本論文主要在研發可長時間運作及性能不易衰退的被動式可攜式直接甲醇燃料電池(簡稱DMFC)組。被動式DMFC，存於陽極室的甲醇溶液濃度如太低，電池使用時間很短，性能便開始下降。甲醇濃度如太高，雖使用時間可略增加，但容易發生crossover毒化陰極觸媒，仍無法維持長期穩定操作。
本論文發展的被動式DMFC，陽極使用純甲醇室與2~3M甲醇反應室的雙儲存室設計，可改變純甲醇燃料室出口擴散閘大小，來控制甲醇的擴散率，只提供陽極反應室所需的甲醇消耗量，使陽極反應室甲醇溶液濃度維持穩定。
實驗結果顯示，初始甲醇添加量0.8 c.c.濃度3M，在沒有甲醇補充時，於30分鐘左右便開始下降。如依電流大小，補充適量甲醇，則可使性能維持穩定運作。實驗顯示甲醇濃度在1.5~3M間，電流波動很小。初始甲醇濃度2M比3M可維持更長時間穩定操作，適量甲醇補充是維持電池長時間穩定的操作必要條件。

In this thesis, a long-term operation direct methanol fuel cell (DMFC) stack with no performance decay is developed. In a passive DMFC, its performance will decay after a short period, if the weak methanol solution is supplied. Although the strong methanol solution may slightly increase the operating time, it tends to crossover leading to cathode Pt particle poisoned, and it is still unable to maintain long-term operation stably.
In our passive DMFC, there are two chambers in the anode. They are a pure methanol chamber and a 2~3M methanol solution chamber. By adjusting the diffusion gate outlet of the pure methanol chamber to control the diffusion rate of pure methanol, the appropriate pure methanol deliver to maintain methanol concentration in the anode reaction chamber stably.
If the anode reaction chamber is initially filled with 0.8 c.c., 3M methanol solution and without additional fuel supply, experimental results show that the performance of the DMFC begin decay after about 30 minutes. If the appropriate amount of methanol is supplied, the cell can maintain a long-term operation with no performance decay. The methanol concentration between 1.5 and 3M only has a little impact on the current output. Experimental results also show that the initial methanol concentration 2M is able to maintain a cell operation more stable than it in 3M. However, the initial methanol concentration and appropriate methanol supply is also important to maintain a DMFC for a long-term operation stably.

目錄 I
圖目錄 V
表目錄 VIII
摘要 IX
Abstract X
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 燃料電池 2
1.3 文獻回顧 3
1.4 研究目的 10
第二章 直接甲醇燃料電池理論分析 11
2.1 DMFC工作原理 11
2.1.1 甲醇消耗量 16
2.1.2 燃料電池質傳現象 17
2.1.3燃料電池極化現象 18
2.1.3.1 活化極化(activation polarization) 18
2.1.3.2 歐姆極化(ohmic polarization) 19
2.1.3.3 濃度極化(concentration polarization) 19
2.2 直接甲醇燃料電池的組件 20
2.2.2電極 21
2.2.3 觸媒層 21
2.2.4 擴散層 22
2.2.5 電流收集板 22
第三章 電池組的製作方式 24
3.1 直接甲醇燃料電池組設計構想 24
3.2 DMFC的製作 24
3.2.1 甲醇儲存槽設計理念 25
3.2.2 製作甲醇儲存槽的材質 27
3.3 非均質碳纖維雙極板 28
3.3.1 非均質碳纖維雙極板製作材料 28
3.3.2 非均質碳纖維雙極板製作流程 28
3.3.3 非均質碳纖維雙極板的優點 31
3.4 MEA製作 33
3.4.1 質子交換膜處理 34
3.4.2 MEA熱壓條件 34
第四章 實驗方法 35
4.1實驗材料與設備 35
4.2實驗步驟 37
第五章 實驗結果與討論 38
5.1實驗條件 38
5.2甲醇擴散材料之選擇 39
5.2.1甲醇在不同材料擴散速率之比較 39
5.2.2不同擴散面積之甲醇擴散率量測 40
5.3不同負載下甲醇消耗率量測 41
5.4燃料有無補充對性能穩定性的影響 41
5.4.1初始濃度3M，有無補充甲醇 41
5.4.2初始濃度2M，有無補充甲醇 42
5.4.3燃料補充的影響 43
5.5不同燃料供應速率對穩定性的影響 43
5.5.1初始濃度3M，不同燃料供應速率對電池穩定性的影響 43
5.5.2初始甲醇濃度2M，不同燃料供應速率對電池穩定性的影響 44
5.6甲醇補充速率與陽極室甲醇濃度的關係 45
5.6.1初始濃度3M，不同甲醇補充速率對陽極室甲醇濃度的影響 45
5.6.2初始濃度2M，不同甲醇補充速率對陽極室甲醇濃度的影響 46
5.6.3不同負載電流與濃度變化 46
5.7不同初始濃度最佳燃料供應速率 47
第六章 結論 48
參考文獻 49

圖目錄
圖2.1燃料電池結構與工作原理 52
圖2.2質子交換膜燃料電池等效電路模型 52
圖3.1可控制甲醇燃料供應速率裝置示意圖 53
圖3.2可控制甲醇燃料供應速率裝置爆炸式圖 54
圖3.3可控制甲醇燃料供應速率裝置圖 54
圖3.4可控制甲醇燃料供應速率裝置零件圖 54
圖3.5 18K碳纖維 55
圖3.6圓形紙筒上碳纖維束均勻展開纏繞於方形捲筒上 55
圖3.7方形捲筒的3束薄層纖維束同時逆向並排反繞於另一端的圓柱形捲筒 56
圖3.8上膠機 56
圖3.9步級馬達驅動二可捲動的柱狀圓筒 57
圖3.10沾膠後不鏽鋼線橫向加膠於薄纖維束上 57
圖3.11加膠後碳纖維片 57
圖3.12 20mm的碳纖維薄片，中央黏貼長45mm×1.5mm寬的固態熱熔膠 58
圖3.13為碳纖維堆疊步驟 58
圖3.14堆疊好的碳纖維放至熱壓機準備熱壓 59
圖3.15纖維束熱壓完成分割前照片 59
圖3.16纖維束分割及修整後照片 60
圖3.17 MEA與傳統硬質表面單極板結合 60
圖3.18 MEA與新型碳纖維束單極板結合 61
圖3.19電極熱壓模具 61
圖3.20三點式熱壓機 62
圖4.1 Stack的零件圖 63
圖4.2組裝完的單電池 63
圖4.3電子負載 64
圖4.4三用電錶 64
圖4.5數位電子秤 65
圖4.6加熱器 65
圖4.7切割機 66
圖5.1不同擴散膜擴散速率隨著時間之變化 67
圖5.2不同擴散面積，甲醇的擴散量隨著時間之變化 67
圖5.3不同負載電壓與電流之關係 68
圖5.4初始甲醇溶液濃度3M，有無補充燃料，輸出電流隨時間之變化 68
圖5.5初始甲醇溶液濃度2M，有無補充燃料，輸出電流隨時間之變化 69
圖5.6初始甲醇溶液濃度2M，於30分鐘補充燃料，輸出電流隨時間之變化 69
圖5.7初始3M甲醇濃度，補充不同燃料速率輸出電流隨時間之變化 70
圖5.8初始2M甲醇濃度，補充不同燃料速率輸出電流隨時間之變化 70
圖5.9初始3M甲醇水溶液，補充不同燃料速率於陽極室其濃度隨時間之變化 71
圖5.10初始2M甲醇水溶液，補充不同燃料速率於陽極室其濃度隨時間之變化 71
圖5.11不同負載電流與濃度變化 72
圖5.12初始3M甲醇濃度，補充適當燃料速率輸出電流隨時間之變化 72

表目錄
表3.1 PVC、PEI和玻璃纖維板的材料規格 73

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