臺灣博碩士論文加值系統

本論文參考文獻上所提的PEMFC數學方程式，利用MATLAB/Simulink建構出PEMFC數學模型；其目的在以模擬的方式取代實際PEMFC，以減少燃料的消耗，並在PEMFC數學模型中利用田口方法估測其最大輸出功率；另外，在考慮PEMFC氫氧燃料溫度、氫氧燃料流量、PEMFC操作溫度及其操作電流等因素，利用田口方法以實際量測的方式，分析PEMFC相關特性及估測其最大功率與最佳操作點。最後以模擬的方式應用在燃料電池機車電源管理上，設計一PEMFC模糊控制器以符合機車ECN行車模式之馬達功率需求。
本論文提供一完善的PEMFC數學模型供日後研究人員快速得知實驗結果並驗證田口方法的實用性；在燃料電池應用上則設計一模糊控制器，以適當控制燃料電池機車之輸出功率，並利於日後對PEMFC與燃料電池機車性能提昇之研究。

In this dissertation, using the MATLAB/Simulink software and the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) mathematic equations referred to references, the PEMFC mathematical model is constructed. The objectives of this dissertation are stated as following. (1) Simulation on PEMFC mathematical model to replace the real PEMFC for reducing the consumption of the fuel. (2) By simulation on PEMFC mathematical model and using the Taguchi method, the maximum power of PEMFC is estimated. (3) Considering the factors of temperature and mass flow on hydrogen and oxygen, operation temperature and current on PEMFC, the characteristic of PEMFC is analyzed and also the maximum power and optimal operation point are estimated by using the Taguchi method and experiment. (4) Finally, a PEMFC controller is design for fuel cell motorcycle on power management to achieve the performance requirements under the ECN drive cycle by simulation.
This dissertation provides a good PEMFC mathematical model for user to get the result of experiment fast and to prove the Taguchi method is valuable for application. Moreover, on fuel cell application, a fuzzy controller is design to control the power on fuel cell motorcycle output suitably. And also has the advantage of enhancing the study on performance of PEMFC and fuel cell motorcycle.

目　錄
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XI
第一章　緒論 1
1.1 研究背景 1
1.1.1　燃料電池背景及現況 1
1.1.2　燃料電池機車發展現況 2
1.2 文獻回顧 5
1.2.1　燃料電池建模與模擬相關文獻 5
1.2.2　田口方法相關文獻 6
1.2.3　電動機車相關文獻 7
1.3.　研究動機與目的 13
1.3.1　燃料電池量測 13
1.3.2　燃料電池應用-燃料電池機車控制器之研究 15
1.4　本論文之架構 15
第二章　研究方法 16
2.1　燃料電池原理及特性 16
2.1.1　燃料電池特性 17
2.1.2　PEMFC簡介 18
2.2　PEMFC數學模型之建構 20
2.2.1　PEMFC數學模型之建立 20
2.2.2　PEMFC燃料溫度與溼度之影響 24
第三章　相關理論與工具說明 29
3.1　田口方法 29
3.1.1　實驗計畫法 32
3.1.2　直交表 33
3.1.3　田口方法之步驟 35
3.1.4　品質特性之靜態設計及動態設計 38
3.1.5　田口方法之靜態設計範例 38
3.1.6　品質計量法 41
3.2　模糊控制器 46
3.2.1　模糊推理系統編輯器（FIS Editor） 47
3.2.2　歸屬度函數編輯器 52
3.2.3　規則編輯器 56
3.2.4 規則觀察器 59
3.2.5　應用在Simulink中 59
第四章　PEMFC性能量測 62
4.1　模擬估測PEMFC最大功率 62
4.1.1　實驗設備與參數設定 62
4.1.2　量測實驗與模擬比對 64
4.1.3　電流工作區間設定及PEMFC模型参數值設定 64
4.1.4　PEMFC數學模型在工作區間之參數值選定 66
4.1.5　田口方法預估PEMFC最大功率 67
4.1.6　研究結果之因子反應 68
4.1.7　小結 71
4.2　實際估測PEMFC最大功率 72
4.2.1　辨識系統問題 72
4.2.2　選定控制因子 72
4.2.3　選定直交表及定義控制因子之水準 72
4.2.4　進行實驗 73
4.2.5　結果分析 75
4.2.6　小結 77
第五章　符合機車行車模式之燃料電池控制器設計 78
5.1　燃料電池控制器設計架構 78
5.2　ECN行車模式及機車馬達輸出功率 78
5.3　PEMFC模糊控制器設計 80
5.4　系統軟體模擬 89
5.5　小結 90
第六章　結論 91
6.1　結論 91
6.2　建議事項與未來研究目標 93
參考文獻 95
個人論文發表 100









圖　目　錄
圖1.1　 台灣空氣污染指標（PSI）＞100之目數比率圖（1984~1996）
12
圖2.1　 氫氧燃料電池運轉示意圖 17
圖2.2　 PEMFC工作原理示意圖 18
圖2.3　 PEMFC電化學數學模型 24
圖2.4　 相對溼度與溫度變化 25
圖2.5　 PEMFC數學模型 27
圖3.1　 田口方法程序 30
圖3.2　 塑膠融合強度之因子反應圖 40
圖3.3　 模糊推理系統編輯器 47
圖3.4　 File功能表 48
圖3.5　 Edit功能表 49
圖3.6　 View功能表 49
圖3.7 新增一輸入變數input2 50
圖3.8　 改變輸出及輸入變數名稱 51
圖3.9　 模糊控制系統存檔 51
圖3.10　歸屬度函數編輯器 52
圖3.11　增加歸屬函數數量 53
圖3.12　更改service變數之Range及其歸屬函數之形狀 54
圖3.13　更改food變數之Range及其歸屬函數之形狀 55
圖3.14　更改tip變數之Range及其歸屬函數之形狀 56
圖3.15　規則編輯器 57
圖3.16　建立模糊控制規則庫 58
圖3.17　規則觀察器 59
圖3.18　將檔案儲存至Workspace 60
圖3.19　建立模糊控制系統 60
圖3.20　將Boolean logic signals改為off狀態 61
圖4.1　 燃料電池量測儀器 63
圖5.1　 機車ECN行車模式 79
圖5.2　 機車ECN行車模式對應之機車馬達輸出功率 79
圖5.3 模糊控制系統方塊示意圖 80
圖5.4　 PEMFC之模糊控制系統 81
圖5.5　 ΔP之歸屬函數 82
圖5.6 之歸屬函數 82
圖5.7　 PEMFC操作電流之歸屬函數 83
圖5.8　 氫氧壓力之歸屬函數 84
圖5.9　 氫氣操作溫度之歸屬函數 85
圖5.10　氧氣操作溫度之歸屬函數 85
圖5.11　PEMFC操作溫度之歸屬函數 86
圖5.12　PEMFC控制器之模擬結果 90


































表　目　錄
表1.1　國內現有電動機車之規格性能比較 4
表1.2　燃料電池機車與電動機車的效率比較 8
表1.3　內燃機機車、電動機車與燃料電池機車性能比較 9
表2.1　飽和水蒸氣壓與溫度之關係 26
表2.2　PEMFC數學模型之參數設定值 28
表3.1　 直交表 34
表3.2　 直交表 34
表3.3　冰奶茶製作之控制因子及水準表 35
表3.4　 直交表 37
表3.5　因子反應表 37
表3.6　塑膠融合強度之控制因子及水準表 39
表3.7　塑膠融合強度之直交表實驗計畫及數據 40
表3.8　塑膠融合強度之因子反應表 40
表3.9　新舊製程下之彈簧品質比較 43
表4.1　PEMFC參數設定 63
表4.2　PEMFC量測平台之量測結果 65
表4.3　參數值設定表 65
表4.4　 PEMFC模型之控制因子及水準表 67
表4.5　 田口分析之直交表 68
表4.6　 PEMFC品質特性之因子反應分析 69
表4.7　 PEMFC品質特性之S/N反應分析 69
表4.8　 田口分析預估PEMFC最大功率及電壓 70
表4.9　 實際與田口分析之比較 70
表4.10　控制因子及水準表 73
表4.11　田口分析之直交表 74
表4.12　PEMFC最大輸出功率其品質特性之因子反應分析 75
表4.13　PEMFC最大輸出功率其品質特性之S/N比分析 76
表5.1 PEMFC操作電流規則表 87
表5.2 氫、氧壓力規則表 87
表5.3 電池工作溫度規則表 88
表5.4 氫氣工作溫度規則表 88
表5.5 氧氣工作溫度規則表

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