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研究生:陳冠嘉
研究生(外文):Kuan-chia Chen
論文名稱:高溫型質子交換膜燃料電池與內部甲醇重組器整合系統之研究
論文名稱(外文):Research on integrated system of high-temperature proton exchange membrane fuel cell with internal reformer
指導教授:翁芳柏翁芳柏引用關係
指導教授(外文):Fang-Bor Weng
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:先進能源研究所
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
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:59
中文關鍵詞:高溫型質子交換膜燃料電池甲醇重組器產氫整合研究
外文關鍵詞:High temperature PEMFCMethanol ReformerHydrogen productionintegration study
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本研究中分成三個部分來探討,第一為利用自製燃燒器及重組器搭配商購觸媒進行甲醇蒸氣重組產氫實驗,在不同進料流率及溫度下找到最佳的氫氣轉換效率;第二部分量測不同溫度以及進料流量對電池性能的影響;第三部份乃將自製燃燒器、重組器、高溫型質子交換膜燃料電池做初步整合進行性能量測,並進行一段式重組器與兩段式重組器性能比較,針對重組器所產之氣體成份71%~75%H2、20%~22%CO2、1%~2 %CO供應燃料電池,產氫流量維持在0.3~0.4L/min之間,觀察燃料電池的性能變化。
結果顯示最佳電池操作溫度,純氫為190℃,其功率密度在0.344W/cm2;高溫型質子交換膜燃料電池進一步的與重組器做整合研究,也讓單電池在一段式重組器及兩段式重組器分別產出最大功率5W和6W。兩段式重組器也提升了甲醇重組器的甲醇重組效率及產氫流量的穩定度。


In this study, focus on three parts in integration with high temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC) and internal reformer. First, use the commercial catalyst in reformer and experiment with different methanol inlet flow rate and operate temperature to find the best hydrogen production efficiency. The heat was provided by home-made combustor. Second, experiment the effect on different operate temperature and fuel flow rate in cell performance. Final, integrated home-made combustor, reformer and HT-PEMFC together, compare the performance with fuel from one-step and two-step reformer. The reformer gas contains 71%~75% H2, 20%~22% CO2 and 1%~2% CO, the flow rate was between 0.3~0.4 L/min.
Result shows the best performance of operate temperature in pure hydrogen was at 190℃ and the power density was 0.334 W/cm2. The research in integration with HT-PEMFC and internal reformer shows the specific power in one-step and two-step reformer was 5W and 6W.Compare to the one-step reformer, the two-step reformer elevate the hydrogen production efficiency and fuel stabilize.


目 錄
書名頁 I
論文口試委員會審定書 II
授權書中文摘要 III
中文摘要 IV
英文摘要 V
誌 謝 VII
目 錄 VIII
表 目 錄 XII
圖 目 錄 XIII

第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景與動機 2
1.3 文獻回顧 3
1.3.1 高溫質子交換膜燃料電池 3
1.3.2 甲醇重組器 6
1.4 研究目的 8
第二章 實驗儀器與研究方法 9
2.1 電池基本組成 9
2.1.1基本材料元件 9
2.1.2石墨流道板 9
2.1.3 膜電極組 9
2.2 燃燒反應器與甲醇重組器 10
2.3 實驗儀器與量測機台 10
2.3.1 燃料電池 10
2.3.1.1 燃料電池性能量測機台 10
2.3.1.2 操作流程 11
2.3.2燃燒反應器與甲醇重組器 11
2.3.2.1 實驗設計 11
2.3.2.2 實驗系統建立 13
2.3.2.3燃燒反應器及進料供應系統 13
2.3.2.4 甲醇重組反應器及進料系統 14
2.3.2.5 甲醇重組產物測量分析儀器 15
2.4 實驗前置與後置作業 15
2.4.1甲醇重組器端 15
2.4.2 電池端 16
2.5 實驗目的 16
2.6 實驗參數與流程 17
2.6.1 燃料當量計算 17
2.6.2 活化實驗流程 18
2.6.2.1 電池MEA活化流程 18
2.6.2.2 燃燒器觸媒活化流程 19
2.6.2.3 甲醇蒸汽重組(Steam reforming reaction)觸媒活化流程 19
2.6.3 甲醇重組器產氫實驗流程 20
2.6.4 純氫燃料實驗流程 22
2.6.5 電池與Reformer整合研究 23
2.6.5.1 高溫型PEMFC及電池效能量測儀器 23
2.6.5.2實驗方法與流程 24
第三章 結果與討論 26
3.1甲醇重組器與兩段式重組器初步產氫實驗 26
3.2純氫燃料實驗 28
3.2.1 IV Curve 的分析結果 28
3.3甲醇重組器與燃料電池整合性能結果 29
3.4兩段式重組器與燃料電池整合性能結果 30
第四章、結論 31
第五章、未來建議 33
參考文獻 58


























表 目 錄
表2.1元智自製高溫型質子交換燃料電池規格簡介 34
表2.2 PBI MEA 規格 34
表2.3 甲醇重組觸媒尺寸及成分 34
表2.4 純氫實驗設定參數 35
表2.5 甲醇重組器實驗設定參數 35
表2.6 兩段式甲醇重組器實驗設定參數 35
表2.7 甲醇重組器與電池整合實驗設定參數 36
表2.8 兩段式甲醇重組器與電池整合實驗設定參數 36


圖 目 錄
圖2.1自製高溫型PEMFC 37
圖2.2電池爆炸圖 37
圖2.3陽極和陰極流道板十二蛇 38
圖2.5 重組器與燃燒器 39
圖2.6電池量測介面與編寫程式 39
圖2.7 CHINO FC5100機台 40
圖2.8實驗流程圖 40
圖2.9 AC impedance 參數設定介面 41
圖2.10 燃燒器觸媒排列方式 41
圖2.11氣體流過觸媒的反應方向 42
圖2.12 甲醇蒸氣重組觸媒填充於重組器 42
圖2.13 甲醇重組反應器 43
圖2.14 燃燒器觸媒排列方式 43
圖2.15 甲醇蒸氣重組觸媒填充於重組器 43
圖2.16燃燒反應器的燃料供應及溫度控制系統 44
圖2.17甲醇重組反應器及進料系統 44
圖2.18 即時氣體分析儀 45
圖2.19 帶電物質再電場中移動的距離和分子量的大小成正比 45
圖2.20 MEA活化實驗流程圖 45
圖2.21 白金氧化觸媒 46
圖2.22 甲醇蒸汽重組觸媒 46
圖2.23 甲醇蒸汽重組觸媒還原流程圖 46
圖2.24 重組器系統測試圖 47
圖2.25 一段式重組器與電池整合系統爆炸圖 47
圖2.26 兩段式重組器爆炸圖 48
圖2.27 一段式重組器整合系統實驗示意圖 48
圖2.28 兩段式重組器整合系統實驗示意圖 49
圖3.1 甲醇重組器模擬200℃、200℃、260℃之氣體成份(%) 50
圖3.2 兩段式重組器模擬200℃、200℃、260℃之氣體成份(%) 50
圖3.3 甲醇重組器模擬各個溫度下之產氫量(15ml/hr) 51
圖3.4 甲醇重組器模擬各個溫度下之產氫量(25ml/hr) 51
圖3.5 甲醇重組器模擬各個溫度下之產氫量(25ml/hr) 52
圖3.6 兩段式重組器模擬各個流量下之產氫量(200℃) 52
圖3.7 兩段式重組器模擬各個流量下之產氫量(240℃) 53
圖3.8 兩段式重組器模擬各個流量下之產氫量(260℃) 53
圖3.9固定氫氣流量0.4L 54
圖3.10固定氫氣流量0.5L 54
圖3.11固定氫氣流量0.6L 54
圖3.12 固定空氣流量2L 55
圖3.13固定空氣流量2.3L 55
圖3.14固定空氣流量2.5L 55
圖3.15純氫於不同電池操作溫度的極化曲線 56
圖3.16甲醇重組器於不同電池操作溫度的極化曲線 56
圖3.17兩段式重組器於不同電池操作溫度的極化曲線 57
圖5.1實驗流程 57



參考文獻

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17 林慰捷「微小型燃料重組器與高溫質子交換膜燃料電池整合研究」元智大學碩士論文2009.
18 張宗柏「高溫型質子交換膜燃料電池與製氫系統整合之研究」元智大學碩士論文2010.




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