小型燃料電池流道設計與性能分析

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黃崑福(Kun-Fu Huang) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

小型燃料電池流道設計與性能分析
(The small-scale fuel cell flow channel design and analysis of performance)

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摘要(中)

本研究採用Nafion 117為主體的膜電極組(MEA)進行小型燃料電池之實驗及分析，藉著不同的流道設計與操作條件，探討流道設計對流動阻力與電阻之影響，以及對質子交換膜燃料電池的性能輸出影響。實驗條件包含不同的流道設計，改變電池溫度，改變增濕瓶加濕溫度，氧化劑之種類，與背壓壓力值，不同傳導鍵基底膜的變化等。實驗之結果可以供未來組裝電池堆之參考依據。
由實驗結果可以發現，質子交換膜燃料電池在低溫環境下可以快速啟動並可迅速的達到穩定的輸出電壓。此外，在燃料電池使用石墨板流道設計時，考慮流阻與電阻力損失，較佳流道寬度設計約為1mm，流道寬度設計對燃料電池性能影響16%，固定流動面積下後該影響為8%，並在流道寬度設計1.6mm時，燃料電池有最好的性能。增加操作溫度與背壓皆可有效提升燃料電池性能，但是過高的燃料電池溫度會造成膜電極組內發生乾膜(Dry out)的情況，使得燃料電池的性能下降。提昇增濕瓶加濕溫度則是可以增加膜電極組中的水含量。水含量越高，結合膜的內阻抗越低，在使用水瓶氣法加濕燃料，較高操作溫度下增加流量使加濕效果變差，降低燃料電池性能。

摘要(英)

Effects of various flow field designs and operating conditions on the flow and electrical resistances and the performance of proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are investigated. Nafion 117 membranes are used in the work. Operating conditions studied include humidification temperature, cell temperature, types of oxidizers, back pressure.
The measurement results show that PEMFC, in low temperature environment, starts up quickly and reaches stable condition very fast. For graphite bipolar plate, the optimal flow channel width is found to be 1mm by considering flow and electrical resistances. For the channel widths studied, the cell performance may very to an extent of 16 percent. If we fix the total flow channel area, then the performance variation is reduced to 8 percent, and the optimal channel width is found to be 1.6mm. Increase the operating temperature and back pressure of improves the performance. However, if the cell temperature goes too high, the membrane may dry out, and the cell performance will decrease. Increasing the humidification temperature increases the water content of the membrane, and hence lowers the cell interior impedance. However, this method becomes less effective at higher operating temperature if the humidification vapor amount is not adequately provided.

關鍵字(中)

★ 質子交換膜
★ 能量損失
★ 流道設計

關鍵字(英)

★ Resistance loss
★ Flow channel design
★ PEMFC

論文目次

摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖表目錄 VII
第一章續論 1
1.1　前言 1
1.2　發展背景 2
1.3　發電原理 4
1.4　各種燃料電池的比較 6
1.5　文獻回顧 8
1.6　研究目的 15
第二章質子交換膜燃料電池優缺點與結構分析 16
2.1　質子交換膜燃料電池的優缺點 16
2.2　質子交換膜燃料電池結構分析 19
第三章實驗方法與實驗設備 29
3.1　流動阻力計算與電場分佈所造成損失 29
3.2　CNC綜合加工機 31
3.3　燃料電池測試系統 32
第四章結果與討論 36
4.1　流場觀測實驗 36
4.2　流道設計與流動阻力 37
4.3　流道設計與電場效應所造成損失 39
4.4　結合壓力對電池性能的影響 39
4.5　燃料電池的重現性 40
4.6　流道設計對燃料電池性能的影響 41
4.7　電池溫度與加濕溫度對燃料電池性能的影響 42
4.8　燃料流量對電池性能的影響 42
4.9　燃料電池輸出的穩定性 43
4.10　改變氫氣與氧化劑側之氣體壓力 44
4.11　使用不同基底型態的質子交換膜 45
4.12　使用不同燃料與氧化劑 46
第五章結果與建議 47
5.1　結論 47
5.2　未來研究方向與建議 48
3.3　燃料電池測試系統 32
參考文獻 52
附錄一　CNC綜合加工基操作方式與注意事項 104
附錄二　燃料電池測試系統注意事項與操作流程 108
附錄三　溫度控制器使用說明 114
附錄四　小型幫浦性能分析 116
附錄五　誤差分析 117
附錄六　質流量控制器校正表 120
附錄七　燃料電池水管理方式 123
【表目錄】
表1.1 各種燃料電池的種類與特性 57
表2.1 實驗設計流道參數表 58
表3.1 燃料電池測試系統功能規格表 59
【圖目錄】
圖2.1 單一燃料電池結構分解圖 61
圖2.2 常見之質子傳導膜化學結構圖 62
圖2.3 流道設計實體圖 63
圖2.4 相同流動面積之流道設計圖 63
圖3.1 CNC綜合加工機(外觀) 64
圖3.2 CNC綜合加工機(面板) 64
圖3.3 直立式銑床 65
圖3.4 旋臂式鑽床 65
圖3.5 工具組 66
圖3.6 其他工具與配件 66
圖3.7 氣體鋼瓶與管路 67
圖3.8 溫控器與液氣分離瓶 67
圖3.9 燃料電池測試區 68
圖3.10 電子負載與穩壓裝置 68
圖3.11 燃料電池測試系統示意圖 69
圖3.12 Cell & Fuel 設定畫面 69
圖3.13 Fuel Cell 測試系統主畫面 70
圖3.14 擷取資料的設定畫面 70
圖3.15 Tafel Setting 的畫面 71
圖3.16活化時閃爍之提示畫面 71
圖3.17 H/W Setting 的畫面 72
圖3.18 開始測試紀錄後的主畫面-1 72
圖3.19開始測試紀錄後的主畫面-2 73
圖3.20註解畫面 73
圖3.21 儲存檔案畫面 74
圖3.22 Tafel 執行畫面 74
圖4.1 蛇行式流道流場觀測 75
圖4.2 點狀式流道流場觀測 76
圖4.3 柵狀式流道流場觀測-(15m/s) 77
圖4.4 柵狀式流道流場觀測-(5m/s) 78
圖4.5 流道深度與流動阻力之關係曲線-1 79
圖4.6流道深度與流動阻力之關係曲線-2 79
圖4.7流道寬度與流動阻力之關係曲線 80
圖4.8 不同流速下流道寬度與流動阻力之關係 80
圖4.9不同流速下與流動阻力之關係(流道截面1mm*1mm) 81
圖4.10 不同MEA大小與壓邊尺寸下，流道寬度與電場損失之關係 81
圖4.11 MEA22*22(mm)之流道寬度與能量損失之關係 82
圖4.12 MEA33*33(mm)之流道寬度與能量損失之關係 82
圖4.13 流道板中電壓分佈情況 83
圖4.14 流道板中電流分佈情況 83
圖4.15 組裝壓力與氣密墊圈變形量關係圖 84
圖4.16 組裝壓力與氣密墊圈變形量關係圖-1 84
圖4.17 不同組裝壓力下，輸出電壓隨電流之變化 85
圖4.18不同組裝壓力下，輸出電壓隨電流之變化 85
圖4.19 不同地方測試，輸出電壓隨電流之變化 86
圖4.20 不同取值方式，輸出電壓隨電流之變化 86
圖4.21 不同流道寬度，輸出電壓隨電流之變化 87
圖4.22 不同流道寬度，輸出功率隨電流之變化 87
圖4.23 固定面積不同流道寬度，輸出電壓隨電流之變化 88
圖4.24 固定面積不同流道寬度，輸出功率隨電流之變化 88
圖4.25 固定電壓0.6V在不同增濕溫度下，輸出電流隨時間之變化-1 89
圖4.26 固定電壓0.6V在不同增濕溫度下，輸出電流隨時間之變化-2 89
圖4.27 不同氣體流量下，輸出電壓隨電流之變化MEA33*33-(H2/O2)(30/30/30) 90
圖4.28 不同氣體流量下，輸出功率隨電流之變化MEA33*33-(H2/O2)(30/30/30) 90
圖4.29 不同氣體流量下，輸出電壓隨電流之變化MEA33*33-(H2/O2)(50/50/40) 91
圖4.30 不同氣體流量下，輸出功率隨電流之變化MEA33*33-(H2/O2)(50/50/40) 91
圖4.31 不同氣體流量下，輸出電壓隨電流之變化MEA33*33-(H2/Air)(50/50/40) 92
圖4.32 不同氣體流量下，輸出功率隨電流之變化MEA33*33-(H2/Air)(50/50/40) 92
圖4.33 不同氣體流量下，輸出電壓隨電流之變化MEA22*22-(H2/O2)(40/40/30) 93
圖4.34 不同氣體流量下，輸出功率隨電流之變化MEA22*22-(H2/O2)(40/40/30) 93
圖4.35 不同氣體流量下，輸出電壓隨電流之變化MEA22*22-(H2/O2)(65/65/50) 94
圖4.36 不同氣體流量下，輸出功率隨電流之變化MEA22*22-(H2/O2)(65/65/50) 94
圖4.37 不同氣體流量下，輸出電壓隨電流之變化MEA22*22-(H2/Air)(65/65/50) 95
圖4.38 不同氣體流量下，輸出功率隨電流之變化MEA22*22-(H2/Air)(65/65/50) 95
圖4.39 固定電壓0.6V在不同流量下，輸出電流隨時間之變化MEA22*22-(H2/O2) (65/65/50) 96
圖4.40 固定電壓0.4V在不同流量下，輸出電流隨時間之變化MEA22*22-(H2/O2) (65/65/50) 96
圖4.41 固定電壓0.6V在不同溫度下，輸出電流隨時間之變化MEA22*22-(H2/O2)(104/70) 97
圖4.42 固定電壓模式，輸出電流隨時間之變化MEA33*33-(H2/O2)(40/40/30) 97
圖4.43 固定電壓0.6V，溫度改變時，輸出電流隨時間之變化MEA33*33-(H2/O2)(104/70) 98
圖4.44 固定電壓模式，輸出電流隨時間之變化MEA33*33-(H2/O2)(60/60/45) 98
圖4.45 不同背壓下，輸出電壓隨電流之變化MEA33*33-(H2/O2)(40/40/30) 99
圖4.46 圖4.48 不同背壓下，輸出功率隨電流之變化MEA33*33-(H2/O2)(40/40/30) 99
圖4.47 不同背壓下，輸出電壓隨電流之變化MEA33*33-(H2/Air)(40/40/30) 100
圖4.48 不同背壓下，輸出功率隨電流之變化MEA33*33-(H2/Air)(40/40/30) 100
圖4.49 Anode: H+ form Cathode: H+ form 101
圖4.50 Anode: Na+ form Cathode: Na+ form 101
圖4.51 Anode: H+ form Cathode: H+ form (MeOH) 102
圖4.52 Anode: Na+ form Cathode: Na+ form (MeOH) 102
圖4.53 Compare Na and H+ form electrode (H2/Air) 103
圖4.54 Compare Na and H+ form electrode (MeOH/Air) 103

參考文獻

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指導教授

曾重仁(Chung-Jen Tseng)

審核日期

2004-7-14

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