臺灣博碩士論文加值系統

摘要

探討氣體擴散層製作及氟化乙丙烯Fluorinated ethylene propylene (FEP)含量會對質子交換膜燃料電池內部氣體質傳、歐姆阻抗與水管理能力有所影響，因而對於燃料電池性能也有所影響，如何平衡好的氣體擴散與高的氫離子傳導，並且在高電流密度時，減少陰極水氾濫，是個相當重要的課題，因此，適當的水管理，將決定電池性能的好壞。本論文研究的重點在於探討氣體擴散層製程，以及 FEP含量與碳粉負載量對質子交換膜燃料電池性能之影響。在傳統的氣體擴散層中加入多孔性之微孔層(Micro-layer)，能有效的改善水管理能力，不僅使電池性能大幅提昇，並且能延長極限電流密度的發生。在FEP含量方面，太多或太少的 FEP含量都會對燃料電池性能有所影響，過多的FEP含量會造成擴散層中的孔隙減少，而阻礙氣體的擴散，但FEP 含量太少又無法有效的將電池內的水排出。
本研究發現60℃電池溫度時，微孔層FEP含量為20%(C:FEP=1:0.25)以及碳粉負載量為1.5mg/cm2時，會有最佳的燃料電池性能。

關鍵字：質子交換膜燃料電池，微孔層

Abstract

The manufacturing processes and Fluorinated ethylene propylene (FEP) contents of gas diffuser layer (GDL) affect significantly the gas mass transport, ohmic loss and water management within the PEM fuel cells, which in turn, influence the performance of fuel cell. The water management within the fuel cell is considered to be an important issue for a better cell performance.
The main focus in this thesis is to study the manufacturing process, the content of the FEP, and carbon loading on the cell performance. These results are useful for choosing the optimal fabricating procedure of the GDL and the proper operating conditions of the PEMFC. The traditional GDL covered with a micro-layer can enhance the capability of water management. When the FEP contents in the GDL are too high, the gas diffusion will be difficult due to a small pore size. On the other hand, when the FEP contents are too low, the water generated in the cathode catalyst layer cannot be removed effectively.
The micro-layer with 20% FEP(C:FEP=1:0.25) at carbon loading of 1.5 mg/cm2 shows the best performance in the present study.



Keyword：PEMFC, micro-porous layer.

第一章 緒論1
1.1 前言1
1.2 燃料電池簡介1
1.2.1 燃料電池原理1
1.2.2 燃料電池分類4
第二章 質子交換膜燃料電池原理介紹與文獻回顧7
2.1 質子交換膜燃料電池8
2.1.1 質子交換膜燃料電池的構造8
2.1.1.1 膜電極組8
2.1.1.2 質子交換膜8
2.1.1.3 觸媒層11
2.1.1.4 氣體擴散層12
2.1.1.5 微孔層13
2.1.1.6 雙極流場板15
2.1.1.7 氣封墊片15
2.1.1.8 集電板與端板15
2.2 MEA的備製方法16
2.3 微孔層的備製方法17
2.4 電極反應機構17
2.4.1 陽極氫氣氧化反應過程17
2.4.2 陰極氧氣還原反應過程18
2.5 極化現象19
2.5.1 活性極化20
2.5.2 歐姆極化20
2.5.3 濃度極化-21
2.6 研究動機與目22
2.6.1 半電池測試22
2.6.2 單電池測試23
第三章 實驗方法24
3.1藥材及耗材24
3.2儀器設備25
3.3 實驗步驟26
3.3.1 半電池測試26
3.3.1.1 Nafion membrane前處理27
3.3.1.2 自行製作疏水微孔層碳紙(利用刷塗法)28
3.3.1.3 陰極MEA的備製(半電池) 29
3.3.1.4電極性能分析30
3.3.2 單電池測試31
3.3.2.1 單電池MEA的備製32
3.3.2.2 單電池組裝33
第四章 結果與討論35
4.1 半電池測試35
4.1.1 自行製作疏水層碳紙測試35
4.2 單電池測試比較51
4.2.1陰極氣體進料增濕溫度對單電池性能影響51
4.2.1.1陰極使用氧氣51
4.1.1.2 陰極使用空氣53
4.2.2 不同的FEP含量對單電池性能的影響55
4.2.2.1 電池溫度為40℃55
4.2.2.2 電池溫度為60℃58
4.2.2.3 電池溫度為80℃61
4.2.3 微孔層碳粉負載量效應對單電池性能的影響64
4.2.3.1 電池溫度為40℃-64
4.2.3.2 電池溫度為60℃67
4.2.3.3 電池溫度為80℃-70
4.2.4疏水性微孔層碳紙在水氾濫時對單電池性能的影響73
4.2.4.1電池溫度為40℃73
4.2.4.2 電池溫度為60℃75
4.2.4.3 電池溫度為80℃76
第五章 結果與建議77
5.1. 結論77
5.1.1半電池測試77
5.1.2單電池測試77
5.2建議79
參考文獻-80
附錄-82

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