臺灣博碩士論文加值系統

為實現一可恆時自謀運作（self-sustainable）的直接液態供給燃料電池（Direct Liquid-Feed Fuel Cell）系統，例如直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）並提升其整體效能，燃料控制是目前備受矚目的議題之一。由於燃料濃度過高時嚴重的甲醇穿透現象會造成燃料電池性能顯著降低，同時導致燃料損耗；另一方面，為提高燃料電池系統的能量密度，卻又必須儘量提高補充燃料的濃度，因此必須藉由妥適的燃料濃度控制技術來滿足燃料電池系統的需求。

燃料濃度量測技術是燃料控制機制的基礎，本論文研究以此核心目標，運用三維量測空間的概念，建構「等濃度曲面」，發展出「等濃度曲面差補法則」（Interpolation based on Constant Concentration Surfaces，ICCS），籍此用以估測DMFC系統之甲醇燃料濃度，做為濃度控制機制的依據，以達到有效控制甲醇燃料濃度、幫助燃料電池可自行供給燃料且長時間運作的目標。

本文基於等濃度曲面差補法則，提出兩種燃料濃度估測方法，並經實驗驗證其可行性；所提方法具備以下幾項特點：一、僅需三項與甲醇燃料濃度相關聯的系統變數，所需量測的物理量可在運作過程中取得，不需中斷燃料電池系統之供電運作；二、所需量測的物理量是直接由動態系統取得，可因應不同操作條件下的燃料電池，包括環境溫度之影響；三、不需獨立的燃料電池單元專為濃度感測之用，儘量降低額外能量損耗負擔，同時減少佔用的體積與重量，因此特別適用於微小型可攜式DMFC系統。

Fuel control is one of the most pressing topics to achieve a self-sustainable direct liquid-feed fuel cell system, such as a direct methanol fuel cell (DMFC), and enhance its overall efficiency. In a DMFC system, sensing the methanol concentration generally serves as the basis of the fuel control strategies. This thesis proposes the notion of three dimensional measurement spaces and constant concentration surfaces (CCS) to develop an algorithm for estimating fuel concentration in a liquid-feed system.

In the thesis, two examples are illustrated to verify the validation and generality of the proposed algorithm that embraces the following merits: 1) It measures only three quantities or indices that are all easily acquired in an operating system. The estimation can be accomplished without interrupting the operation of the fuel cell system. 2) It possesses a 3-dimensional space in the corresponding feasible domains; hence it is suitable for situations that operating conditions are varying. 3) It is a sensor-less scheme that requires none of additional methanol sensors, thus consuming the system power as less as possible. 4) It is particularly suitable for small and hand-held applications.

目錄
目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 VII
中文摘要 VIII
英文摘要 X
誌謝 XI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 6
1.3 研究目的 7
第二章 等濃度曲面差補法則 9
2.1 三維量測空間 9
2.2 等濃度曲面差補法則 11
2.3 量測維度定義一（溫度、電壓、電流） 16
2.3.1 等濃度曲面的建構 16
2.3.2 等濃度曲面差補演算法則 18
2.4 量測維度定義二（溫度、電壓、斜率） 19
2.4.1 極化曲線之斜率 19
2.4.2 等濃度曲面的建構 22
2.4.3 等濃度曲面差補演算法則 24
第三章 實驗設備與實驗規劃 26
3.1 實驗測試系統儀器 26
3.2 實驗設備及架構 27
3.3 實驗規劃 30
3.4 實驗操作 30
3.4.1 操作條件調整及設定與重現性驗證 30
3.4.2 實驗資料庫之建立 31
3.4.3 法則的運用 32
第四章 實驗結果與討論 33
4.1 流量條件之設定與重現性驗證 33
4.1.1 流量條件之設定 33
4.1.2 重現性之驗證 36
4.2 實驗資料庫之建立 38
4.3 量測維度定義一之討論 42
4.3.1 等濃度曲面觀念的驗證 42
4.3.2 建構不同濃度之等濃度曲面 44
4.3.3 適用範圍 48
4.3.4 等濃度曲面差補演算法的估測結果 52
4.4 量測維度定義二之討論 54
4.4.1 斜率曲線的建立 54
4.4.2 等濃度曲面觀念的驗證 59
4.4.3 建構不同濃度之等濃度曲面 60
4.4.4 適用範圍 64
4.4.5 等濃度曲面差補演算法的估測結果 67
4.5 兩種方法的比較 69
第五章 結論 70
5.1 本文具體成果 70
5.2 未來研究方向 71

參考文獻 72
附錄 74
簡歷 95





















圖目錄
圖1.1 各種燃料電池的基本原理[2] 3
圖2.1 相同濃度不同溫度下之極化曲線 11
圖2.2 等濃度曲面（CONSTANT CONCENTRATION SURFACE，CCS） 12
圖2.3 未知點 投影於三維量測空間中 13
圖2.4 相同溫度不同濃度下之極化曲線 14
圖2.5 未知點 沿著電流軸方向投影，轉換為二維空間 14
圖2.6 電流-電壓極化曲線 20
圖2.7 極化曲線之斜率 22
圖3.1 FUEL CELL TEST SYSTEM測試儀器 26
圖3.2 LOBE TECH. COMPUTER CELL GT測試儀器 26
圖3.3 液體幫浦 27
圖3.4 膜電極組與石墨板 27
圖3.5 實驗設備圖（元智大學燃料電池中心） 29
圖3.6 實驗架構圖 29
圖4.1 不同空氣流量（固定式調）之電壓電流極化曲線 34
圖4.2 甲醇流量 3.3ML/MIN（0.75M, 40℃）之電壓電流極化曲線 35
圖4.3 甲醇流量 11.2ML/MIN（0.75M, 40℃）之電壓電流極化曲線 36
圖4.4 重現性驗證：電壓遞減與遞增往復操作之電壓電流極化曲線比較 37
圖4.5 重現性驗證：隔一週重復拆組單電池測式模組之電壓電流極化曲線比較 38
圖4.6 甲醇燃料濃度0.75M在不同操作溫度下之電壓電流極化曲線分佈 39
圖4.7 甲醇燃料濃度1.0M在不同操作溫度下之電壓電流極化曲線分佈 39
圖4.8 甲醇燃料濃度1.25M在不同操作溫度下之電壓電流極化曲線分佈 40
圖4.9 甲醇燃料濃度1.5M在不同操作溫度下之電壓電流極化曲線分佈 40
圖4.10 甲醇燃料濃度2.0M在不同操作溫度下之電壓電流極化曲線分佈 41
圖4.11 甲醇燃料濃度2.5M在不同操作溫度下之電壓電流極化曲線分佈 41
圖4.12 以檢測與ICCS濃度點同放置三維量測空間中 44
圖4.13 燃料濃度0.75M等濃度曲面的擬合圖及均方根誤差值 46
圖4.14 燃料濃度1.0M等濃度曲面的擬合圖及均方根誤差值 46
圖4.15 燃料濃度1.25M等濃度曲面的擬合圖及均方根誤差值 47
圖4.16 燃料濃度1.5M等濃度曲面的擬合圖及均方根誤差值 47
圖4.17 操作溫度 30℃下各濃度斜之電壓電流極化曲線 48
圖4.18 操作溫度 40℃下各濃度斜之電壓電流極化曲線 49
圖4.19 操作溫度 50℃下各濃度斜之電壓電流極化曲線 49
圖4.20 操作溫度 60℃下各濃度斜之電壓電流極化曲線 50
圖4.21 等濃度曲面會彼此交錯圖 50
圖4.22 多種濃度之等濃度曲面 51
圖4.22 多種濃度之等濃度曲面 51
圖4.23 估測濃度與實際濃度其相對誤差圖 53
圖4.24 操作溫度 30℃下各濃度斜之電流-電壓極化曲線 55
圖4.25 操作溫度 30℃下各濃度斜之斜率電壓曲線 55
圖4.26 操作溫度 40℃下各濃度斜之電流-電壓極化曲線 56
圖4.27 操作溫度 40℃下各濃度斜之斜率電壓曲線 56
圖4.28 操作溫度 50℃下各濃度斜之電流-電壓極化曲線 57
圖4.29 操作溫度 50℃下各濃度斜之斜率電壓曲線 57
圖4.30 操作溫度 60℃下各濃度斜之電流-電壓極化曲線 58
圖4.31 操作溫度 60℃下各濃度斜之斜率電壓曲線 58
圖4.32 以檢測與ICCS濃度點同放置三維量測空間中 60
圖4.33 燃料濃度0.75M等濃度曲面的擬合圖及均方根誤差值 62
圖4.34 燃料濃度1.0M等濃度曲面的擬合圖及均方根誤差值 62
圖4.35 燃料濃度1.25M等濃度曲面的擬合圖及均方根誤差值 63
圖4.36 燃料濃度1.5M等濃度曲面的擬合圖及均方根誤差值 63
圖4.37 燃料濃度2.0M等濃度曲面的擬合圖及均方根誤差值 64
圖4.38 多種濃度之等濃度斜率曲面 66
圖4.38 多種濃度之等濃度斜率曲面 66
圖4.39 測濃度與實際濃度其相對誤差圖 68












表目錄
表1.1 各種燃料電池基本特性比較[3] 4
表3.1實驗條件參數 31
表4.1 甲醇燃料濃度 1.25M之測試點 43
表4.2 之待定係數 44
表4.3 等濃度曲面擬合的均方根誤差 45
表4.4 燃料濃度水準0.875M（3.5VOL.%）模擬測試點之數據資料 52
表4.4 燃料濃度水準1.125M（4.5VOL.%）模擬測試點之數據資料 52
表4.4 燃料濃度水準1.375M（5.5VOL.%）模擬測試點之數據資料 53
表4.5 甲醇燃料濃度 1.25M之斜率測試點 59
表4.6 之待定係數 60
表4.7 等濃度曲面擬合的均方根誤差 61
表4.8 燃料濃度水準1.25M（5VOL.%）模擬測試點之數據資料 67

參考文獻
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