跳到主要內容

臺灣博碩士論文加值系統

(3.236.110.106) 您好!臺灣時間:2021/07/29 18:08
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果 :::

詳目顯示

: 
twitterline
研究生:何政儒
研究生(外文):Jheng-ru He
論文名稱:高性能低成本非均質雙極板之研製與應用在PEMFC之性能分析
論文名稱(外文):The Making of a Performance and Low Cost Heterogeneous Composite Bipolar Plate and the Performance analysis of PEMFC with This New Plate
指導教授:陳龍正陳龍正引用關係
指導教授(外文):Long-jeng Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:機械與機電工程學系研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:102
中文關鍵詞:碳纖維雙極板自然吸氣可攜式電池組質子交換膜燃料電池
外文關鍵詞:HFCair-breathingportable fuel cellcarbon fiber unipolar plate
相關次數:
  • 被引用被引用:10
  • 點閱點閱:141
  • 評分評分:
  • 下載下載:39
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:3
摘要

傳統單/雙極板如金屬與石墨單/雙極板都有成本高、重量重、體積大等缺點,在組成電池組時,往往因體積龐大或重,故不易攜帶。本論文的可攜式質子交換膜燃料電池(採用純氫為燃料的PEMFC,簡稱HFC)採用我們研究室所發展出的一種由新型非均質碳纖維雙極板,配合MEA製成的高效率、低成本、重量輕的可攜式燃料電池。藉由新型碳纖維雙極板本身具備的低接觸電阻、化學穩定性高、低成本、重量輕、體積小等優點,預計未來有機會取代目前常用的金屬與石墨單/雙極板。
本研究利用這種新型單/雙極板製成的電池組,以實驗探討不同設計與操作條件下電池組的性能特性。本實驗發現影響HFC性能的因素除了陽極溫溼度與進氣壓力之外,尚有陰極進氣口與進氣方式等流道設計相關因素。此外,電池內部材料間的接觸電阻,均明顯影響HFC的效率。
由於本研究使用新型單/雙極板,由於其多孔性結構,且結合壓力很小,擴散層較不易受壓變形,故反應氣體較容易均勻分布到所有反應區。此外,因新型單/雙極板製成的電池內部接觸電阻比傳統單/雙極板製成的電池低,電子較易導入或導離作用層。故實驗結果發現在1.15atm下,新型雙極板製成的電池性能,在0.6V時,電流密度比石墨雙極板製成的電池大一倍。
以空氣為氧化劑的開放式單極板設計時,雖然增加風扇轉速有助於氧化劑的補充,可避免在高電流密度時因空氣不足而造成質傳限制,但是卻不利於便攜式電池組的應用,本研究於陰極採用正面開放式單極板,同時電池組採用自然吸氣方式來供應氧化劑,雖然功率密度略低,但在未加濕加溫下功率密度已可達160mW/cm2,且這種設計可減少輔助設備的使用,故可增加可攜式電池應用的空間。
Abstract

Traditional unipolar/bipolar plates, such as the metal and the graphite unipolar/bipolar plates, are expensive, weight heavy and volume large, so that it is hard to be used in the portable application. A high efficiency, low cost and lightweight portable proton exchange membrane fuel cell (called PEMFC or called HFC when using pure hydrogen fuel), which is made with a new heterogeneous composite carbon fiber bipolar plate and a MEA, is developed in our lab. There are many advantages of the new carbon fiber unipolar/bipolar plates, such as low contact resistance, low cost, lightweight and small volume. We hope that the new unipolar/bipolar plate will be able to replace the conventional metal and graphite unipolar/bipolar plates in the future.
The characteristics of a portable PEMFC in different operational conditions are studied in this research. From our experimental result, we find that the factors which affect the HFC performance include the gas temperature, humidity ratio, inlet gas pressure in anode, the geometry of inlet ports, the flow channels within cell, and the oxidant flow rate etc. In addition, the contact resistances between different materials within each cell all strongly influence HFC performance.
The ribs of the carbon fiber unipolar/bipolar plates is pored structure, and the gas diffusion layer is no deformation because of only slight compression in stack assembly; therefore, the reactive gas can easily flow into the most of active area. In addition, the contact resistance between the carbon fiber unipolar plate and the gas diffusion layer is lower than that between the traditional unipolar plate and the gas diffusion layer, so that the electrons in active layer is easily to exit or enter this region. The experimental result at 1.15 atm and 40 oC displays that the current density with the new unipolar plate is about twice higher than that with the graphite unipolar plate at overpotential 0.6 V.
With air as an oxidizer, we find that increasing the fan rotation speed can avoid output-voltage decay in high current density, but the design with fan is unfavorable for portable application. So a front open unipolar plate and air-breathing design is adopted on the cathode. The power density of this design is slightly lower than that with fan, but it still can reach a value 160 mW/cm2 without any heating and humidification in the anode. Because this design needs little supplement device, the application in portable fuel cells of the new design will be wider than that of a traditional design.
目錄
目錄……………………………………………………………………...I
圖目錄………………………………………………………………..…V
表目錄…………………………………………………………...……...X
論文摘要(中文)……………………………………………………….XI
論文摘要(英文)……………………………………………………...XIII
第一章 緒論……………………...………………….…………….1
1.1前言……………………………………………………………….1
1.2燃料電池種類…………………………………………………….3
1.3文獻回顧………………………………………………………….6
1.4研究目的…………………………………………………………11
第二章 質子交換膜燃料電池的結構與MEA之製作…....14
2.1質子交換膜燃料電池的結構…………………………………….14
2.1.1質子交換膜…………………………………………………14
2.1.2陽極電極(氫氣側)………………………………………….16
2.1.3陰極電極(氧氣側)………………………………………….17
2.1.4催化劑………………………………………………………17
2.2 MEA之處理與製作……………………………………………...19
2.2.1質子交換膜的前處理………………………………………19
2.2.2觸媒的製作…………………………………………………20
2.2.3 MEA的製作………………………………………………..21
2.3雙極板之介紹…………………………………………………….22
第三章 PEMFC的反應機制…………………………………...24
3.1質子交換膜燃料電池的工作原理……………………………….24
3.2質子交換膜燃料電池的極化現象……………………………….27
3.2.1活化極化 (activation polarization)…………………...……28
3.2.2歐姆極化 (ohmic polarization)…………………………….28
3.2.3濃度極化 (concentration polarization)…………………….28
第四章 新型雙極板之研發………………………...…………..30
4.1目前使用之雙極板的缺點………………………………………30
4.1.1金屬材質雙極板…………………………………………...30
4.1.2石墨材質雙極板…………………………………………...31
4.1.3複合碳板…………………………………………………...32
4.2新型雙極板之特徵………………………………………………32
4.3新型雙極板之優點………………………………………………33
4.4新型雙極板之製作………………………………………………36
4.4.1黏結劑選用原則…………………………………………...36
4.4.2新型雙極板之製作流程…………………………………...38
第五章 完成模型與實驗測試設備………………….………..41
5.1實驗材料………………………………………………………....41
5.1.1膜極組(MEA)…………………..………………………….41
5.1.2雙極流場板………………………………………………...41
5.1.3燃料與氧化劑……………………………………………...42
5.2碳纖維雙極板洩漏檢測系統……………………………………42
5.3碳纖維雙極板電阻量測系統……………………………………43
5.4實驗設備…………………………………………………………44
5.4.1供氣設備與管路系統……………………………………...44
5.4.2進氣加熱及加濕系統……………………………………...45
5.4.3量測系統…………………………………………………...46
5.5系統效能與穩定性………………………………………………48
5.5.1氫氣隔水加熱裝置……………………………….………..48
5.5.2氧氣與空氣加熱裝置……………………………………...49
5.5.3蒸汽產生器………………………………………………...49
第六章 實驗結果與分析…………………………………...…...51
6.1接觸電阻的量測………………………………………………….51
6.2壓克力材質雙極板燃料電池(陰極進氣為密閉式進氣方式)…..53
6.2.1進氣壓力的影響……………………………………………53
6.2.2陽極進氣溫溼度的影響………………………………...…54
6.2.3壓克力材質單電池總結…………………………………...55
6.3聚丙烯(PP)材質雙極板燃料電池(陰極進氣為開放式進氣方式)
……………………………………………………………………55
6.3.1陽極進氣壓力的影響……………………………………...56
6.3.2陰極空氣流量的影響……………………………………...56
6.3.3陽極進氣溫溼度的影響…………………………………...57
6.3.4聚丙烯(PP)材質單電池總結………………………………57
6.4耐燃級苯二甲酸二烯丙酯(DAP)材質燃料電池組(Banded-Type)
……………………………………………………………………58
6.4.1陰極空氣流量的影響……………………………………...58
6.4.2陽極內部流場的影響……………………………………...59
6.4.3電池內電阻的影響………………………………………...60
6.4.4 DAP材質電池組(Banded-Type)總結……………………..60
第七章 結論…………………………………...………………….62
7.1結論………………………………………………………………62
7.2未來可進行的工作………………………………………………64
參考文獻………………………………………………………………..66




圖目錄
圖2.1 燃料電池組解剖示意圖…………………………….…….…70
圖3.1 質子交換膜燃料電池之工作原理示意圖…………….….…71
圖3.2 質子交換膜燃料電池電壓-電流密度極化曲線……..……71
圖4.1 熱處理溫度上昇所導致軟質碳的電阻溫度變化……..……72
圖4.2 碳纖維雙極板示意圖…………………………………..……72
圖4.3 傳統石墨雙極板與電極碳布之接觸示意圖………………..73
圖4.4 新型碳纖維雙極板與電極碳布之接觸示意圖……………..74
圖4.5 碳纖維塊之照片:(a)傳統雙極板用之碳纖維束,(b)banded type用之含銅線單極板用碳纖維束………………………..75
圖5.1 用於不導電區之塑膠本體組件(壓克力材質,陰極進氣為密閉式設計)…………………………………………………….76
圖5.2 用於不導電區之塑膠本體組件雙極板(聚丙烯材質,陰極進氣為側開放式設計)………………………………………….77
圖5.3 用於不導電區之塑膠本體組件雙極板(DAP材質,陰極進氣為正開放式設計)………………………………………….…78
圖5.4 密閉式進氣雙極板照片…………………………...…………79
圖5.5 密閉式進氣單電池照片………………….…………………..79
圖5.6 陰極側開放式進氣雙極板照片………………………...……80
圖5.7 陰極側開放式單電池照片…………………………………...80
圖5.8 陰極正開放式進氣單極板照片……………………………...81
圖5.9 陰極正開放式電池組照片……………………………….…..81
圖5.10 碳纖維雙極板氣密檢測裝置配件照片……………...………82
圖5.11 碳纖維雙極板氣密檢測裝置組合照片……………………...82
圖5.12 碳纖維雙極板電阻量測設備………………………………...83
圖5.13 電阻量測示意圖…………………………………………...…83
圖5.14 電池I-V測試系統照片……………………………………...84
圖5.15 燃料電池測試系統示意圖…………………………………...85
圖5.16 氫氣隔水加熱設備………………………………………...…86
圖5.17 空氣與氧氣加熱設備………………………………………...86
圖5.18 蒸汽加濕系統設備…………………………………………...87
圖5.19 加熱水槽溫度時間曲線……………………………………...87
圖5.20 氫氣溫控器之設定溫度、保溫儲存槽內溫與輸出到電池的 氣體溫度差距變化………………………………………..…88
圖5.21 空氣或氧氣加熱時溫度隨時間變化之曲線………………...88
圖5.22 空氣與氧氣溫控器之設定溫度、加熱管內溫與輸出到電池 的氣體溫度差距變化………………………………………..89
圖5.23 蒸汽壓力控制閥為1.7 kg/cm2時,蒸汽壓力與時間變化曲 線……………………………………………………………..89
圖6.1 石墨雙極板、碳纖維雙極板及碳纖維單極板與碳布之接觸 電阻隨壓力變化之關係……………………………………..90
圖6.2 理想上石墨雙極板及碳纖維雙極板與碳布之接觸電阻隨壓力變化之關係………………………………………………..90
圖6.3 密閉式進氣單電池氧化劑為O2時其性能隨進氣壓力變化之關係圖………………………………………………………..91
圖6.4 密閉式進氣單電池於氧化劑為air時其性能隨進氣壓力變化之關係圖……………………………………………………..91
圖6.5 密閉式進氣單電池於陽極進氣溼度100%時其性能隨陽極進氣溫度變化之關係圖………………………………………..92
圖6.6 同樣為密閉式進氣方式時碳纖維雙極板與石墨雙極板單電池於1.15atm時之性能比較………………………..……….92
圖6.7 密閉式進氣單電池在不同氧化劑時所得之效率圖…..……93
圖6.8 陰極側開放式單電池其性能隨陽極進氣壓力變化之關係圖…………………………………….………………….........93
圖6.9 陰極側開放式單電池在不同陰極空氣流量時之電池效率圖……………………………………………………………..94
圖6.10 陰極側開放式單電池隨陽極進氣溫度變化之關係圖…....94
圖6.11 同樣為陰極側開放式進氣時碳纖維雙極板與石墨雙極板單電池之性能比較圖………………………………………..…95
圖6.12 陰極正開放式電池組其陰極空氣量影響電池效率之關係圖……………………………………………………………..95
圖6.13 陰極正開放式電池組內部流道設計影響效率之關係圖…...96
圖6.14 陰極正開放式電池組各單電池效率之關係圖(反轉前)…....96
圖6.15 陰極正開放式電池組各單電池效率之關係圖(反轉180度)
………………………………………………………………..97
圖6.16 陰極正開放式電池組整體串聯之效率圖(每平方公分)..…..97
圖6.17 陰極正開放式電池組整體串聯之效率圖(Total)……..……..98
圖6.18 陰極正開放式電池組三個較佳效率單電池串聯之效率圖(每平方公分)………………………………………………….....98
圖6.19 陰極正開放式電池組三個較佳效率單電池串聯之效率圖(Total)……………………………………….……………..…99
圖6.20 陰極正開放式電池組未來改良後預計單電池串聯之效率圖(每平方公分)………………………………………………...99
圖6.21 陰極正開放式電池組未來改良後預計單電池串聯之效率圖(Total)……………………………………………………….100
圖6.22 陰極正開放式電池組內部串聯概念構造圖……………….100



表目錄
表1.1 各種燃料電池基本特性比較…………………………….…101
表6.1 苯二甲酸二烯丙酯(DAP)硬化後之性質( WH-9100系列)..102
表6.2 DAP單極板各碳纖維塊彼此之接觸電阻…………………102
參考文獻

1. "An innovative process for PEMFC electrodes using the expansion of Nafion film," C. H. Hsu, C. C. Wan, Journal of Power Sources, 115, 268-273, 2003.
2. "Chemically-modified Nafion/poly (vinylidene fluoride) blend ionomers for proton exchange membrane fuel cells," Min-Kyu Song, Young-Taek Kim, James M. Fenton, H. Russell Kunz, Hee-Woo Rhee, Journal of Power Sources, 117, 14-21, 2003.
3. "Metallic bipolar plates for PEM fuel cells," J. Wind, R. Spah, W. Kaiser, G. Bohm, Journal of Power Sources, 105, 256-260, 2002.
4. "Development and performance characterization of new electrocatalysts for PEMFC," M. J. Escudero, E. Hontanon, S. Schwartz, M. Boutonnet, L. Daza, Journal of Power Sources, 106, 206-214, 2002.
5. "Recent progress in performance improvement of the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)," Sergei Gamburzev, A. John Appleby, Journal of Power Sources, 107, 5-12, 2002.
6. "Performance evaluation of an energy recovery system for fuel reforming of PEM fuel cell power plants," Yiding Cao, Zhen Guo, Journal of Power Sources, 109, 287-293, 2002.
7. "PEM fuel cell stacks operated under dry-reactant conditions," Zhigang Qi, Arthur Kaufman, Journal of Power Sources, 109, 469-476, 2002.
8. "Activation of low temperature PEM fuel cells," Zhigang Qi, Arthur Kaufman, Journal of Power Sources, 111, 181-184, 2002.
9. "Effect of CO in the anode fuel on the performance of PEM fuel cell cathode," Zhigang Qi, Chunzhi He, Arthur Kaufman, Journal of Power Sources, 111, 239-247, 2002.
10. "Measurement of ohmic voltage losses in individual cells of a PEMFC stack," Tuomas Mennola, Mikko Mikkola, Matti Noponen, Tero Hottinen, Peter Lund, Journal of Power Sources, 112, 261-272, 2002.
11. "Membrane electrode gasket assembly (MEGA) technology for polymer electrolyte fuel cells," A. Pozio, L. Giorgi, M. De Francesco, R. F. Silva, Journal of Power Sources, 112, 491-496, 2002.
12. "The effect of anode flow characteristics and temperature on the performance of a direct methanol fuel cell," John C. Amphlett, Brant A. Peppley, Ela Halliop, Aamir Sadiq, Journal of Power Sources, 96, 204-213, 2001.
13. "Performance of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) stacks Part I. Evaluation and simulation of an air-breathing PEMFC stack," Deryu Chu, Rongzhong Jiang, Journal of Power Sources, 83, 128-133, 1999.
14. "A study of the internal humidification of an integrated PEMFC stack," K. H. Choi, D. J. Park, Y. W. Rho, Y. T. Kho, T. H. Lee, Journal of Power Sources, 74, 146-150, 1998.
15. "燃料電池的心臟-電極膜組",黃朝榮,林修正,科學發展月刊,第367期,92年7月。
16. "由碳能朝向氫能的燃料電池",許寧逸,顏溪成,科學發展月刊,第367期,92年7月。
17. "萬事具備,不可欠「東風」-燃料電池中的觸媒",陳陵援,林修正,科學發展月刊,第370期,92年10月。
18. "能與能源",陳陵援,高惠蓉,科學發展月刊,第373期,93年1月。
19. "燃料電池",薛康琳,彭裕民,工業材料雜誌,第202期,92年10月。
20. "3C用燃料電池介紹",顏宇欣,工業材料雜誌,第169期,90年1月。
21. "微小型燃料電池系統",邱昱仁,顏宇欣,賴秋助,工業材料雜誌,第202期,92年10月。
22. "微型燃料電池用觸媒及載體",盧敏彥,黃俊傑,張美元,廖怡萱,工業材料雜誌,第202期,92年10月。
23. "微型燃料電池用質子交換膜的開發",張中屏,陳振鑾,施志哲,陳致源,工業材料雜誌,第202期,92年10月。
24. "直接甲醇燃料電池的核心膜電極組 (MEA)",黃秋萍,薛康琳,吳富其,高志勇,工業材料雜誌,第202期,92年10月。
25. "燃料電池",黄鎮江,全華科技圖書股份有限公司,92年11月。
26. "最新可充電電池技術大全",孫清華編譯,全華科技圖書股份有限公司,92年9月。
27. "燃料電池Fuel cell-高效、環保的發電方式",衣寶廉,五南圖書出版有限公司,92年4月。
28. "質子交換膜燃料電池含溫濕度控制之參數最佳化分析與電池製作",廖明祥,碩士論文,國立中山大學機械工程研究所,中華民國九十一年六月。
29. "質子交換膜燃料電池組之製作與性能最佳化研究",莊雲羽,碩士論文,國立中山大學機械工程研究所,中華民國九十二年六月。
30. "質子交換膜燃料電池-具有非同質之板體與導電體的燃料電池雙極板之研發",林明志,碩士論文,國立中山大學機械工程研究所,中華民國九十二年一月。
31. "以含浸還原法製備PEMFC膜電極組與電池之研究",陳孟震,碩士論文,國立成功大學化學工程研究所,中華民國八十九年六月。
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top