陳發林臺灣大學:應用力學研究所任博川Jen, Po-ChuanPo-ChuanJen2010-06-022018-06-292010-06-022018-06-292008U0001-1507200811130700http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/184768本研究是利用Comsol-Multiphysics建立的二維數值模型，對質子交換膜燃料電池之氣體擴散層進行計算分析。其中，所考慮的理論包含變形理論、流場、質量傳輸、以及電化學反應，並以有限元素法進行求解，藉由改變不同的組裝壓力，計算孔隙度、速度、濃度場以及接觸阻抗的變化，進一步探討對整體燃料電池性能的影響。研究結果發現，組裝壓力對電池的主要影響有二－氧氣傳輸效率以及接觸阻抗。高組裝壓力會使氣體擴散層的孔隙度變小，進而使氧氣傳輸變差，但太低的組裝壓力，則會造成接觸阻抗增加，造成過大的歐姆損失。故在最佳化設計上，組裝壓力是必須考慮的一項因素。In this study, a two dimensional model built by Comsol-Multiphysics is used. It is applied to analyze gas diffusion layer of proton exchange membrane fuel cell. The theory includes large deformation theory, fluid field, species transport, and electrochemical reaction. The porosity, velocity, oxygen, and water vapor distribution in gas diffusion layer can be calculated with different clamping pressure. The results show that high clamping pressure will decrease the transport resistance, but low clamping pressure will increase the contact resistance between gas diffusion layer and bipolar plate. Therefore, clamping pressure needs to be considered in cell design.致謝-----------------------------------------------------------------------------------I文摘要----------------------------------------------------------------------------II文摘要---------------------------------------------------------------------------III錄---------------------------------------------------------------------------------IV目錄-----------------------------------------------------------------------------VII目錄------------------------------------------------------------------------------IX號說明----------------------------------------------------------------------------X一章 序論------------------------------------------------------------------------1 1.1 燃料電池的歷史發展--------------------------------------------------1 1.2 燃料電池的基本原理--------------------------------------------------2 1.3 文獻回顧-----------------------------------------------------------------3 1.4 研究主題-----------------------------------------------------------------8二章 理論分析-----------------------------------------------------------------10 2.1 基本假設----------------------------------------------------------------10 2.2 統御方程式-------------------------------------------------------------12 2.3 邊界條件----------------------------------------------------------------14.4 性能曲線----------------------------------------------------------------16 2.4.1 電壓損失--------------------------------------------------------16 2.4.2 活化過電位損失-----------------------------------------------16 2.4.3 歐姆極化損失--------------------------------------------------16 2.4.4 濃度極化損失--------------------------------------------------17.5 模擬計算流程----------------------------------------------------------18三章 結果與討論--------------------------------------------------------------21 3.1 肩寬為1mm時----------------------------------------------------------21 3.1.1 在不同組裝壓力下孔隙度分佈-----------------------------21 3.1.2 在不同組裝壓力下速度場分佈-----------------------------21 3.1.3 在不同組裝壓力下氧氣濃度分佈--------------------------21 3.1.4 在不同組裝壓力下水蒸氣濃度分佈-----------------------22 3.1.5 在不同組裝壓力下電流密度分佈--------------------------22 3.1.6 在不同組裝壓力下電池性能分析--------------------------23.1.7 組裝壓力對電流及電壓的影響-----------------------------24.2 肩寬為0.5mm時-------------------------------------------------------25 3.2.1在不同組裝壓力下孔隙度分佈------------------------------25.2.2在不同組裝壓力下速度場分佈------------------------------26.2.3在不同組裝壓力下氧氣濃度分佈---------------------------26 3.2.4在不同組裝壓力下水蒸氣濃度分佈------------------------27 3.2.5在不同組裝壓力下電流密度分佈---------------------------28 3.2.6在不同組裝壓力下電池性能分析-------------------------- 28四章 結論與建議-------------------------------------------------------------48 4.1 結論---------------------------------------------------------------------48 4.2 未來的研究方向及建議---------------------------------------------49五章 參考文獻----------------------------------------------------------------50目錄圖1-1 質子交換膜燃料電池基本原理圖 [11]-------------------9圖2-1 模擬區間示意圖-------------------------------------11圖3-1 在不同組裝壓力下，氣體擴散層孔隙度分佈圖------------30圖3-2 在不同組裝壓力下，氣體擴散層速度分佈圖--------------313-3 在不同組裝壓力、操作電流密度為1 (A/cm2)之情況下，氣體擴散層氧氣濃度分佈---------------------------------323-4 在不同組裝壓力、操作電流密度為1 (A/cm2)之情況下，氣體擴散層水蒸氣濃度分佈圖-----------------------------333-5 在不同組裝壓力、操作電流密度為1 (A/cm2)情況下，觸煤層電流密度分佈圖-------------------------------------343-6 在不同組裝壓力、雙極板材質為不鏽鋼的情況下，電流-電壓曲線圖---------------------------------------------353-7 在不同組裝壓力、雙極板材質為不鏽鋼的情況下，電流-功率曲線圖---------------------------------------------363-8 在不同組裝壓力、雙極板材質為石墨的情況下，電流-電壓曲線圖-----------------------------------------------373-9 在不同組裝壓力、雙極板材質為石墨的情況下，電流-功率曲線圖-----------------------------------------------383-10在不同的活化過電位損失的情況下，不同組裝壓力對電流密度分佈圖-------------------------------------------393-11在不同的活化過電位損失的情況下，不同組裝壓力對電壓分佈圖-----------------------------------------------403-12在不同組裝壓力、肩寬為0.5mm的情況下，氣體擴散層孔隙度分佈圖-------------------------------------------413-13在不同組裝壓力、肩寬為0.5mm的情況下，氣體擴散層速度分佈圖---------------------------------------------423-14在不同組裝壓力、操作電流密度為1 (A/cm2)、肩寬為0.5mm之情況下，氣體擴散層氧氣濃度分佈圖-----------------433-15在不同組裝壓力、操作電流密度為1 (A/cm2)、肩寬為0.5mm之情況下，氣體擴散層水蒸氣濃度分佈圖---------------443-16在不同組裝壓力、操作電流密度為1 (A/cm2)、肩寬為0.5mm之情況下，觸媒層電流密度分佈圖----------------------453-17在不同組裝壓力、肩寬為0.5mm、雙極板材質為不鏽鋼的情況下，電流-電壓曲線圖------------------------------463-18在不同組裝壓力、肩寬為0.5mm、雙極板材質為不鏽鋼的情況下，電流-功率曲線圖------------------------------47目錄2-1 參數表----------------------------------------------192-2 不同材質的電阻係數----------------------------------20application/pdf1322575 bytesapplication/pdfen-US質子交換膜燃料電池氣體擴散層組裝壓力接觸阻抗氧氣傳輸效率proton exchange membrane fuel cellgas diffusion layerclamping pressurecontact resistancetransport resistancethesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/184768/1/ntu-97-R95543048-1.pdf