本論文主要探討新型非均質碳纖維束單極板的碳纖維束內結構對PEMFC性能的影響。碳纖維束內部結構的改變，主要乃於碳纖維束的膠合端內部，埋入不同厚度或片數之銅片，使得碳纖維束柔軟端，形成與纖維束平行的縱向小流道，增加柔軟端的透氣性。此外可在碳纖維束柔軟端適當位置挖槽，形成額外氣流通路。本論文為了製作上述流道，發展了新的碳纖維束製程，此製程將更容易製作各種不同結構的碳纖維束。最後藉由實驗，以了解這些不同結構碳纖維束對性能之影響，藉以找出最佳之碳纖維束結構。
PEMFC陽極部份碳纖維束固定一種結構，只在陰極部分的碳纖維束結構做改變。實驗發現，在測試的幾種陰極碳纖維束單極板結構，其中有兩種結構進氣較佳：（1）碳纖維束內兩側埋入0.2 mm厚銅片，使碳纖維束柔軟端形成的小流道，使得氫燃料電池，自然吸氣時，最高功率密度可達到185 mW/cm2。（2）碳纖維束中央埋一片0.2 mm銅片且等距切割3條2 mm鋸齒狀槽，可使最高功率密度達到190 mW/cm2，相對於無埋置厚銅片及無切槽結構時之最高功率密度160 mW/cm2增加達18.8%，故碳纖維束內部結構對電池性能亦有明顯影響，其內部設計亦須加以考慮。

The effects of the structure of new carbon fiber bunch heterogeneous unipolar plates on the performance of PEMFC are studied in this thesis. Internal structure of carbon fiber bunches can be modified by embedding different thickness or number of copper plates in the glue bonding area to increase the air permeability of carbon fiber bunches in its soft end. We can add different thickness or amount of coppers at the middle of bonding area, making the carbon fiber bunches soft side to form parallel to the longitudinal fiber bunch with a small flow channel. We can also make a trench at the appropriate place of the soft side of the carbon fiber bunches to form an extra air passage. In order to make the above flow channel, a new process for making the carbon fiber bunches is developed also. This process will be easier to produce a variety of different structures of carbon fiber bunch. Finally, several different experiments are performed to help us to understand the effect of the carbon fiber bunch structure on the performance and find out the best structure of the carbon fiber bunches.
The carbon fiber bunch structures of the test cells on the anode side are all the same, but the carbon fiber bunch structures of on cathode side are all different. Experiments show that there are two structures among all test structures displayed better gas permeability. The first one is two 0.2 mm copper plates embedded within both sides of the glue ends of a cathode carbon fiber bunch, so that a small longitudinal flow channel are formed in soft end of the cathode carbon fiber bunch. When the HFC operates at room temperature and by air-breathing, the highest performance of the HFC can reach a value of 185 mW/cm2. The second one is a 0.2 mm copper plate embedded in the center of the glue end of a carbon fiber bunch, and then three 2 mm wide serrated slots are cut on the soft end of the carbon fiber bunch. The highest performance of the HFC can reach a value of 190 mW/cm2. The highest performance of the HFC with no copper plate and no slot structure can only reach a value 160 mW/cm2. The second design can increase the no structure cell performance 18.8%. Therefore, the internal structures of carbon fiber bunches are significant to affect on the fuel cell performance, and its internal design must be considered.

摘要 1
Abstract 2
第一章 緒論 4
1. 1　前言 4
1. 2質子交換膜燃料電池的工作原理 5
1. 2. 1反應效率 5
1. 2. 2 電池理論燃料消耗量 6
1. 3 文獻回顧 8
1. 4 研究目的 12
第二章 燃料電池基本架構 14
2. 1 單/雙極板 14
2. 1. 1 單/雙極板功能 14
2. 1. 2 傳統硬質表面單/雙極板 14
2. 1. 2. 1石墨材質單/雙極板 15
2. 1. 2. 2金屬單/雙極板 15
2. 1. 2. 3碳複合板 15
2. 1. 3 非均質碳纖維束單/雙極板 16
2. 2 質子交換膜 16
2. 3 擴散層 18
2. 4 催化劑 18
第三章 元件製作 20
3. 1新型碳纖維束製作 20
3. 1. 1模具設計 20
3. 1. 2碳纖維束製作流程 21
3. 1. 2. 1 特殊結構碳纖維束結構之製作 27
3. 1. 3 碳纖維束挖槽 28
3. 1. 4 黏結劑選用原則 29
3. 2 MEA的製作 29
3. 2. 1 質子交換膜之前處理 29
3. 2. 2 電極的預備 30
3. 2. 3 MEA的製作與處理 30
3. 3 單cell的製作 31
第四章 實驗方法 33
4. 1 實驗設備 33
4. 2 實驗步驟 35
第五章 結果與討論 37
5. 1 碳纖維束單極板電阻 37
5. 1. 1 不同碳纖維束單極板之電阻 37
5. 1. 2 碳纖維束挖槽後之電阻 38
5. 2 碳纖維束內部結構對性能的影響 38
5. 2. 1 碳纖維束有結構對性能的影響 39
5. 2. 1. 1 碳纖維束內厚銅片位置對性能的影響 40
5. 2. 1. 2碳纖維束內不同銅片厚度對性能的影響 41
5. 2. 2 碳纖維束有結構與挖槽對性能的影響 41
5. 3 MEA製作方式對性能的影響 42
5. 3. 1 熱壓前在電極上塗Nafion水溶液對性能的影響 42
5. 3. 2 熱壓壓力對性能影響的探討 43
第六章 結論 44
6. 1 結論 44
6. 2未來展望 44
參考文獻 46
圖1.1 質子交換膜燃料電池之工作原理示意圖 49
圖1.2 傳統硬質表面雙極板與MEA結合後，反應氣流不易進出觸媒 層示意圖[16] 49
圖1.3 非均質碳纖維雙極板與MEA結合後，反應氣流較易進出觸媒層示意圖[16] 50
圖3.1碳纖維束熱壓模具 51
圖3.2 展開前18K碳纖維束圓筒 51
圖3.3 將碳纖維束圓筒放置於展開機上，並把碳纖維束纏繞在橫桿上 52
圖3.4 雙面膠黏於方形木桶縫內 52
圖3.5 剛剛搓開至兩公分寬度的碳纖維黏到木箱上 53
圖3.6 將碳纖維靠著方形木箱邊緣並輕輕均勻搓開 53
圖3.7 纖維束纏繞於方形木桶，總共三個單位，每個單位繞20圈 54
圖3.8 雙面膠貼附於碳纖維束，使保持適當均勻度 54
圖3.9 將已展開碳纖維束纏繞在鐵桶上，並維持碳纖維均勻且無縫隙 55
圖3.10 在已展開的碳纖維尾垂直端貼上雙面膠 55
圖3.11 將纏繞碳纖維的圓筒裝上上膠機，並把貼上雙面膠那部分的碳纖維固定到另一個圓筒 56
圖3.12 不鏽鋼線沾膠後橫向加膠於薄纖維束上 56
圖3.13 已上膠的5層纖維束剪斷並取下 57
圖3.14 在纖維片中央黏貼固態熱熔膠 57
圖3.15 堆疊碳纖維束時的零組件及模具 57
圖3.16 用手壓住碳纖維並把固態膠撕起 58
圖3.17 將碳纖維放在烤盤紙上 58
圖3.18 鍍銀線纏繞方向 59
圖3.19 將銅片固定在碳纖維上 59
圖3.20 堆疊完成 60
圖3.21 將銅片往兩側輕靠，定位於固定銷兩端 60
圖3.22 將雙面膠從銅片中間割開 61
圖3.23 裝上擋板準備熱壓 61
圖3.24 將已堆疊碳纖維片之模具放入熱壓模具中熱壓 62
圖3.25 碳纖維束對切成兩條 62
圖3.26 裁切碳纖維束並修整柔軟端 63
圖3.27 裁切好之兩條單極碳纖維束 63
圖3.28 台階式銅片 63
圖3.29 埋入銅片後之碳纖維束結構示意圖 64
圖3.30 碳纖維多層間結構剖面示意圖 64
圖3.31 埋設銅片與挖槽之碳纖維束結構示意圖 64
圖3.32 測試用之單cell：上為陽極，下為陰極 65
圖4.1 三點式熱壓裝置及模組 65
圖4.2 小型MEA熱壓設備 66
圖4.3 MEA熱壓模組 66
圖4.4 微電阻量測設備 67
圖4.5 (a)石墨單極板與(b)碳纖維束單極板電阻量測示意圖 67
圖4.6 實驗儀器 68
圖4.7 MEA放置在單電池陽極端 68
圖4.8 MEA置於濕潤的保存盒中 68
圖5.1 不同碳纖維束結構電阻之比較 69
圖5.2 有無挖槽之電阻比較 69
圖5.3碳纖維束內厚銅片位置對電池性能的影響 70
圖5.4 鍍銀線與厚薄銅片對電池性能的影響 70
圖5.5厚銅片在碳纖維束中不同位置對電池性能的影響 71
圖5.6不同銅片厚度在碳纖維束中間對電池性能之影響 71
圖5.7不同銅片厚度在碳纖維束兩側對電池性能之影響 72
圖5.8 碳纖維束內中央一銅片厚度0.2mm之有無挖槽對電池性能之影響 72
圖5.9 碳纖維束兩側各埋一0.2 mm厚銅片之有無挖槽對電池性能影響 73
圖5.10 MEA熱壓前，電極有無塗Nafion溶液之比較 73
圖5.11 MEA不同熱壓壓力對電池性能的影響 74

1. “Bipolar plate made of carbon fiber epoxy composite for polymer electrolyte membrane fuel cells,” In Uk Hwang, Ha Na Yu, Seong Su Kim, Dai Gil Lee, Jung Do Suh, Sung Ho Lee, Byung Ki Ahn, Sae Hoon Kim, TaeWon Lim, Journal of Power Sources 184 (2008) 90–94.
2. “Air-breathing miniature planar stack using the flexible printed circuit board as a current collector,” Sung Han Kim, Hye Yeon Cha, Craig M. Miesse, Jae Hyuk Jang, Yong Soo Oh, Suk Won Cha, International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009) 459–466.
3. “Application of a thermally conductive pyrolytic graphite sheet to thermal management of a PEM fuel cell,” Chih-Yung Wen, Guo-Wei Huangb, Journal of Power Sources 178 (2008) 132–140.
4. “Planar array stack design aided by rapid prototyping in development of air-breathing PEMFC,” Chen-Yu Chena, Wei-Hsiang Lai, Biing-Jyh Weng , Huey-Jan Chuang, Ching-Yuan Hsieh, Chien-Chih Kung, Journal of Power Sources 179 (2008) 147–154.
5. “The effect of low humidity on the uniformity and stability of segmented PEM fuel cells,” Fang-Bor Weng, Bo-Shian Jou, Chun-Wei Li, Ay Su, Shih-Hung Chan, Journal of Power Sources 181 (2008) 251–258.
6. “Visualisation of water accumulation in the flow channels of PEMFC under,” T. Ous, C. Arcoumanis, Journal of Power Sources 187 (2009) 182–189.
7. “質子交換膜燃料電池於可攜式能源應用之研究,” 王永斌，碩士論文，國立中山大學機械工程研究所，中華民國九十五年七月。
8. “非均質碳纖維雙極板流道結構及進氣方式對PEMFC性能影響之實驗研究,” 張耀庭，碩士論文，國立中山大學機械工程研究所，中華民國九十六年九月。
9. “新型非均質碳纖維雙極板應用在可攜式純氫直子交換膜燃料電池特性研究,” 羅鳴遠，碩士論文，國立中山大學機械工程研究所，中華民國九十三年八月。
10. “非均質碳纖維雙極板在不同流道設計下反應物之流動特性對PEMFC性能影響之實驗研究,” 蕭韋明，碩士論文，國立中山大學機械工程研究所，中華民國九十五年八月。
11. “低成本自然吸氣式可攜式直接甲醇燃料電池組開發與製作研究,” 洪嘉隆，碩士論文，國立中山大學機械工程研究所，中華民國九十六年九月。
12. “質子交換膜燃料電池研究-MEA的製造和性能分析,” 呂俊逸，碩士論文，國立中山大學機械工程研究所，中華民國八十九年六月。
13. “質子交換膜燃料電池研究-MEA的製程與應用,” 李軒誠，碩士論文，國立中山大學機械工程研究所，中華民國九十年六月。
14. “直接甲醇燃料電池-MEA製程研發與性能分析,” 羅錦宏，碩士論文，國立中山大學機械工程研究所，中華民國九十五年八月。
15. “The development of a heterogeneous composite bipolar plate of exchange membrane fuel cell,” Ming-San Lee, Long-Jeng Chen, Zheng-Ru He, Shih-Hong Yang, The Journal of Fuel Cell Science and Technology, 2005.
16. “碳纖維束雙極板應用在可變電壓PEM燃料電池組之研究,” 陳龍正，李明三，張耀庭，蘇佑民，中國機械工程學會第二十六屆全國學術研討會論文集，中華民國九十八年十一月。