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研究生:林哲緯
研究生(外文):Che-Wei Lin
論文名稱:質子交換膜燃料電池之建模及流道特性分析之研究
論文名稱(外文):The Study of Build Modeling and Flow Channel Characteristic Analysis in Proton Exchange Membrane Fuel Cell
指導教授:鍾金明鍾金明引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:清雲科技大學
系所名稱:電機工程所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:81
中文關鍵詞:質子交換膜燃料電池流道建模
外文關鍵詞:Proton exchange membraneFuel cellFlow channelBuild modeling
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本研究運用多重物理量有限元素(COMSOL Multiphysics)分析軟體3.2b的版本,建立燃料電池蜿蜒型流道與指叉型流道的幾何模型,並改變流道尺寸而設計出14個不同尺寸的流道,分析其氧氣流量分佈與氫氣流量分佈、液態水分佈與電流密度分佈在流道與氣體擴散層的變化。由實驗結果得知增加蜿蜒型流道入口與出口端的深度與寬度,可提高氧的流量與降低液態水的產生,從而提高電流密度的分佈;而增加蜿蜒型流道的彎道數,出口端的氧氣量會降低。指叉型流道因強制對流效應的關係,氧的流量分佈均勻,且較易將液態水排除,但改變流道尺寸不會有太大的影響。由燃料電池極化特性曲線看出不同尺寸流道質傳而造成的濃度極化,因蜿蜒型流道較易受到流道尺寸的變化,而影響氧氣的流量分佈,故蜿蜒型流道較指叉型流道易發生濃度極化效應。最後本研究分析,蜿蜒型流道較適用於中小型電池,而指叉型流道因壓力的關係,較不適用於小型單電池。

The study utilize multiple physical finite element analyze software (COMSOL Multiphysics) 3.2b version to establish the geometric model of fuel cell with serpentine flow channel and interdigitated flow channel. And change the size of the design flow channel to make 14 different sizes of flow channel. Analysis the changes of the oxygen flow and hydrogen flow distribution, liquid water and electric current density distribution in the flow channel and gas diffusion layer. The results indicate that increased the depth and width of serpentine flow channel inlet and outlet side can increase the oxygen flow and reduce liquid water production, therefore, to improve the distribution of electric current density. The amount of oxygen in the outlet will reduce if the curve number of serpentine flow channel is increased. For interdigitated flow channel, due to forced convection effect, the flow of oxygen distribution is uniform, and liquid water is easy to eliminate. However, there is no significant difference for size changing of flow channel. From observation of fuel cell polarization curve via different size of flow channel which cause the concentration polarization, serpentine flow channel is more susceptible to the changes in channel size, and effect the distribution of oxygen flow. Hence, the serpentine flow channel is prone to concentration polarization effects than the interdigitated flow channel. Through this study, the serpentine flow channel is more suitable for medium and small cell, and interdigitated flow channel due to relatively large pressure, less suitable for small single cells.

中文摘要i
英文摘要ii
誌謝iii
目錄iv
表目錄ix
圖目錄x
符號說明xiii
第一章 緒論1
1.1 研究背景與動機1
1.2 研究目的2
1.3 研究步驟2
1.4 研究限制與範圍3
第二章 文獻探討4
2.1 燃料電池4
2.1.1燃料電池起源4
2.1.2燃料電池原理4
2.1.3燃料電池特色6
2.1.4 燃料電池種類7
2.2質子交換膜燃料電池之結構與特性8
2.2.1質子交換膜9
2.2.2氣體擴散層11
2.2.3觸媒層11
2.2.4雙極板與流場11
2.2.5極化14
2.3燃料電池基本方程式16
2.3.1質量守恆16
2.3.2動量守恆16
2.3.3濃度守恆17
2.3.4能量守恆17
2.3.5電量守恆18
2.4建立數學模型18
2.4.1 Stefan-Maxwell方程式19
2.4.2 Navier-Stokes方程式20
2.4.3 Bulter-Volmer方程式20
2.4.4熱傳導方程式20
2.5多重物理量有限元素分析軟體21
2.5.1 COMSOL簡介22
2.5.2 COMSOL化工模組22
2.6國內外相關文獻23
2.7 結語25
第三章 流道模擬與分析26
3.1 系統架構26
3.2質子交換膜燃料電池26
3.3質子交換膜燃料電池建模27
3.3.1 建模步驟27
3.3.2建立幾何模型及劃分網格27
3.3.3定義物理參數34
3.3.4 模型參數設定38
3.4 結語43
第四章 實驗結果與分析44
4.1陰極蜿蜒型流道的特性分析44
4.1.1流道彎道數3的蜿蜒型流道陰極氧流量分佈44
4.1.2 流道彎道數3的蜿蜒型流道陰極液態水分佈50
4.1.3 流道彎道數3的蜿蜒型流道電流密度的分佈55
4.1.4 流道彎道數5的蜿蜒型流道陰極氧流量分佈62
4.1.5 流道彎道數5的蜿蜒型流道陰極液態水分佈63
4.1.6 流道彎道數5的蜿蜒型流道電流密度的分佈65
4.2指叉型流道的特性分析67
4.2.1指叉型流道陰極氧流量分佈67
4.2.2指叉型流道陰極液態水分佈69
4.2.3指叉型流道電流密度的分佈70
4.3陽極流道的特性分析72
4.4極化特性曲線對燃料電池的影響73
4.5 結語75
第五章 結論77
5.1 結論77
5.2 未來展望與建議78
參考文獻79
簡歷82


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