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研究生: 施俊傑
Shih, Jiun-Jie
論文名稱: 凸起氣體擴散層對質子交換膜燃料電池性能之效應及最佳操作參數研究
Study on effect and optimum operation parameter of protrusive GDL on PEM fuel cell performance
指導教授: 吳鴻文
WU, HONG-WEN
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 系統及船舶機電工程學系
Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 94
中文關鍵詞: 質子交換膜燃料電池凸起氣體擴散層田口實驗方法
外文關鍵詞: proton exchange membrane fuel cell, protrusive GDL, ANOVA method, Taguchi method
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  • 本論文使用數值模擬方式建立質子交換膜燃料電池數值模型,並導入兩相流現象及改變凸起觸媒層之高度進行電池功率分析,針對選擇一較佳功率之膜電極組(MEA)幾何形狀自行製造MEA。並配合田口實驗減少實驗次數,找出凸起氣體擴散層最佳操作參數,來提升燃料電池之功率。凸起氣體擴散層燃料電池在最佳控制因子組合下,凸起氣體擴散層之凸起高度與流到高度比為0.14較其他兩種凸起高度與兩凸起間距比(0.21與0.27),更有助於提升電池性能。在最佳控制因子組合下,凸起氣體擴散層之凸起數為7個較其他兩種凸起數更有助於提升電池性能。本文建立製作特殊幾何形狀MEA設備並具有自行製作特殊幾何形狀MEA之技術。在最佳操作參數下凸起氣體擴散層較無凸起氣體擴散層提升電池功率5.5 %。

    This study uses numerical simulation method to establish numerical model for PEM fuel cells implementing into two-phase flow phenomena and the changes raised height of catalyst layer for analysis of battery power. This research selects a better power membrane electrode assembly (MEA) of geometric shapes to have MEA self-manufactured. Employing Taguchi method reduces the number of experiments and obtains the optimum operating parameters for the protrusive gas diffusion layer to enhance fuel cell power.

    目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 IV 目錄 V 表目錄 VIII 圖目錄 IX 第1章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 文獻回顧 3 1-3 研究目的 5 第2章質子交換膜燃料電池結構 7 2-1 膜電極組(MEA) 8 2-1-1觸媒層 8 2-1-2氣體擴散層 9 2-1-3質子交換膜 9 第3章 數值模擬及原理 11 3-1 模型幾何尺寸 11 3-1-1凸起氣體擴散層幾何尺寸 12 3-1-2燃料電池單通道幾何尺寸 12 3-1-3燃料電池蛇型流道幾何尺寸 12 3-2 基本假設 13 3-3 統御方程式 15 3-3-1連續方程式: 15 3-3-2能量方程式: 16 3-3-3電化學反應方程式: 17 3-3-4水傳輸方程式: 18 3-3-5邊界條件: 19 3-4 數值方法 20 第4章 田口方法 22 4-1田口方法簡介 22 4-2田口方法步驟 23 4-2-1品質計量方法 23 4-2-2直交表 24 4-2-3資料分析 25 4-2-4 ANOVA(變異數分析) 26 4-2-5 確認實驗 28 第5章 實驗設備及方法 31 5-1實驗設備 31 5-2 實驗方法 36 5-3具凸起氣體擴散層MEA製作 37 5-3-1質子交換膜前處理 38 5-3-2觸媒漿料製作 38 5-3-3 凸起氣體擴散層製作 39 5-3-4 MEA熱壓 39 第6章 結果與討論 41 6-1無凸起氣體擴散層質子交換膜電池模型驗證 42 6-2不同氣體擴散層幾何形狀對單通道電池特性影響 42 6-2-1凸起及無凸起氣體擴散層單流道之溫度、氧氣、 液態水、速度分布 43 6-2-2 凸起及無凸起氣體擴散層單流道之電池功率 45 6-3不同凸起氣體擴散層數量對單通道電池性能影響 47 6-3-1氧氣、溫度、液態水在N=7凸起氣體擴散層蛇型流道及無凸起氣體擴散層的分布 50 6-4凸起氣體散層燃料電池田口實驗分析 52 6-5凸起氣體擴散層質子交換膜燃料電池ANOVA分析 53 6-6凸起氣體擴散層質子交換膜燃料電池最佳操作參數分析 55 6-7確認實驗分析 56 第7章 結論 58 參考文獻 59   表目錄 表 1 L18直交表 64 表 2 L18控制因子及變動水準 64 表 3 L18實驗結果(操作電壓0.4V) 65 表 4L18因子效果 65 表 5電池功率之變異分析(ANOVA) 66 表 6陽極壓力降之變異分析(ANOVA) 66 表 7陰極壓力降之變異分析(ANOVA) 66   圖目錄 圖 1三種不同凸起氣體擴散層示意圖(單位:mm) 67 圖 2凸起氣體擴散層不同幾何示意圖(單位:mm) 67 圖 3凸起氣體擴散層不同數量示意圖 68 圖 4燃料電池單通道幾何尺寸 68 圖 5蛇型流道幾何尺寸(單位:mm) 69 圖 6凸起氣體擴散層蛇型流道網格獨立性測試 69 圖 7實驗全貌 70 圖 8 MEA製作實驗設備 71 圖 9凸起氣體擴散層MEA製作 71 圖 10測試系統主體箱 72 圖 11電源開關及溫度控制器 72 圖 12電子負載器 73 圖 13電池組 73 圖 14質子交換膜燃料電池端板 74 圖 15質子交換膜燃料電池集電板 74 圖 16質子交換膜燃料電池蛇型流道 75 圖 17氣密墊圈 75 圖 18凸起、無凸起擴散層質子交換膜 76 圖 19 CFP2120 資料擷取裝置 76 圖 20 Cell&Fuel設定畫面 77 圖 21 Fuel Cell 測試系統主畫面 77 圖 22極化曲線設定畫面 78 圖 23極化曲線執行畫面 79 圖 24 Nafion 117、Nafion溶液、白金觸媒 79 圖 25刮刀式塗佈機 79 圖 26電子天秤 80 圖 27熱壓機 80 圖 28凸氣體擴散層熱壓夾具 81 圖 29凸起氣體擴散層質子交換膜 81 圖 30凸起氣體擴散層蛇型流道之數值與實驗比較 82 圖 31本文和文獻ZHENG[7]極化曲線比較 82 圖 32 CASE1 、CASE2、CASE3、無凸起氣體擴散層之單通道燃料電池溫度分佈(Y軸) 83 圖 33 CASE1、CASE2、CASE3、無凸起氣體擴散層之單通道燃料電池之氧氣濃度分(X軸) 84 圖 34 CASE1、CASE2、CASE3、無凸起氣體擴散層之單通道燃料電池水濃度分佈(X軸) 85 圖 35 CASE1、CASE2、CASE3、無凸起氣體擴散層之單通道燃料電池速度分佈(X軸) 86 圖 36不同凸起氣體擴散層幾何之極化曲線 86 圖 36不同凸起氣體擴散層幾何之輸出功率 87 圖37不同凸起氣體擴散層幾何之壓力降 87 圖 38不同凸起氣體擴散層幾何之淨功率 87 圖 39不同凸起數量對電池之極化曲線 88 圖 40不同凸起數量對電池輸出功率 89 圖 41不同凸起數量對電池壓力降 89 圖 42不同凸起數量對電池淨功率 89 圖 43無凸起氣體擴散層蛇型流道溫度分佈 90 圖 44 N=7、無凸起氣體擴散層蛇型流道之氧氣濃度分佈 91 圖 45 N=7、無凸起氣體擴散層蛇型流道之液態水濃度分佈 92 圖 46凸起及無凸起氣體擴散層在最佳操作參數之極化性能曲線 93 圖 47凸起氣體擴散層在不同操作參數之極化性能曲線 93 圖 48凸起氣體擴散層在最佳操作參數之數值與實驗極化曲線比較 94

    1. 方良吉,“2010年能源產業技術白皮書”,經濟部能源局,2010。
    2. 李芳正,“新能源”,新文京開發出版股份有限公司,2009。
    3. 毛宗強,“氫能–21世紀的綠色能源”,新文京開發出版股份有限公司,2008。
    4. 黃鎮江,“燃料電池(修訂版)”,全華圖書,2007。
    5. 李輝煌,“田口方法品質設計的原理與實務”,高立圖書,2011.
    6. Barbir Frano, “PEM Fuel Cells:Theory and Practice“,Amsterdam Boston Heidelberg London New York Oxford Paris San Diego San Francisco Singapore Sydney Tokyo,Vol.1-3,No. 1-712005.
    7. Zheng-Ming Lin, “Study on Effect of Two-Phase Transport and Prominent GDL on Performance of Proton Exchange Membrane Fuel Cell” ,NCKU Department of System and Naval Mechatronic Engineering (2011).
    8. Shiang-Wuu Perng, Horng-Wen Wu,“Effect of the prominent catalyst layer surface on reactant gas transport and cell performance at the cathodic side of a PEMFC”,Applied Energy 87 (2010) .1386-1399.
    9. Shiang-Wuu Perng, Horng-Wen Wu, Tswen-Chyuan Jue, Kuo-Chih Cheng,“Numerical predictions of a PEM fuel cell performance enhancement by a rectangular cylinder installed transversely in the flow channel”,Applied Energy 86 (2009).1541-1554.
    10. Shiang-Wuu Perng, Horng-Wen Wu,“Effects of internal flow modification on the cell performance enhancement of a PEM fuel cell”,J. Power Sources 175 (2008) 806-816.
    11. Hui-Wen Ku, Horng-Wen Wu,“The optimal parameters estimation for rectangular cylinders installed transversely in the flow channel of PEMFC from a three-dimensional PEMFC model and the Taguchi method”,Applied Energy 2011 Pages 4879–4890.
    12. Hui-Wen Ku, Horng-Wen Wu,“Effects of modified flow field on optimal parameters estimation and cell performance of a PEM fuel cell with the Taguchi method”,International Journal of Hydrogen Energy, 2012,Pages 1613–1627.
    13. Koan-Yuh Chang, Huan-Jung Lin, Pang-Chia Chen,“The optimal performance estimation for an unknown PEMFC based on the Taguchi method and a generic numerical PEMFC model”,J. Hydrogen Energy 34 (2009).1900-1998.
    14. R.C. Dante, José L. Escamilla, V. Madrigal, T. Theuss, J. de Dios Calderón, O. Solorza, Rubén Rivera,“ Fractional factorial design of experiments for PEM fuel cell performances improvement”,Int. J. Hydrogen Energy 28 (2003).343-348.
    15. Wei-Lung Yu, Sheng-Ju Wu, Sheau-Wen Shah,“Parametric analysis of the proton exchange membrane fuel cell performance using design of experiments”,Int. J. Hydrogen Energy 33 (2008).2311-2322.
    16. Wei-Lung Yu, Sheng-Ju Wu, Sheau-Wen Shah,“Experimental analysis of dynamic characteristics on the PEM fuel cell stack by using Taguchi approach with neural networks”,Int. J. Hydrogen Energy. 35 (2011).11138–11147.
    17. S. Kaytakoğlu, L. Akyalçın,“Optimization of parametric performance of a PEMFC”,Int. J. Hydrogen Energy 32 (2007).4418–4423.
    18. N. Logothetis and A. Haigh,“Characterizing and optimizing multi-response processes by Taguchi method”,Quality and Reliability Engineering International 4 (1988).159–169.
    19. J. J. Pignatiello,“Strategies for robust multi-response quality engineering”,IIE Transactions 25 (1993).5–15.
    20. S. Maghsoodloo,“The exact relation of Taguchi’s signal-to-noise ratio to his quality loss function”,Journal of Quality Technology, 22 (1990) .57–67.
    21. C.-T. Su and L.-I. Tong,“Multi-response robust design by principal component analysis”,Total Quality Management 8 (1997).409–416.
    22. L.-H. Chen,“Designing robust products with multiple quality characteristics”,Computers Operations Research 24 (1997).937–944.
    23. D. M. Osborne and R. L. Armacost,“Review of techniques for optimizing multiple quality characteristics in product development”, Computers and Industrial Engineering 31 (1996).107–110.
    24. G. G. Vining,“A compromise approach to multi-response optimization”,Journal of Quality Technology 30 (1998). 309–313.
    25. Prodip K. Das, Xianguo Li, Zhong-Sheng Liu,“Analytical approach to polymer electrolyte membrane fuel cell performance and optimization”,Journal of Electroanalytical Chemistry”,Vol.604, pp. 72-90, 2007.
    26. Haolin Tang,“A comparative study of CCM and hot-pressed MEAs for PEM fuel cells”,ScienceDirect,2007.
    27. 莊英志,“流道數對具蛇型流場之質子交換膜燃料電池性能影響”,華梵大學機電工程學系研究所碩士論文,2008年。
    28. 廖致誠,“流道幾何及尺寸效應對質子交換膜燃料電池性能之影響”,華梵大學機電工程學系研究所碩士論文,2008年。
    29. 陳亮宇,“質子交換膜燃料電池流道最佳化設計”,國立成功大學系統及船舶工程學系,2007年。
    30. 李軒誠,“質子交換膜燃料電池研究-MEA的製程與應用”,國立中山大學機械工程研究所,2001年。
    31. 郭振坤,“微型質子交換膜燃料電池元件設計與製作”,國立中山大學機械工程研究所,2003年。
    32. 熊思愷,“實驗方法探討質子交換膜燃料電池在不同設計條件及製作方式下對性能影響之研究” ,國立中山大學機械工程研究所,2001年。
    33. 呂俊逸,“質子交換膜燃料電池研究-MEA的製造和性能分析”,國立中山大學機械工程研究所,2000年。
    34. 顧志誠,“燃料電池複合式流道設計與膜電極組製程”,國立中央大學能源工程研究所,2007年。
    35. 江佳芸,“質子交換膜燃料電池(PEMFC)電極觸媒層變數研究”,元智大學化學工程研究所,2007年。

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