本研究探討質子交換膜燃料電池單電池在不同反應溫度、進氣溫度及壓力、相對濕度等操作條件下，配合水管理技術，以尋找電池最佳設計及操作條件，最後以提供製作高效率及高功率密度之質子交換膜燃料電池組所需條件為目標。
本實驗之使用質子交換膜Nafion 112、陽極觸媒白金含量0.4 mg/cm2及陰極觸媒白金含量1.0 mg/cm2為MEA材料，電子收集板上流道面積佔總面積58.41﹪，適當加溫及加濕。結果顯示低電流密度區電壓－電流密度曲線受氫氣進氣溫度影響較大，但高電流密度區則受氫氣進氣濕度影響較大。雖然同時增加氫氣與氧氣進氣壓力時可提昇輸出功率，但進氣壓力超出2atm後功率提昇則較不明顯。若氧化劑為空氣時，進氣加熱反而不利於功率提昇。
本研究顯示氫氣在80℃飽和濕度、電池結合緊密度4N-m、氣體壓力2atm、反應區溫度80℃等條件下，在電流密度1A/cm2下，輸出電壓可高達0.6V以上，為本研究推薦之相對最佳操作條件。

The research of a hydrogen proton exchange membrane fuel cell is performed under certain designing and operational conditions. The water management technique is incorperated into the experimental work. The cell voltage vs. the current densities are studied by changing the stack reactive temperatures, the gas inlet temperatures and pressures, and the relative humidities in hydrogen stream. Eventually, we hope that these experimental results can provide the information about the optimizing conditions of fuel cells so that they can be used to design a high power multiple-cell fuel cell stack.
A membrane and electrode assembly (called MEA) which contains a proton exchange membrane Nafion 112, anode catalyst Pt 0.4 mg/cm2, and cathode catalyst Pt 1.0 mg/cm2 is used in this experiment. The gas flowing area is about 58% of the total area. A proper heating and humidification equipment is applied in this experimental system. The experimental results show that the cell voltage at low current density is slightly influenced by the hydrogen inlet temperature; however, the cell voltage at high current density is strongly influenced by the humidity ratio of hydrogen stream. Raising the hydrogen pressure and the oxygen pressure at the same time can increases the cell voltage, but it is no obvious effects on the cell voltage when the gas pressure increases to more than 2 atm. When air is used as a oxidizer, increasing the inlet air temperature always reduces the cell voltage.
With the hydrogen stream at saturated temperature 80°C, the assembly torque of the stack at 4 N-m, and the stack temperature at 80°C, the single fuel cell stack can always generate the best cell voltages at most of the current densities. At this time, the cell voltage at current density 1 A/cm2 already can reach a value higher than 0.6 V.

中文摘要………………………………………………………………..Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………..Ⅱ
目錄……………………………………………………………………..Ⅲ
圖目錄…………………………………………………………………..Ⅶ
表目錄…………………………………………………………………..Ⅹ
符號說明……………………………………………………………….XI
簡稱說明………………………………………………… …………..XIV
第一章. 緒論……………….………………………………………1
1.1 前言………………………..……………………………………1
1.2 何謂燃料電池…………………………………………………..2
1.3 文獻回顧………………………………………………………..3
1.4質子交換膜燃料電池的優點及發展性……………………….12
1.5質子交換膜燃料電池現今研發方向………………………….13
1.6 研究目的………………………………………………………17
第二章. 質子交換膜燃料電池的結構與MEA製作…….…18
2.1 質子交換膜燃料電池的結構………………………………....18
2.1.1質子交換膜……………………………………………...18
2.1.2陽極電極（氫氣側）…………………………………...18
2.1.3陰極電極（氧氣側）…………………………………...19
2.1.4催化劑……………..…………………………………….20
2.1.5雙極流場板………...…………………………………….21
2.2 質子交換膜的處理………..…………………………………..22
2.3 電極製作與觸媒塗佈………………………………………....23
2.3.1傳統型..………………………………………………….23
2.3.2直接塗佈型………………………………………..…….24
2.3.3直接噴灑型…………………………………..………….24
2.3.4化學還原作用型………………………………..……….24
2.4 膜極組(MEA)製作……..……………………………………..25
2.4.1 K型MEA製作……..…………………………………..25
2.4.2 H型MEA製作……..…………………………………..25
2.4.3 PBI膜MEA製作……..………………………………...25
第三章. PEMFC反應機制與水份影響………..……………..27
3.1 工作原理及極限效率…………………………..……………..27
3.1.1質子交換膜燃料電池的工作原理……….……………..27
3.1.2質子交換膜燃料電池的反應機制……….……………..29
3.2 質子交換膜燃料電池中水份的傳遞與影響….……………...32
3.2.1薄膜水傳遞方式………………………….……………..32
3.2.2電池工作壓力對水傳遞速率的影響…….……………..33
3.2.3電池工作溫度對水傳遞速率的影響…….……………..33
3.2.4電池陰極側氣體流量對水傳遞速率的影響….………..34
3.3水管理技術……………………………………………...……..34
3.3.1以操作條件進行水管理………………………….……..34
3.3.2外部濕潤法……………………………………….……..34
3.3.3內部濕潤法……………………………………….……..35
第四章. 實驗設備………………………………………….…...…38
4.1 實驗目標……………………………………………….……...38
4.2實驗材料與規格……………………………………….………38
4.3 實驗設備與系統組件………………………………….……...39
4.3.1供氣設備與管路系統….….……………………….……39
4.3.2進氣加熱系統………….………………………….…….40
4.3.3蒸汽加濕系統……….…………………………….….....41
4.3.4量測系統….……………………………………….…….41
4.4 系統效能與穩定性……………………….…………….……..43
4.4.1氫氣隔水加熱裝置……….…………..………….……...43
4.4.2氧氣與空氣加熱裝置……………….…………….…….43
4.4.3恆溫控制箱..………….…………..……………….…….44
4.4.4蒸汽產生裝置………………..…………………….……44
4.5 實驗步驟與方法……………………………………………....44
第五章. 實驗結果與分析………………………………………..47
5.1 接觸電阻（螺栓扭矩）的影響……………………………....48
5.2氧化劑為純氧時進氣溫濕度的影響……………………….…48
5.2.1氫氣進氣溫度提升的影響…………..……………...…..48
5.2.2氧氣進氣溫度的影響…………..…………..…………...50
5.2.3單電池(Stack)反應溫度的影響…..…….….……………51
5.2.4相對最佳之電壓－電流密度條件…….…………….….52
5.3陽極側與陰極側進氣壓力的影響…………………….……....52
5.3.1氫氣進氣壓力上升的影響..…………..………….……..52
5.3.2氧氣進氣壓力上升的影響..…………..……….….…….53
5.3.3氫氣與氧氣進氣有壓力差的影響……..…………....….53
5.3.4氫氣與氧氣進氣無壓力差的影響...…..……….……….54
5.4 氧化劑側觸媒白金含量的影響……………………………....55
5.5流道面積比的影響……………………………………..……...55
5.6氧化劑為壓縮空氣時進氣溫濕度的影響………….….…...…56
5.6.1氫氣進氣溫度提升的影響……………….….…….…….56
5.6.2壓縮空氣進氣溫度提升的影響..………..…….……..….57
5.6.3壓縮空氣進氣壓力之影響..………..…….….……….….58
5.7陰極側進氣種類不同的影響………………………….…..…...58
第六章. 結論與建議………...………….….…..………..………...60
6.1 結論……………………………….…………………………...60
6.2 電壓－電流密度曲線分析……………………….…………...62
6.3 未來可進行的工作………………………………….………...63
參考文獻……………………………………………………………..…65
























圖目錄
圖1.1 各種燃料電池反應原理圖……………………………………68
圖1.2 PEMRFC燃料電池電壓-電流密度曲線[21]…………………69
圖1.3 PEMRFC燃料電池PEMRFC電解性能[21]………………….69
圖2.1 PEMFC單電池構造原理圖…………………………………...70
圖2.2 單電池組合圖………………………………………………….71
圖2.3 Nafion分子式………………………………………………….71
圖3.1 PEMFC工作原理……………………………………………..72
圖4.1 傳統型式流道示意圖，流道面積比58.41﹪…………………73
圖4.2 傳統型式流道示意圖，流道面積比86.11﹪…………………73
圖4.3 測試系統照片………………………………………………….74
圖4.4 質子交換膜燃料電池加熱加濕測試系統示意圖…………….75
圖4.5 氫氣隔水加熱設備…………………………………………….76
圖4.6 空氣與氧氣加熱設備……………………………………...…..76
圖4.7 蒸氣加濕系統設備………………………………………….…77
圖4.8 加熱水槽溫度時間曲線…………………………………….....77
圖4.9 氫氣側溫控器設定溫度、保溫儲存槽內溫與輸出到電池的氣體溫度差距變化…….………………………………………...78
圖4.10 空氣與氧氣加熱溫度時間曲線……………………………….78
圖4.11 空氣與氧氣側溫控器設定溫度、加熱管內溫與輸出到電池的氣體溫度差距變化……………………………………………79
圖4.12 加熱恆溫箱與單電池溫度時間變化曲線…………………….79
圖4.13 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………………………………………………………………80
圖5.1 不同螺栓扭矩下，電壓－電流密度特性圖………….……....81
圖5.2 氫氣進氣溫度不同之電壓－電流密度特性圖……………….81
圖5.3 氫氣含水量不同時之電壓－電流密度特性圖……………….82

圖5.4 不同相對濕度下，電壓-電流密度特性圖……………………82
圖5.5 氧氣進氣溫度不同下，電壓－電流密度特性圖………….…83
圖5.6 反應溫度50℃下，不同飽和蒸汽溫度之電壓－電流密度特性圖…………………………………………………..…………..83
圖5.7 不同單電池反應溫度之電壓－電流密度特性圖….…………84
圖5.8 陰極側進氣為純氧，最佳條件下之電壓－電流密度特性圖.84
圖5.9 氫氣進氣壓力不同下，電壓－電流密度特性圖……..…….…85
圖5.10 氧氣進氣壓力不同下，電壓－電流密度特性圖…..………….85
圖5.11 氫氣壓力比氧氣壓力大1atm之電壓－電流密度特性圖……86
圖5.12 氫氣壓力比氧氣壓力小1atm之電壓－電流密度特性圖……86
圖5.13 氫氣壓力比氧氣壓力小3atm之電壓－電流密度特性圖……87
圖5.14 氫氣與氧氣進氣壓力同為1atm、2atm、3atm、4atm、5atm時之電壓－電流密度特性圖………………………………..…..87
圖5.15 氫氣與氧氣進氣壓力同為1atm、2atm、3atm、4atm、5atm時之功率－電流特性圖…………………………………………88
圖5.16 不同白金觸媒含量下，電壓--電流密度特性圖………..……88
圖5.17 不同流道面積比之電壓－電流密度特性圖………………….89
圖5.18 不同飽和蒸汽溫度下，電壓－電流密度特性圖………..…....89
圖5.19 壓縮空氣進氣溫度不同下，電壓－電流密度特性圖……….90
圖5.20 壓縮空氣溫度30℃下，出口壓力為1.5atm、2atm、3atm之電壓－電流密度特性圖…………………….………………...…90
圖5.21 陰極側進氣種類不同之電壓－電流密度特性圖……….…....91
圖6.1 質子交換膜燃料電池電壓－電流密度極化曲線[25]………..92

參考文獻
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