本實驗是以黃光微影製程技術與SU-8光阻材料，製作適用於微型質子交換膜燃料電池之微流道板，並且利用光罩設計來製作三種不同的流道，其種類包括指叉型、網格型與蛇型狀三種不同微結構。實驗主要以陽極的氫氣進氣壓力與電池操作溫度為實驗之控制參數，探討此兩項參數的改變對燃料電池三種流道結構的功率密度與電化學阻抗頻譜分佈的影響。將實驗量測之結果以VI曲線、PI曲線與阻抗頻譜分佈曲線表示，並探討在操作參數改變而導致電池之傳導機制的改變。由VI與PI曲線表示圖中，發現流道結構、陽極進氣壓力與電池操作溫度會明顯的影響電池的反應，造成電池之電流密度與功率的變化，且隨著氣體進氣壓力與電池操作溫度增加，電池輸出之電流密度與功率會會增加。由電化學阻抗頻譜曲線與曲線回歸法獲得阻抗組合成的等效電路，藉由阻抗數值的變化驗證流道結構、陽極進氣壓力與電池操作溫度造成電化學阻抗的改變與電池輸出的電流與功率相關；因氣體進氣壓力與電池操作溫度增加，電化學阻抗將會減小，且指叉型流道因為電化學作用順利進行而產生較低的阻抗值，而獲得最佳的功率輸出。

The micro PEMFCs were designed and fabricated in-house through a deep UV lithography technique and the SU-8 photoresist was used as microstructure material for fuel cell flow-field plates. The effect of different operating parameters on micro PEMFCs performances and electrochemical impedances was experimentally investigated for three different flow-field configurations (interdigitated, mesh, and serpentine). Experiments with different cell operating temperatures, different backpressures on the H2 flow channels as well as various combinations of these parameters have been conducted for three different flow geometries. Results are presented in the form of the polarization VI curves, PI curves and impedance spectroscopy under different operating conditions. The possible transport mechanisms associated with the parametric effects were discussed. With PI and VI curve were found that, among the three flow patterns considered, significant improvements can be reached with a specified flow geometry. With impedance spectroscopy was found that, the effect of the parameters on high frequency straight line, medium frequency, and low frequency arc. The influence in terms of impedance on dynamic response of the present H2/air micro fuel cell under different operating conditions and flow geometry can be quantitatively measured.

目錄…………………………………………………………………………i
表目錄……………………………………………………………………iv
圖目錄………………………………………………………………………v
符號說明…………………………………………………………………ix
中文摘要………………………………………………………………… xi
英文摘要…………………………………………………………………xii

第一章 緒論………………………………………………………………1
1-1 前言…………………………………………………………………1
1-2 實驗背景……………………………………………………………2
1-2-1 燃料電池種類及其工作原理…………………………………4
1-2-2 質子燃料電池電化學反應之探討……………………………8
1-3 實驗目的……………………………………………………………10
1-4 文獻回顧……………………………………………………………11

第二章 燃料電池結構設計與元件製作…………………………………17
2-1 傳統質子交換膜燃料電池之組成件………………………………17
2-2 微型質子交換膜燃料電池元件之設計作…………………………22
2-2-1 應用技術之製程原理簡介……………………………………23
2-2-2 雙極板之微渠道之設計與製作………………………………26
2-2-3 電流收集層之設計與製作……………………………………31
2-3 質子交換膜燃料電池之組裝………………………………………34

第三章 電化學理論分析…………………………………………………42
3-1 簡述電化學量測……………………………………………………42
3-2 電化學阻抗頻譜法(EIS)之量測原理……………………………43
3-3 等效電路阻抗介紹…………………………………………………45
3-4 由阻抗頻譜圖形分析等效電流方法………………………………51

第四章 實驗設備與材料…………………………………………………61
4-1 實驗設備與系統組件………………………………………………61
4-2 實驗材料……………………………………………………………65

第五章 誤差分析…………………………………………………………76

第六章 實驗結果與分析………………………………………………80
6-1 電池電流密度與功率密度量測與分析…………………………81
6-1-1 雙極板之微流道變化對電池發電功率之影響……………81
6-1-2 陽極側氣體壓力變化對燃料電池發電功率之影響………82
6-1-3 電池操作溫度變化對燃料電池發電功率之影響…………83
6-2 電池電化學阻抗頻譜量測與分析………………………………85
6-2-1 雙極板微流道變化之電化學阻抗量測……………………86
6-2-2 陽極側氣體壓力變化之電化學阻抗量測…………………87
6-2-3 電池操作溫度變化之電化學阻抗量測……………………89

第七章 結論與建議
7-1 結論………………………………………………………………110
7-2 建議與未來展望…………………………………………………112

參考文獻…………………………………………………………………114
附錄A……………………………………………………………………120

1. D. B. Zhou, and H. V. Poorten, “Electrochemical Characterization of Oxygen Reduction on Teflon-Bound Gas Diffusion Electrodes,” Electrochimica Acta, Vol. 40, No. 12, 1995, pp.1819-1826.
2. T. V. Nguyen, “A Gas Distributor Design for Proton-Exchange -Membrane Fuel Cells,” Journal of the Electrochemical Society, Vol. 143, 1996, 1996, pp. L103-L105.
3. F. N. B