臺灣博碩士論文加值系統

燃料電池是極具潛力的潔淨能源之一，而雙極板則是燃料電池中重要的組成元件，其成本佔了整體的五至六成。以添加導電性纖維之高分子複合材料搭配射出成型方式來成型雙極板，具有價位低且可大量生產等優點，因此可取代石墨或不�袗�等材料而漸漸展現其重要性。然目前很少有利用射出成型，對具添加導電性纖維之高分子複合材料，在成型參數及模穴的幾何形狀上，其纖維分佈與導電性之間的關係做一系統的相關研究。
　　在本研究中，選用添加4%碳纖之PC高分子複合材料，利用長寬皆各50 mm與厚2 mm之平板狀模仁與含流道之模仁(流道深0.5 mm、寬2 mm、長42 mm)，針對不同的射出速度(50、65以及80 mm/s三種射出速度)與流道配置方向(分別垂直與平行充填方向)來成型雙極板成品，並以掃描式電子顯微鏡(SEM)沿厚度方向上對纖維孔洞做一量測與分析，藉以探討射出速度與流道配置方向對纖維分佈的影響。而後再以添加30% 碳纖之PS高分子複合材料來成型並量測其電阻值，探討流道與充填方向對導電性之影響，實驗結果並與添加4%碳纖之PC高分子複合材料的成型品纖維分佈趨勢做一比較。
　　研究結果顯示，在各種熔膠射出速度的情況下，除了非常接近近澆口端與充填末端的纖維含量均非常少之外，其餘成型品部分則當射出速度較低時(50 mm/s)，纖維由近澆口端至充填末端分佈較為均勻。當射出速度由50增加至65以及80 mm/s時，纖維含量會由近澆口端之較多含量而逐漸向充填末端處減少(即分佈愈不均勻)，因此射速對於纖維分佈會有明顯的影響，速度慢時有較好的分佈性。在流道的配置方面，當流道垂直於充填方向時，會使纖維產生翻滾而糾結在一起，因此相較於與流道平行於充填方向的成型品相比，整體電導度可提高了約50%，且導電均勻度也有提升。本研究結果，可提供相關業者在雙極板流道佈置與進澆口位置設計時一重要參考準則。

The fuel cell is one of the extremely potential clean energy. The bipolar plate is an important component in the fuel cell, and its cost has accounted for about 50 to 60% of the whole. Injection molding of the bipolar plate using polymer composite of electric fiber becomes price competitive method and can be mass-produced. At present, there are few research on the relationship between fiber distribution and the electric conductivity for polymer composite with electric fiber using injection molding process.
In this study, there are two designs of mold insert that one is a flat insert, the other is channel insert and the material is polycarbonate blended with 4% carbon fiber. For studying fiber distribution, the bipolar plate was molded using different filling velocity(50 mm/s, 65 mm/s and 80 mm/s) and channel layout direction, and the fiber distribution along the thickness-direction was measured by SEM to investigate the influence of filling velocity and channel layout on distribution. By obtaining the best fiber distribution at the results of previous experiment, influence of filling velocity and channel layout on resistance was investigated using polystyrene blended with 30% carbon fiber. The relationship between fiber distribution and resistance was studied.
As the results, the fiber distribution is uniform at low velocity(50 mm/s), but the low concentrations of conductive fiber appear near gate and at the end of flow for all kinds of filling velocity. As filling velocity raises to 60 mm/s or 80 mm/s, the concentrations graduately reduce from gate to end of flow. Therefore the filling velocity influences fiber distribution. On the channel layout, as channel is perpendicular to filling direction, the fibers are rolled and banded together, and the conductivity can be improved about 50% compared with channel parallel to filling direction. This study can offer guide lines of channel layout and gate position for bipolar.

目 錄
摘要 I
Abstract III
誌謝 V
目錄 VI
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 燃料電池種類與應用 2
1-3 燃料電池雙極板介紹 4
1-4 文獻回顧 6
1-5 研究動機與目的 8
1-6 本文架構 9
第二章 高分子流動特性與四點探針介紹 14
2-1 模穴充填 14
2-1-1 高分子的剪稀薄特性 14
2-1-2 噴泉效應 15
2-2 質心運動理論 15
2-3 電阻與電導介紹 17
2-4 四點探針量測方式與理論 17
第三章　實驗設備與實驗方法 26
3-1 實驗設備 26
3-2 實驗方法 29
第四章　結果與討論 41
4-1 射出速度對纖維分佈情形 41
4-1-1 射出速度50 mm/s 41
4-1-2 射出速度65 mm/s 42
4-1-3 射出速度80 mm/s 43
4-2 流道佈置對纖維分佈情形 44
　4-2-1 流道平行於充填方向 44
4-2-2　流道垂直於充填方向 44
第五章 案例比較 65
5-1 流道平行於充填方向 65
5-2 流道垂直於充填方向 66
第六章 結論與未來發展 71
6-1 結論 71
6-2 未來發展 72
參考文獻 73
作者簡歷 76








表目錄
表1-1 各國燃料電池發展現況 11
表1-2　3C燃料電池開發情況 11
表1-3　各燃料電池基本特性 12
表1-4　各燃料電池使用之雙極板材料 12
表2-1 四點探針厚度修正因子Ft(t) 20
表2-2 溫度修正細數表 21
表3-1 PC材料特性表 31
表3-2 Sodick TR30EH成型能力表 32
表3-3 實驗製程參數表 33














圖目錄
圖1-1 燃料電池基本構造圖 13
圖1-2 燃料電池堆示意圖 13
圖2-1 模具厚度方向之溫度分佈圖 22
圖2-2 噴泉流示意圖 23
圖2-3 纖維質心速度與流場之關係圖：熔膠對纖維施力均等 23
圖2-4 纖維質心速度與流場之關係圖：熔膠對纖維施力不均等 24
圖2-5 四點探針量測法示意圖 24
圖2-6 探針距離修正因子FSp圖 25
圖3-1 平板模仁圖 34
圖3-2 溝槽模仁圖 34
圖3-3 燃料電池模具圖 35
圖3-4 燃料電池溝槽成品尺寸圖 35
圖3-5 Sodick TR30EH射出成型機 36
圖3-6 百陽模溫機BYO-3015FS 36
圖3-7 晏邦除濕烘料機DHM-EA1 37
圖3-8 四點探針儀器 37
圖3-9 鍍金機 38
圖3-10 掃描式電子顯微鏡(SEM) 38
圖3-11 試片切片方式 39
圖3-12 試片編號方式 39
圖3-13 孔洞計算方式 40
圖4-1 射出速度50 mm/s的成型品短射圖 46
圖4-2 射出速度50 mm/s的成型品纖維分佈圖 47
圖4-3　LA至LD的各纖維孔洞總和趨勢比較圖(射出速度50 mm/s)
48
圖4-4　LA在厚度方向上纖維孔洞分佈圖(射出速度50 mm/s) 48
圖4-5 LB在厚度方向上纖維孔洞分佈圖(射出速度50 mm/s) 49
圖4-6 LC在厚度方向上纖維孔洞分佈圖(射出速度50 mm/s) 49
圖4-7 LD在厚度上方向纖維孔洞分佈圖(射出速度50 mm/s) 50
圖4-8 射出速度65 mm/s的成型品短射圖 50
圖4-9 射出速度65 mm/s的成型品纖維分佈圖 51
圖4-10 LA至LD的各纖維孔洞總和趨勢比較圖(射出速度65 mm/s)
52
圖4-11 LA在厚度方向上纖維孔洞分佈圖(射出速度65 mm/s) 52
圖4-12 LB在厚度方向上纖維孔洞分佈圖(射出速度65 mm/s) 53
圖4-13 LC在厚度方向上纖維孔洞分佈圖(射出速度65 mm/s) 53
圖4-14 LD在厚度方向上纖維孔洞分佈圖(射出速度65 mm/s) 54
圖4-14 射出速度80 mm/s的成型品短射圖 54
圖4-16 射出速度80 mm/s的成型品纖維分佈圖 55
圖4-17 LA至LD的各纖維孔洞總和趨勢比較圖(射出速度80 mm/s)
55
圖4-18 LA在厚度方向上纖維孔洞分佈圖(射出速度80 mm/s) 56
圖4-19 LB在厚度方向上纖維孔洞分佈圖(射出速度80 mm/s) 57
圖4-20 LC在厚度方向上纖維孔洞分佈圖(射出速度80 mm/s) 57
圖4-21 LD在厚度方向上纖維孔洞分佈圖(射出速度80 mm/s) 58
圖4-22 各射速整體平均纖維孔洞分佈比較圖 58
圖4-23 流道平行充填方向的成型品短射圖 59
圖4-24 流道平行充填方向的成型品纖維分佈圖 60
圖4-25 纖維平行於流動方向圖 61
圖4-26 流道垂直充填方向的成型品短射圖 62
圖4-27　流道垂直充填方向的成型品纖維分佈圖 63
圖4-28　纖維糾結呈現圖 64
圖5-1　流道平行於充填方向成型品短射圖 67
圖5-2　LA至LD在各截面位置的表面電阻值(流道平行於充填方向)
67
圖5-3　纖維配向良好易產生電子斷路示意圖 68
圖5-4　流道垂直於充填方向成型品短射圖 68
圖5-5　LA至LD在各截面位置的表面電阻值(流道垂直於充填方向)
69
圖5-6　纖維配向紊亂易產生電子通路示意圖 69
圖5-7 電導度平均比較圖 70

參考文獻
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