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研究生:游舜雄
研究生(外文):Shun-Hsiung You
論文名稱:覆碳金屬雙極板於質子交換膜燃料電池陰極端性能探討
論文名稱(外文):Cathode performance of carbon-coated metal bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cell
指導教授:陳士堃
指導教授(外文):Shi-kun Chen
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:材料科學所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
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:154
中文關鍵詞:燃料電池電化學 阻抗化學氣相沉積法碳薄膜金屬雙極板
外文關鍵詞:chemical vapor depositionfuel cellelectrochemical impedancemetal bipolar platecarbon coating
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本論文主要探討利用化學氣相沉積法披覆碳膜於AISI 304不鏽鋼金屬雙極板後,進行質子交換膜燃料電池陰極端的性能測試。藉由改變反應氣體流量(氫氣200 ~ 1000 sccm、空氣400 ~ 2000 sccm),並變化電池組與反應氣體的增濕溫度(25~80 oC),量測覆碳金屬雙極板的i-V曲線和電化學阻抗頻譜。
由i-V曲線測試得知,覆碳金屬雙極板的電流密度效能較金屬雙極板提升約120%。電化學阻抗頻譜量測結果指出,覆碳金屬雙極板的整體歐姆阻抗與反應電化學阻抗均較金屬雙極板為低。使用光學顯微鏡觀察雙極板於電池測試前後的微觀表面變化,發現使用覆碳金屬雙極板能降低流道鏽蝕面積。測試後陰極端的表面元素分析結果顯示,使用覆碳金屬雙極板能大幅降低膜電極組的金屬污染物含量。
覆碳金屬雙極板成尼齔蔽鷵暐鸕左O用於燃料電池中的反應電流密度,且降低電化學阻抗,有效改善金屬雙極板缺點,具有取代石墨雙極板的潛力。
Cathode performance of carbon-coated metal bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) has been investigated. The carbon film was deposited on AISI 304 stainless steel by chemical vapor deposition (CVD). The i-V curves and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of carbon-coated bipolar plates in PEMFC were studied under various conditions, such as the flow rates of reaction gases (200 to 1000 sccm H2 and 400 to 2000 sccm air) and the humidification temperatures (ranging from 25 to 80oC).
The efficiency-current density of carbon-coated bipolar plates is demonstrated to be higher (120%) than that of metal bipolar plates. And the results of EIS indicate that using carbon-coated bipolar plate can reduce ohm and electrochemical impedances in fuel cell as compared with metal bipolar plates. After testing, the surface morphology of samples was observed using optical microscope. It is noticed that the corrosion area is reduced on carbon-coated bipolar plates. The content of impurities on MEA cathode examined by energy-dispersive spectroscopy show that the metal content is less as using carbon-coated bipolar plates.
In PEMFC both the current density and the electrochemical resistance can be improved by using carbon-coated bipolar plates instead of metal bipolar plates. This composite plate has the potential to replace the commercial graphite bipolar plate.
中文摘要…………………………………………………………………I
英文摘要………………………………………………………………II
目錄……………………………………………………………………III
圖目錄…………………………………………………………………VI
表目錄………………………………………………………………XIV
第一章 緒論……………………………………………………………1
1-1 前言…………………………………………………………………1
1-2 燃料電池簡介………………………………………………………2
1-3 研究動機……………………………………………………………6
第二章 理論基礎與文獻回顧…………………………………………17
2-1 燃料電池之研究背景……………………………………………17
2-1-1質子交換膜燃料電池之原理………………………………17
2-1-2 質子交換膜燃料電池之元件介紹………………………19
2-1-3雙極板之種類……………………………………………23
2-1-4雙極板之特性………………………………………………25
2-2 碳膜成長基礎理論………………………………………………27
2-2-1 催化石墨化的機制………………………………………27
2-2-2 CVD奈米碳纖維在金屬基板上的成長機制…………31
2-2-3 CVD碳膜成長機制………………………………………36
2-3 化學氣相沉積(CVD)法………………………………………….38
2-4 燃料電池之效率………………………………………………41
2-4-1 Gibbs自由能與電能的關係……………………………41
2-4-2 Gibbs自由能與電壓的關係……………………………42
2-4-3 理想電位與溫度之關係…………………………………44
2-4-4 燃料電池極化探討……………………………………47
2-4-5 交流阻抗………………………………………………51
2-4-6 等效電路模型…………………………………………53
第三章 實驗方法………………………………………………………58
3-1 實驗流程……………………………………………………….58
3-2 雙極板………………………………………………………58
3-2-1 材料選用………………………………………………58
3-2-2 雙極板氣體流道………………………………………59
3-2-3 雙極板規格……………………………………………62
3-3 膜電極組………………………………………………………64
3-4 覆碳金屬雙極板………………………………………………65
3-4-1 金屬雙極板清洗處理…………………………………65
3-4-2 CVD鍍碳膜…………………………………………66
3-5 燃料電池單電池測試與分析……………………………………68
3-5-1 測試前MEA活化…………………………………………69
3-5-2 電流-電壓極化曲線(Polarization Curve,PC)量測……70
3-5-3 電化學阻抗譜(EIS)量測…………………………………72
3-5-4 MEA表面元素分布分析與觀察…………………………73
第四章 結果與討論……………………………………………………74
4-1 MEA活化…………………………………………………………74
4-2 燃料電池單電池性能測試………………………………………76
4-2-1 反應氣體流量對PEMFC性能影響……………………76
4-2-2 溫度對PEMFC性能影響………………………………79
4-3燃料電池電化學阻抗量測……………………………………91
4-3-1反應氣體流量對PEMFC電化學阻抗影響………………92
4-3-2 溫度對PEMFC電化學阻抗影響…………………………96
4-4表面分析與觀察……………………………………………111
4-4-1 雙極板之微觀分析……………………………………111
4-4-2 MEA陰極端表面形態與元素分布分析………………118
第五章 結論…………………………………………………………128
未來展望………………………………………………………………130
參考文獻………………………………………………………………131
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