本章節內容為實驗流程規劃以及儀器設備規格介紹。本實驗所做的研 究的範圍包括三方面：第一項是延續劉佳杰學長[56]、劉安祐學長[57]、洪 振祐學長[58]的研究，在質子交換膜燃料電池雙極板完成輕量化改良後，對 單電池做電性量測。第二項是完成燃料電池組裝與電池組性能測詴。第三 部分為將已開發的燃料電池組搭配太陽能電池系統，導入實驗室開發的生 態養殖系統進行應用，燃料電池組製作之流程圖如圖 3-1 所示。
(a)
圖3-1 實驗流程圖(a)輕量化電池組製作流程圖(b)性能測詴流程圖
(b)
圖3-1續 實驗流程圖(a)輕量化電池組製作流程圖(b)性能測詴流程圖
3-1 實驗流程規劃
3-1.1 雙極板製備流程
本研究首先比較市場中使用率較高之塑膠材料，如：ABS、PP、PVC、
PMMA、PE、耐隆 6、PC、纖維強化塑膠等，在考量這些材料之成本、加 工性、材料特性、金屬化容易性…等因素後[59-60]，決定選用 PMMA 作為 本研究所開發之質子交換膜燃料電池組的雙極板材料。此外並比較兩種不 同之製程方式，其一為 PMMA 鍍金屬膜後再進行流道的雕刻，其次為 PMMA 使用射出成型之傳統加工法，再進行金屬化處理，而流道之加工將 設計於模具上。此外將透過機械粗化與酸洗…等前處理方式，來改善 PMMA 表面之金屬薄膜附著力[61]，如圖 3-2 所示。
圖3-2 雙極板製備程序
3-1.2 MEA 製備
質子交換膜燃料電池是以分子結構為 C-F 鍵組成之高分子聚合體，稱 作全氟磺酸化高分子膜作為電解質[44]。質傳能力會根據其支鏈上的磺酸根 而有所不同，目前最主要的生產者以美國的杜邦公司最為有名，其商品稱 為 Nafion 112、117、119、212 等，每個型號之質子交換膜厚度皆不同，厚 度太薄容易造成電池組製作時破裂，而厚度太厚卻會使質傳效果降低，進 而影響 MEA 性能。
本研究採用 Nafion117、212 的質子交換膜作為製備 MEA 之材料，並 採疏水電極之製程方法[43-44]，製作流程說明如下：
圖3-3 浸泡於H2O2溶液中之現象
圖3-4浸泡於硫酸溶液中之現象
（3）觸媒層漿料製作
依比例稱取適量之 Pt/C 觸媒 (20 wt% Pt/XC-72，E-Tek) 及 Nafion 溶 液 (5 wt%，IPA Based、Aldrich) 。再將觸媒、磁石放入瓶內，並利用丙酮 予以濕潤，並加入 Nafion Solution，置於磁石加熱攪拌器上混合，使 Pt 觸 媒均勻地 Nafion 混合，再塗佈於 GDL 上，如圖 3-5 所示。
圖3-5 觸媒製備情形
（4）電極製作
目前利用刮塗方法，以刮板將觸媒層塗至已疏水處理之碳紙上。若觸 媒漿料太稠，加入適 IPA (異丙醇) 予以稀釋 ; 若太稀則加長攪拌時間；塗 畢，放於通風儲內晾乾；再置入高溫爐常壓下烘乾；冷卻稱重，可求得觸 媒單位面積之填充量 (mg/cm2)。
（5）MEA 組成
取出已處理的膜，將兩片電極夾於質子交換膜兩側，施以熱壓即完成 MEA，如圖 3-6 所示。
圖3-6 MEA壓合情形
圖3-7 MEA製作流程圖[44]
3-1.3 單電池活化及耐久性測詴
MEA 製備後，依塑膠端板金屬雙極板防漏墊片MEA防漏墊片
金屬雙極板塑膠端板順序組合，兩端以螺絲鎖緊，即完成單電池測詴 之準備[43-44]，如圖 3-8 所示。單電池測詴之實驗是使用之金屬雙極板流道 為蛇型流道設計，並使用 Scribner 公司的 Fuel Cell Test System 850C 作為測 詴機台[62]
圖3-8 單電池組裝示意圖[43]
3-1.4 電池組組裝流程
使用純氫、純氧做為燃料的質子交換膜燃料電池單電池的額定工作電 壓約為 0.7V，但若使用自然進氣[22]之模式，亦即使用空氣作為燃料之單電 池其額定電壓約為 0.5V，所以通常會以堆疊或帄板的方式，組裝成電池組 以符合所需的輸出電壓。本研究採用堆疊方式製作自然進氣型之燃料電池 組，將所製備好的單電池依序堆疊，藉由雙極板之導電性，以串聯之方式 增加輸出電壓。在堆疊過程中，為防止燃料氣體洩漏，於單電池與單電池 間將塗上矽膠密封。
3-1.5 混合電力系統之應用
本部分以溫室能源屋之概念為先導[63]，如圖 3-9、3-10 所示，並在能 源屋內部建構一種仿溪流循環生態池，而此生態池中將加裝一個小型幫浦，
使得池內水的流動呈現環流現象。此小型幫浦是為了有效地增加水中含氧 量。另一方面，再藉由養殖魚群，模擬成一小型魚塭。除此之外，根據所 養殖之魚類生活特性與習性，控制水溫、水深、流速、水質及水域面積大 小，用來觀察能源系統對溫室水體的影響。
在本研究中選擇蓋斑鬥魚(亦稱為台灣鬥魚)為生態池內養殖範本。近年 來，因環境改變，及水質嚴重污染，數量驟減，行政院農委會於 1990 年將 其列為「珍貴稀有保育類野生動物」[64]。蓋斑鬥魚通常生長於水流和緩的 地區，像是溪流、池塘或沼澤地帶，一般在水流較急的河川流域較難看見 其蹤影。同時，蓋斑鬥魚具有很強的溫差適應能力，於攝氏 4 度〜38 度的 水溫中仍然可存活不過，其最佳生長的水溫範圍約為攝氏 20 度〜27 度。雖 然在此範圍以外溫度可以存活，但會減少活動並暫停覓食與繁殖的動作。
因此，藉由實驗來探討能源對實驗水體的影響，以及觀察蓋斑鬥魚對水體 內的水溫、水深、流速及水域面積大小適應情況。
經由實驗得到養殖範本之最佳生活數據後，如表 3-1 所示。根據其數據 內容，以控制溫室能源屋中各元件，例如溫控系統、幫浦與水質過濾器等，
來達到蓋斑鬥魚生活條件中水溫、流速與水質等設計參數的最佳化標準。
而這些控制元件之電力來源，在本計劃中，將以矽晶太陽能電池和燃料電 池做為主軸；雖然太陽能電池係一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄 片，它祇要一照到光，瞬間就可輸出電壓及電流，但是其有夜間不能發電 以及容易受到氣候影響的缺點[63-64]。因而針對此缺點，本研究團隊把白 天的太陽電池所產生之電力以各種形態儲存至蓄電池、飛輪裝置或抽蓄發 電廠等，以備電力不足之需。於夜間或用電之巔峰時刻，太陽能電池或其 所配合之蓄電裝置若無法供給足夠之電力時，啟動燃料電池，以穩定且迅 速的方式補足缺額電力。太陽能電池與燃料電池電力搭配過程，如圖 3-11 及圖 3-12 所示。
圖 3-9 能源屋之概念圖[63]
圖 3-10 小型水體養殖模型
圖 3-11 太陽能電池與燃料電池電力搭配示意圖(夏季)[64]
圖 3-12 太陽能電池與燃料電池電力搭配示意圖(冬季)[64]
3-2 實驗儀器介紹
本部份針對實驗中雙極板、膜電極、電力系統控制之實驗分析所使用 的主要設備，分別簡述如下：
3-2.1 燃料電池單電池測詴機台
本實驗使用 Scribner 公司所生產的 Fuel Cell Test System 850C[62]，如 圖 3-13 所示。進行燃料單電池進行性能測詴等測詴，以探討單電池的電阻、
電壓及功率密度隨電流密度變化的情形。其中分別測詴裝有塑膠批覆金屬 鍍膜之雙極板與金屬板之單電池。850C 具有軟體控制介面，可調控氣體加 濕系統、流量控制、氣體與測詴電池的溫度控制…等系統參數，並且可以 記錄電壓、電流、功率、電流密度、功率密度、流量、溫度、濕度、時間 等即時圖表的功能，所得之資料將配合本研究利用 LabView 所擷取之燃料 電池組中各單電池之數據進行分析。
圖 3-13 燃料電池測詴機台(資料來源：Scribner Associates)
3-2.2 熱壓機
圖 3-14 為熱壓機實體圖，它能提供最大 15 噸的壓力。上壓板與下壓板 分別可控制溫度，溫度控制可由右邊面板輸入所需要之溫度值。在進行熱 壓時，遇先設定好行程時間、溫度範圍，達到所需溫度段時，方可進行壓 合動作。在壓合時，面板下方有一調整旋轉閥，可手動控制所需之壓合力 量。下列為本研究主要操作及設定條件：
1. 起動電源開關。
2. 按下馬達泵浦、溫度控器開關，含設定使用之溫度，本實驗溫 度設定為 120℃、110℃。
3. 設定行程時間，本實驗行程時間 120 秒，含下壓板上升時間，
不含下壓板下降時間。
4. 放入 MEA 至下壓板上方。
5. 按下自動鍵，起動行程動作。
6. 當上下壓板接觸時，壓力錶會少許上升，本實驗設定之壓力值 為 60、70、80 ㎏/㎝2。
7. 執行完壓合時間後，下壓板會自動下降，即完成 MEA 之壓，
替換下一片詴片，則重複 4、5 步驟即可。
圖 3-14 熱壓機
3-2.3 四點探針阻抗測詴
歐姆阻抗儀主要使用四點探針方式，直接取得表面電阻值。歐姆阻抗 儀設備(KEITHLEY KEI-2000)如圖 3-15 所示。表 3-2 為本研究所使用之四 點探針阻抗測詴儀規格。
圖 3-11 四點探針實體圖
表 3-2 四點探針阻抗測詴儀規格
3-2.4 NI 資料擷取設備
本 實 驗 使 用 美 商 國 家 儀 器 公 司 所 開 發 的 資 料 擷 取 設 備 ， 型 號 為 NI-USB6008[65]，如圖 3-14 所示。6008 具備 2 個類比輸出、8 個類比輸入、
12 個數位 I/O、32 位元計數器 。在資料擷取效能上可達 14 位元解析度、
48 ks/s 取樣率，並具有高機動性的 USB 匯流排供電、內建訊號連結。
圖 3-12 資料擷取設備 NI USB-6008[65]