本論文應用新型非均質碳纖維雙極板製成直接甲醇燃料電池(DMFC)，並進行單電池的實驗測試與分析。本研究從碳纖維單/雙極板製作開始，進而設計適用於DMFC的單電池，最後並對不同的控制參數如甲醇濃度、操作溫度及陰極空氣流量等進行實驗測試與分析，以探討這些因素對電池性能的影響，實驗同時並觀察二氧化碳的形成情形。藉由一連串的實驗測試，不但能讓我們更瞭解DMFC的反應特性，這些實驗結果與經驗亦可提供可攜式DMFC電池組未來應用及發展時的參考。
本實驗發現使用的新型單/雙極板，並不需要像其它傳統單/雙極板一樣，在電池組裝時必須使用強大的結合壓力來降低接觸電阻。新型碳纖維單/雙極板應用於DMFC時，電池組結構較為簡單輕巧，但實驗結果發現，影響電池效能的因素仍和使用傳統單/雙極板的DMFC相似，例如提升燃料反應溫度、適當甲醇濃度及適當觸媒含量等皆可有效的增加DMFC之能量密度。
本研究將甲醇溶液直接儲存在陽極流道的這種設計，雖構造較為簡單，但有甲醇crossover、陽極電極容易剝離及二氧化碳排除等問題，這些問題未來製作電池時須設法克服及改良，否則電池長時間運作下，很容易造成效能的下降。

The experimental test and analysis of the direct methanol fuel cell (DMFC), which is made with a newly developed heterogeneous composite carbon fiber unipolar/bipolar plate, is performed in our lab. The work from the making of carbon fiber unipolar plate to the design of single-cell DMFC is also included in this study. The experimental work of various control parameters, such as methanol concentration, operating temperature, and the air flow rate, is also conducted in this thesis. The formation of carbon dioxide in anode is inspected during experiment. From a series of experimental test, we have understood the characteristics of DMFC better. The experimental result and experience can also provide the references of the application and development of DMFC in the future.
According to our experiment, we find that the assembling of the new-type unipolar/bipolar plate doesn’t need to use the large compressing force to reduce the contact resistance like those of the traditional unipolar/bipolar plates. The structure of the DMFC stack made with the new carbon fiber unipolar/bipolar plate is simple and weight light. However, the experimental results still show that the factors that affect the performance of the DMFC fuel cell are similar to those with the conventional unipolar/bipolar plates. For example, increasing the reactive temperature of fuel, proper methanol concentration, and proper content of catalyst all can effectively improve the power density of a DMFC.
The structure of the methanol mixture directly stored in the flow channel of the anode is simple. However, the design exists the problems of the crossover of methanol, the stripping of the anode electrode, and the removal of the carbon dioxide. Special attention is needed to overcome and improve those problems in making DMFC stacks. Or the performance of the cell will decline after long period operation.

目錄……………………………………………………………………..Ⅰ
圖目錄…………………………………………………………………..Ⅳ
表目錄…………………………………………………………………..Ⅵ
論文摘要(中文)……………………………………………………….Ⅶ
論文摘要(英文)……………………………………………………….Ⅸ

第一章. 緒論…………………………………………………………….1
1.1前言……………………………………………………………….1
1.2 燃料電池簡介…………………………………………………...3
1.2.1 燃料電池的發展…………………………………………3
1.2.2 燃料電池工作原理………………………………………5
1.2.3 燃料電池的種類…………………………………………7
1.3 文獻回顧………………………………………………………...8
第二章. 直接甲醇燃料電池（DMFC）………………………...13
2.1 背景簡介……………………………………………………….13
2.2 直接甲醇燃料電池之結構………………………………….....14
2.3 膜極組( Membrane Electrode Assembly , MEA )……………..15
2.3.1 質子交換膜……………………………………………..15
2.3.2 陽極電極………………………………………………..17
2.3.3 陰極電極………………………………………………..18
2.3.4 催化劑…………………………………………………..18
2.4 雙極板 ( Bipolar Plate)………………………………………..20
第三章. DMFC的反應機制………………………………………..22
3.1 直接甲醇燃料電池的工作原理……………………………....22
3.2 甲醇氧化電催化機制………………………………………….24
3.3 燃料電池的極化現象………………………………………….27
3.4 燃料電池的極化曲線………………………………………….28
第四章. 實驗設備與測試儀器…………………………………..…30
4.1新型雙極板之研發……………………………………………...30
4.2新型雙極板之製作……………………………………………...31
4.2.1 黏結劑選用原則………………………………………..31
4.2.2 新型雙極板之製作流程………………………………..32
4.3 實驗材料……………………………………………………….34
4.3.1膜極組(MEA)……………………………………………34
4.3.2 流場板與儲存槽………………………………………..34
4.3.3 燃料與氧化劑…………………………………………..34
4.4 碳纖維雙極板洩漏檢測系統………………………………….35
4.5 碳纖維雙極板電阻量測系統………………………………….35
4.6 實驗設備……………………………………………………….36
4.6.1 恆溫箱…………………………………………………..36
4.6.2 小型鼓風扇……………………………………………..37
4.6.3 精密電阻與低電阻導線………………………………..37
4.6.4 量測系統………………………………………………..37
第五章. 實驗結果與分析………………………………………….39
5.1 螺栓扭矩的影響……………………………………………….39
5.2 二氧化碳的影響……………………………………………….39
5.3 陰極空氣的影響……………………………………………….41
5.4 溫度的影響…………………………………………………….41
5.5 甲醇濃度的影響……………………………………………….43
5.6 陽極電極的影響……………………………………………….44
第六章. 結論…………………………………………………………46
6.1 結論…………………………………………………………….46
6.2 未來可進行之工作…………………………………………….47
參考文獻………………………………………………………………49




圖目錄
圖1.1 以氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池之工作原理示意圖...51
圖2.1 直接甲醇燃料電池工作原理示意圖………………………...52
圖3.1 質子交換膜燃料電池電壓－電流密度極化曲線…………...53
圖4.1 新型碳纖維雙極板之結構示意圖…………………………...53
圖4.2 聚丙烯(PP)材質的流場板與儲存槽之設計圖………………54
圖4.3 聚丙烯(PP)材質雙極板照片…………………………………55
圖4.4 聚丙烯(PP)材質單電池照片…………………………………55
圖4.5 碳纖維雙極板之耐壓洩漏檢測……………………………...56
圖4.6 碳纖維雙極板之電阻量測設備……………………………...57
圖4.7 電阻量測示意圖……………………………………………...57
圖5.1 石墨板和碳纖維與碳布之接觸電阻隨壓力變化之關係…...58
圖5.2 實驗電池擺置方式示意圖…………………………………...58
圖5.3 擺置方式對直接甲醇燃料電池的影響……………………...59
圖5.4 Air-breathing與使用風扇對直接甲醇燃料電池的比較……59
圖5.5 不同溫度下對直接甲醇燃料電池的影響(使用Nafion 112，陽極觸媒4mg/cm2；陰極觸媒3mg/cm2；甲醇濃度2M)……….60
圖5.6 不同溫度下對直接甲醇燃料電池的影響(使用Nafion 117，陽極觸媒2mg/cm2；陰極觸媒1mg/cm2；甲醇濃度2M)……….60
圖5.7 加熱次序對直接甲醇燃料電池的影響(使用Nafion 117，陽極 觸媒2mg/cm2；陰極觸媒1mg/cm2；甲醇濃度2M)………….61
圖5.8 不同溫度下對直接甲醇燃料電池的影響(使用Nafion 117，陽極觸媒6mg/cm2；陰極觸媒3mg/cm2；甲醇濃度2M)……….61
圖5.9 加熱次序對直接甲醇燃料電池的影響(使用Nafion 117，陽極 觸媒6mg/cm2；陰極觸媒3mg/cm2；甲醇濃度2M)………….62
圖5.10 不同甲醇濃度對直接甲醇燃料電池的影響(使用Nafion 117，
陽極觸媒6mg/cm2；陰極觸媒3mg/cm2；操作溫度26℃)…...62
圖5.11 不同甲醇濃度對直接甲醇燃料電池的影響(使用Nafion 117，
陽極觸媒6mg/cm2；陰極觸媒3mg/cm2；操作溫度40℃)…...63
圖5.12 不同甲醇濃度對直接甲醇燃料電池的影響(使用Nafion 117，
陽極觸媒6mg/cm2；陰極觸媒3mg/cm2；操作溫度50℃)…...63
圖5.13 不同甲醇濃度對直接甲醇燃料電池的影響(使用Nafion 117，
陽極觸媒6mg/cm2；陰極觸媒3mg/cm2；操作溫度60℃)…...64
圖5.14 陽極觸媒層剝離之照片……………………………………...64
圖5.15 電極剝離對直接甲醇燃料電池的影響……………………...65
圖5.16 氫氣燃料電池用之MEA ( Nafion 112；陽極觸媒為1mg/cm2
之Pt，陰極觸媒為0.4 mg/cm2之Pt)於DMFC上的極化曲線
圖……………………………………………………………..65
表目錄
表1.1 各種燃料電池基本特性比較………………………………...66

1 "The design and construction of high-performance direct methanol fuel cells", Martin Hogarth, Paul Christensen, Andrew Hamnett, Journal of Power Sources, 69, 113-124, 1997.
2. "Material aspects of the liquid feed direct methanol fuel cell", K.Scott, W.M.Taama, P.Argyropoulos, Journal of Apply Electrochemistry, Vol.28, 1389-1397, 1998
3. "Effect of CO in the anode fuel on the performance of PEM fuel cell cathode", Zhigang Qi, Chunzhi He, Arthur Kaufman, Journal of Power Sources, 111, 139-247, 2002.
4. "Estimation of the membrane methanol diffusion coefficient from open circuit voltage measurements in a direct methanol fuel cell", V.M. Barragan, A. Heinzel, Journal of Power Sources, 104, 66-72, 2002.
5. "Direct methanol fuel-cell combined with a small back-up battery", Jaesung Han, Eun-Sung Park, Journal of Power Sources, 112, 477-483, 2002.
6. "Open circuit voltage and methanol crossover in DMFCs", Zhigang Qi, Arthur Kaufman, Journal of Power Sources, 110, 177-185, 2002.
7. "Influence of electrode structure on the performance of a direct methanol fuel cell", Zhaobin Wei, Suli Wang, Baolian Yi, Jianguo Lin, Journal of Power Sources, 106, 364-369, 2002.
8. "Study of performance improvement in a direct methanol fuel cell", Masayuki Kunimatsu, Toshio Shudo, Yasuo Nakajima, JSAE Review, 23, 21-26, 2002
9. "Development of high-power electrodes for a liquid-feed direct methanol fuel cell", C. Lim, C.Y. Wang, Journal of Power Sources, 113, 145-150, 2003.
10. "Performance of an air-breathing direct methanol fuel cell", C.Y. Chen, P. Wang, Journal of Power Sources, 113, 145-150, 2003.
11. O. Savadogo, J. New Materials for Electrochem. Systems, 47, 1, 1998.
12. "直接甲醇燃料電池電極觸媒"，盧敏彥，張美元，工業材料雜誌，196期，92年4月。
13. "Fuel Cell Systems Explained", James Larminie, Andrew Dicks, Wiley.
14. T. Freelink, W. Visscher, J.A.R.van Veen, Surf. Sci., 335, 353, 1995
15. "燃料電池發展的新趨勢"，倪銘良，能源季刊，第32卷，第二期，92年4月。
16. "高分子電解質膜燃料電池用質子交換膜"，楊先成，能源季刊，第33卷，第二期，92年4月。
16. "直接甲醇燃料電池製成技術發展現況"，高志勇，陳耿陽，吳富其，黃秋萍，工業材料雜誌，193期，92年1月。
17. "直接式甲醇燃料電池的發展與應用"，翁芳柏，鐘國濱，太陽能學刊，第七卷，第一期，2002年6月。
18. "燃料電池"，黃鎮江，全華科技圖書，92年11月。