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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李政寬
研究生(外文):Cheng-Kuan Li
論文名稱:擴大反應面積對質子交換膜燃料電池操作在低相對濕度之製程研究探討
論文名稱(外文):The research on expand reaction area in proton exchange membrane fuel cell operating at low relative humidity condition
指導教授:翁芳柏翁芳柏引用關係
指導教授(外文):Fang-Bor Weng
口試委員:紀丕鴻鐘國濱
口試委員(外文):Pi-Hung ChiGuo-Bin Jung
口試日期:2014-07-16
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:72
中文關鍵詞:相對濕度質子交換膜燃料電池
外文關鍵詞:Relative HumidityProton exchange membrane fuel cell
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近年來燃料電池技術以應用而言,主要為質子交換膜燃料電池(PEMFC)技術。最近幾年臺灣產業界也加速投入PEMFC技術開發並趨於成熟,而車輛應用領域,急待突破的關鍵技術包含開發適合低濕、高溫(RH30%,100℃)操作環境的膜電極組,使整個燃料電池系統簡化,因此希望能開發在無外部增濕的條件下,使得質子交換膜燃料電池能順利運行,以降低燃料電池的成本。
本實驗使用燃料的化學計量數、電池溫度以及燃料入口的加濕溫度,來研究參數對燃料電池的影響,化學量計在(1.2、4)中電池性能達到最佳化,因氣體較充足而電池反應較為完全;為了使燃料電池商品化以及符合車用載具的應用,將電池反應面積擴大為100cm2。車輛工作環境為高溫低濕,而膜材在高溫低濕的環境下,容易因缺乏水分而導致氫離子傳導困難,進而使得電池性能下降, 從實驗二可以看到添加2wt%的二氧化矽,在全加濕條件下對於性能是沒有什麼提昇,而在低加濕30%RH性能提昇了40%以上,從此可以得知二氧化矽在低加濕條件下,可使得膜材擁有保水性,在低相對濕度下能有較佳的性能。
在操作溫度65℃,100%RH條件下擴大面積100cm2部分與反應面積5cm2之性能差異只有19%,而在低加濕30%RH性能差異只有12%,表示在自製CCM技術部分有一定的成熟度。
從穩定輸出實驗可以發現在操作溫度65℃在只有20%RH的條件下也能夠穩定的輸出,在50%RH加濕條件下電壓不會隨著操作溫度的提高而產生不穩定的現象,表示本論文膜電極組可以在高溫低濕下穩定的輸出。
關鍵字:觸媒層、相對濕度、二氧化矽、超音波噴塗機
In recent years, the applications of fuel cell technology is primarily focuson proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Recently, the industry has accelerated investment in Taiwan PEMFC technology development and becomes mature. In the vehicle applications, the key technology mainly including the development of suitable low humidity, high temperature (RH30%, 100 ℃) membrane electrode assemblies(MEA), this can help to simplify fuel cell system. It is necessary to develop the MEA without external humidification conditions to make the fuel cells stably, and reduce the cost of the fuel cell.
This research used different the stoichiometry(stoi.), fuel cell temperature and fuel RH on fuel cell operating. The stoi.(1. 2,4)is optimized the performance, cause the gas is fully reaction; In order to commercialize of fuel cell vehicles and compliance with vehicle applications expand the fuel cell reaction area to 100cm2. A high temperature and low humidity environment in vehicles makes the membranes easily caused the hydrogen ion conduction problems due to lack of water and decrease the fuel cell performance. In the experiment, add 2wt% silica is not have obviously increased in performance. But in low humidity 30% RH, the performance is increased 40%. The result shows silica operated in the low humidity conditions can be a better water retention and performance.
Under 65 ℃ operating and 100% RH , it just have 19% difference from 100cm2 to 5cm2. There are 12% difference at RH 30%. It’s indicated that the better technique in CCM.
Result shows the output from is stable when operating at 65 ℃ 20% RH, and under 50% RH the voltage can be stabilize under rising operate temperature. The MEA in this research shows a stable output under high temperature, low humidity.
Key word: Catalyst layer;Low relative humidity;Silica;Accelerating degradation;Dynamic load
目錄
書名頁 ..................................................I
審定書 II
授權書 III
中文摘要 IV
英文摘要 VI
誌謝 VII
目錄....................................................VII
圖目錄..................................................XII
表目錄.................................................XVII
一、緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機與目的 2
1.3文獻回顧 3
第二章實驗設備與流程 8
2.1 實驗操作條件與方法 8
2.2 單電池構造 8
2.2.1 氣體擴散層(Gas diffusion layer,GDL) 8
2.2.2 觸媒層(Catalyst layer) 9
2.2.3膜電極組(membrane electrode assembly,MEA) 10
2.2.4 質子交換膜(Proton exchange membrane) 11
2.2.5 石墨流道板(Graphite Plate) 12
2.2.6集電板(Collector Plate) 13
2.2.7圓形密封環(Sealing ring) 13
2.2.8 端板(End Plate) 13
2.3 觸媒塗佈薄膜(CATAYST COATED MEMBRANE, CCM) 14
2.3.1 觸媒塗佈薄膜製備 15
2.3.2 觸媒層之重量檢量線 16
2.4 電池組裝流程 16
2.5 性能分析實驗設備與測試流程 17
2.5.1電池測漏氣檢查流程 18
2.5.2 膜電極組(MEA)活化程序 19
2.5.3 交流阻抗分析 20
2.6 相對濕度之計算 21
2.6.1 燃料當量計算 22
第三章、結果與討論 23
3.1 不同NAFION重量操作於不同加溼條件下之影響 23
3.1.1 不同Nafion重量操作在65℃於不同加濕條件之影響 23
3.1.2 不同Nafion重量操作在80℃於不同加濕條件之影響 24
3.1.3 不同Nafion重量操作在85℃於不同加濕條件之影響 25
3.2添加不同二氧化矽重量操作在於不同加濕條件 25
3.2.1添加不同二氧化矽重量操作在65℃於不同加濕條件 26
3.2.2添加不同二氧化矽重量操作在80℃於不同加濕條件 26
3.2.3添加不同二氧化矽重量操作在85℃於不同加濕條件 27
3.3 擴大反應面積100CM2 27
3.4 100CM2反應面積衰退率操作在於不同加濕條件 28
3.4.1 100cm2反應面積衰退率操作在65℃於不同加濕條件 28
3.4.2 100cm2反應面積衰退率操作在80℃於不同加濕條件 28
3.4.3 100cm2反應面積衰退率操作在85℃於不同加濕條件 29
3.5 輸出電壓穩定度操作在於不同加濕條件 29
3.5.1輸出電壓穩定度操作在65℃於不同加濕條件 30
3.5.2 輸出電壓穩定度操作在80℃於不同加濕條件 30
3.5.3 輸出電壓穩定度操作在85℃於不同加濕條件 30
3.6 瞬開現象操作在於不同加濕條件 31
3.6.1 瞬開現象操作在65℃於不同加濕條件 31
3.6.2 瞬開現象操作在80℃於不同加濕條件 31
3.6.3 瞬開現象操作在85℃於不同加濕條件 32
第四章、結論 33
4.1 結論 33
4.2 未來建議 34
參考文獻 36

圖目錄
圖2-2 100CM2標準電池構造 47
圖2-3 GDL型號為SGL 24BC 48
圖2-4 氣密墊片,本實驗陰陽極用的皆為0.175MM 48
圖2-5 本實驗所採用之流道板為5CM2單蛇形式流道板 49
圖2-7 以紅銅為材質,表面鍍金之集電板 50
圖2-8 陰陽兩極皆採用10MM厚之玻璃纖維端板 50
圖2-9本燃料電池中心自製的CCM 51
圖2-10 自動噴塗機 51
圖2-11超音波振盪器 52
圖2-12 微量天平 52
圖2-13 燃料電池測試系統850C 53
圖2-14 燃料電池測試系統CHINO 6KW 53
圖3-1 不同NAFION重量,反應面積為5CM2電池操作在65℃下之100%加濕條件極化曲線圖 54
圖3-2不同NAFION重量,反應面積為5CM2電池操作在65℃下之50%加濕條件極化曲線圖 54
圖3-3不同NAFION重量,反應面積為5CM2電池操作在80℃下之100%加濕條件極化曲線圖 55
圖3-4 不同NAFION重量,反應面積為5CM2電池操作在80℃下之50%加濕條件極化曲線圖 55
圖3-5不同NAFION重量,反應面積為5CM2電池操作在85℃下之100%加濕條件極化曲線圖 56
圖3-6不同NAFION重量,反應面積為5CM2電池操作在85℃下之50%加濕條件極化曲線圖 56
圖3-7不同NAFION重量,反應面積為5CM2電池操作在65℃下之100%加濕條件交流阻抗圖 57
圖3-8不同NAFION重量,反應面積為5CM2電池操作在65℃下之50%加濕條件交流阻抗圖 57
圖3-9不同NAFION重量,反應面積為5CM2電池操作在80℃下之100%加濕條件交流阻抗圖 58
圖3-10不同NAFION重量,反應面積為5CM2電池操作在80℃下之50%加濕條件交流阻抗圖 58
圖3-11不同NAFION重量,反應面積為5CM2電池操作在85℃下之100%加濕條件交流阻抗圖 59
圖3-12不同NAFION重量,反應面積為5CM2電池操作在85℃下之50%加濕條件交流阻抗圖 59
圖3-13 不同二氧化矽重量,反應面積為5CM2電池操作在65℃下之100%加濕條件極化曲線圖 60
圖3-14不同二氧化矽重量,反應面積為5CM2電池操作在65℃下之50%加濕條件極化曲線圖 60
圖3-15不同二氧化矽重量,反應面積為5CM2電池操作在65℃下之30%加濕條件極化曲線圖 61
圖3-16不同二氧化矽重量,反應面積為5CM2電池操作在80℃下之100%加濕條件極化曲線圖 61
圖3-17不同二氧化矽重量,反應面積為5CM2電池操作在80℃下之30%加濕條件極化曲線圖 62
圖3-18不同二氧化矽重量,反應面積為5CM2電池操作在85℃下之100%加濕條件極化曲線圖 62
圖3-19不同二氧化矽重量,反應面積為5CM2電池操作在85℃下之30%加濕條件極化曲線圖 63
圖3-20反應面積為100CM2電池操作在65℃下之不同加濕條件極化曲線圖 63
圖3-21反應面積為100CM2電池操作在80℃下之不同加濕條件極化曲線圖 64
圖3-22反應面積為100CM2電池操作在85℃下之不同加濕條件極化曲線圖 64
圖3-23反應面積為100CM2電池操作在65℃下之不同加濕條件交流阻抗圖 65
圖3-24反應面積為100CM2電池操作在80℃下之不同加濕條件交流阻抗圖 65
圖3-25反應面積為100CM2電池操作在85℃下之不同加濕條件交流阻抗圖 66
圖3-26南亞商購膜電池操作在65℃下之不同加濕條件極化曲線圖 66
圖3-27南亞商購膜電池操作在80℃下之不同加濕條件極化曲線圖 67
圖3-28南亞商購膜電池操作在85℃下之不同加濕條件極化曲線圖 67
圖3-29反應面積為100CM2電池操作在65℃下之不同加濕條件穩定輸出圖 68
圖3-30反應面積為100CM2電池操作在80℃下之不同加濕條件穩定輸出圖 68
圖3-31反應面積為100CM2電池操作在85℃下之不同加濕條件穩定輸出圖 69
圖3-32反應面積為100CM2電池操作在65℃下定電流(0A-30A)之不同加濕條件瞬開現象圖 69
圖3-33反應面積為100CM2電池操作在65℃下全加濕之不同電流條件瞬開現象圖 70
圖3-34反應面積為100CM2電池操作在80℃下定電流(0A-30A)之不同加濕條件瞬開現象圖 70
圖3-35反應面積為100CM2電池操作在80℃下全加濕之不同電流條件瞬開現象圖 71
圖3-36反應面積為100CM2電池操作在85℃下定電流(0A-30A)之不同加濕條件瞬開現象圖 71
圖3-37反應面積為100CM2電池操作在85℃下全加濕之不同電流條件瞬開現象圖 72


表目錄
表2-1 不同NAFION重量鉑金觸媒漿料調配參數 40
表2-2 電池組裝參數 40
表2-3 膜電極組活化程序操作條件 41
表2-4 極化曲線操作條件 41
表2-5 交流阻抗量測操作條件 42
表3-1 不同NAFION重量之性能比較 43
表3-2 不同二氧化矽重量之於相對濕度50%加濕條件之性能比較 44
表3-3不同二氧化矽重量之於相對濕度30%加濕條件之性能比較 45
表3-4不同反應面積於相對濕度30%加濕條件之衰退影響 46
【1】Cai, Y., et al., Effect of water transport in polymer membranes for PEMFC. Journal of Power Sources, 2000. 86(1-2):p. 197-201
【2】Lin, G. and T. Van Nguyen, Effect of Thickness and Hydrophobic Polymer Content of the Gas Diffusion Layer on Electrode Flooding Level in a PEMFC. Journal of The Electrochemical Society, 2005.152(10):p. A1942-A1948
【3】P. J. Ferreira, G. J. la O,, Y. Shao-Horn, D. Morgan, R. Makharia, S. Kocha, H. A. Gasteigerc, 2005, “Instability of Pt/C Electrocatalysts in Proton Exchange Membrane Fuel Cell”Journal of The Electrochemical, Soc. 152, p.2256-2271
【4】湯誌畯 質子交換膜燃料電池陰極觸媒層之最適化 元智大學化學工程與材料科學學系 民國93年 碩士論文
【5】陳益鋒 質子交換膜燃料電池陽極親水性處理 元智大學化學工程與材料科學學系 民國98年 碩士論文
【6】Millington, B., S. Du, and B. G. Pollet, The effect of materials on proton exchange membrane fuel cell electrode performance. Journal of Power Sources, 2011.196(21):p. 9013-9017
【7】Trung Truc Ngo, T. Leon Yu, Hsiu-Li Lin, Influence of the composition of isopropyl alcohol/water mixture solvents in catalyst ink solutions on proton exchange membrane fuel cell performance. Journal of Power Sources 225 (2013) 293-303
【8】 Ramya, K., G. Velayutham, C. Subramaniam, N. Rajalakshmi, and K. Dhathathreyan, Effect of solvents on the characteristics of Nafion/PTFE composite membranes for fuel cell applications. Journal of Power Sources, 2006.160(1):p. 10-17
【9】 Shim, J., H. Y. Ha, S.A. Hong, and I. H. Oh, Characteristics of the Nafion ionomer-impregnated composite membrane for polymer electrolyte fuel cells. Journal of Power Sources, 2002. 109(2):p. 412-417
【10】紀宗成 高溫Nafion複合膜之老化診斷與加速老化測試 元智大學先進能源研究所 民國97年 碩士論文
【11】 W. K. Lee and J. W. Van Zee, Effect of humidity on PEM fuel cell performance partⅠ-experiments. American Society of Mechanical Engineers, Heat Transfer Division, HTD 364-1,p.359-366,1999
【12】林煌勝 Nafion膜電極組觸媒層塗佈之溶劑研究 元智大學機械工程研究所 民國102年 碩士論文
【13】Y.F. Huang , A.M. Kannan , C.S. Chang , C.W. Lin , Development of gas diffusion electrodes for low relative humidity proton exchange membrane fuel cells. International journal of hydrogen energy 36(2011)2213-2220
【14】Hidetaka Taira, Hongtan Liu, In-situ measurements of GDL effective permeability and under-land cross-flow in a PEM fuel cell. International journal of hydrogen energy 37(2012)13725-13730
【15】 Mauricio Blanco, David P. Wilkinson, Haijiang Wang, Application of water barrier layers in a proton exchange membrane fuel cell for improved water management at low humidity conditions. International journal of hydrogen energy 36(2011)3635-3648
【16】歐修銘 質子交換膜燃料電池膜電極組在低相對濕度材料與製程之研究探討性 元智大學機械工程研究所 民國102年 碩士論文
【17】 Naoki Inoue , Makoto Uchida, Masahiro Watanabe, Hiroyuki Uchida, SiO2-containing catalyst layers for PEFCs operating under low humidity. Electrochemistry Communications 16 (2012) 100–102
【18】 V. Senthil Velan, G. Velayutham, Neha Hebalkar, K.S. Dhathathreyan, Effect of SiO2 additives on the PEM fuel cell electrode performance.International journal of hydrogen energy 36(2011)14815-14822
【19】 Hua-Neng Su, Li-Jun Yang, Shi-Jun Liao, Membrance electrode
assembly with Pt/SiO2/C anode catalyst for proton exchange membrane fuel cell operation under low humidity conditions.55(2010)8894-8900
【20】 Jung, U.H.,et al., Improvement of low-humidity performance of PEMFC by addition of hydrophilic SiO2 particles to catalyst layer. Journal of Power Sources, 2006. 159(1):p. 529-532
【21】 Vengatesan, S., et al., High temperature operation of PEMFC:A novel approach using MEA with silca in catalyst layer. International Journal of Hydrogen Energy, 2008. 33(1):p. 171-178
【22】 Yan, Q., H. Toghiani, and J.Wu, Investigation of water transport through membrane in a PEM fuel cell by water balance experiments. Journal of Power Sources, 2006. 158(1):p. 316-325
【23】 沈亨歷 低加濕燃料電池之膜電極組開發與研究探討 元智大學機械工程研究所 民國101年 碩士論文
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