本文主要目的是設計製作堆疊式直接甲醇燃料電池堆之模組構裝及效能探討，其動機是為因應可攜式3C產品的發展，以設計出可自給自足其並提供負載之可攜式燃料電池模組，其設計製作的燃料電池堆模組包含燃料電池電堆與周邊設備系統整合，並以實驗測試量測其效能。在論文中首先以一般壓克力單電池置具做流道板之蛇型流道進行改良設計，以增加氣泡排除與反應面積比做效能影響探討，以取得最佳參數之新型流道。第二部份主要是設計與製作的燃料電池電堆，使用堆疊設計與新式流道組合出4-cell之堆疊式直接甲醇燃料電池電堆，並對其做鎖合磅力參數探討，之後更進一步將燃料電池電堆之尺寸縮小並對其做甲醇流量參數與電堆尺寸參數探討。最後將週邊配備與燃料電池做系統整合，並觀測其燃料電池模組之使用實用性與應用便利性，以完成研發燃料電池模組之目的。

The main purpose of this thesis is to develop a modulized stack direct methanol fuel cell (DMFC) and to integrate stack DMFC with the balance of plant (BOP). The motivation of this study is to develop a portable stack DMFC that could supply the power not only to BOP, but also to external loadings. In the first part of this thesis, three types of DMFC flow channels, including the traditional serpentine flow channel; the smooth corner serpentine flow channel and the unilateral crooked serpentine flow channel were fabricated. Experimental investigations into the DMFC polarization curves with these three flow channel combinations were conducted in a single fuel cell. The best performance combination was then used to design a 4-cell stack DMFC. The second part of this thesis is to conduct the 4-cell stack DMFC performance tests under different confer pound of the lock, methanol flow rate and size of the stack fuel cell. Results show that the newly designed 4-cell stack DMFC could provide a promising application for portable electronics.

中文摘要	I
英文摘要	II
目錄	IV
表目錄	VII
圖目錄	VIII
符號說明	XII

第一章  緒論	1
1-1  研究背景	1
1-2  文獻回顧	2
1-3  研究目的	5
1-4  論文架構	7
第二章  實驗原理	10
2-1  燃料電池簡介	10
2-1-1  燃料電池發展背景	11
2-1-2  燃料電池種類	11
2-2  直接甲醇燃料電池介紹	16
2-2-1  直接甲醇燃料電池構造	16
2-2-2  直接甲醇燃料電池運作原理	17
2-2-3  直接甲醇燃料電池效能曲線分析	18
2-3  攜帶式燃料電池發展簡介	21
第三章  實驗架設與量測方法	22
3-1  直接甲醇燃料電池堆簡介	22
3-2  陽極端燃料供應系統	24
3-3  陰極端燃料供應系統	26
3-4  電池效能量測系統	27
3-5  CNC模具加工	30
3-6  電池效能量測方法	32
第四章  直接甲醇燃料電池流道板流道設計分析	34
4-1  流道板流道型式簡介	34
4-2  流道設計與製作	35
4-3  實驗規劃與量測方法	39
4-4  實驗結果與討論	41
第五章  堆疊式直接甲醇燃料電池堆設計與分析	51
5-1  燃料電池堆設計與製作	51
5-2  燃料電池堆組裝與效能探討	55
5-2-1  燃料電池組裝	55
5-2-2  實驗規劃	58
5-2-3  結果討論	59
5-3  燃料電池堆小型化與效能探討	63
5-3-1  燃料電池堆小型化設計與製作	63
5-3-2  實驗規劃	67
5-3-3  結果討論	69
第六章  燃料電池電堆與BOP系統整合之應用	76
第七章  結論與未來展望	83
7-1  結論	83
7-2  未來展望	84
參考文獻	87
附錄	91


表目錄
表2-1 燃料電池基本特性比較表[2] ………………………………….15
表4-1 固定陽極流道操作電位在0.2V 時電池功率輸出表………….45
表4-2 固定陰極流道操作電位在0.2V 時電池功率輸出表………….45
表5-1 不同鎖合磅力之操作電位在1.2V 時電池功率輸出表.............61
表5-2 不同鎖合磅力之操作電位在0.8V 時電池功率輸出表………62
表5-3 不同甲醇流量之操作電位在1.2V 時電池功率輸出表………73
表5-4 不同甲醇流量之操作電位在0.8V 時電池功率輸出表………74
表5-5 大小電堆在負載1.2V與鎖合16 kgf cm-1時電池功率輸出表..74
表5-6 大小電堆在負載1.2V與鎖合18 kgf cm-1時電池功率輸出表..74
表5-7 大小電堆在負載0.8V與鎖合16 kgf cm-1時電池功率輸出表…74
表5-8大小電堆在負載0.8V與鎖合18kgf cm-1時電池功率輸出表……74
表6-1 LM2621E 規格說明......................................................................79

圖目錄
圖1-1 研究架構圖………………………………………………………6
圖1-2 論文架構圖………………………………………………………9
圖 2-1 直單電池模組側視圖………………………………………….16
圖2-2 直接甲醇燃料電池反應機制示意圖…………………………..17
圖2-3 燃料電池性能電流密度曲線圖………………………………..20
圖2-4 功率密度隨電流密度之變化曲線……………………………..20
圖3-1 測試電堆示意圖………………………………………………..22
圖3-2 膜電極組實體圖………………………………………………..23
圖3-3 陽極燃料供應系統示意圖……………………………………..25
圖3-4 恆溫水槽實體圖………………………………………………..26
圖3-5 蠕動式幫浦實體圖……………………………………………..26
圖3-6 陰極燃料供應系統示意圖……………………………………..27
圖3-7 效能量測系統示意圖…………………………………………..28
圖3-8 直流負載機實體圖……………………………………………..29
圖3-9 微歐姆計實體圖………………………………………………..29
圖3-10 CNC 雕刻機實體圖……………………………………………31
圖4-1 流道型式A直通型流道B棋盤型流道C蛇型流道[2]………..35
圖4-2 傳統一般蛇型流道板幾何尺寸圖……………………………..37
圖4-3 圓角蛇型流道板幾何尺寸圖…………………………………..38
圖4-4 單邊彎曲蛇型流道板幾何尺寸圖……………………………..38
圖4-5 流道面積比示意圖……………………………………………..39
圖4-6 實驗流程圖……………………………………………………..40
圖4-7 實驗架設圖……………………………………………………..41
圖4-8 實驗量測增加氣泡排除效率之電流密度圖…………………..46
圖4-9 實驗量測增加電池反應面積之電流密度圖…………………..46
圖4-10 陽極固定為一般蛇型流道之電流密度圖……………………47
圖4-11 陽極固定為圓角蛇型流道之電流密度圖……………………47
圖4-12 陽極固定為單邊彎曲蛇型流道之電流密度圖………………48
圖4-13 陰極固定為一般蛇型流道之電流密度圖……………………48
圖4-14 陰極固定為圓角蛇型流道之電流密度圖……………………49
圖4-15 陰極固定為單邊彎曲蛇型流道之電流密度圖………………49
圖4-16 陽極流道氣泡排除之連續圖…………………………..……..50
圖5-1 DMFC 電池堆集電板之幾何與尺寸圖………………………...52
圖5-2 DMFC 電池堆防水墊片之幾何與尺寸圖……………………...53
圖5-3 DMFC 電池堆陽極流道板之幾何與尺寸圖…………………...53
圖5-4 DMFC 電池堆陰極流道板之幾何與尺寸圖…………………...54
圖5-5 DMFC 電池堆雙面流道板之幾何與尺寸圖……………….…..54
圖5-6 CNC 雕刻機製作流道圖……………………………………......55
圖5-7 堆疊式直接甲醇燃料電池堆疊層設計示意圖………………..56
圖5-8 堆疊式直接甲醇燃料電池堆組裝示意圖……………………..57
圖5-9 堆疊式直接甲醇燃料電池大電堆組裝實體圖………………..57
圖5-10 實驗架構圖……………………………………………………59
圖5-11 實驗量測不同鎖合磅力之電流密度圖………………………62
圖5-12 小型DMFC電池堆陽極流道板之幾何與尺寸圖……………64
圖5-13 小型DMFC電池堆陰極流道板之幾何與尺寸圖……………64
圖5-14 小型DMFC電池堆雙面流道板之幾何與尺寸圖……………65
圖5-15 小型DMFC電池堆防水墊片之幾何與尺寸圖………………65
圖5-16 小型DMFC電池堆集電板之幾何與尺寸圖…………………66
圖5-17 堆疊式直接甲醇燃料電池小電堆組裝實體圖………………66
圖5-18 實驗架構圖……………………………………………………68
圖5-19 實驗量測不同甲醇流量之電流密度圖………………………74
圖5-20 電堆尺寸比較實體圖…………………………………………74
圖5-21 實驗量測鎖合磅力16 棒之電流密度比較圖………………..75
圖5-22 實驗量測鎖合磅力18 磅之電流密度比較圖………………..75
圖6-1 LM2621 電路圖………………………………………………….79
圖6-2 LM2621 變壓電路實體圖……………………………………….79
圖6-3 小型空氣泵實體圖…………………………………….……….80
圖6-4 小型液體泵實體圖……………………………………………..80
圖6-5 可攜式直接甲醇燃料電池堆系統整合實體圖………………..81
圖6-6 可攜式直接甲醇燃料電池應用實體圖………………………..81
圖6-7 燃料電池系統功率應用示意圖………………………………..82
圖7-1 Nyquist 圖及相對應等效電路圖……………………………….86


符號索引
A 面積
Am 質子交換膜之面積(cm2)
V 工作電壓(V)
I 電流(A)
Pw 功率(W)
T 溫度(℃)
t 時間(sec)
下標
A 陽極
C 陰極

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