[[alternative]]The characterization of a small direct methanol fuel cell performance through single cell to the module

碩士[[abstract]]因地球資源的逐漸減少與環境污染的日益嚴重，於是尋找與積極的開發替代能源便開始受到各界的重視。其中具有高效率、低污染、低噪音的燃料電池便頗受各界矚目，而直接甲醇燃料電池(DMFC)具有系統結構簡單、體積能量單位密度高、操作溫度低及易攜帶等特性被評估為極具潛力應用於3C產業的替代電源之一 本論文第一部分藉由數值模擬軟體來針對DMFC之陰陽極進行模擬與分析。陽極部分探討了甲醇溶液的均勻性並利用流道內部壓力梯度來設計立體式流道，進而增進排除電池反應所產生的二氧化碳。陰極部份則探討空氣分布均勻性與水蒸氣排放的順暢性進行分析。最後藉由可視化實驗驗證流道設計對於氣泡排出性的改善狀況。第二部份將藉由實驗量測來針對DMFC陰陽極環境參數對於單電池，平面電池堆與PCB平面電池組效能的影響。陽極部分探討了DMFC在不同的甲醇溶液溫度、流量、濃度等環境參數對於DMFC效能的影響。陰極部分探討了在特定的環境下，陰極空氣流量、空氣流速對電池效能的影響。本論文最後則探討單電池、平面電池堆、與電池組的比較。 除了尋找較佳的陰陽極環境條件外，本論文的最終目的更要進一步探討環境參數在單電池映射至PCB平面電池組間的特性關係，提供DMFC在未來設計與系統操作的參考[[abstract]]As the earth resources gradually decrease and environmental pollution is getting serious, hunting and development on new resources of energy become important among country and research institution. Fuel cell is one of the most prominent new technologies because of its high efficiency, low pollution and low noise characterizations. The direct methanol fuel cell has been considered as full potentially applied to 3C industry as a substitute power source because it has the advantages of simple structure, high volume energy density, low operating temperature, and easier carried out. The first part of this paper is applying CFD technique to make the analysis and design on a DMFC anode and cathode flow boards. In anode design, the uniformity of fuel supplement is important as well as making inner pressure gradient to help drive carbon dioxide moving out. In cathode flow design, the air flow uniformity and smoothness of air driven out are discussed. Finally, the present algorithm will be verified via visualization experiments. The second part of this paper points out the environmental parametric effects on the single, planer, and PCB-based fuel cell DMFCs by experimental studies. In anode side, the effects on the DMFC performance under different conditions of MEOH solution temperature, flow rate and concentration have been addressed. In cathode side, the effects of airflow rate and velocity on DMFC performance at same specific conditions are also investigated. At the end of this paper, the comparison among single, planer fuel, and PCB-based DMFCs is included. In addition to looking for a better operating condition of a DMFC, the ultimate purpose of the paper will discuss the characterizations of mapping relationships from single, planer to PCB-based DMFC. The results could be a useful reference for further DMFC design and system operation in the future.[[tableofcontents]]目錄 第 一 章 緒論 1-1 前言............................................. 1 1-2 問題探討......................................... 3 1-3 研究目的與方法................................... 5 第 二 章 燃料電池原理與文獻回顧 2-1 燃料電池分類簡介................................. 7 2-2 直接甲醇燃料電池基本原理與構造................... 9 2-3 文獻回顧......................................... 11 2-3-1 環境與濃度對性能之影響......................... 11 2-3-2 陰／陽極流道對性能的影響....................... 13 2-3-3 印刷電路板(PCB)製程應用在燃料電池.............. 16 2-4 單電池與電池組................................... 18 第 三 章 陰陽極流道設計 3-1 流道設計重要性................................... 19 3-2 數值原理簡介..................................... 21 3-2 陽極流道設計..................................... 25 3-3 陰極流道設計..................................... 33 3-4 數值與實驗比較................................... 33 第 四 章 實驗原理與方法 4-1 陽極實驗方法..................................... 50 4-2 陰極實驗方法..................................... 57 4-3 電池介紹......................................... 61 4-4 實驗平台架設..................................... 63 第 五 章 結果與討論 5-1 陽極實驗結果與討論............................... 66 5-2 陰極實驗結果與討論............................... 79 第 六 章 結論與未來展望 6-1 結論............................................. 131 6-2 未來展望......................................... 134 附錄 A 參考文獻 135 圖目錄 圖1-1 本研究的架構圖.................................. 4 圖1-2 研究流程圖...................................... 6 圖2-1 各式燃料電池操作溫度............................ 8 圖2-2 直接甲醇燃料電池運作原理【3】....................10 圖2-3 SSFF 與 PFF 陽極流道板【12】.....................13 圖2-4 各式陽極流道板示意圖【13】..................... 15 圖2-5 採用PCB 製程的燃料電池【14】.....................16 圖2-6 燃料電池採用PCB 技術的多點量測組裝示意圖【15】 17 圖2-7 使用PCB 技術的多點量測實體照片【15】.............17 圖3-1 6cell 平面電池組與流道示意圖【18】...............19 圖3-2 6cell 平面電池組測試性能曲線【18】...............19 圖3-3 3cell 平面電池組流道示意圖【18】.................20 圖3-4 3cell 平面電池組示意圖【18】.....................20 圖3-5 3cell 平面電池組測試性能曲線【18】...............20 圖3-6 控制體積示意圖.................................. 21 圖3-7 網格生成示意圖.................................. 23 圖3-8 陽極流道板示意圖................................ 26 圖3-9 Semicircle / Honeycomb 剖面示意圖............... 26 圖3-10 平面電池堆與 PCB 電池組使用的陽極流道板........ 28 圖3-11 適用於12顆電池之平面電池組陽極流道板示意圖.... 29 圖3-12 正反兩面不同步且有氣泡堵塞的數值與實驗結果..... 29 圖3-13(A) 立體式流道設計概念示意圖.................... 30 圖3-13(B) 立體式流道設計示意圖........................ 30 圖3-14(A) 傳統流道設計的數值模擬結果.................. 30 圖3-14(B) 具立體式流道設計的數值模擬結果.............. 31 圖3-14(C) 具立體式流道設計的流道板示意圖.............. 31 圖3-15 採用立體式流道設計的實驗結果................... 32 圖3-16 陰極流道板示意圖............................... 33 圖3-17 平面電池堆與PCB 平面電池組使用的陰陽極流道板... 34 圖3-18 平面電池堆與 PCB 電池組的陰陽極流道板組裝示意圖 34 圖3-19(A)~(G) 不佳的陽極流道設計...................... 36 圖3-20(A) Smile 陽極流道數值與實驗比較................ 43 圖3-20(B) Honeycomb 陽極流道數值與實驗比較............ 44 圖3-21(A)~(B) 陰極端流道板數值模擬結果................ 45 圖3-22(A) Serpentine 陽極端流道板壓力分布數值模擬結果. 47 圖3-22(B) Semicircle 陽極端流道板壓力分布數值模擬結果. 48 圖3-22(C) Honeycomb 陽極端流道板壓力分布數值模擬結果.. 48 圖3-22(D) Smile 陽極端流道板壓力分布數值模擬結果...... 48 圖3-22(E) Pin TypeⅠ陽極端流道板壓力分布數值模擬結果...49 圖4-1 陽極實驗架構圖.................................. 50 圖4-2 效能驗證程序使用的陽極流道板(Pin TypeⅡ) ........52 圖4-3 效能驗證程序示意圖.............................. 53 圖4-4 陽極實驗流程圖.................................. 54 圖4-5 烘乾程序使用的治具.............................. 55 圖4-6 陰極實驗架構圖.................................. 56 圖4-7 平面電池堆測試用治具組裝示意圖.................. 59 圖4-8 PCB 平面電池組.................................. 59 圖4-9 陰極實驗流程圖................................. 60 圖4-10 單電池治具分解圖............................... 61 圖4-11 單電池治具..................................... 62 圖4-12 實驗平台架構圖................................. 63 圖4-13(A) 本實驗使用的數據擷取與控制系統.............. 64 圖4-13(B) 本實驗使用的量測平台........................ 65 圖5-1 負載機保護電路未提高的實驗結果.................. 68 圖5-2 陽極實驗性能曲線圖(固定溫度探討甲醇流量) ....... 69 圖5-3(A)～(E) 陽極實驗效能曲線圖(固定甲醇流量探討溫度) 70 圖5-4(A)～(F) 陽極實驗性能曲線圖(流道板效能驗證) ..... 72 圖5-5 陽極實驗性能曲線圖(甲醇溫度對DMFC 的影響) ...... 73 圖5-6 陽極實驗性能曲線圖(甲醇濃度對DMFC 的影響) ...... 75 圖5-7(A) Serpentine 在控制電壓為0.3(V)時的氣泡分佈圖 76 圖5-7(B) Semicircle 在控制電壓為0.3(V)時的氣泡分佈圖 76 圖5-7(C) Honeycomb 在控制電壓為0.3(V)時的氣泡分佈圖 77 圖5-7(D) Smile 在控制電壓為0.3(V)時的氣泡分佈圖....... 77 圖5-7(E) Pin TypeⅠ在控制電壓為0.3(V)時的氣泡分佈圖... 77 圖5-8(A) Serpentine 深度2mm 的實驗結果................ 79 圖5-8(B) Serpentine 深度4mm 的實驗結果................ 80 圖5-8(C) Serpentine 深度6mm 的實驗結果................ 80 圖5-8(D) Parallel 深度2mm 的實驗結果.................. 81 圖5-8(E) Parallel 深度4mm 的實驗結果.................. 81 圖5-8(F) Parallel 深度6mm 的實驗結果.................. 82 圖5-9(A) Serpentine 在流速為41.5 cm/sec的實驗結果... 84 圖5-9(B) Serpentine 在流速為83.3 cm/sec的實驗結果... 84 圖5-9(C) Serpentine 在流速為125 cm/sec的實驗結果.... 85 圖5-9(D) Parallel 在流速為3.78 cm/sec的實驗結果...... 85 圖5-9(E) Parallel 在流速為7.57 cm/sec的實驗結果...... 86 圖5-9(F) Parallel 在流速為11.36 cm/sec的實驗結果.... 86 圖5-10(A)~(F) 兩款陰極流道板在空氣流量為100~1000 的實驗結果(流道板深度為 2mm) ........... 87 圖5-11(A)~(F) 兩款陰極流道板在空氣流量為100~1000 的實驗結果(流道板深度為 4mm) ........... 90 圖5-12(A)~(F) 兩款陰極流道板在空氣流量為100~1000 的實驗結果(流道板深度為 6mm) ........... 93 圖5-13 平面電池堆示意圖............................... 98 圖5-14 平面電池堆使用的流道板示意圖................... 99 圖5-15(A) Serpentine (TypeⅠ)在串聯CV模式下的效能..... 100 圖5-15(B) Serpentine (TypeⅡ)在串聯CV 模式下的效能.....101 圖5-15(C) Parallel 在串聯CV 模式下的效能.............. 101 圖5-16 各式流道板在各自最佳的流量下的效能............. 103 圖5-17(A) Serpentine(TypeⅠ)最佳空氣流量下單顆性能曲線 103 圖5-17(B) Serpentine(TypeⅡ)最佳空氣流量下單顆性能曲線 104 圖5-17(C) Parallel 最佳空氣流量下單顆的性能曲線....... 104 圖5-18(A) Serpentine(TypeⅠ)在串聯CC模式下的性能曲線 105 圖5-18(B) Serpentine(TypeⅡ)在串聯CC模式下的性能曲線 106 圖5-18(C) Parallel在串聯CC模式下的性能曲線........... 106 圖5-19 各式流道板在最佳空氣流量下的效能曲線........... 107 圖5-20(A) Serpentine(TypeⅠ)在最佳空氣流量下性能曲線 108 圖5-20(B) Serpentine(TypeⅡ)在最佳空氣流量下性能曲線 109 圖5-20(C) Parallel在最佳空氣流量下性能曲線........... 109 圖5-21 以 PCB 技術製成的平面電池組.................... 111 圖5-22 實驗用PCB平面電池組示意圖..................... 111 圖5-23(A) Serpentine (TypeⅠ)在串聯CV模式下的效能..... 112 圖5-23(B) Serpentine (TypeⅡ)在串聯CV模式下的效能..... 113 圖5-23(C) Parallel 在串聯CV模式下的效能.............. 113 圖5-24 各式流道板在最佳的空氣流量值的效能............. 114 圖5-25(A) Serpentine(TypeⅠ)在最佳流量時單顆的性能曲線 115 圖5-25(B) Serpentine(TypeⅡ)在最佳流量時單顆的性能曲線 115 圖5-25(C) Parallel 在最佳空氣流量值時單顆的性能曲線... 116 圖5-26(A) Serpentine(TypeⅠ)在串聯CC模式下的性能曲線 118 圖5-26(B) Serpentine(TypeⅡ)在串聯CC模式下的性能曲線 118 圖5-26(C) Parallel在串聯CC模式下的性能曲線........... 119 圖5-27 各式流道板在各自最佳空氣流量下的效能曲線....... 120 圖5-28(A) Serpentine(TypeⅠ)在最佳空氣流量下性能曲線.. 120 圖5-28(B) Serpentine(TypeⅡ)在最佳空氣流量下性能曲線.. 121 圖5-28(C) Parallel 在最佳空氣流量下性能曲線........... 121 圖5-29 單電池在高空氣流量下性能曲線................... 123 圖5-30 單電池在高空氣流速下性能曲線................... 123 圖5-31(A) 單電池與平面電池堆在控制電壓為0.2(V)性能曲線 125 圖5-31(B) 單電池與平面電池堆在控制電壓為0.3(V)性能曲線 126 圖5-32(A) 單電池與PCB平面電池組在控制電壓為0.2(V)性 能曲線..................................... 128 圖5-32(B) 單電池與PCB平面電池組在控制電壓為0.3(V)性 能曲線..................................... 129 表目錄 表3-1 流體性質一覽表.................................. 24 表3-2 各流道板參考尺寸表.............................. 27 表3-3 陰極流道板尺寸參數一覽表........................ 33 表3-4 各式流道板出入口壓力表.......................... 47 表4-1 陽極實驗參數操作範圍............................ 52 表4-2 陰極流道之流速對照表............................ 57 表4-3 陰極實驗參數一覽表.............................. 58 表5-1 電池性能在不同溫度下的驗證...................... 74 表5-2 各式流道板效能與氣泡數量........................ 78 表5-3 在不同深度下的流量與對應的流速表................ 83 表5-4 平面電池堆實驗參數定義.......................... 98 表5-5 平面電池堆負載參數定義.......................... 98 表5-6 各式流道板在效能最佳的空氣流量值與實驗數據...... 102 表5-7 CV模式中依據最佳空氣流量下探討單顆量測時的比較表 105 表5-8 串聯CC模式下數據列表........................... 107 表5-9 CC模式依據最佳空氣流量下探討單顆量測時的效能列表 110 表5-10 各式流道板在串聯CV模式下效能最佳的空氣流量值.. 113 表5-11(A) CV模式依據最佳流量值探討單顆量測時的實驗數據 116 表5-11(B) Serpentine(TypeⅡ)在單顆量測的實驗數據比較表 117 表5-12 串聯CC模式下數據列表.......................... 119 表5-13 CC模式依據最佳空氣流量下探討單顆量測的實驗數據 122 表5-14 單電池與平面電池堆效能差異幅度一覽表........... 127 表5-15 單電池與PCB電池組效能差異幅度一覽表............ 129[[note]]學號: 693370073, 學年度: 9