馬小康Ma, Hsiao-Kang臺灣大學:機械工程學研究所黃育仁Huang, Yu-JenYu-JenHuang2010-06-302018-06-282010-06-302018-06-282009U0001-0307200914122900http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/187179近年來由於二氧化碳排放過多造成地球暖化問題日趨嚴重，另一方面石油的價格飆漲，全球能源面臨枯竭之憂。因此尋找乾淨環保的替代能源成為各界努力的目標。以氫氣為燃料的燃料電池（Fuel Cells），具有零污染、高電能轉換效率、低噪音及可再生性等特點正符合上述需求，所以已成為為全球寄予厚望的替代能源之一。本研究是利用CFD-RC套裝軟建立一三維與暫態之模型體來模擬壓電式質子交換膜燃料電池，並探討不同的操作參數條件下其電池之效能與陰極腔體內部之流場分析。論文中分別探討燃料電池陽極端的流道設計、壓電片頻率、Membrane厚度對於壓電式質子交換膜燃料電池效能之影響。此外亦探討陰極碳板加上Nozzle及Diffuser構造對電池的表現是否有幫助，並進行一連串實驗，針對模擬結果加以驗證。經過實驗及模擬後可得到，陰極肋條比例相較於陽極流道的改變對於電池效能影響較大。本研究在模擬上最佳操作條件為Nozzle and Diffuser陰極流道設計、燃料入口溫度與電池操作溫度為323K、壓電頻率為64Hz，其電池產生的電流密度為0.376 A/cm2；在實驗上最佳操作條件為Nozzle and Diffuser陰極流道設計、燃料入口溫度與電池操作溫度為298K、壓電頻率為180Hz，其電池產生的功率為0.49Watt。For recent years, the problem of global warming have become more and more serious. Moreover, the petroleum price has soared, reaching USD 140 per barrel. The energy depletion is approaching. People have been devoted to explore cleaner and economically efficient alternative energy resource. Meanwhile, the fuel cells which takes hydrogen as main fuel resource has been brought onto stage for the given advantage it bears including zero pollution, high energy efficiency, zero noise and vibration, and renewable. Fuel cell obviously will be one of the best green power options. Previous studies indicated piezoelectric device with proton exchange membrane fuel cells, PZT-PEMFCs, the actuating micro-diaphragm with piezoelectric effects as one of the flow channels, could be successfully operated. In this study, we discuss the performance of PZT-PEMFCs with different operating conditions, which includes anode channel design of PZT-PEMFCs, the thickness of membrane, frequency of piezoelectric device, and Nozzle and Diffuser design in cathode chamber. Rib design in cathode chamber is the most obvious factor on the performance of PZT-PEMFCs. The optimal condition in simulation is Nozzle and Diffuser design in cathode chamber, inlet gas at anode side and cell temperatures 323K, and inlet gas temperature at cathode side is 298K.The average current density when vibration frequency of piezoelectric device 64Hz in simulation is 0.376 A/cm2. The optimal condition in experiment is Nozzle and Diffuser design in cathode chamber, inlet gas and cell temperatures is 298K. The power when vibration frequency of piezoelectric device 180Hz in experiment is 0.49Watt.第一章 導論 1.1 前言 1.2 燃料電池的介紹 3.2.1 燃料電池的分類 3.2.2 燃料電池之基本原理與特性 4.2.3 質子交換膜燃料電池簡介 5.2.4 質子交換膜特性 6.3 燃料電池之效率 7.3.1 極化（Polarization） 7.3.2 當量比(Equivalence Ratio) 8.3.3 效率 9.4 壓電式質子交換膜燃料電池之介紹 10.4.1 微型泵之分類(壓電泵) 10.4.2 壓電效應與壓電材料 11.4.3 壓電式質子交換膜燃料電池 12.5 文獻回顧 12.6 研究目的 18二章 理論模式之建立 20.1 基本假設 20.2 壓電薄膜之理論模式 20.3 統御方程式 22.3.1 連續方程式 22.3.2 動量方程式 22.3.3 能量方程式 23.3.4 成分守恆方程式 23.3.5 電流守恆方程式 26.4 數值方法 28.4.1 CFD-RC套裝軟體應用 28.4.2 有限體積法 28.5 物理模型 29.5.1 基本蜿蜒型之物理模型 29.5.2 基本指叉型之物理模型 29.5.3 基本平行型之物理模型 30.5.4 Nozzle and Diffuser陰極流道型之物理模型 30.6 邊界與初始條件 30.6.1 多孔性薄膜參數 31.6.2 碳板性質參數 31.6.3 不同的陽極流道之邊界與初始條件 32.6.4 不同壓電元件振動頻率之邊界與初始條件 33.6.5 Nozzle and Diffuser陰極流道之邊界與初始條件 34.6.6 Nozzle and Diffuser陰極流道之壓電頻率之邊界與初始條件 35.6.7 格點數測試 36三章 PZT-PEMFCs實驗 38.1 實驗架構 38.2 實驗儀器 38.3 實驗操作參數 39.4 模擬趨勢驗證實驗 41.5 最佳頻率實驗 42四章 結果與討論 44.1 陽極流道差異對於燃料電池之影響 44.1.1 陽極流道差異下之電流探討 44.1.2 陽極流道差異下改變Membrane厚度對電池的影響 45.2 不同陰極壓電頻率對於燃料電池之影響 45.2.1 陰極壓電頻率對電流的影響 45.2.2 陰極壓電頻率差異下之氧氣及水氣質量分率 46.3 Nozzle and Diffuser陰極流道對燃料電池的影響 47.3.1 Nozzle and Diffuser陰極流道差異對電流的影響 47.3.2 Nozzle and Diffuser陰極流道的壓力及水氣分佈 48.3.3 Nozzle and Diffuser陰極流道之實驗與模擬的驗證 49.4 Nozzle and Diffuser陰極流道之壓片頻率對燃料電池的影響 50五章 結論與建議 52.1 結論 52.2 建議 53考文獻 541- 1 國際油價走勢圖 571- 2 過去兩百五十年全球二氧化碳排放量(百萬噸) 571- 3 過去150年間地球平均上升溫度 581- 4 燃料電池模組 591- 5 均一化再生型燃料電池 591- 6 內燃機發電與燃料電池發電之流程圖 601- 7 質子交換膜燃料電池(PEMFCs)構造圖 601- 8 質子交換膜燃料電池(PEMFCs)發電示意圖 611- 9 MEA之構造圖 611- 10 燃料電池之極化曲線 621- 11 燃料電池實際效率ζreal 621- 12 壓電效應關係圖 631- 13 電偶極矩 631- 14 壓電式質子交換膜燃料電池作動模式 642- 1 陰極流道進口流與出口流之週期示意圖 642- 2 控制體積示意圖 652- 3 轉移電流示意圖 652- 4 CFD-RC之處理流程圖 652- 5 有限體積法（finite-volume） 662- 6 基本蜿蜒型外觀幾何圖 662- 7 基本指叉型外觀幾何圖 672- 8 基本平行型外觀幾何圖 672- 9 Nozzle and Diffuser陰極流道型外觀幾何圖 682- 10 格點測試 693- 1 質子交換膜燃料電池分解圖 693- 2 質子交換膜燃料電池工作原理 703- 3 訊號產生器(Function generator) 703- 4 訊號放大器(Amplifier) 713- 5 燃料電池測試整合機台 713- 6 Nozzle錐度示意圖 723- 7 Nozzle and Diffuser陰極流道碳板 723- 8 實驗連結圖 733- 9 薄膜與壓電片黏貼 733- 10 將黏貼好的壓電裝置與金屬片進行黏貼 744- 1 不同陽極流道所產生之電流密度比較圖（Membrane厚度0.05mm） 744- 2不同陽極流道之壓力分佈圖 754- 3不同陽極流道所產生之電流密度比較圖（Membrane厚度0.183mm） 754- 4 不同Membrane厚度下之氫氣消耗圖 764- 5 不同陰極壓電頻率在指叉流道所產生之電流密度比較圖 764- 6 不同壓電頻率下之陰極腔體速度分佈圖 774- 7 不同壓電頻率下之陰極腔體溫度分佈圖 774- 8 不同壓電頻率下之陰極腔體氧氣質量分率分佈圖 774- 9 不同壓電頻率下之陰極腔體水氣質量分率分佈圖 784- 10 無Nozzle及Diffuser設計之陰極流道電壓與電流密度關係圖（實驗） 784- 11 不同Nozzle and Diffuser陰極流道所產生之電流密度比較圖 794- 12 不同Nozzle and Diffuser陰極流道之陰極腔體壓力分布圖 794- 13 不同Nozzle and Diffuser陰極流道之陰極腔體水氣質量分率分佈圖 804- 14 Case C及Case D的X方向之U速度分佈圖 804- 15 Case C及Case D的Y方向之V速度分佈圖 814- 16 Case A之電壓與電流密度關係圖 814- 17 Case B之電壓與電流密度關係圖 824- 18 Case C之電壓與電流密度關係圖 824- 19 Case D之電壓與電流密度關係圖 834- 20 Case A之功率密度與電流密度關係圖 834- 21 Case B之功率密度與電流密度關係圖 844- 22 Case C之功率密度與電流密度關係圖 844- 23 Case D之功率密度與電流密度關係圖 851- 1 燃料電池之種類 861- 2 薄膜厚度、交換容量與含水率 871- 3 質子交換膜燃料電池之理想效率表 884- 1 不同陰極壓電頻率之燃料電池進氣表 884- 2 Nozzle and Diffuser陰極流道之電流密度與壓力差比較表 894- 3 Nozzle and Diffuser陰極流道之模擬與實驗平均電流比較表 895473130 bytesapplication/pdfen-US壓電式質子交換膜燃料電池陽極流道電流密度PZT-PEMFCsanode channelNozzleDiffusercurrent density[SDGs]SDG7thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/187179/1/ntu-98-R96522313-1.pdf