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研究生: 劉宗麟
Chung-Lin Liu
論文名稱: 模擬質子交換膜燃料電池陰極水蒸汽冷凝雙相流現象實驗探討
Simulated Two-Phase Flow Study of Steam Condensation in the Cathode of PEMFC
指導教授: 潘欽
Chin Pan
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 122
中文關鍵詞: 燃料電池水管理氣體擴散
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  • I
    摘要
    質子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cell)
    運作時會在陰極生成水蒸汽,水蒸汽可能會冷凝在氣體擴散層(Gas
    diffusion layer)、觸媒層(Catalyst layer)、和陰極流道(Cathode
    flow channel),而阻礙陰極氣體進入產生反應,降低電池的效率。
    本研究利用水蒸汽和乾燥空氣來模擬PEMFC 陰極端迷你流道中雙相
    流的傳輸現象,以期了解水蒸汽在擴散層與流道的機制。
    研究分為兩個部分,第一部分使用相同蒸汽量通過四種不同氣體
    擴散層(Toray paper 060、Carbon cloth(no treated)、HT2500、ELAT
    V2.1)觀察蒸汽冷凝在擴散層與冷凝形成之液珠成長與背壓之關係。
    結果顯示,氣體擴散層(GDL)其滲透率(permeability)越低,其冷凝
    液珠所需移除的背壓也越高;而疏水性越高的氣體擴散層,冷凝液珠
    小且接觸角大,疏水性低的氣體擴散層冷凝面積大且接觸角較小。
    第二部分則加入迷你壓克力矩形流道,並控制蒸汽流量和空氣流
    量比率,模擬PEMFC 陰極流道雙相流傳輸現象。本研究探討蒸汽對應
    於PEMFC 在電流密度為3.52A/cm2、10.7A/cm2、17.6A/cm2及不同當量
    的空氣流量下,流道內的雙相流與壓降。研究結果顯示,在這些操作
    條件下,水仍絕大部分以蒸汽方式離開,而沒有觀察到擴散層因水滿
    溢而有液珠長出的現象;反而流道間(rib)因壓克力較親水且空氣不
    II
    易進入,會使水從流道間的擴散層處滿溢進流道。若使用較疏水的
    GDL,由流道間滿溢進的水較易隨空氣流動而排除,而較親水的GDL
    其流道間滿溢入的水不易移除且可能會在流道上面形成一層液膜。


    IV 目錄 頁次 摘要.....................................................Ⅰ 誌謝.....................................................Ⅲ 目錄.....................................................Ⅳ 表目錄...................................................Ⅷ 圖目錄...................................................Ⅸ 頁次 第一章 續論.............................................. 1 1-1 前言............................................. 1 1-2 燃料電池的簡介................................... 2 1-2-1 燃料電池的歷史.............................. 2 1-2-2 燃料電池的工作原理.......................... 3 1-2-3 燃料電池的特點.............................. 3 1-2-4 燃料電池的種類.............................. 4 1-3 質子交換膜燃料電池................................ 6 1-4 研究動機......................................... 8 1-5 研究方法......................................... 9 1-6 論文架構........................................ 10 V 第二章 文獻回顧......................................... 11 2-1 PEMFC 中氣液雙相流研究相關文獻................... 11 2-2 流體於側壁為多孔性結構流道流動壓降分析.......... 17 第三章 實驗測試段的製作與實驗環路系統.................. 19 3-1 實驗測試段的製程................................ 19 3-1-1 迷你矩形流道製程........................... 19 3-1-2 氣體擴散層與墊片的製作程序................. 21 3-2 雙相流實驗環路系統.............................. 23 3-2-1 實驗設備環路............................... 23 3-2-2 控制與量測系統............................. 24 3-2-3 影像擷取系統............................... 30 3-3 實驗方法與步驟.................................. 31 第四章 實驗結果與討論................................... 35 4-1 蒸汽冷凝於氣體擴散層(GDL)排除機制............... 35 4-1-1 氣體擴散層(GDL)物理特性及流道表面親疏水性.. 35 4-1-2 氣體擴散層氣體滲透率量測.................... 40 4-1-3 液珠冷凝於氣體擴散層(GDL)分析.............. 43 (a) Toray paper 060 ........................... 43 (b) Carbon cloth ............................. 48 VI (c) ELAT V2.1 ................................ 50 (d) HT 2500 .................................. 52 4-1-4 總結....................................... 57 4-2 實驗模擬燃料電池陰極液氣排除行為................ 61 4-2-1 迷你(Mini)矩形流道之單相壓降分析............ 61 4-2-2 燃料電池水蒸汽與空氣比率估算................ 71 4-2-3 雙相流流動型態探討.......................... 74 (a) Toray paper 060 ........................... 74 (b) Carbon cloth ............................. 80 (C) ELAT V2.1 ................................ 83 (D) HT2500 .................................... 89 4-2-5 雙相壓降分析............................... 94 4-2-6 總結....................................... 97 第五章 結論與建議...................................... 100 5-1 本論文研究成果................................. 100 5-2 未來研究建議................................... 102 參考文獻............................................... 104 附錄A 氣體擴散層性質.................................. 111 附錄B 注射式幫浦...................................... 113 VII 附錄C 可變焦顯微放大系統.............................. 117 附錄D 可變焦顯微鏡放大倍率表.......................... 119 附錄 E 氣體流量計 HM1171A .............................. 120 附錄 F 接觸角量測儀(FT 􀁄A 200) ........................... 121 VIII 表目錄 頁次 表1- 1 各種燃料電池基本特性比較.................. 5 表3- 1 流道幾何尺寸.............................. 20 表3- 2 攝影機擷取影像之設定與其關係品質......... 30 表4- 1 氣體擴散層之比較.......................... 35 表4- 2 氣體擴散層表面及液滴接觸角................ 36 表4- 3 HT2500 和V2.1 空氣流量相對壓力值.......... 40 表4- 4 Carbon cloth 和Toray paper 060 空氣流量相對壓 力值......................................... 41 表4- 5 四種氣體擴散層的平均滲透率k 值............ 42 表4- 6 氣體擴散層porosity 和gas permeability 值.. 43 表4- 7 Jay 以水實驗量測氣體擴散層背壓............ 59 表4- 8 以蒸氣實驗四種氣體擴散層液珠長出之背壓.... 60 表4- 9 假設電流密度換算產生水、空氣流量比較圖... 73 表4- 10 四種不同氣體擴散層於不同蒸汽量下流譜行為..98 IX 圖目錄 圖1- 1 1839 年Grove 進行的氣體電池實驗............ 3 圖1- 2 燃料電池組合示意圖......................... 7 圖1- 3 PEMFC 陽極陰極端氣液雙相反應機制示意圖..... 8 圖2- 1 流體流道示意圖........................... 11 圖2- 2 加入一層微孔層與無加入示意圖.............. 14 圖2- 3 不同假設壓降比較圖....................... 17 圖3- 1 顯微鏡下矩形流道圖........................ 19 圖3- 2 壓克力流道及其上蓋圖...................... 20 圖3- 3 流道與其上蓋組合件圖...................... 21 圖3- 4 GDL 墊片組合圖............................ 22 圖3- 5 實驗設備環路圖............................ 23 圖3- 6 注射式幫浦示意圖.......................... 25 圖3- 7 加熱管示意圖...............................27 圖3- 8 蒸汽槽下蓋............................... 27 圖3- 9 蒸氣槽上蓋................................ 27 圖3- 10 加熱模組示意圖........................... 27 圖3- 11 模組3D 圖............................... 28 圖3- 12 熱電偶與差壓傳送器與測試段連接示意圖..... 29 X 圖3- 13 實驗一測試端組合圖....................... 33 圖3- 14 實驗二測試端組合圖....................... 34 圖4- 1 四種氣體擴散層SEM 圖...................... 39 圖4- 2 量測氣體擴散層滲透率...................... 40 圖4- 3 四種GDL 之流量相對壓力圖................. 41 圖4- 4 碳紙背壓與蒸汽隨時間變化圖................ 44 圖4- 5 碳紙液珠成長圖............................ 45 圖4- 6 碳紙液珠成長半徑及背壓圖.................. 46 圖4- 7 碳紙冷凝後液珠長出假想圖.................. 48 圖4- 8 碳布背壓及蒸氣溫度圖...................... 49 圖4- 9 碳布水溢滿圖............................. 49 圖4- 10 碳布內冷凝截面假想圖..................... 50 圖4- 11 ELAT V2.1 背壓與蒸氣溫度圖............... 50 圖4- 12 ELAT V2.1 液珠成長圖..................... 51 圖4- 13 V2.1 液珠成長半徑與背壓關係圖............ 52 圖4- 14 HT2500 背壓及蒸汽溫度圖.................. 53 圖4- 15 HT2500 液珠成長圖........................ 54 圖4- 16 droplet 1 長出先噴出液珠圖............... 55 圖4- 17 HT2500 液珠半徑成長及背壓關係圖.......... 55 XI 圖4- 18 HT2500 和ELAT V2.1 液珠移除假想圖比較.... 57 圖4- 19 水在PEMFC 氣體擴散層移除行為............. 58 圖4- 20 流道高寬比............................... 62 圖4- 21 矩形管完全發展層流中的fRe 與K(∞) ......... 62 圖4- 22 矩形管發展流f Re 與x+ 關係圖............... 64 圖4- 23 (a)突縮管件 (b)突擴管件................. 64 圖4- 24 流體於90°彎管流動壓力損耗係數........... 65 圖4- 25 矩形流道一面為多孔層示意圖.............. 66 圖4- 26 無孔隙等截面積迷你流道壓降預測和實驗值比較圖 ............................................. 68 圖4- 27 多孔性(ELAT V2.1)迷你流道壓降預測值和實驗值 比較圖....................................... 69 圖4- 28 多孔性(HT2500)Mini 流道壓降預測值和實驗值比較 圖........................................... 70 圖4- 29 多孔性(Toray paper)Mini 流道壓降預測值和實驗 值比較圖..................................... 70 圖4- 30 多孔性(Carbon cloth)Mini 流道壓降預測和實驗值 比較圖....................................... 71 圖4- 31 碳紙全流道圖(蒸汽流量33.3cc/min、空氣流量 XII 64cc/min (St=1)) ............................. 75 圖4- 32 碳紙全流道圖(蒸汽流量33.3cc/min、空氣流量 127cc/min (St=2)) ............................ 75 圖4- 33 碳紙全流道圖(蒸汽流量 33.3cc/min、空氣流量 191cc/min (St=3)) ............................ 75 圖4- 34 碳紙全流道圖(蒸汽流量33.3cc/min、空氣流量 254cc/min (St=4)) ............................ 75 圖4- 35 碳紙全流道圖(蒸汽流量100cc/min 空氣流量 191cc/min(S=1)) .............................. 77 圖4- 36 碳紙流道末端放大圖(蒸汽流量100cc/min、空氣流 量191cc/min(St=1)) .......................... 78 圖4- 37 碳紙全流道圖(蒸汽流量100cc/min、空氣流量 287cc/min (St=1.5)) .......................... 78 圖4- 38 碳紙流道末端放大圖(蒸汽流量100cc/min、空氣流 量287cc/min(St=1.5)) ........................ 79 圖4- 39 碳紙全流道圖(蒸汽量166.7 cc/min、空氣量 300cc/min(St=1)) ............................. 80 圖4- 40 碳紙流道末端放大圖(蒸汽量166.7 cc/min、空氣 量300cc/min(St=1)) .......................... 80 XIII 圖4- 41 碳布全流道圖(蒸汽流量為33.3cc/min 空氣流量 64cc/min(St=1)) .............................. 81 圖4- 42 碳布全流道圖(蒸汽流量為33.3cc/min 空氣流量 127cc/min(St=2)) ............................. 81 圖4- 43 碳布全流道圖(蒸汽流量為33.3cc/min、空氣流量 191cc/min(St=3)) ............................. 81 圖4- 44 碳布全流道圖(蒸汽流量100cc/min、空氣流量 191cc/min(St=1) .............................. 82 圖4- 45 碳布全流道圖 (蒸汽流量100cc/min、空氣流量 287cc/min(St=1.5)) ........................... 82 圖4- 46 碳布全流道圖(蒸汽流量166.7cc/min、空氣流量 300cc/min(St=1)) ............................. 83 圖4- 47 碳布流道末段放大圖 (蒸汽流量166.7cc/min、空 氣流量300cc/min(St=1)) ...................... 83 圖4- 48 ELAT V2.1 全流道圖(蒸汽量33.3cc/min、空氣量 64cc/min(St=1)) .............................. 84 圖4- 49 ELAT V2.1 全流道圖(蒸汽量33.3cc/min、空氣量 127cc/min(St=2)) ............................. 84 圖4- 50 ELAT V2.1 全流道圖(蒸汽量33.3cc/min、空氣量 XIV 191cc/min(St=3)) ............................. 84 圖4- 51 ELAT V2.1 全流道圖(蒸汽量33.3cc/min、空氣量 254cc/min(St=4)) ............................. 85 圖4- 52 ELAT V2.1 全流道圖(蒸汽流量100cc/min、空氣流 量191cc/min(St=1)) .......................... 85 圖4- 53 ELAT V2.1 流道放大圖 (蒸汽流量100cc/min、空 氣流量191cc/min(St=1)) ...................... 86 圖4- 54 ELAT V2.1 全流道圖(蒸汽流量100cc/min、空氣流 量287cc/min(St=1.5)) ........................ 87 圖4- 55 ELAT V2.1 流道放大圖(蒸汽量 100cc/min、空氣量 287cc/min(St=1.5)) ........................... 88 圖4- 56 ELAT V2.1 全流道圖(蒸汽量166.7cc/min、空氣量 300cc/min(St=1)) ............................. 88 圖4- 57 ELAT V2.1 流道放大圖(蒸汽量166.7cc/min、空氣 量300cc/min(St=1)) .......................... 89 圖4- 58 HT2500 全流道圖(蒸汽量33.3cc/min、空氣 64cc/min(St=1)) .............................. 89 圖4- 59 HT2500 全流道圖(蒸汽量33.3cc/min、空氣 127cc/min(St=2)) ............................. 90 XV 圖4- 60 HT2500 全流道圖(蒸汽量33.3cc/min、空氣量 191cc/min(St=3)) ............................. 90 圖4- 61 HT2500 全流道圖(蒸汽量33.3cc/min、空氣量 254cc/min(St=4)) ............................. 90 圖4- 62 HT2500 全流道圖 (蒸汽量100cc/min、空氣量 191cc/min(St=1)) ............................. 91 圖4- 63 流道內液珠移除圖(蒸汽量100cc/min、空氣量 191cc/min(St=1)) ............................. 92 圖4- 64 HT2500 全流道圖 (蒸汽量100cc/min、空氣量 287cc/min(St=1.5)) ........................... 92 圖4- 65 液珠縮小圖 (蒸汽量100cc/min、空氣量 287cc/min(St=1.5)) ........................... 93 圖4- 66 全流道圖 (蒸汽量166.7cc/min、空氣量 300cc/min(St=1)) ............................. 94 圖4- 67 流道內小液珠出現消散圖(蒸汽量166.7cc/min、空 氣量300cc/min(St=1)) ........................ 94 圖4- 68 蒸汽量為33.3cc/min 流道壓降圖............ 95 圖4- 69 蒸汽量為100cc/min 流道壓降圖............. 96 圖4- 70 蒸汽量為166.7cc/min 流道壓圖............. 96 XVI 圖4- 71 水自rib 溢滿入流道視意圖................. 98 圖4- 72 流道擴散層內冷凝水移動假想圖............ 99

    104
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    附錄A 氣體擴散層性質
    TORAY PAPER SPECIFICATION SHEET
    TP-060 TP-120
    Properties Unit TP-060 TP-120
    Thickness mm 0.19 0.37
    bulk density g/cm3 0.45 0.45
    porosity % 78 78
    gas permeability mmaq/mm 27 33
    (pressure difference under the air flow of 14cm/sec divided by thickness.)
    electrical resistivity
    through plane Ωcm 0.08 0.08
    112
    in plane 0.005 0.005
    Thermal
    conductivity
    cal/cm ・ sec ・ °C (4x10-3) (4x10-3)
    Flexural strength kgf/cm2 400 400
    MPa 39.2 39.2
    Flexural Modulus kgf/cm2 (1.0x105) (1.0x105)
    MPa (9800) (9800)
    Typical Properties for Standard Fabric Styles
    CC
    Construction Plain
    Yarn Input 2/27
    Count (W X F) 48 X 44
    yarns/in
    Areal Weight 3.4 oz/yd 2 6.5
    Widths up to 33 in
    Thickness 15 mils
    Density 1.75 g/cc
    Carbon Content 99%
    Oxidation Rate (%
    per hr)
    1.0
    at 932 F (500 C)
    113
    附錄B 注射式幫浦
    驅動塊鬆緊旋
    注射筒夾住
    可裝載二個注射筒並結合廣闊速度範圍和支援各式各樣的注射筒尺
    寸,可滿足實際上實驗運用的需要。
    特色:
    (1) 裝載一或兩個注射筒,每一個10 毫升 到140 毫升。
    (2) 液晶顯示操作目錄。
    (3) 手動自由調整驅動塊旋鈕鬆緊。
    (4) 簡易的選單驅動設定。
    (5) 穩定的連續注入工作流體。
    (6) 可控制欲注入工作流體體積和自動關機功能。
    (7) 四種流率單位的選擇。
    (8) 幫浦在運轉時可以檢視或改變體積或流速設定值。
    (9) 自我保護停機的功能。
    (10) 過去的設定在會存儲在永久的記憶體中。
    (11) 內建RS232C 介面,可連接電腦作控制。
    114
    (12) TTL interface for foot switch, timer, relay control, outputs for run
    indicator, valve control (見下圖).
    (13) Optional multi-step keypad programmable feature (見下圖).
    規格說明
    幫浦類型 注入
    最多可裝載注射筒數目二個
    注射筒尺寸 10 微升~140 豪升
    注射筒載台尺寸 28×23×1414 公分
    幫浦重量 4 公斤
    線性出力 每分鐘18 公斤
    每一微步前進 0.165 微米(1/16 step)
    最大步比率 (1/2 Step) 1600/秒
    最小步比率 1 step / 30 秒
    準確率 ± < 1%
    重現率 ± 0. 1%
    可聽見警報 選購
    115
    幫浦運作流率對照表
    注射筒 最小流率 最大流率
    10 l 0.001 l/h 22.98 l/min
    25 l 0.001 l/h 60.68 l/min
    50 l 0.001 l/h 105.8 l/min
    100 l 0.001 l/h 212.6 l/min
    250 l 0.001 l/h 527.6 l/min
    500 l 0.001 l/h 1.06 ml/min
    1 ml 0.001 l/h 2.20 ml/min
    3 ml 0.001 l/h 7.36 ml/min
    5 ml 0.001 l/h 14.33 ml/min
    10 ml 0.001 l/h 20.91 ml/min
    20 ml 0.001 l/h 36.19 ml/min
    30 ml 0.001 l/h 46.49 ml/min
    60 ml 0.001 l/h 70.57 ml/min
    140 ml 0.001 l/h 147 ml/min
    117
    附錄C 可變焦顯微放大系統
    1. Zoom 70 主體
    Model:29-65-15
    Industrial Zoom 70 with Illuminator (同軸)
    2. 迷你光學管 (Straight TV Tube)
    Model:29-90-90
    1X Mini TV Tube
    3. 同軸光纖管光源 (250 W)
    Model:FOI-250
    TechniQuip Label-250 Watts Fiber Optic Illuminator
    4. 2 倍輔助物鏡 (Auxiliary Lens)
    Model:29-20-14
    5. 一體成型載物平台加Z 軸微調器 (精度:0.01 mm)
    Model:HD-Stand
    尺寸:L×W=19×27 (cm)
    For Zoom 70 系統手動對焦
    6. 精密X、Y 軸載物平台
    Model:BC-XY
    尺寸:110L×110W (mm)
    118
    移動量:25 mm
    內含360°旋轉盤
    Maker:
    Item 1,2,4:Optem (U.S.A)
    Item 3: TechniQuip (U.S.A)
    Item 5,6: 國產
    119
    附錄D 可變焦顯微鏡放大倍率表
    1/2” CCD CAMERA + 15” MONITOR (47.6 X)
    1 2 3 4 5 6 7
    0.75 1.5 2.25 3 3.75 4.5 5.25
    1/2X Tube 17.8 35.7 53.5 71.4 89.2 107.1 124.9
    2/3X Tube 21.4 45.8 64.2 85.6 107.1 128.5 149.9
    1X Tube 35.7 71.4 107.1 142.8 178.5 214.2 249.9
    1.5X Tube 53.5 107.1 160.6 214.2 267.7 321.3 374.8
    2X Tube 71.4 142.5 214.2 285.6 357 428.4 499.8
    1/3” CCD CAMERA + 15” MONITOR (63.2 X)
    1 2 3 4 5 6 7
    0.75 1.5 2.25 3 3.75 4.5 5.25
    1” 23.7 47.4 71.1 94.8 118.5 142.2 165.9
    2/3X Tube 28.4 56.8 85.3 113.7 142.2 170.6 199
    1X Tube 47.4 94.8 142.2 189.6 237 284.4 331.8
    1.5X Tube 71.1 142.2 213.3 284.4 355.5 426.6 497.7
    2X Tube 94.8 189.6 284.4 379.2 474 568.8 663.6
    CCD Camera & Monitor 倍率轉換表
    9” 12” 13” 14” 20” 27”
    1” 14.3 19.1 20.6 22.12 31.8 42.9 1.58 每吋公倍數
    2/3” 20.8 27.7 30 32.2 46.2 62.3 2.30 每吋公倍數
    1/2” 28.6 38.1 41.3 44.38 63.5 85.7 3.17 每吋公倍數
    1/3” 38.1 50.7 55 59 84.6 114.1 4.22 每吋公倍數
    Zoom
    倍率
    TV Tube
    Zoom 格數
    Zoom
    TV Tube 倍率
    Monitor
    Camera
    倍率
    Zoom 格數
    120
    附錄 E 氣體流量計 HM1171A
    121
    附錄 F 接觸角量測儀(FT
    &#1048644;A
    200)
    The FTÅ200 is a flexible video system for measuring contact angle, surface and
    interfacial tensions, wettability, and absorption. The time scale can vary from 1/60
    second (60 images/second) to hours and can be varied nonlinearly to efficiently
    follow absorptions. The system can capture both static and dynamic behavior of liquid
    interactions. Analysis is based on the drop shape's size and shape, and data can be
    plotted with built in graphing facilities or exported to standard database and
    spreadsheet programs. Being a Windows program, it is easy to transfer data and
    images to other applications and across networks.
    The system functions as a transient analyzer, meaning it continually captures
    images and can recall any number of past images after a trigger event. A variety of
    dynamic events can furnish the trigger. One such trigger is real-time software
    detection of the drop detaching from the dispense tip. The automatic syringe pump, a
    timer, and user input, can also furnish triggers.
    Completely automatic image analysis is available, but manual and partially
    automatic modes are provided to accommodate difficult images Explicit graphics
    show the operator where the automatic algorithms found the drop and specimen edges.
    The analysis will function on true grayscale images which show sample detail, as
    opposed to only silhouette style images.
    122
    Analysis functions:
    The software can measure or calculate many quantities of interest from the drop
    shape including:
    1. Static or equilibrium contact angle
    2. Capillary contact angle
    3. Advancing contact angle
    4. Receding contact angle
    5. Pendant drop surface tension
    6. Pendant drop interfacial tension
    7. Drop volume interfacial tension
    8. Sessile drop surface tension
    9. Sessile drop spreading
    10. Sessile drop adsorption
    11. Surface energy from contact angles
    12. Work of adhesion/adhesion tension
    13. Critical micelle concentration
    Zisman critical wetting tension

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