金屬發泡材質子交換膜燃料電池入出口流道設計及效率分析

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研究生：	陳皇嘉 CHEN HUANG-CHIA
論文名稱：	金屬發泡材質子交換膜燃料電池入出口流道設計及效率分析 Design on the inlet and outlet of the multiple fuel channels and efficiency analysis of Metal Foam in PEMFC
指導教授：	曾重仁
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 機械工程學系在職專班 Executive Master of Mechanical Engineering
論文出版年：	2016
畢業學年度：	104
語文別：	中文
論文頁數：	76
中文關鍵詞：	金屬發泡材、質子交換膜燃料電池、入出口流道
外文關鍵詞：	metal foam, proton exchange membrane fuel cell, inlet and outlet design
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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，且搭配商用膜組，探討雙極板不同入出口流道氣體分佈設計，於反應物流量、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，不同雙極板入出口流道氣體分佈應用在單電池時，其性能表現與運作特徵；同時探討入出口氣體分佈均勻度所造成性能的影響。
由實驗結果可知，使用雙極板入出口流道氣體均勻分佈設計，對於電池性能有顯著的增加；入出口流道氣體均勻分佈設計對於性能的影響，較改變電池溫度與加濕溫度，更有助於電池性能的提昇，對於後續金屬發泡材燃料電池研究開發有著很大的影響。並考量電池的實用性，實驗證實適當的進行陰端單邊加濕供氣，有助於陰極端的排水控制，也可改善濃差極化的現象。

Metal foam is used in this study to replace the traditional graphite flow field plate. Using commercial catalyst coated membranes, single fuel cell stack is assembled to investigate the effects of entrance and outlet flow channel design, reactant flow rate, operation temperature, and humidification temperature on 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 investigate the operation performance and characteristic of different entrance and outlet fuel channel designs. In addition, the effects of inlet and outlet gas distribution uniformity on the cell performance are also investigated in this study.
The results show that the performance of the fuel cell stack is improved by using new entrance and outlet design that helps the reactants to distribute more evenly. The effect of inlet and outlet design is significant than operation temperature, and humidification temperature. In order to get better cell performance, suitable humidification in the cathode is required. For long-term operation, periodic purging in the cathode can reduce the polarization loss due to mass transfer.

中文摘要        ⅰ
Abstracts    ⅱ
誌謝            ⅲ
目錄            ⅳ
圖目錄            ⅶ
表目錄            ⅸ

第一章    緒論    1
1.1 前言    1
1.2 質子交換膜電池主要元件分析    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
1.2.5 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    9

第二章 文獻回顧    10
2.1 金屬發泡材之質子交換膜燃料電池    10
2.2 水熱管理    13
2.3 流道設計對單電池性能影響    16

第三章 實驗設備與方法    21
3.1 PEMFC電池設計    22
3.2 燃料電池測試平台    22
3.3 實驗製程與步驟    24
3.3.1 疏水微孔層實驗步驟與方法    24
3.3.2 金屬發泡材疏水處理    24
3.3.3 實驗所需藥品與材料    25
3.4 實驗流程    26
3.4.1 電池組裝及測漏    26
3.4.2 活化程序    27
3.4.3 實驗設定    28

第四章 結果與討論    36
4.1 流量對電池性能之影響    37
4.1.1 空氣流量    37
4.2  反應氣體加濕程度對電池性能之影響    42
4.2.1 陰極和陽極雙邊加濕    42
4.2.2 陰極單邊加濕    47

第五章 結果與未來方向建議    51
5.1 結論    51
5.2 未來研究方向    52
參考文獻    53
附錄一    56

圖目錄
圖 3.1 金屬發泡材    29
圖 3.2 單電池組裝示意圖    29
圖 3.3 電池組裝及入出口流道圖    30
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    31
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    32
圖4.1 型式(a)入口均勻流道，電池溫度 60℃，在不同當量比，加濕溫度與電池溫度相同，電池性能的比較    38
圖 4.2 型式(b)入口不均勻流道，電池溫度 60℃，在不同當量比，加濕溫度與電池溫度相同，電池性能的比較    38
圖 4.3 型式(c)入口單一流道，電池溫度 60℃，在不同當量比，加濕溫度與電池溫度相同，電池性能的比較    39
圖 4.4 三種流道進行比較，電池溫度 60℃，相同當量比1.2:2.5，加濕溫度與電池溫度相同，電池性能的比較    39
圖 4.5 三種流道進行比較，不同電池溫度，相同當量比1.2:2.5，加濕溫度與電池溫度相同，電池性能的比較    40
圖 4.6 型式(a)入口均勻流道，電池溫度 60℃，當量比1.2:2.5時，在不同加濕溫度時，電池性能的比較    44
圖 4.7型式 (b)入口不均勻流道，電池溫度 60℃，當量比1.2:2.5時，在不同加濕溫度時，電池性能的比較    44
圖 4.8 型式(c)入口單一流道，電池溫度 60℃，當量比1.2:2.5時，在不同加濕溫度時，電池性能的比較    45
圖 4.9 型式(a) 入口均勻流道，不同電池溫度，當量比1.2:2.5時，在低加濕溫度時，電池性能的比較    45
圖 4.10 型式(a)入口均勻流道，電池溫度50℃，Anode端加濕溫度28℃，Cathode端加濕溫度與電池溫度相同，不同當量比時電池性能比較    48
圖 4.11型式(b)入口不均勻流道，電池溫度50℃，Anode端加濕溫度28℃，Cathode端加濕與電池溫度相同，不同當量比時電池性能比較    48
圖 4.12 型式(c)入口單一流道，電池溫度 50℃，Anode端加濕溫度28℃，Cathode端加濕與電池溫度相同，不同當量比時電池性能比較    49

表目錄
表 3.1 燃料電池測試系統功能規格表    33
表 3.2 實驗測試內容    35
表 4.1 型式(a) 入口均勻流道，不同電池溫度，在不同當量比，加濕溫度與電池溫度相同，0.6V時電池性能的比較    40
表 4.2 型式(b) 入口不均勻流道，不同電池溫度，在不同當量比，加濕溫度與電池溫度相同，0.6V時電池性能的比較    40
表 4.3 型式(c) 入口單一流道，不同電池溫度，在不同當量比，加濕溫度與電池溫度相同，0.6V時電池性能的比較    41
表 4.4 型式(a) 入口均勻流道，不同電池溫度，在當量比1.2:2.5時，在不同電池陰、陽極同溫度加濕時，0.6V時電池性能的比較    46
表 4.5 型式(b) 入口不均勻流道，不同電池溫度，在當量比1.2:2.5時，在不同電池陰、陽極同溫度加濕時，0.6V時電池性能的比較    46
表 4.6 型式(c) 入口單一流道，不同電池溫度，在當量比1.2:2.5時，在不同電池陰、陽極同溫度加濕時，0.6V時電池性能的比較    46
表 4.7 型式(a)入口均勻流道  Anode端加濕溫度28℃，Cathode端加濕溫度與電池溫度相同比較於雙邊加濕與電池溫度相同；與同電池溫度雙邊加濕性能0.6V時比較    49
表 4.8 型式(b)入口不均勻流道  Anode端加濕溫度28℃，Cathode端加濕溫度與電池溫度相同比較於雙邊加濕與電池溫度相同；與同電池溫度雙邊加濕性能0.6V時比較    49
表 4.9 型式(c)入口單一流道  Anode端加濕溫度28℃，Cathode端加濕溫度與電池溫度相同比較於雙邊加濕與電池溫度相同；與同電池溫度雙邊加濕性能0.6V時比較    50 






                                

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