郭景宗臺灣大學：機械工程學研究所李佳鴻2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/60974本文旨在探討質子交換膜燃料電池陰極端流道寬度及不同流量與加濕溫度對氧氣消耗的影響，由於陰極端氧氣消耗與電池整體性能有著密不可分的關係，本實驗利用氣相色層分析儀量測陰極端氧氣莫耳分率沿流道分佈情形，藉此了解燃料電池內不同位置反應情況，提昇氧氣參與反應的比例，最終提高電池性能、發電穩定性，並配合計算流體力學(CFD)軟體FLUENT，以數值分析方法來輔助本文，幫助實驗結果的探討及增加準確性。 文中探討流道型式包含單條流道與蜿蜒式流道兩種，單條流道實驗中，將改變不同流道寬度，配合數值模擬分析，比較兩者之間的差異，並利用電流中斷法來對實驗與模擬之過電位作一比較，蜿蜒式流道實驗則是分別在兩種不同流道寬度下，改變入口氣體流量、陽極端加濕與電池操作電壓，探討流道內不同取樣點位置的氧氣莫耳分率變化。本文之結果顯示，陰極側之氧氣濃度分佈對電池之性能有極大的影響，當氧氣不足時會造成濃度過電位，若提高流道入口之流量，則可提升電池之性能，陽極端加濕可以提高流道前段反應速度，尤其在高流量下，為避免流道前段膜因太乾燥而反應不佳，加濕是有其必要性The thesis deals with the oxygen consumption of proton exchange membrane fuel cell effected by the channel width, gas flow rate and humidified.The consumption of oxygen in cathode field correlates with the performance of cell so that this experiment to used gas chromatograph measures the cathode oxygen mole fraction distribution along flow channel to fine out the reaction condition at different locate in order to increase the rate of oxygen involvement and eventually to increase the efficiency and stability of the cell. The fluid dynamic computational code FLUENT was used to assist the paper that experiment result discussion and accuracy. This thesis is composed of two parts: single-channel and serpentine. Single-channel deals with the consumption of oxygen at different channel width to compare with numerical analysis and used the current interrupt technique to comprehend overvoltage divergence between experiment and numerical result.The serpentine experiment to confer between two different channel width changed inlet gas flow rate, anodic side humidified and cell operation voltage deals with the mole fraction of oxygen at different extraction ports. The results indicated the concentration of oxygen in the cathode are significant effects for the cell performance, the concentration over-potential increased while the failure to transport sufficient oxygen to the catalyst, oppositely the cell performance increased as the inlet flow rate. The channel at forward reactant are increased while the anode side humidified, especially in high flow rate humidified is necessary to avoid reactant harmful cause the channel at forward too dry.摘要 英文摘要 目錄 圖目錄 表目錄 第一章 緒 論 ………………………………………………………1 1.1 前言 .……………………………………………………..………1 1.2 燃料電池基本原理 ………………………………………..….…2 1.3 研究動機與目的 …………………………………………..…….3 1.4 文獻回顧 …………………………………………………..…….4 第二章 理論分析 …………………………………………………..8 2.1 沿流道質量傳輸分佈研究 ………………………………8 2.2 數值模擬統御方程式 ………………………………………….10 第三章 實驗與數值方法 ………………………………………….16 3.1 實驗方法 ………………..……………………………..……16 3.2 實驗流程 ………………..…………………………….………16 3.2.1 燃料電池測試設備操作流程 …….….……………………16 3.2.2 氣體採樣流程 …………………..…………………………17 3.2.3 氣相色層分析儀操作流程 …….…..………...………17 3.3 實驗設備 ………………..…………………………………….18 3.3.1 燃料電池測試系統 …….…..………...……………………18 3.3.2 燃料電池組成結構 …….…..………...……………………20 3.3.3 氣體採樣與分析裝置 ….…..………...……………………22 3.4 數值方法 …………………………………………………….25 3.4.1 數值軟體 ……………….………………………………25 3.4.2 基本假設 ………………..……….……………………25 3.4.3 數值計算方法 ………….…..…………………………25 3.4.4 初始與邊界條件 ………………….……………………32 第四章 結果與討論 ………………………………………………40 4.1 單條流道陰極端之質量傳輸分佈研究 …………………… 40 4.1.1 單條流道幾何型式與操作參數 ..…………………………40 4.1.2 格點獨立測試 ………………..…………………………....41 4.1.3 單條流道實驗與數值比較 ..………………………………42 4.1.4 流道寬度對單條流道性能影響 ....………………..………44 4.1.5 流量與流道寬度對單條流道氧氣分佈影響 ..……………44 4.2 蜿蜒式流道之質量傳輸分佈研究 …………………………….45 4.2.1 蜿蜒式流道幾何型式與操作參數 ………………………46 4.2.2 蜿蜒式流道實驗與數值比較 ……………………………46 4.2.3 流量與流道寬度對蜿蜒式流道氧氣分佈影響……………47 4.2.4 陽極端加濕對蜿蜒式流道氧氣分佈影響……..…………. 50 第五章 結論與建議 ………………………….………………………69 5.1 結論 ……………………………………………………………69 5.2 建議 …………………………………………………………….70 參考文獻 …………………….……………………………………….72 附錄 ……………………………………………………………………751202820 bytesapplication/pdfen-US氧氣分佈數值摸擬質子交換膜燃料電池Oxygen distributionPEMFCNumerical simulationthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/60974/1/ntu-93-R91522115-1.pdf