本論文主要在研發可長時間穩定操作的被動式氫燃料電池及探討電池保存方式對長期使用性能的影響，最後將開發出的電池組應用於電子產品的驅動或充電。
氫燃料電池組是否能維持長時間穩定操作，關鍵是MEA內部質子交換膜的含水量，當MEA處於缺水狀態時，會降低質子交換膜傳輸離子的能力並使得電池性能降低。本研究開發的電池含陽極儲水槽的棉布加溼及陰極棉線加濕將分別與未加溼電池性能進行比較，實驗結果為本研究設計的加濕方式有較佳的穩定性，可在電流1.05A下連續操作三小時以上，依儲水槽水量而定。本研究接著針對電池組的保存方式進行探討，在電池保存數天後進行穩定性及性能測試，實驗發現本研究開發的陰極噴水封蓋保存方法，可確保電池保存數天後性能不衰退。
開發的8-cell電池組在加濕與保存測試均完成後，此電池組開始進行充電與驅動等應用。本電池組可藉由串並聯的方式調整輸出電壓與電流，以提供電子產品所需的額定值，並可直接驅動數位相框或對智慧型手機進行充電，未來預計可應用於類似的電子產品的驅動與充電。

This thesis is aimed to develop a set of passive hydrogen PEMFC that can work stably for a long time operation and to study the effect of the performance after a long period store. Finally, the developed PEMFC stacks will be applied to the recharging or operation of electronic devices.
The key to maintain the performance of the fuel cell is the preservation of the water within the membrane. To prevent the fuel cell decay due to the lack of water within the membrane, we humidify the MEA by using the wetting cotton cloth in the anode and the wetting cotton thread in the cathode. The experimental results with various wetting methods are compared to that of the stack without any wetting. The result of humidification experiment shows that the stack with our wetting design can be operating continuously for more than three hours at a current of 1.05A. It depends on the quantity of water stored within anode chamber. The effects of the store ways of the fuel cell stack are also studied. The experimental results show that the stack can preserve its performance after several day store by spraying water in cathode before stack stored and then to block it from ambient during store.
After the humidification and preservation tests, the 8-cell stack is applied to recharge or drive certain 3C products. The stack can be connected in series and in parallel to adjust the output voltage and current in order to provide the electronic product required. The 8-cell stack can be directly drive digital photo frame and charge smartphone. The application of stacks is seen to be up-and-coming for future use of electronic devices.

論文審定書 i
誌謝 ii
摘要 iii
Abstract iv
圖目錄 ix
表目錄 xiv
符號說明 xv
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2 燃料電池簡介 2
1.2.1 何謂燃料電池 2
1.2.2 燃料電池種類介紹 3
1.3 文獻回顧 5
1.4 研究目的 12
第二章 質子交換膜燃料電池理論分析與基本架構 14
2.1理論分析 14
2.1.1 熱力分析 15
2.1.2 燃料電池極化現象 17
2.1.3 燃料電池理論燃料消耗量 19
2.2 質子交換膜燃料電池基本構造 20
2.2.1 膜電極組 ( Membrane Electrode Assembly ; MEA ) 20
2.2.2 電流收集器 22
2.3 燃料電池的水生成與蒸散 24
2.3.1 水通量平衡與交換膜內部含水量的關係 24
2.3.2 質子交換膜燃料電池中水的反應生成量與蒸散量計算 25
第三章 電池組製作與實驗設備 27
3.1 MEA製作 27
3.2 新型有結構非均質碳纖維束製程 30
3.3 電池組加濕裝置與框架製作 36
3.4 電池組製作 37
3.4.1 8-cell電池組 37
3.5 其他相關實驗設備 39
第四章 實驗方法與步驟 42
4.1 性能量測 42
4.2 穩定性量測 43
4.3 電池充電量測 45
第五章 結果與討論 47
5.1 實驗條件 48
5.2 電池組性能特性 48
5.2.1 8-cell電池組性能特性 49
5.2.2 8-cell電池組與單電池性能的比較 49
5.2.3 自行噴塗電極與商用電極的比較 50
5.2.4 環境溫度對電池組啟動的影響 51
5.3連續操作穩定性探討 52
5.3.1水的生成、消耗與補充平衡圖 53
5.3.2早期加濕方式對穩定性的影響 56
5.3.3 本研究加濕方式對穩定性的影響 59
5.3.4 電池組長時間運作的穩定性 60
5.4 保存方式對長期使用性能的影響 62
5.4.1 保存方式對性能的影響 62
5.4.2 長期使用的穩定性測試 66
5.5 電池組應用 66
5.5.1 市電與燃料電池充電特性 67
5.5.2 電池組應用 68
5.5.3 本研究結果與國內外學者的比較 68
第六章 結論與建議 70
6.1 結論 70
6.2 未來研究方向與建議 72
參考文獻 74

1.“Characterization of MEA degradation for an open air cathode PEM fuel cell” R.A. Silvaa, T. Hashimotob, G.E. Thompsonb, C.M. Rangela, International Journal of Hydrogen Energy Volume 37, Issue 8, April 2012, Pages 7299–7308
2.“Mechanisms and effects of mechanical compression and dimensional change in polymer electrolyte fuel cells – A review” Jason Millichampa, Thomas J. Masona, Tobias P. Nevillea, Natarajan Rajalakshmib, Rhodri Jervisa, Paul R. Shearinga, Daniel J.L. Bretta, Journal of Power Sources Volume 284, 15 June 2015, Pages 305–320
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6.“ PEMFC碳纖維束單極板之內部結構及膜電極組處理方式對性能影響研究 ” 賴鉛峻，論文，國立中山大學機械工程研究所，中華民國九十九年七月。
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