本論文主要目的為研製平面型直接甲醇燃料電池堆，並將燃料電池與周邊設備作系統整合，發展出燃料電池模組，由燃料電池供電除了達到自給自足，還可以提供負載電流使用。在研究過程中，首先利用平面型單電池對燃料電池其鎖合磅數、出入口設計及流道面積比三種參數作效能影響探討，以尋求平面型直接甲醇燃料電池堆之最佳參數。在燃料電池堆方面，在設計過程中，將集電片作內藏化設計，可減少空間使用，更靈活使用電極，研究中將集電片與壓克力隔板鑲嵌成集電片模組，最後在陰陽極兩端加上流道板，完成一包含4-cell的主動式平面型直接甲醇燃料電池堆。之後更進一步將燃料電池堆設計為被動式直接甲醇燃料電池，以增加燃料電池淨功率，並測量在不同陰極開孔率對直接甲醇燃料電池的效能影響，然後將周邊設備與燃料電池作系統整合，完成研發燃料電池模組之目的。最後搭配負載應用，證明直接甲醇燃料電池足以作為下一代的可攜式能源。

The main purpose of this thesis is to develop a modulized planar direct methanol fuel cell (DMFC) stack, including the system integration with the balance of plant (BOP). In the first part of this thesis, a single fuel cell was developed and the performance tests were conducted under different confer pound of the lock, pin type at the channel entrance and exit, and the channel area open ratio. The best performance combination was used to design a 4-cell planar DMFC stack. Also, the current collector in the designed DMFC stack was combined with the screws to reduce the stack space and to make the electrode more flexible. The performance of the integrated modulized planar DMFC stack was investigated, and the results show that it could supply the power not only to BOP, but also to external loadings. In the second part of this thesis, a passive modulized planar direct methanol fuel cell (DMFC) stack was also developed and tested for its performance. The designed passive DMFC stack has less weight and less components required for the system, though the net power output is also slightly less, than the normal DMFC stack. It provides a promising application for portable electronics.

第一章  緒論1
1-1  研究動機1
1-2  文獻回顧4
1-3  研究目的12
1-4  論文架構14
第二章  燃料電池簡介18
2-1  燃料電池種類18
2-1-1 主動式與被動式直接甲醇燃料電池23
2-2  直接甲醇燃料電池構造24
2-3  直接甲醇燃料電池之運作原理25
第三章  實驗設備架設與量測方法27
3-1  實驗儀器設備27
3-1-1  直接甲醇燃料電池組27
3-1-2  甲醇供給系統29
3-1-3  氧氣供給系統30
3-1-4  性能量測系統30
3-2  實驗儀器架設31
3-3  實驗量測方法32
3-3-1 直接甲醇燃料電池之組裝程序32
3-3-2 直接甲醇燃料電池之活化程序33
3-3-3 直接甲醇燃料電池之性能量測程序34
3-4  燃料電池之極化現象與性能曲線35
第四章  主動式平面型燃料電池堆設計與應用38
4-1  主動式平面型燃料電池堆設計概念38
4-1-1  主動式平面型燃料電池堆之單電池參數探討38
4-1-1-1  主動式平面型單電池鎖合磅數探討41
4-1-1-2  主動式平面型單電池流道型式探討44
4-1-1-3  主動式平面型單電池流道面積比探討49
4-2  主動式平面型燃料電池堆設計製作51
4-2-1  平面型燃料電池堆之組成52
4-2-2  燃料電池堆之流道設計	56
4-2-3  燃料電池堆之集電片設計58
4-2-4  燃料電池之升壓電路設計63
4-2-5  燃料電池堆之系統整合及負載應用66
4-3  主動式平面型燃料電池堆性能量測68
4-4  流道型式對主動式平面型燃料電池堆之性能探討71
4-4-1  蜿蜒型流道平面型燃料電池堆71
4-4-2  一般循環流道平面型燃料電池堆74
4-5  實驗結果與討論77
第五章  被動式平面型燃料電池堆設計與應用82
5-1  被動式平面型燃料電池堆設計概念82
5-2  被動式平面型燃料電池堆設計製作82
5-2-1  燃料電池堆之陰極流道板設計82
5-2-2  燃料電池堆之集電片設計83
5-3  被動式平面型燃料電池堆性能量測84
5-3-1  燃料電池堆陰極開孔率之性能比較86
5-4  實驗結果與討論87
第六章  結論與未來方向90
6-1  結論	90
6-2  未來方向93
參考文獻95

圖目錄
圖1.1 研究架構圖....................... 17
圖2.1 主動式與被動式直接甲醇燃料電池構造差異圖......... 23
圖2.2 直接甲醇燃料電池構造圖............................ 24
圖2.3 直接甲醇燃料電池之反應機制....................... 26
圖3.1 實驗設備架構圖..................................................... 32
圖3.2 燃料電池活化程序圖............................... 34
圖3.3 燃料電池性能量測流程圖.......................... 35
圖3.4燃料電池理論極化曲線圖............................ 37
圖4.1 燃料電池堆之單電池探討實驗架構圖............... 39
圖4.2 平面燃料電池測試模組............................. 40
圖4.3 棋盤式流道設計圖................................ 40
圖4.4 棋盤式流道出入口設計.......................... 41
圖4.5 出入口設計為三進一出流柱直徑4mm時各磅數之性能曲線圖............................................... 42
圖4.6 出入口設計為三進一出流柱直徑6mm時各磅數之性能曲線圖................................................. 43
圖4.7 出入口設計為三進一出流柱直徑9mm時各磅數之性能曲線圖.................................................. 44
圖4.8 流柱直徑為4mm 流道設計為三進一出與一進三出之性能比較圖............................................... 46
圖4.9 流柱直徑為6mm 流道設計為三進一出與一進三出之性能比較圖............................................... 46
圖4.10 流柱直徑為9mm 流道設計為三進一出與一進三出之性能比較圖................................................. 47
圖4.11 一進三出流道之氣泡移動過程連續圖............ 47
圖4.12 三進一出流道之氣泡移動過程連續圖............ 48
圖4.13 三進一出與一進三出流道之氣泡排除示意圖....... 48
圖4.14 流道面積比示意圖............................. 50
圖4.15 一進三出之流道設計，不同流道面積比之比較..... 50
圖4.16 三進一出之流道設計，不同流道面積比之比較........ 51
圖4.17 不同流道面積比之內部氣泡堆積圖.................. 51
圖4.18 平面型燃料電池堆內部結構圖...................... 54
圖4.19 平面型燃料電池鱷魚夾式串聯線.................... 55
圖4.20 平面型燃料電池隱藏式串聯線...................... 55
圖4.21 棋盤式流道尺寸設計圖.......................... 57
圖4.22 平面式電池堆陰、陽極流道板尺寸設計圖........... 57
圖4.23 集電片尺寸設計圖............................... 59
圖4.24 以液態矽膠所製成的集電片模組................... 60
圖4.25 受到壓力而損毀的液態矽膠....................... 61
圖4.26 集電片模組實體圖............................. 62
圖4.27 集電片模組尺寸設計圖......................... 62
圖4.28 LM2621電路配置圖............................. 63
圖4.29 IC晶片腳位順序............................... 64
圖4.30 升壓電路轉換效率之儀器架構圖................. 65
圖4.31 LM2621升壓電路板............................. 66
圖4.32 平面式燃料電池堆搭配負載應用示意圖........... 67
圖4.33 平面式燃料電池堆與BOP系統整合.................. 68
圖4.36 主動式平面型直接甲醇燃料電池個別位置性能量測....69
圖4.35 主動式平面型直接甲醇燃料電池性能量測........... 70
圖4.36 主動式平面型燃料電池於一分二棋盤式流道之I-V-P性能曲線................................................... 71
圖4.37 平面式燃料電池堆蜿蜒式流道板尺寸設計圖.........73
圖4.38 主動式平面型燃料電池於一分二蜿蜒式流道之I-V-P性能曲線................................................ 74
圖4.39 平面式燃料電池堆一般循環棋盤式流道板尺寸設計圖.. 76
圖4.40 主動式平面型燃料電池於一般循環棋盤式流道之I-V-P性能曲..................................................... 77
圖4.41 主動式平面型燃料電池於一分二棋盤式流道之個別位置I-V-P性能曲線圖.................................. 79
圖4.26 集電片模組實體圖.............................. 62
圖4.27 集電片模組尺寸設計圖.......................... 62
圖4.28 LM2621電路配置圖.......................... 63
圖4.29 IC晶片腳位順序...................... 64
圖4.30 升壓電路轉換效率之儀器架構圖.................. 65
圖4.31 LM2621升壓電路板............................. 66
圖4.32 平面式燃料電池堆搭配負載應用示意圖............ 67
圖4.33 平面式燃料電池堆與BOP系統整合........... 68
圖4.36 主動式平面型直接甲醇燃料電池個別位置性能量測...... 69
圖4.35 主動式平面型直接甲醇燃料電池性能量測......... 70
圖4.36 主動式平面型燃料電池於一分二棋盤式流道之I-V-P性能曲線..................................... 71
圖4.37 平面式燃料電池堆蜿蜒式流道板尺寸設計圖........... 73
圖4.38 主動式平面型燃料電池於一分二蜿蜒式流道之I-V-P性能曲線............................................ 74
圖4.39 平面式燃料電池堆一般循環棋盤式流道板尺寸設計圖.......... 76
圖4.40 主動式平面型燃料電池於一般循環棋盤式流道之I-V-P性能曲..................................................... 77
圖4.41 主動式平面型燃料電池於一分二棋盤式流道之個別位置I-V-P性能曲線圖........................ 79
圖4.42 主動式平面型燃料電池於一分二蜿蜒式流道之個別位置I-V-P .................................................. 80
圖4.43 主動式平面型燃料電池於一般循環棋盤式流道之個別位置I-V-P性能曲線圖................... 80
圖4.45 主動式平面型燃料電池於各型流道下之I-V-P性能比較圖... 81
圖5.1 被動式燃料電池陰極流道板陰極開孔率為80%.......... 83
圖5.2 被動式燃料電池集電片陰極開孔率為80%............... 84
圖5.3 被動式燃料電池陰極開孔率為48%之I-V-P curve ..... 85
圖5.4 被動式燃料電池陰極開孔率為80%之I-V-P curve ...... 87
圖5.5 被動式燃料電池不同陰極開孔率之性能比較圖.......... 89
圖5.6 被動式燃料電池與主動式燃料電池之性能比較......... 89
圖6.1 平面式直接甲醇燃料電池電化學Nyquist Plot .......... 94
圖6.2 被動式燃料電池堆負載應用示意圖.................... 94
表目錄
表1.1 能量密度比較表........ 3
表2.1 燃料電池基本特性比較表........................ 22
表4.1 操作電壓在0.3V時，出入口設計為三進一出的燃料電池電流密度比較表....................... 42
表4.2 操作電壓在0.3V時，出入口設計為三進一出的燃料電池歐姆阻抗比較表.................................. 43
表4.3 LM2621規格..................... 64
表4.4 主動式平面型燃料電池於一分二棋盤式流道之個別位置性能量測................................................ 70
表4.5 主動式平面型燃料電池於一分二棋盤式流道之性能量測... 70
表4.6 主動式平面型燃料電池於一分二蜿蜒式流道之個別位置性能量測.............................................. 73
表4.7 主動式平面型燃料電池於一分二蜿蜒型式流道之性能量測. 73
表4.8 主動式燃料電池於一般循環棋盤式流道之個別位置性能量測76
表4.9 主動式平面型燃料電池於一般循環棋盤式流道之性能量測. 76
表5.1 被動式平面型燃料電池於陰極開孔率為54%之性能量測.... 85
表5.2 被動式平面型燃料電池於陰極開孔率為80%之性能量測.... 86

[1]  G. Weaver, World  Fuel  Cells – An  industry  Profile with Market Prospects to 2010, Elsevier Science, December 2002.
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