本論文主要在研製質子交換膜燃料電池組(簡稱PEMFC)，並探討不同設計及操作條件下之電池組性能特性。影響PEMFC性能的因素很多，除了濕度外，尚有螺栓扭矩 (控制接觸電阻及孔隙度)、進氣壓力、進口及反應區之流道幾何形狀、stack電池數、氧化劑種類及流量等，本研究除量測PEMFC輸出電壓及電流外，並將量測反應區內部溫度變化以了解電池組性能特性。
膜極組(MEA)使用質子交換膜Nafion 112，陽極觸媒白金含量0.4 mg/cm2、陰極觸媒白金含量1.0 mg/cm2時，實驗結果發現，施加的螺栓扭矩將影響接觸電阻大小及肋條下方擴散層孔隙度，因而影響氣體流至此區的困難度，適當螺栓扭矩始可得到較佳輸出電壓。隨著進氣壓力的提升，電壓-電流密度曲線會隨著上升，但進氣壓力超過2atm後功率提升效果較小。多電池之電池組進口流道的幾何形狀及大小，在高電流密度時，亦有重要影響，設計時需加以注意。
以空氣為氧化劑的開放式設計時，風扇轉速大有助於氧化劑的補充，可避免高電流密度時因空氣供應不足造成電壓-電流密度的降低。電池組電池數增加時，若有任一電池結合不佳將可能造成整體內電阻增加，使電壓-電流密度曲線降低，實驗發現隨電池數增加各電池輸出電壓有降低的趨勢，組裝時須特別注意。

關鍵字: 質子交換膜燃料電池組

Abstract

The characteristics of PEMFC stacks in different designs and operational conditions are studied and manufactured in this thesis. There are many factors that affect the PEMFC performance. They include the familiar humidity, the torque, the inlet pressure, the geometries of inlet ports and the flow channels in reaction regions, the cell numbers of the stacks, the type of the oxidizer and its flow rate. To understand the performance characteristics of stacks the voltage and current density will be measured as well as the interior temperature of stacks in this research.
The membrane exchange assembly (MEA) with Nafion 112, anode Pt 0.4 mg/cm² and cathode Pt 1.0 mg/cm² is used in these experimental works. The experimental results display that increasing the applied torque will reduce the contact resistance between bipolar plate and diffusion layer but increase the difficulty of gas penetrating into the reaction region beneath the bipolar rib. So proper torque is necessary to obtain the best voltage output. The voltage vs. current density also increases as the inlet pressure increases, but its effect will reduce when the inlet pressure increases over 2atm. The geometry and size of inlet port to each cell for a multi-cell stack will influence the voltage output, especially in high current density, so that special attention is needed in designing inlet port.
When the air is used as an oxidizer, the fan with a high rotation speed is helpful in an open circuit design. The high air volume flow rate can avoid that the voltage output decays greatly in high current density. Increasing the cell number may cause extra internal resistance due to assembling improperly and reduce the voltage output. So special attention is also needed in assembling.

Keyword: Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stacks

目錄
中文摘要………………………………………………………………..Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………..Ⅲ
目錄……………………………………………………………………..Ⅵ
圖目錄…………………………………………………………………..Ⅶ
表目錄…………………………………………………………………..XI
符號說明…………………………………………………………….....XⅡ
第一章. 緒論……………….………………………………………1
1.1前言………………………..……………………………………...1
1.2文獻回顧………………………………………………………….5
1.3研究目的………………………………………………………….9
第二章. 質子交換膜燃料電池的結構與MEA製作方式.......11
2.1 膜極組MEA……………………………………………………..11
2.1.1質子交換膜……………………………………………....11
2.1.2陽極電極（氫氣側）…………………………………....12
2.1.3陰極電極（氧氣側）…………………………………....13
2.1.4催化劑……………………………………………………14
2.2雙極板…………………………………………………………....15
2.3密封用膠板………………………………………………………16
2.4 MEA製作方式……………………………………………........17
2.4.1交換膜處理………………………………………………17
2.4.2電極的製作………………………………………………18
2.4.3 MEA的製作………………………………………….....20
第三章. PEMFC反應機制………………………………...........22
3.1質子交換膜燃料電池的作用原理…………………………....22
3.2 質子交換膜燃料電池的反應機制…………………………...24
第四章. 實驗設備………………………………………………....31
4.1實驗材料…………………………………………………….....31
4.1.1 膜極組………………………………………………......31
4.1.2雙極流場板……………………………………………...31
4.1.3燃料氣體與氧化劑……………………………………...33
4.2 實驗設備與系統組件………………………………………....33
4.2.1供氣設備與管路系統….….…………………………….34
4.2.2進氣加熱及加濕系統………….………………………..35
4.2.3量測系統….……………………………………………..36
4.3 系統效能與穩定性……………………….…………………...38
4.3.1氫氣隔水加熱裝置……….…………..………………....38
4.3.2氧氣與空氣加熱裝置……………….…………………..38
4.3.3恆溫控制箱..………….…………..……………………..39
第五章. 實驗結果與討論………………………………………..40
5.1 小型燃料電池組……………………………………………....40
5.1.1螺栓扭矩的影響………………………………………...40
5.1.2進氣壓力的影響………………………………………...43
5.1.3電池組環境溫度的影響………………………………...44
5.1.4 進口流道幾何形狀及大小的影響……………………..44
5.1.5電池組穩定測試………………………………………...45
5.2大型燃料電池組…………………………………………….......46
5.2.1 陰極側空氣流量的影響……………..…………..……..46
5.2.2 螺栓扭矩的影響…………..…………..………………..47
5.2.3 陽極側進氣壓力的影響………………………………..48
5.2.4 電池組比較……………………………………………..49
5.2.5 溫度比較………………………………………………..49
第六章.結論……………………………………………………..........51
6.1 結論…………………………………………………………....51
6.2未來要進行的工作………………………………………….....53
參考文獻…………………………………………………………….….55

圖目錄
圖2.1 燃料電池組解剖示意圖…………………………………….....58
圖3.1 質子交換膜燃料電池之工作原理示意圖................................59
圖4.1 小型電池組流道示意圖，流道面積比為64﹪…………….....60
圖4.2 大型電池組陽極流道示意圖，流道面積比為63﹪……….....60
圖4.3 大型電池組陰極流道示意圖，流道面積比為57﹪……….....61
圖4.4 小型電池組用流道照片……………………………………....62
圖4.5 小型電池組組合後照片……………………………………....62
圖4.6 大型電池組用流道照片……………………………………....63
圖4.7 大型電池組組合後照片……………………………………....63
圖4.8 測試系統照片………………………………………………....64
圖4.9 質子交換膜燃料電池測試系統示意圖…………………........65
圖4.10 氫氣隔水加熱設備…………………………………………....66
圖4.11 空氣與氧氣加熱設備………………………………………....66
圖4.12 蒸汽加濕系統設備…………………………………………....67
圖4.13 加熱水槽溫度時間曲線…………………………………........67
圖4.14 氫氣溫控器之設定溫度、保溫儲存槽內溫與輸出到電池的
氣體溫度差距變化….……………...........................................68
圖4.15 空氣或氧氣加熱時溫度隨時間變化之曲線………………....68
圖4.16 空氣與氧氣溫控器之設定溫度、加熱管內溫與輸出到電池
的氣體溫度差距變化…………………………………………69
圖4.17 恆溫箱與單電池溫度隨時間變化曲線………………………69
圖4.18 蒸汽壓力控制閥設定為1.7 kg/cm2，蒸汽壓力與時間變化
曲線…………………………………………………………....70
圖5.1 石墨板接與碳布間觸電阻隨壓力變化之關係圖………........71
圖5.2 2.3 × 2.3cm²，單電池組在不同結合扭力下之電壓與電流密
度之關係圖……………………………………………..……..71
圖5.3 2.3 × 2.3cm²，2-cell電池組在不同結合扭力下之電壓與電
流密度之關係圖……………………………………………....72
圖5.4 2.3 × 2.3cm²，4-cell電池組在不同結合扭力下之電壓與電
流密度之關係圖……………………………………………....72
圖5.5 2.3 × 2.3cm²，單電池在不同進氣壓力下之電壓與電流密度
之關係圖………………………………………………………73
圖5.6 2.3 × 2.3cm²，2-cell電池組在不同進氣壓力下之電壓與電
流密度之關係圖………………………………………………73
圖5.7 2.3 × 2.3cm²，4-cell電池組在不同進氣壓力下之電壓與電
流密度之關係圖……………………………………………....74
圖5.8 2.3 × 2.3cm²，2-cell電池組在不同環境溫度下之電壓與電
流密度之關係圖………………………………………………74
圖5.9 2.3× 2.3cm²，4-cell電池組各電池之電壓與電流密度之關
係圖……………………………………………………………75

圖5.10 4.8 × 6.8cm²，4-cell電池組各電池之電壓與電流密度之關
係圖…………………………………………………………..75
圖5.11 4.8 × 6.8cm²，2-cell電池組各電池之電壓與電流密度之關
係圖…………………………………………………………...76
圖5.12 2.3 × 2.3cm²，4-cell電池組負載1Ω下電壓隨時間變化之
關係圖……………………………………………….…….....76
圖5.13 4.8 × 6.8 cm²，單電池負載1Ω下電壓隨時間變化之關係圖……………………………………………………………..77
圖5.14 4.8 × 6.8 cm²，2-cell電池組空氣流量不同下之電壓與電流
密度關係圖…………………………………………………..77
圖5.15 4.8 × 6.8 cm²，單電池在不同結合扭力下之電壓與電流密
度之關係圖…………………………………………………..78
圖5.16 4.8 × 6.8 cm²，單電池在不同進氣壓力下之電壓與電流密
度之關係圖……......................................................................78
圖5.17 4.8 × 6.8 cm²，2-cell電池組在不同進氣壓力下之電壓與電
流密度之關係圖……………………………………………..79
圖5.18 4.8 × 6.8 cm²，4-cell電池組在不同進氣壓力下之電壓與電
流密度之關係圖…………………………………………….79
圖5.19 4.8 × 6.8 cm²，單電池、2-cell電池組、4-cell電池組的電
壓與電流密度之關係圖.........................................................80
圖5.20 4.8 × 6.8 cm²與2.3 × 2.3cm²，單電池的電壓與電流密度之
關係圖………………………………………………………..80
圖5.21 4.8 × 6.8 cm²，4-cell電池組溫度隨著時間而變化的關係
圖……………………………………………………………..81
圖5.22 4.8 × 6.8 cm²，單電池、2-cell電池組、4-cell電池組的功
率－電流之關係圖…………………………………………..81

表目錄
表1.1 各種燃料電池基本特性比較…………………………………..82
表1.2 一千瓦燃料電池組的設計條件...………………………….......83
表5.1 不同進氣壓力及負載下，4-cell電池組電壓及功率(密度)與
電流(密度)之關係………………………………………….…..84
表5.2 不同進負載下，4-cell電池組電壓及功率(密度)與電流(密度)
之關係表………………………………………….……………85
表5.3 不同進負載下，2-cell電池組電壓及功率(密度)與電流(密度)
之關係表………………………………………….……………86

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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。
16. "質子交換膜燃料電池含溫濕度控制之參數最佳化分析與電池製作"，廖明祥，碩士論文，國立中山大學機械工程研究所，中華民國九十一年六月。
17. "質子交換膜燃料電池MEA之理論模擬與分析"，周宣任，碩士論文，國立中山大學機械工程研究所，中華民國九十一年六月。
18. "實驗方法探討質子交換膜燃料電池在不同設計條件及製作方式下對性能影響之研究"，熊思愷，碩士論文，國立中山大學機械工程研究所，中華民國九十年六月。