摘要
本論文探討質子交換膜燃料電池中之重要元件－雙極板，在燃料電池中所應具備之功能，並嘗試從降低成本、縮小體積、減輕重量及提昇效率等方面考量，利用纖維狀非金屬導電材料植基於輕質塑化材料之基板上，製作出具有非同質之板體與導電體的雙極板，並量測其性能。
在電阻量測實驗中證明藉由纖維狀之導電體（本實驗所用材質為碳纖維），在相同的導電截面積下，其阻抗較傳統石墨雙極板為小。其他相關文獻中說明傳統石墨雙極板阻抗較其他大部分材質或複合材料所組成之雙極板為低，因此以碳纖維作為雙極板的導電體是相當適合的。
在洩漏/耐壓測試中，已證實在不洩漏的條件下，至少可耐差壓0.5kg/cm2，就大部分應用情況此值已足夠。雙極板的耐差壓強度主要與板體強度、黏結劑強度、黏結劑－板體介面強度、黏結劑－碳纖維介面強度有關。因此選擇適用的黏結劑是相當重要的。
量測燃料電池組效率的過程中，發現燃料電池效率隨著負載的增加效率在歐姆阻抗區域急速下降。相關文獻說明在歐姆阻抗區域中，影響效率的主要因素為阻抗損失，影響因子有電阻係數、導體截面積與長度。本實驗與先前學長所做實驗之最大不同點在於導電體截面積，因此可知雙極板中導電纖維的多寡影響燃料電池的效率甚大。
藉由本篇研究，除了確立以非同質之板體與導電體的雙極板作為燃料電池雙極板是可行之外，亦指出性能不佳的原因，可於日後改善製程，增加導電截面積，提昇效率以達實用化之目的。

Abstract
The objectives of the thesis are to study and research the function of the fuel cell’s bipolar plate which is vital to the Proton Exchange Membrane fuel cell，and to create a new bipolar plate composed of nonhomogeneous plate and conductive object which conductive object are put through light weight plastic plate in consideration of low cost、mini size、light weight and high efficiency，together with a series of test for its capability.
Of the same section area，the electric resistance of carbon fiber used in this experiment is lower than traditional graphite bipolar plate.According to related literature，the resistant of the graphite bipolar plateis lower than the ones made of other materials or composite material.The carbon fiber is a suitable conductive object for bipolar plate consequently.
Without leakage，the material are stand the differential pressure up to 0.5 kg/cm2 through the leakage/pressure tests.It is good enough in most of practical application.The strength of bipolar plate to resist the differential pressure is related to the plate strength and the strength of bond，interface between bond and plate or bond and carbon fiber.The proper bond is very important in this case.
The efficiency of fuel cell decreases rapidly in line with the increase of loading during the efficiency test of fuel cell and sudden drop portion situates at Ohm resistance domain.Other papers describe about the main factor of Ohm resistance domain is resistance loss，parameter include conductive coefficient、area of conductive material、length of conductive material.The most different of experiment compare with previous is the area of conductive material.Therefore the area of conductive fiber in bipolar plate influences the efficiency of fuel cell a lot.
Through the research，the availability of the new bipolar plate composed of nonhomogeneous plate and conductive object is proven and the cause of its defect in efficiency is identified for improvement in practical application.

目錄

中文摘要……………………………………………………………… 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
1.1前言………………………………………………………… 1
1.2燃料電池的分類…………………………………………… 2
1.3質子交換膜燃料電池（PEMFC）的優點……………………5
1.4質子交換膜燃料電池的架構……………………………… 9
1.4.1質子交換膜……………………………………… 12
1.4.2電極……………………………………………… 13
1.4.2.1陽極反應…………………………………… 15
1.4.2.2陰極反應…………………………………… 16
1.4.2.3電極反應效率……………………………… 16
1.4.3雙極板…………………………………………… 18
1.5研究目的………………………………………………… 19
第二章雙極板設計………………………………………… 21
2.1雙極板材料選擇與製作方式…………………………… 21
2.2雙極板的設計…………………………………………… 25
2.3目前雙極板的缺點分析………………………………… 28
第三章新型雙極板之研發………………………………… 32
3.1新型雙極板之特徵……………………………………… 33
3.2新設計之燃料電池雙極板的優點……………………… 34
3.3新設計之燃料電池雙極板的製作……………………… 36
3.3.1黏結劑的黏結理論……………………………… 37
3.3.2黏結劑的選用技巧……………………………… 38
3.3.3新型雙極板的製作流程………………………… 39
第四章測試與分析………………………………………… 42
4.1實驗目標………………………………………………… 42
4.2量測儀器規格…………………………………………… 42
4.3實驗設備與系統組件…………………………………… 45
4.3.1碳纖維雙極板洩漏/耐壓檢測系統……………… 46
4.3.2碳纖維雙極板電阻量測系統…………………… 47
4.3.3質子交換膜燃料電池組性能量測系統………… 49
第五章結論與建議………………………………………… 53
5.1結論……………………………………………………… 53
5.2未來展望………………………………………………… 55
參考文獻…………………………………………………… 57

圖目錄
圖1.1 PEM燃料電池與其他電池能量密度比較…………………… 59
圖1.2 PEM燃料電池系統架構圖…………………………………… 60
圖1.3 PEM燃料電池組尺寸架構圖………………………………… 61
圖1.4 質子交換膜燃料電池的工作原理…………………………… 62
圖1.5 加濕條件下最佳性能圖……………………………………… 63
圖1.6 熱處理溫度上昇所致軟質碳的電阻溫度變化……………… 63
圖2.1 非平面式MEA之PEMFC架構及性能比較…………………… 64
圖2.2 IGT與傳統石墨雙極板組成之PEMFC性能比較…………… 65
圖2.3 PEMFC效能影響參數(1)……………………………………… 65
圖2.4 PEMFC效能影響參數(2)……………………………………… 66
圖2.5 雙極板材質阻抗比較………………………………………… 67
圖3.1 碳纖維雙極板架構…………………………………………… 68
圖3.2 黏結過程各分力組成之架構………………………………… 69
圖3.3 環氧樹脂反應特性…………………………………………… 70
圖4.1 碳纖維雙極板之完成圖……………………………………… 71
圖4.2 碳纖維雙極板耐壓洩漏檢測………………………………… 72
圖4.3 碳纖維雙極板電阻量測……………………………………… 73
圖4.4 碳纖維雙極板電阻量測示意圖……………………………… 74
圖4.5 碳纖維雙極板與石墨雙極板電阻值比較…………………… 74
圖4.6 PEMFC系統量測…………………………………………………75
圖4.7碳纖維雙極板I-V性能圖…………………………………… 75
圖4.8理想與實際燃料電池I-V特性…………………………………76
圖4.9I-V圖例說明…………………………………………………… 77
圖5.1具內部導水功能之碳纖維雙極板…………………………… 78
圖5.2具外部加濕/內部導水功能之碳纖維雙極板………………… 78

表目錄
表1.1 各種燃料電池特性比較表…………………………………… 79
表1.2國際再生能源之技術發展情況……………………………… 81
表1.3分散型電力空污量與效率指數……………………………… 81
表1.4在空污條件限制下所容許之發電量………………………… 82
表1.5主要分散型機組成本比較…………………………………… 82
表3.1PAN-based 碳纖維特性 …………………………………… 83
表3.2Pitch-based 碳纖維特性…………………………………… 83

參 考 文 獻
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