陳發林臺灣大學：應用力學研究所謝秉佐Hsieh, Ping-TsoPing-TsoHsieh2007-11-292018-06-282007-11-292018-06-282007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62317本研究分成兩個部分，第一個部分是設計一個孔隙度線性變化的氣體擴散層，利用兩相流的理論，對質子交換膜燃料電池的陰極氣體擴散層內，液態水飽和度以及氧氣濃度分析。研究中發現，依據兩相流理論，在觸媒層產生的液態水，會阻塞孔道，影響氧氣傳輸，利用此氣體擴散層，能夠增加排水性，增進電池的效率。而滲透率較小，以及接觸角增大，對氣體擴散層內的液態水以及氧氣傳輸，皆有幫助。而第二個部分則是在氣體擴散層接近觸媒層的那一側，加入一層薄的微孔層，因為在孔狀結構裡，液態水的傳輸主要是靠毛隙壓力，所以在氣體擴散層和微孔層的介面，我們可以從壓力連續的條件，來求得此介面的液態水飽和度，藉由此方式來探討當氣體擴散層和微孔層相互之間不同的性質時，對液態水飽和度，以及氧氣濃度的影響。This study can be divided into two parts. The first part is that to design a gas diffusion layer with linear porosity. Analyzing liquid water saturation and oxygen concentration distribution in gas diffusion layer of cathode gas diffusion layer of PEM fuel cells by using two-phase flow model. We find liquid water due to chemical reactions reduces effective porosity of gas diffusion layer and hinders oxygen transport to reaction site. When the permeability decreases or the contact angle increases, the liquid water saturation and oxygen concentration distribution in gas diffusion layer would be better. The second part is to put a micro-porous layer on the catalyst side of gas diffusion layer. Liquid water transportation is governed by capillary action in pore structure, therefore , the gas and liquid pressure across the interface of these two layers are continuos. The effects of gas diffusion layer and micro-porous layer composed of two materials and characteristics are elucidated.致謝…………………………………………………………………I 中文摘要……………………………………………………………II 英文摘要……………………………………………………………III 目錄………………..…………………………………...…...………IV 表目錄……………..……………………………………...…...……VI 圖目錄……………..……………………………………...…...……VI 符號說明…………………………………………………….….. VIII 第一章 序論………………………………………………………….1 1.1 燃料電池發展史……………………...…..…..………..….......1 1.2 燃料電池基本原理……………………………………………2 1.3文獻回顧………………………………….……………………3 1.4研究動機……………………………………….……..………..8 第二章 理論分析…………………………………….…..…...….…..9 2.1 氣體擴散層之孔隙度為線性變化……………………………9 2.1.1統御方程式…………………………………………..…9 2.1.2 水的傳輸 ………….…………………………………12 2.1.3 氧氣的傳輸…………………………………………...14 2.1.4 邊界條件……………………………………………...15 2.2 加了微孔層………………………………………………….16 2.2.1氣體擴散層…………………………………………….16 2.2.2微孔層…………………………………………………..16 2.3性能曲線……………………………………………………...17 第三章 數值方法………………………………………….………..18 第四章 結果與討論……………………………………….…..……22 4.1氣體擴散層之孔隙度為線性變化…………………………...22 4.1.1孔隙度線性變化………………………………………..22 4.1.2滲透率…………………………………………………..23 4.1.3接觸角…………………..................................................25 4.2加了微孔層…………………………….………..…..………..26 4.2.1孔隙度…….…………………………………………….27 4.2.2接觸角…………………………………………………..28 4.2.3滲透率…………………………………………………..28 4.2.4氣體擴散層不同厚度………….……………………….29 第五章 結論與建議………………………………………………...50 第六章 參考文獻………………….………………………………..52 表目錄 表4.1參數表……………………………………………….…31 圖目錄 圖4.1不同孔隙度線性變化下在氣體擴散層內的液態水飽和度分佈圖…………...………………………………......33 圖4.2不同孔隙度線性變化下在氣體擴散層內的氧氣濃度分 佈圖……….……………..……………………………..34 圖4.3不同孔隙度線性變化下電池性能曲線圖……..………35 圖4.4孔隙度線性變化以及孔隙度為常數在不同滲透率的液態水飽和度分佈圖………...…………………………..36 圖4.5孔隙度線性變化以及孔隙度為常數在不同滲透率的氧氣濃度分佈圖………………...……………………......37 圖4.6孔隙度線性變化在不同滲透率的電池性能曲線圖. ….38 圖4.7孔隙度線性變化以及孔隙度為常數在不同接觸角的液態水飽和度分佈圖…………………………………….39 圖4.8孔隙度線性變化以及孔隙度為常數在不同接觸角的氧氣 濃度分佈圖…………..…………………..…..……….........40 圖4.9孔隙度線性變化在不同接觸角的電池性能曲線圖……...41 圖4.10不同孔隙度之氣體擴散層的液態水飽和度分佈圖.........42 圖4.11不同孔隙度之氣體擴散層的氧氣濃度分佈圖…….……43 圖4.12不同接觸角之微孔層的液態水飽和度分佈圖……..…...44 圖4.13不同接觸角之微孔層的氧氣濃度分佈圖……………….45 圖4.14不同滲透率之微孔層的液態水飽和度分佈圖………….46 圖4.15不同滲透率之微孔層的氧氣濃度分佈圖……………….47 圖4.16不同厚度之氣體擴散層的液態水飽和度分佈圖….........48 圖4.17不同厚度之氣體擴散層的氧氣濃度分佈圖…………….49367462 bytesapplication/pdfen-US微孔層兩相流micro-porous layertwo-phase flowthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/62317/1/ntu-96-R94543068-1.pdf