馬小康臺灣大學：機械工程學研究所城立偉Cheng, Li-WeiLi-WeiCheng2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61105由本實驗室過去研究得知改變壓電元件振幅可使薄膜曲率發生變化進而造成腔體體積之變動。本研究在質子交換膜燃料電池系統之流道上以相似之制動方式將壓電薄膜應用在質子交換膜燃料電池上，命名為壓電可變式質子交換膜燃料電池。此新設計系利用壓電制動方式之氣體泵可供給自然進氣質子交換膜燃料電池所需之空氣，壓電薄膜向上拉伸增加腔體體積時，空氣會因為壓力差而被吸入腔體中，當壓電薄膜壓回初始位置，減少腔體之體積，此時腔體內之部分空氣被壓入觸媒層中增強電池之化學反應。壓電可變式燃料電池空氣標準循環可成功的描述自然進氣壓電可變式燃料電池之運作方式，本研究已建立一三維、暫態之壓電可變式質子交換膜燃料電池模組，並探討電池中之各種現象與電池之整體效率。進一步來說，在高頻率時，壓電薄膜之制動方式可產生更穩定電流輸出、排出多餘水氣、吸進更多空氣量與更高氫氣消耗量，且可有效克服濃度極化，此外當量比在壓電可變式燃料電池中為一重要參數，在貧燃料之情況下，自然進氣之壓電可變式燃料電池可節省更多氫氣與逐步增加電流值之生成。Previous studies showed that the amplitude of vibration of a piezoelectric (PZT) device produces an oscillating flow which changes the chamber volume along with curvature variation of the diaphragm. In a similar way, the actuating micro-diaphragm with piezoelectric effects is utilized as one of the flow channels PEM fuel cell systems, named as PZT-PEMFC. This newly designed gas pump with a piezoelectric actuation structure can feed air into the system of an air-breathing PEM fuel cell. While the actuator is moving outward to increase the cathode channel volume, the air is sucked in the chamber; moving inward to decrease the cathode channel volume, then air is compressed into the catalyst layer and enhances the chemical reaction. Also, the air-standard PZT-PEMFC Cycle is proposed to describe an air-breathing PZT-PEMFC. At the same time, a novel design of PZT-PEMFC’s has been developed and a three-dimensional, transitional model has been successfully built to account for its major phenomena and the fuel cell performance. Moreover, at high frequencies, PZT actuation leads to more stable current output, drained water, sucked oxygen, higher hydrogen consumption, and also overcomes the concentration losses. In addition, the equivalent ratio is used as an important parameter for the novel PZT-PEMFC. At hydrogen lean condition, an air-breathing PZT-PEMFC saves more hydrogen and gradually increases the current generation.目錄 摘 要 4 ABSTRACT 5 章節目錄 II 表目錄 IV 圖目錄 V 符號表 VIII 章節目錄 第一章 導論 - 1 - 1.1 前言 - 1 - 1.2 燃料電池之介紹 - 3 - 1.2.1 燃料電池分類 - 3 - 1.2.2 燃料電池基本原理及特性 - 4 - 1.2.3質子交換膜燃料電池（PEMFC） - 5 - 1.2.4 MEA薄膜特性 - 6 - 1.2.5 性能曲線（I-V Curve） - 7 - 1.2.6 壓電材料 - 8 - 1.2.7薄膜式泵簡介 - 9 - 1.3 文獻回顧 - 10 - 1.4研究目的 - 18 - 第二章 理論模式之建立 - 19 - 2.1 物理模型 - 19 - 2.2 基本假設 - 20 - 2.3 壓電薄膜之理論分析 - 20 - 2.4統御方程式 - 21 - 2.4.1 流道層 - 21 - 2.4.2 擴散層 - 24 - 2.4.3 觸媒層 - 26 - 2.5 邊界條件 - 30 - 2.5.1 陽極端邊界條件 - 30 - 2.5.2 陰極端邊界條件 - 30 - 2.5.3 多孔性薄膜參數 - 31 - 2.5.4 壁面邊界條件： - 31 - 2.6 初始條件 - 32 - 第三章 數值方法分析 - 32 - 3.1 數值方法 - 32 - 3.1.1 通用守恆方程式(Generic Conservation Equation) - 33 - 3.1.2 有限體積法 - 33 - 3.1.3 SIMPLEC 演算法則 - 36 - 第四章 結果與討論 - 40 - 4.1 相同頻率與電壓值之特性 - 40 - 4.1.1 不同時間點氫氣分布情形 - 40 - 4.1.2 陽極端流速對電池效率之影響 - 41 - 4.2 相同流速不同頻率之效率分析 - 42 - 4.2.1壓電薄膜頻率對陽極端氧氣質量流率之影響 - 42 - 4.2.2 壓電薄膜頻率對陽極端燃料質量流率之影響 - 43 - 4.2.3壓電薄膜頻率對陰極端水氣排出量之影響 - 43 - 4.3 頻率對電流值之影響 - 45 - 第五章 結論與建議 - 46 - 5.1 結論 - 46 - 5.2 建議 - 47 - 參考文獻 - 48 - 表目錄 表1-1燃料電池之種類 - 52 - 表1-2 薄膜厚度、交換容量與含水率 - 53 - 表1-3 質子交換膜燃料電池之理想效率表 - 54 - 圖目錄 圖1-1國際油價比較示意圖 - 55 - 圖1-2全球石油含量示意圖 - 55 - 圖1-3全球石油使用量示意圖 - 56 - 圖1-4 過去兩百五十年全球二氧化碳排放量(百萬噸) - 56 - 圖1-5 過去150年間地球平均上升溫度(以1960-1990年溫度為基準) - 57 - 圖1-6 1.2KW Nexa燃料電池動力模組 - 57 - 圖1-7 William Groove 實驗示意圖 - 58 - 圖1-8 再生型燃料電池【元智大學】 - 58 - 圖1-9 均一化再生型燃料電池【元智大學】 - 59 - 圖1-10內燃機發電與燃料電池發電之流程圖 - 59 - 圖1-11質子交換膜燃料電池PEMFC構造圖 - 60 - 圖1-12質子交換膜燃料電池PEMFC單電池示意圖 - 60 - 圖1-13質子交換膜燃料電池PEMFC電池堆示意圖 - 61 - 圖1-14質子交換膜燃料電池PEMFC發電示意圖 - 61 - 圖1-15 MEA之構造圖 - 62 - 圖1-16燃料電池之極化曲線 - 62 - 圖1-17 電偶極矩 - 63 - 圖1-18 壓電效應關係圖 - 63 - 圖2-1 燃料電池尺寸示意圖 - 64 - 圖2-2 燃料電池作動示意圖(a) - 64 - 圖2-2 燃料電池作動示意圖(b) - 65 - 圖2-2燃料電池作動示意圖(c) - 65 - 圖2-2燃料電池作動示意圖(d) - 66 - 圖2-2燃料電池作動示意圖(e) - 66 - 圖2-3 陰極流道進口流與出口流之週期示意圖 - 67 - 圖2-4轉移電流示意圖 - 67 - 圖3-1有限體積法（finite-volume） - 68 - 圖3-2控制體積下二維模式之格點計算方式 - 68 - 圖3-3 SIMPLEC解題流程圖 - 69 - 圖4-1(a) 氫氣分布 - 70 - 圖4-1(b) 氫氣分布 - 71 - 圖4-1(c) 氫氣分布 - 72 - 圖4-2 壓力分佈 - 73 - 圖4-3(a) 氫氣分布 - 74 - 圖4-3(b) 氫氣分布 - 75 - 圖4-3(c) 氫氣分布 - 76 - 圖4-4 電流與時間關係圖(f=1 cycle/sec、Volt=0.7V) - 77 - 圖4-5 電流與時間關係圖(f=2 cycle/sec、Volt=0.7V) - 77 - 圖4-6(a) 電流密度場 - 78 - 圖4-6(b) 電流密度場 - 79 - 圖4-7(a) water content - 80 - 圖4-7(b) water content - 81 - 圖4-8(a) 氧氣量隨週期變化圖 - 82 - 圖4-8(b) 氧氣質量流率隨週期變化圖 - 83 - 圖4-8(c) 氧氣質量流率隨週期變化圖 - 84 - 圖4-9 氧氣消耗率隨週期變化圖 - 85 - 圖4-10(a) 氫氣質量流率隨週期變化圖 - 86 - 圖4-10(b) 氫氣質量流率隨週期變化圖 - 87 - 圖4-10(c) 氫氣質量流率隨週期變化圖 - 88 - 圖4-11 氫氣消耗率隨週期變化圖 - 89 - 圖4-12(a) 水氣進排氣質量流率隨週期變化圖 - 90 - 圖4-12(b) 水氣進排氣質量流率隨週期變化圖 - 91 - 圖4-12(c) 水氣進排氣質量流率隨週期變化圖 - 92 - 圖4-13 水氣生成率隨週期變化圖 - 93 - 圖4-14 水氣進排氣質量流率與電流分布圖 - 94 - 圖4-15 電流、電壓與週期變化圖 - 95 - 圖4-16 不同頻率下，電流隨頻率變化圖 - 96 - 圖4-17 氫氣使用率與電流值隨化學當量比變化圖 - 96 -en-US壓電元件壓電可變式質子交換膜燃料電池氣體泵自然進氣水氣排出量燃料使用率Piezoelectric effectPZT-PEMFCMicro-diaphragmair-breathingcurrent generationthesis