以微結構模仁在PEMFC陰極製造出較多的反應區域，可增加電極反應點的數量。原設計的階梯狀模仁受限於模仁製作時雷射光繞射的限制，使平面結構電極提升了58％的效能，能量密度由462 mW/cm2提升到720 mW/cm2。
由於降低了舊製程在壓印微結構時使用的大壓力，減輕脫模阻礙燃料傳輸等問題。再將陰極觸媒量由0.5mg/cm2減半至0.25 mg/cm2，性能並無明顯降低，顯示陰極觸媒的反應主要發生在觸媒層與微孔層之間的介面區域內。
受限於所製作之微結構的幾何形狀，使得能將觸媒分佈更細緻之電噴灑無預期之效能，未來在製作微結構時應對此加以考量。

Producing more reaction regions on the PEMFC cathode using cavities with micro structures can be used to add more reaction points on the electrode. The original ladder type cavity is limited by the laser diffraction in its manufacture. The flat electrode has its performance improved for 58%. The energy density is increased from 462 mW/cm2 to 720mW/cm2.

Pressure required in the micro-structure imprinting is reduced, so as the fuel transportation blocked by mold releasing. The total catalyst amount is cut from 0.5mg/cm2 to 0.25mg/cm2. No obvious performance drop can be found. This shows that most of the reactions happen in the region between catalyst layer and micro hole layer.

Limited by the pattern of micro-structure, the electrospray does not perform as expected. In the future, this issue should be considered in making micro-structure.

目錄

目錄 I
圖目錄 IV
摘要 VII
ABSTRACT VII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 燃料電池種類 2
第二章 PEMFC之介紹 5
2.1 PEMFC之工作原理 5
2.1.1反應機制 5
2.2 PEMFC基本架構 6
2.2.1 雙極板 6
2.2.2 膜電極組(MEA ,Membrane Electrode Assemble) 7
2.2.3質子交換膜(Membrane) 8
2.3 燃料電池的極化現象 9
2.4 研究目的 10
2.5 文獻回顧 12
第三章 實驗材料與設備介紹 17
3.1 實驗材料 17
3.2 實驗設備 18
第四章 電池製作步驟與性能量測 23
4.1電極材料前處理 23
4.1.1 質子交換膜 23
4.1.2 碳布(Carbon Cloth) 24
4.1.3 微孔層漿料(MPL ink)調配 24
4.1.4 觸媒漿料(Catalyst ink)調配 25
4.1.5 噴塗遮罩 26
4.2 電極的製作 27
4.3 熱壓組合MEA 28
4.4 電池組裝與燃料 29
4.4.1 燃料 29
4.4.2 電池的規格 29
4.4.3 電池陰極排水裝置 30
4.5 性能量測 30
4.5.1 電池組裝 31
4.5.2 負載設定 32
4.5.3 電子負載器操作 34
第五章 微結構製作與實驗結果 37
5.1 階梯狀微結構介紹 37
5.2 製作階梯狀斥水微結構MEA 39
5.3實驗結果分析 40
第六章 結論 46
6.1 結論 46
6.2 未來研究方向 47

圖目錄

圖1.1五種燃料電池 51
圖2.1 PEMFC運作圖 51
圖2.2 三相區 52
圖2.3 石墨板與雙極板 52
圖2.4 極化曲線 52
圖2.5 線徑35μm，網目70μm × 70μm 的金屬網 53
圖2.6線徑30μm，網目45μm × 45μm 的網狀微結構模仁 53
圖3.1 階梯狀微結構模仁 54
圖3.2布涅爾式硬度試驗機 54
圖3.3超音波振盪機(LEO-3002) 55
圖3.4 手持式噴槍 55
圖3.5電子負載器 56
圖3.6光學式立體顯微鏡 56
圖3.7 三用電表(KEITHLEY 2000) 57
圖3.8 電加熱盤 57
圖3.9 熱處理模組 58
圖3.10 MEA熱壓模組 58
圖3.11 磁力攪拌加熱器 59
圖3.12 電噴灑設備 59
圖4.1 碳布整平 60
圖4.2 MEA組合圖 60
圖4.3 MEA熱壓完 61
圖4.4 將MEA黏上墊片 61
圖4.5 雙極板 62
圖4.6電池分解圖 62
圖4.7 陰極集水瓶 63
圖4.8 電池組 63
圖4.9 AWG線材長度與電阻值換算表 64
圖5.1 歷屆微結構電極製程與性能比較 65
圖5.2 微模仁製造流程 65
圖5.3 微模仁之SEM圖 66
圖5.4 斥水階梯狀微結構MEA製作流程 66
圖5.5 氣壓噴塗法製作之微孔層 67
圖5.6 滴塗法製作之微孔層 67
圖5.7 氣噴微孔層壓印二階微結構圖 68
圖5.8 滴塗微孔層壓印二階微結構圖 68
圖5.9 氣噴與滴塗微孔層壓印階梯狀微結構對電極性能的影響 69
圖5.10 微孔層有無整平電極性能比較 69
圖5.11 以50kg/cm2在未整平的微孔層上壓印微結構 70
圖5.12 以100kg/cm2在未整平的微孔層上壓印微結構 70
圖5.13 微結構電極與平面電極比較 71
圖5.14 微結構與預想性能電極性能比較 71
圖5.15 以金相顯微鏡放大200X照之微結構圖，左下角之結構由於微孔層仍受碳布表面纖維影響凹陷故成型不夠完整 72
圖5.16 微結構與平面結構x1.58倍電極性能比較 72
圖5.17 階梯狀結構與微柱狀結構電極性能比較 73
圖5.18 比較150 kg/cm2與600 kg/cm2壓力整平微孔層 73
圖5.19 以25℃與70℃壓印微結構電極之性能比較 74
圖5.20 微結構陰極Pt量0.5mg/cm2與0.25mg/cm2比較 74
圖5.21 手噴與電噴灑觸媒於陰極微結構比較 75
圖5.22 微結構電噴觸媒示意圖 75
圖5.23 電噴陰極微結構與平面電極x1.54倍性能比較 76
圖5.24 以SEM拍攝少量觸媒電噴於碳布表面的情形 76

參考文獻
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