臺灣博碩士論文加值系統

質子交換膜燃料電池運作時由於電化學反應與歐姆阻抗等作用會由內部不斷發熱。而所產生之熱量可以隨氣體流道內之氣流以及經由燃料電池外殼往外傳遞。燃料電池運作時其膜電極組溫度是否能保持在容許溫度範圍內乃是重要課題，惟由於其膜電極組相當薄，又包封在內部，對其直接之溫度監控並不容易。最可行的監控方式乃是由量測其外殼表面溫度然後透過逆向熱傳方法來計算其膜電極組表面之溫度。
本研究首先以熱流分析套裝軟體ANSYS CFX為基礎，結合共軛梯度法(CGM)，以形成逆向熱傳計算過程來分析推測質子交換膜燃料電池內部溫度。然後用其探討質子交換膜燃料電池端版、襯墊、集電板、流道板等材料的熱傳導係數、尺寸、和孔洞等因素對推測質子交換膜燃料電池內部溫度分佈之影響效應。所得結果可作為改進燃料電池溫度監測技術之參考。

Due to irreversibilities, heat will be continuously generated from the interior of a fuel cell and transferred to the environment as it is under operation. To maintain the operational temperature of its membrane electrode assembly (MEA) within an appropriate range is essential to the efficiency and reliability of the fuel cell. However, to direct measure or monitor the temperature distribution of the MEA is too challenging and the inverse heat transfer method can be employed to estimate the temperature distribution from the surface temperature of the cell.
Based on the ANSYS CFX package and the conjugate gradient method, an inverse heat transfer calculation procedure is developed for predicting the internal temperature distribution of a fuel cell. The accuracy of the predicted temperature would inevitably be influenced by many parameters, such as thermal conductivity, thickness, and topography of each part of the fuel cell assembly. In this study, the procedure is used to reveal the influence of these parameters on the accuracy of the predicted results.

目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2燃料電池發展歷史簡介 2
1-3 燃料電池發電原理 2
1-4 燃料電池之特點 4
1-5 質子交換膜燃料電池 8
1-6 質子交換膜燃料電池主體結構 9
1-6-1 膜電極組(MEA) 11
1-6-2流道板(Flow Channel Blocks) 12
1-6-3 電流收集板(Copper Current Collector) 13
1-6-4 襯墊(Gasket) 13
1-6-5 端板(End Plate) 13
1-7 研究目的 14
1-8 PEMFC燃料電池發展前景與挑戰 16
1-9章節概要 17



第二章 熱傳數理模式 18
2-1熱傳簡介 18
2-1-1熱傳導 19
2-1-2熱對流 20
2-2 質子交換膜燃料電池之熱傳數理模式 20
2-2-1 建立熱傳場域 21
2-2-2 熱傳場域之數理模式 23
2-3 有限體積法 25
2-3-1疊代計算過程 27
2-3-2 網格的分佈與效應 27
2-4數值計算系統 34
2-4-1硬體規格 34
2-4-2軟體介紹 35
第三章 逆向熱傳法 36
3-1 共軛梯度法(Conjugate Gradient Method) 37
3-2 起始值有效範圍之探尋 40
3-2-1 高估起始值的情形 40
3-2-2 低估起始值的情形 43
3-3 對稱與非對稱溫度分佈情況對逆向法所推算溫度之影響效應 46
3-3-1 逆向法應用於求解對稱溫度場域之誤差分析 46
3-3-2逆向法應用於求解非對稱溫度場域之誤差分析 50
3-4 監測點數目之效應 56
第四章 結果與討論 59
4-1 熱傳導係數K值誤差對溫度分佈影響之探討 59
4-1-1 襯墊K值偏差效應 59
4-1-2 集電板K值偏差效應 61
4-2 尺寸誤差對溫度分佈影響效應 63
4-3 孔洞對溫度分佈影響效應 65
第五章 結論與建議 74
參考文獻 76

表目錄
表1-1世界一次能源消費的增長率 1
表1-2 世界能源消費結構 1
表1-3 六種主要燃料電池之基本特性比較 6
表1-4 各種類的燃料電池優缺點 7
表2-1三相材料的熱傳導係數範圍 19
表2-2各層板之物理性值與尺寸 25
表2-3網格粗細對收斂時間與監測點溫度的影響效應 30
表2-4襯墊採不同之網格長度所得到的監測點溫度 33
表2-5平行運算電腦規格 34
表4-1 端板層孔洞之監測點目標溫度值 65


圖目錄
圖1-1質子交換膜燃料電池內部產生之熱源 3
圖1-2 氫氧燃料電池構造示意圖 4
圖1-3質子交換膜燃料電池單電池構造 11
圖2-1 PEMFC單電池各層結構示意圖 21
圖2-2 熱傳場域各板件之材料示意圖 22
圖2-3 不同網格結構示意圖 26
圖2-4 三種網格疏密之比較 28
圖2-5 網格粗細與收斂趨勢圖 29
圖2-6 監測點P1與P2位置 30
圖2-7 各板層內之溫度分佈 31
圖2-8 網格粗細對監測點溫度的影響效應 31
圖2-9 襯墊層兩種不同粗細之網格 32
圖2-10 監測點P1、P2、P3、P4、P5位置 33
圖2-11平行運算處理電腦 34
圖3-1以共軛梯度法疊代趨近待求溫度之示意圖 38
圖3-2起始值溫度函數係數 (n=1,2,3)分別設定為1000，1100，1200 41
圖3-3 起始值溫度函數係數 (n=1,2,3)分別設定為500，510及520時，這些係數隨疊代次數的變化情形 42
圖3-4起始值溫度函數係數 (n=1,2,3)分別設定為500，510及520時，內部高溫面上之目標溫度分佈與以逆向法推算所得該面溫度分佈之比較 43
圖3-5起始值溫度函數係數 (n=1,2,3)分別設定為100，90及80時，這些係數隨疊代次數的變化情形 44
圖3-6起始值溫度函數係數 (n=1,2,3)分別設定為100，90及80時，內部高溫面上之目標溫度分佈與以逆向法推算所得該面溫度分佈之比較 45
圖3-7以逆向法處理對稱溫度場域問題時，疊代過程中各係數之收斂情形 47
圖3-8對稱溫度場域情況下，未知溫度面溫度由起始值隨疊代次數而逐漸逼近目標溫度分佈之過程 48
圖3-9對稱溫度場域下，逆向熱傳法推算內部高溫面溫度分佈與目標溫度分佈之比較 48
圖 3-10對稱之溫度分佈 49
圖3-11以逆向法處理非對稱溫度場域問題時，疊代過程中各係數之收斂情形 51
圖3-12非對稱溫度場域情況下，未知溫度面溫度由起始值隨疊代次數而逐漸逼近目標溫度分佈之過程 52
圖3-13非對稱溫度場域下，逆向熱傳法推算內部高溫面溫度分佈與目標溫度分佈之比較 52
圖3-14不對稱之溫度分佈 53
圖3-15逆向熱傳法求解過程中，端版內溫度分佈疊代次數演變情形 55
圖3-16量測點數目取3點的位置分佈 56
圖3-17監測點數目=3時目標溫度分佈之係數b1，b2，b3隨疊代次數變化之情形 57
圖3-18監測點=3時溫度分佈目標值與逆向熱傳法所得收斂值比較 58
圖4-1 襯墊K值之誤差對逆向法求得未知溫度分佈的影響 60
圖4-2襯墊K值百分誤差與逆向法所推算溫度之平方均根誤差關係圖 61
圖4-3集電板K值之誤差對逆向法求得未知溫度分佈的影響 62
圖4-4集電板K值百分誤差與逆向法推算溫度之平方均根誤差關係圖 63
圖4-5襯墊厚度誤差對逆向法求得之未知溫度分佈的影響 64
圖4-6襯墊厚度百分誤差與逆向法所推算溫度之平方均根誤差關係圖 64
圖4-7端板內設有直徑0.0067m圓孔之計算場域 65
圖4-8對稱溫度場域所得到端板層內部之溫度分佈 66
圖4-9非對稱溫度場域所得到端板層內部之溫度分佈 66
圖4-10對稱溫度場域下孔洞對端板外部低溫面溫度分佈之影響 67
圖4-11非對稱溫度場域下孔洞對端板外部低溫面溫度分佈之影響 68
圖4-12端板內含孔洞時，對稱(左)與非對稱(右)溫度場域在以逆向法求解過程中目標溫度函數之係數b1，b2，b3隨疊代次數變化之情形 69
圖4-13端板內含孔洞時在對稱溫度場域中，以逆向法求解過程時，內部高溫面溫度隨疊代次數變化情形 70
圖4-14端板內含孔洞時在非對稱溫度場域中，以逆向法求解過程時，內部高溫面溫度隨疊代次數變化情形 71
圖4-15對稱溫度場域中經逆向熱傳法推算所得內部高溫面的溫度分佈與其目標溫度分佈之比較 72
圖4-16非對稱溫度場域中經逆向熱傳法推算所得內部高溫面的溫度分佈與其目標溫度分佈之比較 73

參考文獻
1.Khan A M. World energy system and its future prospect. Beijing：Atomic Energy Press, pp.170-191, 1993.
2.能源基礎數據匯編，北京：國家計委能源所，1999。
3.Gregor Hoogers., ”Fuel cell technology handbook”, CRC Press LLC, 2003.
4.張開泰，”質子交換膜燃料電池內溫度分佈對其性能影響之分析”，碩士論文，國立交通大學機械工程研究所，2003。
5.林昇佃，張幼珍等合著，燃料電池-新世紀能源，滄海圖書，2005。
6.黃煥勝，PEM 燃料電池之組裝與性能測試，中華大學化工所碩士論文，2000。
7.張蕙芳，二十一世紀的發電技術—燃料電池，能源季刊，第二十三卷，第四期，64–78，1993。
8.莊雲羽” 質子交換膜燃料電池組之製作與性能最佳化研究” 國立中山大學機械與機電工程學系碩士論文，pp. 31-33,58。
9.T.V. Nguyen, R.E. White, ”A Water and Heat Management Model for Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells”, Journal of the Electrochemical Society,140(8), pp.2178~2186, 1993.
10.Yi, J. S., and Nguyen, T. V., “An Along-the-Channel Model for Proton Exchange Membrane Fuel Cells”, J. Electrochem. Soc., 145(4), pp. 1149-1159, 1998.
11.Tatiana J.P. Freire, Ernesto R. Gonzalez, ” Effect of membrane characteristics and humidification conditionson the impedance response of polymer electrolyte fuel cells”, Journal of Electroanalytical Chemistry 503, pp.57-68, 2001.
12.E.A. Ticianlli, C.R. Derouin, A. Rdondo, S. Srinivasan, ” Methods to Advance Technology of Proton Exchange Membrane Fuel Cell ”, Journal of Electrochemical Society, 135, pp.2204-2214, 1999.

13.W.K.Lee, J.W.Vanzee, S.Shimpalee, S.Dutta, ” Effect of Humidity on PEM Fuel Cell Performance Part I Experiments”, Proceedings of ASME Heat Transfer Division, VOL. 364-1, pp.359-366, 1999.
14.Alex Hakenjos, Harald Muenter, Ursula Wittstadt, and Christopher Hebling, ” A PEM fuel cell for combined measurement of current and temperature distribution, and flow field flooding”, Journal of Power Sources 131, pp.213–216, 2004.
15.Shumakoy, N. V., “A method for the experimental study of the process of heating a solid body”, Soviet Physics-Technical Physics (Translated by Institute of Physics), Vol. 2, pp. 771, 1957.
16.Beck, J. V., “Calculation of surface heat flux from an integral temperature history”, ASME J. Heat Transfer, 62-HT-46, 1962.
17.Sparrow, E. M., Haji-Sheikh A. and Lundgern, T. S., “The inverse problem in transient heat conduction “, J. Appl. Mech., Vol. 86e, pp. 369-375, 1964.
18.Alifanov, O. M., “Solution of an inverse problem of heat conduction by iteration method”, J. of Eng. Phys., Vol. 26, No. 4, pp. 471-476, 1974.
19.Alnajem, N. M., and Özisik, M. N., “A direct analytical approach for solving linear inverse heat conduction problems”, ASME J. Heat Transfer, Vol. 107, pp. 700-703, 1985.
20.Scott, E. P., and Beck, J. V., “Analysis of order of the sequential regulation solutions of heat conduction problem”, ASME J. Heat Transfer, Vol. 111, pp.218-224, 1989.
21.Beck, J. V., and Murio, D. A., “Combined function specification regularization procedure for solution of inverse heat conduction problem” , AIAA J., Vol. 24, No. 180-185, January, 1986.

22.Huang, C. H., Özisik, M. N., “Inverse problem of determining the unknown wall heat flux in laminar flow through a parallel plate duct”, Numer. Heat Transfer, Part A, Vol. 21, pp. 55-70, 1992.
23.Huang, C. H., Özisik, M. N., “Inverse problem of determining the unknown strength of an internal plate heat source”, J. Franklin Institute, Vol. 329, No. 4, pp. 751-764, 1992.
24.Beck, J. V., Litkouhi B., and St. Clair C. R., “Efficient sequential olution of nonlinear inverse heat conduction problem”, Numer. Heat ransfer, Vol. 5, pp. 275-286, 1982.
25.Raynaud, M., and Beck, J. V., “Methodology for comparison of inverse heat conduction methods”, ASME J. Heat Transfer, Vol. 110, pp. 30-37, 1988.
26.Arledge, R. G., and Haji-Sheikh, A., “A iterative approach to the solution of inverse heat conduction problem”, Numer. Heat Transfer, Vol. 1, pp. 365-376, 1978.
27.Woo, K. W., and Chow, L. C., “Inverse heat conduction by direct inverse laplace transform”, Numer. Heat Transfer, Vol. 4, pp. 499-504, 1981.
28.Hills, R. G., Mulholland G. P., and Matthews L. K., “The application of the Backus-Gilbert method to the inverse heat conduction problem in composite meadia”, ASME Paper No. 82-HT-26, 1982.
29.Frank, I., “An application of least-squares method to the solution of the inverse problem of heat conduction”, J. Heat Transfer, 85C, pp. 378-379, 1963.
30.Mulholland, G. P., Gupta B. P., and San Martin R. L., “Inverse problem of heat conduction in composite meadia”, ASME Paper No. 75-WA/HT-83, 1975.

31.Deverall, L. I., And Channapragada R. S., “ An new integral equation for heat flux in inverse heat conduction”, J. Heat Transfer, 88C, pp. 327-328, 1966.
32.Burggraf, O. R., “An exact solution of the inverse problem in heat conduction theory and applications”, ASME J. Heat Transfer, Vol. 84,pp. 373-382, 1964.
33.Liu, Y. and Murio D. A., “Numerical experiments in 2-D IHCP on bounded domains part I: the ‘interio’ cube problem”, Computer Math. Applic. Vol. 31, No. 1, pp. 15-32, 1996.
34.Yeung, W. K. and Lam, T. T., “ Second-order finite difference approximation for inverse determination of thermal conductivity”, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 39, No. 17, pp. 3685-3693, 1996.
35.Bass, B. R. and Ott L. J., “ A finite elment formulation of the two-dimensional inverse heat conduction problem”, Adv. Comput. Technol., Vol. 2, pp. 238-248, 1980.
36.Silva Neto A. J., Ozisik M. N., “Two-Dimensional Inverse Heat Conduction Problem of Estimating the Time-Varying Strength of a Line Heat Source”, J. Appl. Phys., Vol. 71, No. 11, pp. 5357-5362, 1992.
37.Silva Neto A. J., Ozisik M. N., “Inverse Problem of Simultaneously Estimating the Timewise-Varying Strengths of Two Plane Heat Sources”, Journal of Applied Physics, Vol. 73 No. 5, pp. 2132-2137, 1993.
38.S. Shimpalee, S. Greenway , D. Spuckler ,and J.W. Van Zee, ” Predicting water and current distributions in a commercial-size PEMFC”, Journal of Power Sources 135 (2004) 79–87.
39.張美霞，”逆向熱傳方法之發展與應用”，博士論文，大同大學機械工程研究所，pp. 25, 9-18，2005。
40.Ralph T R.Chiral complex of platinum metal. Platinum Metal Review, pp.41-102, 1997.
41.Argyroupoulos, P., Scott, K., and Taama, W.M., “One-Dimensional Thermal Model for Direct Methanol Fuel Cell Stacks Part.1 Model Development”, J. Power Sources, 79, pp. 169-183, 1999.
42.吳瀧川，陳慶鍾，熱傳遞，高立圖書公司，1987。
43.Hoffmann, K. A. and Chiang , S. T. , “Computational Fluid Dynamics for Engineers- Volume I “, Engineering Education System, Wichita, KS, USA, 1993.
44.和正豐企業股份有限公司http://www.pfalinedvalve.com/teflon1-19.htm#
45.M. Hanke, “Conjugate Gradient Type Methods for Ill-Posed Problems”, John Wiley & Sons, New York, 1995.