陳發林臺灣大學：應用力學研究所吳振銘Wu, Jhen-MingJhen-MingWu2007-11-292018-06-292007-11-292018-06-292007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62483本論文採用商業套裝軟體CFDRC對進氣型無薄膜燃料電池進行三維系統下的數值模擬，並將其系統中的流場、濃度場和電化學場中各物種所呈現的速度場、質量傳遞現象和電池性能做一系列的說明。論文中以有限體積法和疊代法來求解相關的統御方程式。此無薄膜燃料電池採用甲酸和硫酸的混合水溶液當做燃料，並從陽極主流道入口通入；硫酸水溶液當做氧化劑，並從陰極主流道入口通入；此外，在氣體擴散電極處通入氧氣。根據文獻中實驗做合理的基本假設後，改變合理的操作參數，如反應物濃度、反應物流量、流道幾何尺寸和觸媒層孔隙率等，並觀察其對電池的性能、流場的速度和濃度分佈等的影響結果，以期找出能改善電池性能的重要依據。模擬結果顯示，相對陽極處的操作條件，如濃度、觸媒層厚度和孔隙率、氣體擴散電極厚度和孔隙率，陰極處的改變會都會較佳的改善幅度，濃度上的增加會使得性能提升，特別是氧氣的部分；而結果看來厚度和孔隙率的增加對反應物的消耗有正面的幫助，只是厚度的影響有較明顯的極限存在。對高流量的反應物來說，會使得電池性能下降。至於流道幾何尺寸來看，流道長度增加雖使電流密度提升，但因燃料穿透愈來愈明顯，故效果有限；而對高高寬比的流道結構會有較佳的電池性能表現，因高寬比除了直接牽扯到歐姆阻抗的問題，對需考量燃料穿透和流量帶來損害的可能性。目 錄 口試委員會審定書…………………………………………………… 中文摘要……………………………………………………………… iv 英文摘要……………………………………………………………… vi 表目錄…………………………………………………………………viii 圖目錄………………………………………………………………… ix 符號說明……………………………………………………………… xii 第一章 緒論………………………………………………………… 1 1.1 燃料電池發展史簡介……………………………………… 1 1.2 燃料電池的工作原理……………………………………… 2 1.3 文獻回顧…………………………………………………… 3 1.4 研究動機…………………………………………………… 8 第二章 理論分析…………………………………………………… 10 2.1 進氣型無薄膜燃料電池的工作原理……………………… 10 2.2 進氣型無薄膜燃料電池的基本假設……………………… 11 2.3 進氣型無薄膜燃料電池的統御方程式…………………… 12 2.3 進氣型無薄膜燃料電池的統御方程式…………………… 12 2.3.1 流場分析……………………………………………… 12 2.3.2 濃度場分析…………………………………………… 14 2.3.1 電場分析……………………………………………… 14 2.4 進氣型無薄膜燃料電池的邊界條件與初始條件………… 16 第三章 數值方法…………………………………………………… 19 3.1 軟體CFDRC介紹…………………………………………… 19 3.2 有限體積法(finite volume method)…………………… 19 3.3 有限差分方程式(finite difference equation)……… 21 3.4 收斂標準…………………………………………………… 22 3.5 格點測試…………………………………………………… 22 第四章 結果與討論………………………………………………… 26 4.1 濃度對電池性能的影響…………………………………… 26 4.1.1 氧氣比例對電池性能的影響………………………… 26 4.1.2 甲酸濃度對電池性能的影響………………………… 27 4.2 氣體擴散電極對電池性能的影響………………………… 27 4.2.1 氣體擴散電極厚度對電池性能的影響……………… 27 4.2.2 氣體擴散電極的孔隙率對電池性能的影響………… 27 4.3 陰極觸媒層對電池性能的影響…………………………… 28 4.3.1 陰極觸媒層厚度對電池性能的影響………………… 28 4.3.2 陰極觸媒層的孔隙率對電池性能的影響…………… 28 4.4 陽極觸媒層對電池性能的影響…………………………… 28 4.4.1 陽極觸媒層厚度對電池性能的影響………………… 28 4.4.2 陽極觸媒層的孔隙率對電池性能的影響…………… 29 4.5 流量對電池性能的影響…………………………………… 29 4.6 主流道長度對電池性能的影響…………………………… 29 4.7 高寬比對電池性能的影響………………………………… 30 第五章 總結與建議………………………………………………… 55 5.1 總結………………………………………………………… 55 5.1 未來研究方向建議………………………………………… 56 參考文獻……………………………………………………………… 582845758 bytesapplication/pdfen-US無膜燃料電池進氣模擬membranelessfuel cellair-breathingCFDRCthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/62483/1/ntu-96-R93543035-1.pdf