
研究結果顯示，發泡材流道較平行流道有較佳的氣體利用
率，若將發泡材壓縮使其孔隙率縮小，會幫助流體加速往氣體
擴散層移動，使得性能再往上提升。發泡材流道因肋條較均勻
分布於流道中，將電流向外往集電板傳出的效果也較平行流道
突出，為了看出導電的差異，本研究計算出流道的有效導電率
進行量化比較。最後綜合了流道中，氣體利用率與電流傳遞的
兩大因素，找出發泡材流道的最佳孔隙率與平行流道的最佳肋
條比例，且經由參數分析討論肋條材料的電傳導係數與當量比
對燃料電池最佳肋條比例與孔隙率的影響，結果顯示，若流道
材料為金屬時，對肋條的最佳比例影響不大，而當量比對最佳
比例則有較明顯的影響。

摘要(英)

This study investigates the effects of solid volume fraction of the flow field
on the gas transport, electron transfer and fuel cell performance through micro
scale modeling. Three dimensional model and grid system are built by using
Design Modeler and Meshing, while solutions to the governing equations are
obtained by employing commercial CFD software package ANSYS-Fluent.
The results show that using highly porous metal foam to replace traditional
channel flow field results in better gas utilization rate (GUR). Reducing the
permeability of metal foam increases gas flux to the gas diffusion layer, and
thus enhances cell performance. This study also compares the effective
electrical conductivity (EEC) of the flow field. Metal foam flow field has higher
EEC because electric current can be collected more uniformly distributed
throughout the whole electrode. By simultaneously considering EEC and GUR,
one can find the optimal porosity for metal foam or the optimal rib-to-channel
ratio for the channel flow field. Results show that stoichiometry affects these
optimal values. When the solid material used is metal, the electric conductivity
of the material does not affect these optimal values.

關鍵字(中)

★ 發泡材
★ 微觀孔洞分析
★ 質子交換膜燃料電池
★ 流道設計
★ 數值分析
★ C FD

關鍵字(英)

★ Metal foam
★ Flow field design
★ CFD
★ Numerical analysis
★ PEMFC
★ Pore scale modeling

論文目次

摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II
致謝 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI I
表目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X
圖目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI
符號說明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIV
第一章緒論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1. 1 前言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1. 2 燃料電池的結構與運作原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1. 2. 1 燃料電池的結構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1. 2. 2 質子交換膜燃料電池之發電原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1. 3 質子交換膜燃料電池之極化現象 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1. 4 文獻回顧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1. 4. 1 流道設計與氣體利用率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1. 4. 2 發泡材為流道的探討 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1. 4. 3 計算流體力學應用於實體多孔材模擬 . . . . . . . . . . . . . . 14
1. 5 研究目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
第二章理論分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18第二章理論分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2. 1 問題描述與基本假設 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2. 1. 1 問題描述與幾何模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2. 1. 2 基本假設 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2. 2 統御方程式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2. 3 邊界條件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
第三章數值方法與驗證 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3. 1 有限體積法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3. 2 S IM P LE 演算法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3. 3 交錯式網格. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3. 4 文獻驗證 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3. 5 模擬與實驗之性能比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3. 6 網格測試 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
第四章結果與討論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4. 1 流道形狀對燃料電池內的微觀影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4. 2 孔隙率對發泡材流道的影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4. 2. 1 不同孔隙率的發泡材流道對電池性能的影響 . . . . 42
4. 2. 2 不同孔隙率的發泡材流道之壓降 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4. 3 流道種類對電流傳遞之影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4. 4 肋條材料的電傳導係數對性能的影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4. 5 肋條佔流道的最佳比例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4. 5. 1 流道材料的電傳導係數對最佳肋條比例的影響 48
4. 5. 2 不同當量比對最佳肋條比例的影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
第五章結論與建議 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5. 1 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5. 2 未來研究與建議 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
參考文獻 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

參考文獻

[1] J. Larminie and A. Dicks, Fuel cell systems Explained (2nd Edition), John Wiley &
Sons, 2003.
[2] P. Costamagna and S. Srinivasan, “Quantum jumps in the PEMFC science and
technology from the 1960s to the year 2000：Part I. Fundamental scientific aspects,”
Journal of Power Sources, Vol. 102, pp. 242-252, 2001.
[3] P. Costamagna and S. Srinivasan, “Quantum jumps in the PEMFC science and
technology from the 1960s to the year 2000：Part II. Engineering technology
development and application aspects,” Journal of Power Sources, Vol. 102, pp.
253-269, 2001.
[4] W.M. Yan, C.Y. Soong, F. Chen and H.S. Chu, “Effects of flow distributor geometry
and diffusion layer porosity on reactant gas transport and performance of proton
exchange membrane fuel cells,” Journal of Power Sources, Vol. 125, pp. 27-39, 2004.
[5] Y. G. Yoon, W. Y. Lee, G. G. Park, T. H. Yang and C. S. Kim, “Effects of channelconfigurations of flow field plates on the performance of a PEMCE, ” Journal of
Electrochimica Acta, Vol. 50, pp. 709-712, 2004.
[6] S.M. Senn and D. Poulikakos, “Polymer electrolyte fuel cells with porous materials as
fluid distributors and comparisons with traditional channeled systems ,” Transactions
of ASME , Vol. 126, pp. 410-418, 2004.
[7] S. A. Grigiriev, A. A. Kalinnikov, V. N. Fateev and A. A. Wragg “Numerical
optimization of bipolar plates and gas diffusion layers for PEM fuel cells, ” Journal of
Applied Electrochemistry, Vol. 36, pp. 991-996, 2006.
9 1
[8] S. Lee, H. Jeong, B. Ahn, T. Lim, Y. Son, “Parametric study of the channel design at
the bipolar plate in PEMFC performances, ” International Journal of Hydrogen Energy,
Vol. 33, pp. 5691-5696, 2008.
[9] M. Rahimi, B. Aghel , A.A. Alsairafi , “Experimental and CFD studies on using coilwire insert in a proton exchange membrane fuel cell, ” Chemical Engineering and
Processing, Vol. 49, pp. 689-696, 2010.
[10] H. W. Wu and H. W. Ku, “The optimal parameters estimation for rectangular cylinders
installed transversely in the flow channel of PEMFC from a three-dimensional PEMFC
model and the Taguchi method,” Applied Energy, Vol. 88, pp. 4879-4890, 2011.
[11] K. Scott, P. Argyropoulos, P. Yiannopoulos and W. M. Taama, “Electrochemical and
gas evolution characteristics of direct methanol fuel cells with stainless steel mesh
flow beds,” Journal of Applied Electrochemical Society, Vol. 31, pp. 823-832, 2001.
[12] A. Kumar and R.G. Reddy, “Modeling of polymer electrolyte membrane fuel cell with
metal foam in the flow-field of the bipolar/end plates,” Journal of Power Sources, Vol.
114, pp. 54-62, 2003.
[13] S. Arisetty, A. K. Prasad and S. G. Advani, “Metal foams as flow field and gas
diffusion layer in direct methanol fuel cells,” Journal of Power Sources, Vol. 165, pp.
49-57, 2007.
[14] 蔡秉蒼，曾重仁，「金屬發泡材質子交換膜燃料電池之性能分析」，第三屆全國氫
能與燃料電池學術研討會，FC043，國立台南大學，2008。
[15] 陳孟怡，「金屬發泡材質子交換膜燃料電之研究」，碩士論文，國立中央大學機械
工程學系，2009。[16] J. Chen, “Experimental study on the two phase flow next term behavior in PEM fuel
cell parallel channels with porous media inserts,” Journal of Power Sources, Vol. 195,
pp. 1122-1129, 2010.
[17] J. Kim and N. Cunninghham, “Development of porous carbon foam polymer
electrolyte membrane fuel cell,” Journal of Power Sources, Vol. 195, pp. 2291-2300,
2010.
[18] K. Boomsma, D. Poulikakos , Y. Ventikos, “Simulations of flow through open cell
foams using an idealized periodic cell structure, ” International Journal of Heat and
Fluid Flow, Vol. 24 , pp. 825-834,2003.
[19] S. Krishnan, J.Y. Murthy, S.V. Garmella, “Direct simulation of transport in open-cell
metal foam, ” Journal of Heat Transfer, Vol. 128, pp. 793-799,2006.
[20] A. Kopanidis, A.Theodorakakos, E.Gavaises and D.Bouris, “Pore scale 3D modeling
of heat and mass transfer in the gas diffusion layer and cathode channel of a PEM fuel
cell, ” International Journal of Thermal Sciences, Vol. 50, pp. 456-467,2011.
[21] A. Kopanidis, A.Theodorakakos, E.Gavaises and D.Bouris, “3D numerical simulation
of flow and conjugate heat transfer through a pore scale model of high porosity open
cell metal foam, ” International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 53, pp.
2539-2550,2010.
[22] K. K. Bodla, J. Y.Murthy and S. V.Garimella, “Microtomography-based simulation of
transport through open-cell metal foams ,” Numerical Heat Transfer, Part A, Vol. 58,
pp. 527- 544, 2010.
[23] S. Mazumder and J. V. Cole, “Rigorous 3-D Mathematical modeling of PEM fuel cells,”
Journal of Electrochemical Society, Vol. 147, pp. 1510- 1517, 2003.[24] C. Y. Wang S Um, and K. S. Chen, “ Computational fluid dynamics modeling of
proton exchange membrane fuel cells,” Journal of Electrochemical Society, Vol. 147,
pp. 4485-4493, 2000.
[25] T. A. Zawodzinski, T. E. Springer and S. Gottesfeld, “Polymer electrolyte fuel cell
model,” Journal of Electrochemical Society, Vol. 138, pp. 2334- 2342, 1991.
[26] J. Divisek, A. A. Kulikovsky and A. A. Kornyshev, “Modeling the cathode
compartment of polymer electrolyte fuel cells-dead and active reaction zones,” Journal
of Electrochemical Society, Vol. 146, pp. 3981-3991, 1999.
[27] J. V. Cole and S. Mazumder, “Rigorous 3-D mathematical modeling of PEM fuel cells,”
Journal of Electrochemical Society, Vol. 150, pp. A1503- A1509, 2003.
[28] F. Moukalled and M. Darwish, “A comparative assessment of the performance of mass
conservation-based algorithms for incompressible multiphase flows,” Numerical Heat
Transfer Part B, Vol 42, pp. 259-283, 2002.
[29] S. V. Patankar, “Numerical heat transfer and fluid flows,” Hemisphere, Washington,
1980.
[30] W. Yuan, Y. Tang, M. Pan, Z. Li and B. Tang, “Model prediction of effects of operating
parameters on proton exchange membrane fuel cell performance,” Renewable Energy,
Vol. 35, pp. 656-666,2010.

指導教授

曾重仁(Chung-Jen Tseng)

審核日期

2012-7-25

推文