本 研 究 將 對 單 一 電 池 及 一 組 150 W燃 料 電 池 組 進 行 實 驗 測 試 與 分 析 。 實 驗 之 控 制 項 目 包 含 不 同 流 道 、 接 觸 緊 密 度 、 進 氣 壓 力 、 白 金 觸 媒 含 量 、 氧 化 劑 氣 體 種 類 、 電 子 收 集 板 等 各 項 設 計 及 操 作 參 數 。 經 由 上 述 一 序 列 參 數 之 實 驗 與 分 析 ， 結 果 將 有 助 於 掌 握 影 響 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 性 能 的 關 鍵 因 素 ，這 些 實 驗 結 果 亦 可 提 供 自 行 組 裝 燃 料 電 池 組 時 之 參 考 。
實驗 結 果發 現，質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 在 低 溫 下 可 快 速 啟 動 並 迅 速 達 到 穩 定 的 輸 出 電 壓 。 實 驗 發 現 當 單 一 電 池 的 反 應 室 扭 矩 為 8 N-M 時 ， 電 極 與 電 子 收 集 板 之 接 觸 電 阻最 小， 輸 出 功 率 最 大 。 配 合 流 道 適 當 設 計 ， 使 薄 膜 保 持 一 定 水 分 ， 可 免 除 脫 水 而 導 致 氫 離 子 在 傳 導 時 阻 力 增 加 。流 道 設 計 的 另 一 目 的 是 為 了 在 反 應 面 積 和 電 極 接 觸 面 積 兩 者 間 取 一 平 衡 值 。 本 研 究 之 三 種 流 道 實 驗 ， 最 佳 流 道 為 傳 統 式 ， 分 隔 肋 條 寬 度 為 2 mm， 此 時 可 輸 出 功 率 最 大 。
藉 著 改 變 氧 化 劑 側 白 金 觸 媒 含 量 ， 實 驗 証 實 其 可 改 善 燃 料 電 池 的 輸 出 功 率 。 在 某 一 特 定 電 壓 下（ 0.625 V） ， 反 應 所 需 白 金 觸 媒 有 一 極 限 值 ， 超 過 此 值 ， 白 金 觸 媒 含 量 增 加 ， 對 性 能 的 影 響 並 不 明 顯 。 當 提 高 氧 化 劑 側 氣 體 進 口 壓 力 到 比 氫 氣 側 壓 力 高 大 約 10~20 psi時 ， 輸 出 功 率 有 明 顯 提 昇 。 電 子 收 集 板 目 前 採 用 金 箔 及 石 墨 板 ， 實 驗 結 果 發 現 金 箔 優 於 石 墨 板 。 本 研 究 目 前 之 最 佳 實 驗 組 合 為 傳 統 式 流 道 ， 分 隔 肋 條 寬 度 為 2 mm， 氧 化 劑 側 白 金 含 量 為 3 mg/cm2， 氫 氣 側 白 金 含 量 為 0.25 mg/cm2， 以 純 氧 為 氧 化 劑 且 氧 化 劑 側 氣 體 壓 力 比 氫 氣 側 氣 體 壓 力 高 10 psi， 此 時 輸 出 功 率 最 高 。
關 鍵 字 ： 質 子 交 換 膜 、 白 金 觸 媒 含 量 、 電 子 收 集 板 。

The experimental tests and analysis of a fuel cell unit and a 150 W fuel cell stack are performance in this research. The experimental items in this study are various the types of flow channels, fasten torque, inlet gas pressure, Pt loading density, oxidizers, electron collector type etc. Through above a series of the tests, we can understand the key factors which influence the performance of the PEMFC. The experimental results can also provide us references when one assemble a fuel cell stack in future.
PEMFC can start quickly at low temperature and achieves stable output voltage. When the 8 N-M torque is applied to fasten the reaction chamber, the contact resistance between electrode and electron collector reaches a minimum value. By designing the flow channel properly, the membrane hydration can remain a good state so that the conductivity of the proton exchange membrane can not be hinder. We found that the optimum channel among three types of the test channels is the conventional channel with the rib width 2 mm. When the output power is largest.
Our experiments display that the increase of Pt loading in cathode can improve PEMFC performance. At certain voltage, there is a critical value in Pt loading. PEMFC performance can not be improved when Pt loading increases over this value. When the inlet pressure in cathode side increase to 10~20 psi higher than the pressure in anode side, the output power can improve apparently.
Keyword: Proton exchange membrane, Pt loading, electron collector.

目 錄

摘 要 I
英 文 摘 要 II
目 錄 III
表 目 錄 VI
圖 目 錄 VII
符 號 說 明 XII

第 一 章 緒 論 1
1.1 前 言 1
1.2 文 獻 回 顧 2
1.3 燃 料 電 池 初 步 介 紹 5
1.4 燃 料 電 池 的 分 類 6
1.5 研 究 目 的. 7

第 二 章 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 優 點 與 結 構 分 析 9
2.1 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 的 優 點 9
2.2 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 本 體 9
2.2.1 固 態 高 分 子 薄 膜 9
2.2.2 催 化 劑 10
2.2.3 電 極 11
2.2.4 墊 圈 11
2.2.5 流 場 板 11
2.2.6 電 流 收 集 板 12

第 三 章 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 的 反 應 機 制 13
3.1 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 的 作 用 原 理 13
3.2 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 的 反 應 機 制 14

第 四 章 實 驗 設 備 及 性 能 量 測 20
4.1 實 驗 設 備 20
4.1.1 實 驗 設 備 主 要 硬 體 20
4.1.2 量 測 元 件 20
4.2 性 能 量 測 22
4.2.1 單 一 電 池 的 組 裝 22
4.2.2 管 路 防 漏 測 試 23
4.2.3 電 池 電 壓 及 電 流 密 度 的 量 測 23

第 五 章 結 果 與 討 論 25
5.1 單 一 電 池 的 暫 態 分 析 25
5.2 螺 栓 鎖 固 反 應 室 所 施 加 的 扭 矩 26
5.3 流 道 設 計 27
5.4 氧 化 劑 側 不 同 白 金 觸 媒 含 量 28
5.5 電 流 收 集 板 的 材 質 29
5.6 氧 化 劑 種 類 30
5.7 進 氣 壓 力 31
5.8 電 池 組 的 各 項 測 試 實 驗 33

第 六 章 結 論 與 建 議 34
6.1 結 論 35
6.2 未 來 可 進 行 之 工 作 36
參 考 文 獻 37

表 目 錄
表 1.1 不 同 類 行 之 燃 料 電 池 的 比 較 39
表 1.2 各 類 燃 料 電 池 的 比 較 40
圖 目 錄

圖 1.1 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 工 作 原 理 示 意 圖 41
圖 1.2 不 同 燃 料 電 池 之 反 應 機 構 示 意 圖 42
圖 2.1 單 一 燃 料 電 池 結 構 示 意 圖 43
圖 2.2 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 之 分 解 照 片 44
圖 3.1 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 之 工 作 原 理 示 意 圖 45
圖 3.2 電 壓 — 電 流 反 應 曲 線 示 意 圖 46
圖 3.3 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 局 部 區 域 反 應 機 制 示 意 圖 47
圖 4.1 燃 料 電 池 實 驗 設 備 圖 48
圖 4.2 燃 料 電 池 測 試 系 統 照 片 49
圖 4.3 高 精 密 除 油 除 水 過 濾 器 50
圖 4.4 精 密 調 壓 閥 51
圖 4.5 150 W質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 組 照 片 52
圖 4.6 不 鏽 鋼 箱 中 高 壓 H2及 N2氣 體 鋼 瓶 53
圖 5.1 傳 統 形 式 氣 體 流 道 一 （ conventional channel type） 流 道 面 積 佔 83.44 %， 分 隔 肋 條 寬 度 為 1 mm 54
圖 5.2 指 狀 形 式 氣 體 流 道 （ interdigitated channel type）流 道 面 積 佔 81.6 % ， 分 隔 肋 條 寬 度 為 1 mm 55
圖 5.3 傳 統 形 式 氣 體 流 道 二 （ conventional channel type）流 道 面 積 佔 66.88 % ， 分 隔 肋 條 寬 度 為 2 mm 56
圖 5.4 傳 統 形 式 流 道 氣 體 擴 散 示 意 圖 57
圖 5.5 指 狀 形 式 流 道 氣 體 擴 散 示 意 圖 58
圖 5.6 單 一 電 池 的 暫 態 分 析 （ a） 電 壓（ b） 電 流 隨 時 間 之 變 化 （ 指 狀 流 道 面 積 81.6% ， 兩 側 氣 體 壓 力 10 psi ， 氧 化 劑 側 觸 媒 含 量 5 mg/cm2， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2， 以 金 箔 為 電 子 收 集 板 ） 59
圖 5.7 不 同 螺 栓 扭 矩 下 ， （ a） 電 壓 （b ） 功 率 隨 電 流 密 度 變 化 情 形 （ 指 狀 流 道 面 積 81.6% ， 兩 側 氣 體 壓 力 10 psi， 氧 化 劑 側 觸 媒 含 量 5 mg/cm2， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2， 以 金 箔 為 電 子 收 集 板 ） 60
圖 5.8 不 同 螺 栓 扭 矩 下 ， （ a） 電 壓 （b ） 功 率 隨 電 流 密 度 變 化 情 形 （ 傳 統 流 道 面 積 83.44% ， 兩 側 氣 體 壓 力 10 psi， 氧 化 劑 側 觸 媒 含 量 3 mg/cm2， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2， 以 金 箔 為 電 子 收 集 板 ） 61
圖 5.9 不 同 螺 栓 扭 矩 下 ， （ a） 電 壓 （b ） 功 率 隨 電 流 密 度 變 化 情 形 （ 傳 統 流 道 面 積 66.88% ， 兩 側 氣 體 壓 力 10 psi， 氧 化 劑 側 觸 媒 含 量 1 mg/cm2， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2， 以 石 墨 為 電 子 收 集 板 ） 62
圖 5.10 不 同 流 道 設 計 下 ， （ a） 電 壓 （b ） 功 率 隨 電 流 密 度 變 化 情 形 （ 傳 統 流 道 面 積 83.44% ， 指 狀 流 道 面 積 81.6%， 兩 側 氣 體 壓 力 10 psi， 氧 化 劑 側 觸 媒 含 量 1 mg/cm2， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2， 以 金 箔 為 電 子 收 集 板 ） 63
圖 5.11 不 同 流 道 設 計 下 ， （ a） 電 壓 （b ） 功 率 隨 電 流 密 度 變 化 情 形 （ 以 石 墨 為 電 流 收 集 板 ， 兩 側 氣 體 壓 力 10 psi， 氧 化 劑 側 觸 媒 含 量 1 mg/cm2， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2）64
圖 5.12 氧 化 劑 側 不 同 白 金 觸 媒 含 量 下 ， （ a） 電 壓 （ b） 功 率 隨 電 流 密 度 之 變 化 （ 指 狀 流 道 面 積 81.6% ， 兩 側 氣 體 壓 力 10 psi， 扭 矩 為 8 N-M ， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2， 以 金 箔 為 電 子 收 集 板 ） 65
圖 5.13 氧 化 劑 側 不 同 白 金 觸 媒 含 量 下 ， （ a） 電 壓 （ b） 功 率 隨 電 流 密 度 之 變 化 （ 傳 統 流 道 面 積 83.44% ， 兩 側 氣 體 壓 力 10 psi， 扭 矩 為 8 N-M ， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2 ， 以 金 箔 為 電 子 收 集 板） 66
圖 5.14 電 壓 固 定 為 0.625 V ， （ a） 指 狀 流 道 （ b） 傳 統 流 道 ， 電 流 密 度 隨 白 金 觸 媒 含 量 之 變 化 （ 兩 側 氣 體 壓 力 10 psi ， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2 ） 67
圖 5.15 不 同 材 質 的 電 流 收 集 板 ， （ a） 電 壓 （ b） 功 率 隨 電 流 密 度 之 變 化 （ 傳 統 流 道 面 積 83.44% ， 兩 側 氣 體 壓 力 10 psi， 氧 化 劑 側 觸 媒 含 量 1 mg/cm2 ， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2 ） 68
圖 5.16 不 同 氧 化 劑 種 類 （ 純 氧 或 空 氣 ） ， （ a） 電 壓 （ b） 功 率 隨 電 流 密 度 之 變 化 （ 傳 統 流 道 面 積 83.44% ， 兩 側 氣 體 壓 力 10 psi， 氧 化 劑 側 觸 媒 含 量 3 mg/cm2 ， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2 ， 以 金 箔 為 電 子 收 集 板） 69
圖 5.17 不 同 氧 化 劑 種 類 （ 純 氧 或 空 氣 ） ， （ a） 電 壓 （ b） 功 率 隨 電 流 密 度 之 變 化 （ 傳 統 流 道 面 積 83.44% ， 兩 側 氣 體 壓 力 10 psi， 氧 化 劑 側 觸 媒 含 量 1 mg/cm2 ， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2， 以 金 箔 為 電 子 收 集 板） 70
圖 5.18 不 同 氧 化 劑 種 類 （ 純 氧 或 空 氣 ） ， （ a） 電 壓 （ b） 功 率 隨 電 流 密 度 之 變 化 （ 傳 統 流 道 面 積 83.44% ， 兩 側 氣 體 壓 力 10 psi， 氧 化 劑 側 觸 媒 含 量 1 mg/cm2 ， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2， 以 石 墨 為 電 子 收 集 板） 71
圖 5.19 白 金 含 量 與 氧 化 劑 種 類 經 濟 效 益 之 評 估 （ 傳 統 流 道 面 積 83.44% ， 兩 側 氣 體 壓 力均 固 定 10 psi， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2） 72
圖 5.20 氧 化 劑 側 不 同 進 口 壓 力 下 ， （ a） 電 壓 （ b） 功 率 隨 壓 力 變 化 情 形 （ 指 狀 流 道 面 積 81.6% ， 氫 氣 側 氣 體 壓 力 10 psi， 氧 化 劑 側 觸 媒 含 量 0.5 mg/cm2 ， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2， 以 金 箔 為 電 子 收 集 板） 73
圖 5.21 氧 化 劑 側 不 同 進 口 壓 力 下 ， （ a） 電 壓 （ b） 功 率 隨 壓 力 變 化 情 形 （ 指 狀 流 道 面 積 81.6% ， 氫 氣 側 壓 力 10 psi， 氧 化 劑 側 觸 媒 含 量 3 mg/cm2 ， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2， 以 金 箔 為 電 子 收 集 板） 74
圖 5.22 氫 氣 側 不 同 進 口 壓 力 下 ， （ a） 電 壓 （ b） 功 率 隨 壓 力 變 化 情 形 （ 指 狀 流 道 面 積 81.6% ， 氧 化 劑 側 氣 體 壓 力 10 psi， 氧 化 劑 側 觸 媒 含 量 3 mg/cm2 ， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2， 以 金 箔 為 電 子 收 集 板） 75
圖 5.23 不 同 流 道 及 觸 媒 含 量 下 ， （ a） 電 壓 （ b） 功 率 隨 電 流 密 度 變 化 之 關 係 76
圖 5.24 能 量 轉 換 比 率 隨 電 流 密 度 變 化 情 形 （ 傳 統 流 道 面 積 83.44% ， 氧 化 劑 側 氣 體 壓 力 10 psi， 氧 化 劑 側 觸 媒 含 量 3 mg/cm2 ， 氫 氣 側 觸 媒 含 量 0.25 mg/cm2， 以 金 箔 為 電 子 收 集 板） 77
圖 5.25 燃 料 電 池 電 壓 降 分 析 圖 78
圖 5.26 150 W電 池 組 暫 態 分 析 ， （ a） 電 壓 （ b） 功 率 隨 時 間 變 化 情 形 （ 氫 氣 側 壓 力 固 定 為 3 psi， 外 加 電 阻 為 2.18 79
圖 5.27 150 W電 池 組 ， 改 變 氫 氣 側 壓 力 ， （ a） 電 壓 （ b） 功 率 隨 時 間 及 氫 氣 進 口 壓 力 變 化 之 關 係 80

1. "Mathematical Modeling of Proton-Exchange-Membrane Fuel Cell Stacks", D. Thirumalai and R. White, J. Electrochem. Soc., Vol. 144, No. 5, May 1997
2. "Low-cost Light Weight High Power Density PEM Fuel Cell Stack", O. J. Murphy, A. Cisar, and E. Clarke, Electrochimica Acta., Vol. 43, No. 24, pp. 3829-3840, 1998
3. "Measurements of proton conductivity in the active layer of PEM fuel cell gas diffusion electrodes", C. Boyer, S. Gamburzev, O. Velev, S. Srinivasan, and A. J. Appleby, Electrochimica Acta., Vol. 43, No. 24, pp. 3703-3709, 1998
4. "A study of the internal humidification of an integrated PEMFC stack", K.H.Choi, D.J. Park, Y.W. Rho, Y.T. Kho, T.H. Lee, Journal of Power Sources, Vol. 74, No. 1, pp. 146-150, 1998
5. "Effect of collector plate resisetance on fuel cell stack", F.Barbir, J.Braun, and J.Neutzler, Energy Partner, 1999
6. "Efficiency and economics of proton exchange membrane (PEM) fuel cells", F.Barbir, and T. Gomez,Energy Partners,1996
7. "Membrane fuel cell-concepts and system design", A. Heinzel, R. Nolye, K. Lledjeff-Hey and M. Zedda, Electrochimica Acta., Vol. 43, No. 24, pp. 3817-3820, 1998
8. "New materials for polymer electrolyte membrane fuel cell current collectors", Philip L. Hentall, J. Barry Lakeman, Gary O. Mesped, Paul L. Adcock, Jon M. Moor, J. Power Sources, Vol. 80, pp.235-241, 1999
9. "Development of small polymer electrolyte fuel cell stacks", V. A. Paganin, E. A. Ticianelli, E. R. Gonzalez, J. Power Sources, Vol. 70, pp.55-58, 1998
10. "Comparative studies of polymer electrolyte membrane fuel cell stack and singal cell", Deryn Chu, Rongzhong Jiang, J. Power Sources, Vol. 80, pp.226-234, 1999
11. "Effect of direct liquid water injection and interdigitated flow field on the performance of proton exchange membrane fuel cells", David L. Wood, III, Jung S. Yi, Trung V. Nguyen, Electrochimica Acta., Vol. 43, No. 24, pp. 3795-3809, 1998
12. Fuel Cell Systems, Ed. by Leo J. M. J. Blomen and M. N. Mugerwa, Plenum Press, New York, 1994
13. 質 子 交 換 膜型 燃 料 電 池 的 製 造 技 術 ， 鄭 煜 騰 ， 鄭 耀 宗 ， 能 源 季 刊 第 二 十 七 卷 ，第 118頁 ， 86年 4月 。
14. 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 技 術 的 進 展 分 析 ， 鄭 耀 宗 ，萬 瑞 霙 ， 能 源 季 刊 第 二 十 八 卷 ，第 二 期 ， 第 119頁 ， 87年 4月 。
15. 質 子 交 換 膜 燃 料 電 池 的 水 管 理 技 術 ，林 建 良 ， 能 源 季 刊 第 二 十 八 卷 ，第 三 期 ， 第 106頁 ， 87年 7月 。