本論文主要研發多電壓質子交換膜(簡稱PEM)燃料電池，此燃料
電池不須變壓器便可提供3C 產品使用或充電。一般傳統雙極板所做
的純氫質子交換膜燃料電池組，只能用層層單電池堆疊來累積電壓，
傳統雙極板重量與體積都很大，隨著串聯電池數的增加，體積和重量
也跟著變大，對須高電壓小電流的3C 電源非常不方便。為了解決此
問題，本論文以本實驗室研發的非均質碳纖維束雙極板來取代傳統雙
極板，膜極組 (Membrane Electrode Assembly 簡稱MEA) 則使用
Banded type 的方式來增加每層電池的電壓，結合串並聯的方式變換
電壓與電流，其電源輸出不須變壓器便可提供3C 產品充電或使用，
非常方便。
16-cell多電壓燃料電池以4層4-banded type電池做堆疊及配合5-
片碳纖維束雙極板，可形成16個獨立的電池。此16-cell電池，以4-cell
串聯為一組共可形成4組，可於電池組兩端進行串並聯，不同的串並
聯組合可提供數種不同電壓及電流。此16-cell電池組體積385c.c.及重
量365g，可提供數種較高電壓輸出，並可對不同電壓的3C產品進行
充電。
若只使用兩組4-cell電池組串聯時，電池組在3.6V可提供最大2A
之電流。以上述兩組2*4-cell電池組並聯時，在3.6V可提供最大3.5A
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之電流。四組4-cell串聯時，在7.2V時可提供最大1.8A之電流。這些
電壓與電流使電池組可直接供手機、相機、單眼相機等使用或充電。
充電時，由於兩者的電池特性類似，充電區間可自動調節電壓電流，
使兩者在較佳狀態下充電。如需要更大電壓或電流，可使用多個
16-cell進行串並聯，可提供Notebook或其它須更高電壓或電流的3C設
備使用。

In this paper a proton exchange membrane fuel cell (called PEMFC)
stack was developed to power or charge 3C products without any voltage
transformer. PEMFC stacks made with traditional bipolar plates to
generate a high voltage are usually by accumulating multiple single fuel
cells together. The design with traditional heavy and large bipolar plates
is inconvenient for 3C products to generate a high voltage in a finite
volume. To solve this problem, a heterogeneous carbon fiber bunch
unipolar plate is adopted to replace traditional bipolar plates, and a
special membrane electrode assembly (called MEA) with multiple sets of
banded electrodes is used to replace a traditional MEA that is made with
only a set electrodes. With this new design, the fuel cell voltage can
easily increase in a layer. The designed stack can provide multiple
voltages and currents by proper series and/or parallel connections.
The variable voltage 16-cell fuel cell is composed of 4-layer
4-banded type MEAs and 5 heterogeneous carbon fiber bunch bipolar
plates. The 16-cell stack is divided into 4 sets. Each set of 4 series
connection cell is arranged in a line in 4 different layers. The 4-cell sets
can connect by series/parallel on the two ends of the stack. The total
volume of the 16-cell stack is 385cm3 and its weight is 365g. The new
design can power or charge certain 3C products directly.
If 2 sets of 4-cell fuel cells are connected in series, the stack can
provide 2A at 3.6V. With the above 2 sets of 2*4-cell connected in
parallel, the stack can provide 3.5A at 3.6V. If the 4 sets of 4-cell are all
connected in series, the stack can provide 1.8 A at 7.2V. These voltages
and currents derived from these stacks can power or charge a mobile
phone, a photo camera and a video camera directly. If a higher voltage or
current are needed, two or more 16-cell stacks can be connected in series
XI
or parallel. Then notebooks or any other 3C products in which higher
power are needed can be driven.

目錄
目錄 I
圖目錄………………………………………………………………. ....IV
表目錄 ………………………………………………………………...VII
中文摘要 X
英文摘要 X
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 質子交換膜燃料電池(PEMFC) 2
1.2.1 PEMFC基本架構 2
1.2.1.1 雙極板 2
1.2.2.2 膜電極組(MEA) 3
1.3 文獻回顧 5
1-4 研究目的 10
第二章質子交換模燃料電池理論分析 11
2.1 工作原理 11
2.2反應效率 12
2.3 電池理論燃料消耗量 13
2.4 燃料電池的極化現象 14
第三章電池組設計與元件製作 16
3.1 電池組設計 16
3.1.1 膜極組 18
3.1.2單/雙極板 18
3.1.2.1傳統硬質表面單/雙極板 18
3.1.2.2 非均質碳纖維雙極板 20
3.2 元件製作 20
3.2.1非均質碳纖維雙極板製程 20
3.2.2 MEA製作 23
3.2.2.1 質子交換膜預處理 23
3.2.2.2 MEA熱壓 24
3.2.2.2.1電極的預備 24
3.2.2.2.2 Mask製作 24
3.2.2.2.3 熱壓 25
第四章 實驗方法 26
4.1 實驗材料 26
4.2 實驗設備 27
4.2.1 氫氣設備與管路系統 27
4.2.2 量測系統設備 27
4.3 實驗步驟 28
第五章實驗結果與分析 30
5.1 電池的穩定性測試 30
5.2 影響PEM燃料電池性能之因素 31
5.2.1 墊片對性能的影響 31
5.2.2 供氣方式對性能影響 32
5.2.3 雙極板纖維束柔軟度與氣密程度對電池性能的影響 33
5.3 多電池串、並聯之性能 34
5.4 電池組應用測試 35
5.4.1 兩組4-cell串聯實際充電測試 35
5.4.2 四組4-cell串聯實際充電測試 36
6.1 結論 37
6.2 未來展望 38
參考文獻 39





圖目錄
圖2.1 PEMFC運作圖 41
圖2.2極化曲線 41
圖3.1 四層4-CELL電池組不同串並聯示意圖 42
圖3.2 4-LAYER電池組組裝前各組件 43
圖3.3 4-LAYER多電壓燃料電池組(串聯) 43
圖3.4在相同的電壓下，傳統MEA與BANDED TYPE MEA之比較 44
圖3.5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[10] 45
圖3.6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[10] 45
圖3.7 展開前碳纖維束 46
圖3.8 銅製碳纖維束熱壓夾具[4] 46
圖3.9碳纖維束熱壓設備[4] 47
圖3.10經熱壓完成並裁切完之碳纖維束[4] 47
圖3.11 製作環形膠的模具[4] 48
圖3.12 具備環形膠的碳纖維束[4] 48
圖3.13 射出成型設備[4] 49
圖3.14 射出成型完成之雙極板 49
圖3.15 磁力攪拌加熱器 50
圖3.16裁切完之電極 50
圖3.17 將電極定位於烤盤紙上 51
圖3.18 電極熱壓模具 51
圖3.19三點式彎曲試驗機 52
圖3.20熱壓完4-BANDED TYPE MEA 52
圖4.1燃料電池性能量測系統 53
圖5.1 單層4-CELL MEA電池組，雙極板未浸水處理，不同電流下電壓隨時間之變化 54
圖5.2 單層4-CELL MEA電池組，雙極板浸水處理後，不同電流下電壓隨時間之變化 54
圖5.3 墊片選擇示意圖 55
圖5.4 單層4-CELL MEA電池組，不同墊片厚度對性能影響 55
圖5.5四組4-CELL串聯，在不同氫氣進氣壓力下，總電壓及總功率隨電流變化之比較 56
圖5.6四組4-CELL串聯，在不同風扇供氣方式下，總電壓及總功率隨電流變化之比較 56
圖 5.7 使用1-2雙極板，單層4-CELL串聯時各電池輸出電壓、電流密度與功率密度之比較 57
圖 5.8使用1-3雙極板，單層4-CELL串聯時各電池輸出電壓、電流密度與功率密度之比較 57
圖5.9使用1-4雙極板，單層4-CELL串聯時各電池輸出電壓、電流密度與功率密度之比較 58
圖5.10使用1-5雙極板，單層4-CELL串聯時各電池輸出電壓、電流密度與功率密度之比較 58
圖5.11單層4-CELL串聯總電壓及總功率隨電流之變化 59
圖5.12 二組4-CELL串聯及混合串並聯，總電壓及總功率隨電流之變化 59
圖5.13 四組4-CELL串聯及混合串並聯，總電壓及總功率隨電流之變化 60
圖5.14電池組直接驅動手機之情形 60
圖5.15燃料電池組充電線路示意圖 61
圖5.16 燃料電池對手機鋰電池充電時之電壓與電流隨時間之變化 61
圖5.17 燃料電池對相機鋰電池充電時之電壓與電流時間之變化 62
圖5.18燃料電池與充電器分別對手機鋰電池充電電壓隨時間之變化 62
圖5.19燃料電池對單眼相機鋰電池充電時之電壓與電流比較 63
表目錄
表5-1四層4-CELL電池組不同串並聯產生電壓電流及總功率 63

1."A polymer electrolyte membrane fuel cell system for powering portable computers," Klaus Tüber, Marco Zobel, Heribert Schmidt, Christopher Hebling, Journal of Power Sources 122 (2003) 1–8.
2."Operating characteristics of 40W-class PEMFC stacks using reformed gas under low humidifying conditions," Sung-Dae Yim, Young-Jun Sohn, Young-Gi Yoon, Sukkee Um, Chang-Soo Kim, Won-Yong Lee, Journal of Power Sources 178 (2008) 711–715.
3."A preliminary study of a miniature planar 6-cell PEMFC stack combined with a small hydrogen storage canister," Xigui Zhang, Dan Zheng, Tao Wang, Cong Chen, Jianyu Cao, Jian Yan, Wenming Wang, Juanying Liu, Haohan Liu, Juan Tian, Xinxin Li, Hui Yang, Baojia Xia, Journal of Power Sources 166 (2007) 441–444.
4."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。
5."A novel self-humidifying membrane electrode assembly with water transfer region for proton exchange membrane fuel cells," Er-Dong Wang, Peng-Fei Shi, Chun-Yu Du, Journal of Power Sources 175 (2008) 183–188.
6."Fuel cells for low power applications," A. Heinzela, C. Hebling, M. Muller, M. Zedda, C. Muller, Journal of Power Sources 105 (2002) 250–255.
7."Development of a heterogeneous composite bipolar plate of a Proton 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.
8."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。
9."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。
10."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。