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系統識別號 U0002-3105200521244200
中文論文名稱 直接甲醇燃料電池之性能分析與系統設計
英文論文名稱 The Performance Analysis and System Design on the Direct Methanol Fuel Cell
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 張靜怡
研究生英文姓名 Jing-Yi Chang
電子信箱 dio990@yahoo.com.tw
學號 692370058
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-05-10
論文頁數 91頁
口試委員 指導教授-李世鳴
委員-管衍德
委員-陳慶祥
中文關鍵字 直接甲醇燃料電池  實驗計畫法 
英文關鍵字 Direct Methanol Fuel Cell  Design of Experiments  Fluent  Icepak 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 近年來隨著石油價位的飆漲,造成經濟的波動,使人回憶起過去石油危機的憂患意識,因此有許多國家、公司和學校投資了龐大的人力與金錢,進而尋找開發新能源技術,其中直接甲醇燃料電池在可攜式電子電力產品之應用便是發展重點之一。
本研究目的是探討如何設計出一個符合穩定且高效率並具有實用性的直接甲醇燃料電池,吾人首先發展一套自動化測量系統,該系統包含量測與控制系統兩部份,其中量測系統主要在於自動化量測與紀錄電壓、電流、功率及溫度等實驗參數,控制系統則是自動化控制溶液加熱溫度、陰極氧氣供應、環境溫度控制及直流負載機等功能。
而研究的第二部份是將所設計量測平台,對單一燃料電池分別就環境與濃度實驗進行分析與探討,其中環境實驗方面會配合田口實驗法尋求較佳的環境操作條件,進行濃度實驗則是用多種濃度設定條件,探討較佳的燃料濃度。
最後本研究會使用計算流體力學電腦輔助工程分析軟體ICEPAK和FLUENT,針對直接甲醇燃料電池的陽、陰極流道做更進一步的系列探討與設計。陽極端設計的目的,是要讓燃料能夠盡可能的分佈均勻,若發生不均勻的現象會降低電池整體性能。陰極端空氣流道設計目的,在於陰極端氧氣供應過程中其風速、風壓與表面溫度需具有均勻性。本研究的最終目的在於結合實驗與模擬,提供一個有效的方法,使的直接甲醇燃料電池得以在適合的操作條件下,獲得較佳的性能。
英文摘要 An effective alternate energy resource has been urgent acquired because of the energy crisis in the world. Therefore, many country, company, or institutes invest a lot of people and money in the development of new energy technologies. The direct methanol fuel cell (DMFC) is prominent to be highly considered the application in the future portable electronics.
The mainly object of this thesis is to illustrate how to design a stable, high performance, and practical DMFC. The first part of this paper is to develop an automatic diagnostic system. The developed system consists of measuring and control parts. The information of voltage, current, power, and temperature of the DMFC could be measured and recorded by the system; the system could also make the controls of the fuel inlet temperature, cathode airflow inlet environment temperature, and DC loading machine.
The second part of this paper is to make the parametric studies on the operating environment as well as the concentration effect to a single-cell DMFC by utilizing the diagnostic system. The environment studies adopted the Taguchi’s method to figure out a better operation condition. The comparison of a DMFC performance under several different methanol concentrations at several specific operating conditions was conducted to get a good concentration range.
In addition, the last part of the thesis is to apply the computational fluid dynamic technique to make a series of designs on the anode and cathode side flow channels. The design on the anode side emphasized the uniformity of the fuel supplying to the cells in the planar DMFC stack, where the non-uniformity could significantly decrease the DMFC performance. The design on the cathode side focused on the uniformity of the airflow velocity, pressure, and temperatures aside of the cells. The ultimate purpose of the research is to provide the methodology to make a good DMFC design under proper operating conditions by integrating the experimental and simulation results.
論文目次 第一章 緒論 1
1-1 前言-------------------------------------- 1
1-2 問題探討---------------------------------- 3
1-3 研究目的與方法----------------------------- 4
第二章 燃料電池簡介 7
2-1 燃料電池發展背景--------------------------- 8
2-2 燃料電池之種類----------------------------- 9
2-3 燃料電池之特點---------------------------- 13
2-4 DMFC-------------------------------------- 14
2-4-1 DMFC之構造-------------------------- 14
2-4-2 DMFC之工作原理---------------------- 15
2-4-3 DMFC之效率-------------------------- 16
第三章 環境條件對DMFC性能分析 20
3-1 環境實驗測試電池--------------------------- 22
3-2 環境實驗量測系統--------------------------- 23
3-3 環境實驗控制系統--------------------------- 27
3-4 環境實驗計劃法----------------------------- 28
3-4-1 田口法---------------------------- 28
3-4-2 直交表--------------------------- 29
3-4-3 輸出回應分析---------------------- 31
3-5 環境實驗量測------------------------------- 35
3-6 結果與討論--------------------------------- 37
第四章 甲醇濃度對DMFC性能分析 42
4-1 濃度實驗測試電池--------------------------- 44
4-2 濃度實驗測試設備--------------------------- 44
4-3 濃度實驗量測------------------------------- 46
4-4 結果與討論--------------------------------- 47
第五章 陽極燃料供應與設計 55
5-1 研究動機----------------------------------- 55
5-2 6CELL測試電池------------------------------ 57
5-3 3CELL測試電池------------------------------ 58
5-4 3CELL可視化法之流道觀測-------------------- 60
5-5 數值分析----------------------------------- 62
5-5-1 FLUENT數值分析軟體--------------- 62
5-5-2 有限體積法------------------------ 63
5-5-3 非結構網格系統------------------- 65
5-5-4 數值模型建立---------------------- 66
5-5-5 數值分析與可視化分析之驗證-------- 68
5-6結果與討論---------------------------------- 70
5-6-1 不同之流道設計---------------------- 70
5-6-2 最佳陽極流道設計------------------- 72
第六章 陰極空氣流道之供應設計 75
6-1 ICEPAK數值分析軟體------------------------ 77
6-2 數值模型建立------------------------------- 78
6-3 開口設計----------------------------------- 81
6-4 可視化煙線實驗驗證------------------------- 84
第七章 結果討論與未來展望 86
7-1 結論 -------------------------------------- 86
7-2 未來展望----------------------------------- 87
參考文獻
表目錄
表2.1 燃料電池基本特性比較表-------------------------- 12
表3.1 直交表:L9-------------------------------------- 30
表3.2 不同環境操作條件實驗設定值---------------------- 36
表3.3 變異數分析------------------------------------- 39
表3.4 最佳化實驗數據驗證----------------------------- 40
表4.1 濃度實驗參數表---------------------------------- 47
表5.1 結構性網格與非結構性網格比較-------------------- 65
表6.1 參數設定值-------------------------------------- 80
表6.2 電池模組內部壓力與速度比較表-------------------- 83

圖目錄
圖1.1 影響DMFC性能圖-------------------------------- 4
圖1.2 研究執行流程圖--------------------------------- 6
圖2.1 直接甲醇燃料電池------------------------------- 14
圖2.2 DMFC運轉示意圖-------------------------------- 16
圖2.3 燃料電池性能曲線圖---------------------------- 19
圖2.4 功率密度隨電流密度之變化曲線------------------- 19
圖3.1 環境實驗流程圖-------------------------------- 21
圖3.2 單電池組合構裝示意圖--------------------------- 22
圖3.3 平台操作介面---------------------------------- 25
圖3.4 自動化測量平台架構圖-------------------------- 25
圖3.5 自動化負載控制平台架構圖---------------------- 26
圖3.6 環境實驗電池模組------------------------------- 26
圖3.7 環境測試平台架設圖----------------------------- 28
圖3.8 望小分析示意圖-------------------------------- 33
圖3.9 望目分析示意圖--------------------------------- 34
圖3.10 望大分析示意圖--------------------------------- 35
圖3.11 環境田口實驗結果------------------------------- 38
圖3.12 變異數分析曲線圖--------------------------------38
圖3.13 不同操作條件對電池影響分佈圖------------------ 41
圖3.14 溫度與電池最大輸出功率比較圖------------------ 41
圖4.1 濃度實驗流程圖------------------------------ 43
圖4.2 Single Cell ----------------------------------- 44
圖4.3 測量平台架構圖-------------------------------- 45
圖4.4 濃度實驗結果數據------------------------------ 48
圖4.5 各莫耳濃度之I-V Curve ------------------------ 48
圖4.6 各莫耳濃度 I-P Curve -------------------------- 49
圖4.7 不同溶液之電池性能圖-------------------------- 50
圖4.8 預先加熱溫度與質量流速I-V比較圖--------------- 51
圖4.9 預先加熱溫度與質量流速I-P比較圖--------------- 52
圖4.10 不同莫耳濃度之開路電壓比較--------------------- 52
圖4.11 低電流密度之能量密度比較-------------------- 53
圖4.12 中電流密度之能量密度比較----------------------- 53
圖4.13 高電流密度之能量密度比較---------------------- 54
圖5.1 陽極燃料供應與設計流程------------------------ 56
圖5.2 6CELL電池組合圖------------------------------- 57
圖5.3 6CELL測試電池性能曲線-------------------------- 58
圖5.4 3CELL電池性能測試平台------------------------- 59
圖5.5 3CELL流道圖----------------------------------- 59
圖5.6 3CELL電池性能曲線---------------------------- 60
圖5.7 紅墨水實驗測試 (a) 6CELL,(b) 3CELL ----------- 67
圖5.8 6cell 在單位時間可視化實驗與數值分析---------- 69
圖5.9 3cell在單位時間可視化實驗與數值分析------------ 69
圖5.10 設計變更模型圖1---------------------------------71
圖5.11 設計變更模型圖2-------------------------------- 71
圖5.12 新設計流道模型圖------------------------------ 73
圖5.13 新流道設計在單位時間可視化實驗與數值分析------- 73
圖5.14 新舊流道電池性能比較圖----------------------- 74
圖6.1 DMFC陰極流道設計流程圖------------------------- 76
圖6.2 模型建構圖------------------------------------- 79
圖6.3 風扇性能曲線---------------------------------- 80
圖6.4 原始模型速度分佈圖---------------------------- 82
圖6.5 不同流道設計速度分佈圖------------------------ 82
圖6.6 新設計空氣流道溫度分佈圖--------------------- 83
圖6.7 新設計空氣流道速度分佈圖------------------- 84
圖6.8 可視化實驗平台------------------------------ 85
圖6.9 (a)舊空氣流道,(b)新空氣流道------------------ 85
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