本研究以理論及數值模擬方法探討質子交換膜燃料電池在不同設計參數及操作條件下，對質子交換膜燃料電池內部反應機制及輸出功率之影響，其中包含質子流密度、電化學反應率、氧氣濃度、過電位及壓力等物理現象在質子交換膜及觸媒層中之分佈情形。最後數值模擬結果與實驗結果作比較分析與討論。
模擬結果顯示在低電流密度(小於 )時，活化限制(activation limitation)所造成的電壓降是影響輸出功率的主要因素，而在高電流密度(大於 )時，質傳限制(mass transfer limitation)與歐姆阻抗所造成之電壓降會大幅的增加。結果也顯示，較高之質子交換膜傳導係數，厚度較薄之質子交換膜，增加陰極反應氣體壓力及用氧氣為陰極反應氣體，均能提升質子交換膜燃料電池之輸出功率。而觸媒層厚度超過0.3μm對功率輸出幾乎沒有影響，如觸媒能小而均勻可減少此層之塗佈。模擬結果與實驗結果發現，由於實驗時材料間的接觸電阻，實驗之質子交換膜燃料電池性能略低於模擬結果，差異值在高電流密度時影響較低電流密度時大。

A mathematical model for a proton exchange membrane fuel cell is the focus of this thesis. Modeling and simulations are carried out with an aim to understand the influence of operational and geometrical parameters on the inner reaction and performance of a proton exchange membrane fuel cell, and discuss the distributions of physical phenomena in membrane and catalyst layer. Than, the results of modeling are compared and analyzed with the experiments, and discuss the reasons of influences of the performance of PEMFC.

The results show that activation overpotential is the major reason of influence of the performance at low current density (less than ), and diffusion and ohmic overpotential are substantially increased at high current density (great than ). The membrane of higher membrane conductivity and more thin, increasing pressure of cathode gas and use oxygen can enhance the performance of a PEMFC. The performance almost no influence for the catalyst layer over 0.3μm. The catalyst layer thin and uniform can decrease coating of this layer.

The results of modeling and experiments show that experiments have contact resistance between materials, and the performance slightly lower than performance of modeling, and the differences that at high current density great than low current density.

摘要………………………………………………………………………I
英文摘要………………………………………...………………………II
目錄……………………………………………………………………..III
圖目錄…………………………………………………………………..VI
表目錄………………………………………………………………...VIII
符號說明……………………………………………………………......IX

第一章 緒論
1.1前言……………………………………………………………...1
1.2 燃料電池簡介………………………………………………….2
1.2.1 工作原理………………………………………………..3
1.2.2影響燃料電池輸出功率之因素…………………………4
1.3 燃料電池種類………………………………………………….6
1.4 研究目的……………………………………………………….7
1.5 文獻回顧……………………………………………………….8

第二章 質子交換膜燃料電池之工作原理
2.1 質子交換膜燃料電池之構造………………………………...13
2.1.1 固態高分子薄膜(質子交換膜)……………………….13
2.1.2 催化劑…………………………………………………14
2.1.3 電極……………………………………………………15
2.1.4 流道……………………………………………………15
2.2 質子交換膜燃料電池之工作原理…………………………...16
2.3 質子交換膜燃料電池之優點………………………………...17

第三章 質子交換膜燃料電池MEA之理論分析
3.1 理論模型與假設……………………………………………...20
3.2 統御方程式………………………………………………...…20
3.2.1 質子交換膜…………………………………………....21
3.2.2 觸媒層…………………………………………………24
3.2.3 擴散層…………………………………………………26
3.3 邊界條件……………………………………………………...29
3.4 參數與特性…………………………………………………...31
3.5 模擬方法……………………………………………………...32

第四章 結果與討論
4.1 不同工作電流下，質子流密度及觸媒層電化學反應率之分佈
……………………….……………………………………….36
4.2 不同工作電流下，總過電位在質子交換膜與觸媒層中之分佈
………………………………………………………………..37
4.3 不同工作電流下，氧氣濃度在質子交換膜與觸媒層中之分佈
…………………………..…………………………….……..37
4.4 壓力在質子交換膜與觸媒層中之分佈……………………...38
4.5 不同質子交換膜傳導係數對觸媒層電化學反應率之影響...38
4.6 不同觸媒層厚度對觸媒層電化學反應率之影響…………...39
4.7 不同質子交換膜厚度對質子交換膜燃料電池輸出功率之影
響….………………………………………………………….40
4.8 不同陰極反應氣體對質子交換膜燃料電池輸出功率之影
響……………………………………………………..40
4.9 不同陰極反應氣體壓力對質子交換膜燃料電池輸出功率之
影響…………………………………………..………………41
4.10 模擬結果與實驗數據之比較……………………….………41

第五章 結論與建議
5.1 結論…………………………………………………………...44
5.2 未來可進行之工作…………………………………………...45
參考文獻………………………………………………………………..47


圖目錄

圖1.1 質子交換膜單一燃料電池示意圖……………………………...49
圖1.2 燃料電池極化曲線圖…………………………………………...50
圖1.3 不同燃料電池之反應機制示意圖……………………………...51
圖1.4 流道構造圖，(a)傳統型流場(Serpentine Flow Field，SFF)，(b) 指叉型流場(Interdigitated Flow Field，IFF)………………………52
圖2.1 質子交換膜單一電池的基本結構及反應機制示意圖………...53
圖3.1 質子交換膜燃料電池陰極模型圖…………………………...…54
圖3.2 陰極模型邊界條件圖…………………………………………...55
圖4.1 理論模型與Bernardi和Verbrugge[2]之比較…………………..56
圖4.2 不同工作電流下，質子流密度在質子交換膜與觸媒層中之分佈情形…………………………………………………………......57
圖4.3 不同工作電流下，電化學反應率在質子交換膜與觸媒層中之分佈情形…….………………………………………………….....58
圖4.4 不同工作電流下，總過電位在質子交換膜與觸媒層中之分佈情形………………………………………………………………..59
圖4.5 不同工作電流下，氧氣濃度在質子交換膜與觸媒層中之分佈情形………………………………………………………………..60
圖4.6 壓力在質子交換膜與觸媒層中之分佈情形…………………...61
圖4.7 不同質子交換膜傳導係數對觸媒層電化學反應率之影響…...62
圖4.8 不同觸媒層厚度對觸媒層電化學反應率之影響.…………......63
圖4.9 不同質子交換膜厚度對質子交換膜燃料電池輸出功率之影響………………………………………………………………..64
圖4.10 不同陰極反應氣體對質子交換膜燃料電池輸出功率之影響…………………………………………………………….….65
圖4.11 不同陰極反應氣體壓力對質子交換膜燃料電池輸出功率之影響………….…………………………………………………….66
圖4.12 模擬結果與實驗結果[1]之比較，陰極反應氣體為純氧……..67
圖4.13 模擬結果與實驗結果[1]之比較，陰極反應氣體為空氣……..68

表目錄

表1-1 不同類型燃料電池之比較……………………………………..69
表1-2 各類燃料電池功率密度、壽命等之比較………………………70
表3-1 質子交換膜燃料電池陰極各層之統御方程式………………..71
表3-2 質子交換膜燃料電池基本操作條件…………………………..72
表3-3 質子交換膜之參數值…………………………………………..73
表3-4 電極之參數值…………………………………………………..74

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