本研究由於部份設計已不同於較早單電池，故首先對新設計的單電池進行測試，接 著將多個單電池組合成電池組後再進行實驗測試。本實驗先從小面積電池開始，選擇規 格為2.3 * 2.3cm2MEA，在完成單電池及電池組最佳化測試後，再將累積經驗及技術應 用到4.8 * 6.8 cm2 MEA 較大電池組。根據上述影響因素，茲將實驗後的結果分別說明如 下。
主要的測試參數如下：
[1] 螺栓扭矩(接觸電阻)的影響。
[2] 進氣壓力的影響。
[3] 電池組各電池電壓與進氣口之關係。
[4] 陰極側流道為開放式設計時，空氣流量的影響。
[5] 電池組陰極內部溫度隨時間的變化。
[6] 電池組穩定性測試。
本研究探討HFC 質子交換膜燃料電池組在不同設計及操作條件下，電池組的電壓 隨電流密度變化情形。以下實驗除對單電池進行參數實驗與分析外，並對2-cell、4-cell 及5-cell 數種電池組進行測試比較。
5.1 雙極板與兩側電極的電阻
為量測雙極板與兩側電極電阻，於石墨雙極板兩側分別加上陽極及陰極碳布並在碳 布兩側加上高導電金箔，圖5.1為其實驗測試示意圖。圖5.2為石墨雙極板與兩電極組合 後不同結合壓力下總電阻，電阻值隨結合壓力提高迅速下降，壓力由0.1 bar增加至壓力 為3 bar時，石墨板與兩側碳布總電阻(含材料內部電阻及不同材料間的接觸電阻)從0.12 Ω/cm2降低至0.03 Ω/cm2，其降低幅度約為75%，而壓力由3bar增加至15bar時，石墨板的 接觸電阻由0.03 Ω/cm2降低至0.02 Ω/cm2，低結合壓力之電阻值比高結合壓力時可高過6 倍。茲舉2.3*2.3cm2的MEA，rib區總導電面積佔MEA的37％約1.8 cm2，總電阻約
0.01~0.065 Ω，此值遠高於材料內部電阻數倍，在電流密度0.6A/cm2時，總電流約3.2A，
故單一電池之電壓降約為0.032~0.208V佔總壓降的7~40% 不可謂不大，此值還會隨電流 密度提高而增加，因此如何降低材料間接觸電阻乃是減少內部電路損失的不二法門。
5.2 接觸電阻（螺栓扭矩）的影響
本實驗利用兩片不鏽鋼板與四支螺栓來夾緊雙極流場板與 MEA，利用螺栓扭矩大 小間接反應雙極流場板與 MEA 接觸電阻的大小，電極與電子收集板間接觸太過緊密，
電極碳布內部碳纖維間的孔隙被擠壓變形，將導致反應氣體無法在接觸面下方之碳布纖 維內自由擴散，造成效率降低。故本研究將藉調節螺栓扭矩大小間接控制雙極板與MEA 接觸電阻的大小與擴散層孔隙度。
圖5.3 是 2.3 * 2.3cm2 MEA 製成之 1-cell, 2-cell, 及 4-cell 電池組，進氣壓力 2 atm 在 70、80 及 90 kg-cm 三種不同螺栓扭矩下的電壓－電流密度特性圖。圖中顯示，在 1-cell 及電流密度為1 A/cm2時，力矩70 kg-cm 因接觸電阻太大，效率最低，由 70 kg-cm 增加 至80 kg-cm 時，電壓上升約 30%，扭矩超過 80 kg-cm 增加至 90 kg-cm 時，電壓則下降 約 20%。可能原因為單電池在扭力矩超過 80 kg-cm 時，反應氣體無法在接觸面下方之 碳布纖維內自由擴散，有效反應區減少造成效率降低。2-cell, 及 4-cell 電池組，由 70 kg-cm 增加至 90 kg-cm 時，電壓皆有增加，但 80 kg-cm 增加至 90 kg-cm 時增量趨小似 已近臨界扭矩值。
由上可知單電池與電池組都應有一最佳接觸扭矩或壓力，最佳扭矩隨電池大小及電 池數而改變並非定值，故每一種設計皆須尋找其最加值。
5.2 進氣壓力的影響
圖5.4 為進氣壓力的影響，由 2.3 * 2.3 cm2 MEA 製成之 1-cell, 2-cell, 及 4-cell 電 池組，設定條件除扭矩固定為80 kg-cm 及進氣壓力可改變外其它條件與圖 5.3 同。氫氣 與氧氣進氣壓力皆同為1atm、2atm、3atm (絕對壓力)時，電池的輸出電壓之比較。圖中
顯示，同電流密度下，單電池輸出電壓高於多電池組。當氫氣與氧氣進氣壓力升高時，
A/cm2間，雙進氣口輸出電壓明顯高於單進氣口輸出電壓，主要在於雙進氣口設計，氫 氣較易進入各電池補充，不至於高電流密度時，電壓便快速下降，但電流密度超出 1.0 A/cm2時兩者瓶頸皆為空氣補充不足，因而兩者輸出電壓皆逐漸降低。
5.4 陰極側空氣流量的影響
圖5.9 為 2 cell 電池組的電壓－電流密度特性圖。此電池氫氣進氣壓力為 2 atm (絕 對壓力)與 80°C 的飽和蒸汽混合，螺栓扭矩為 90 kg-cm，風扇轉速為 2500 RPM 時，風 扇可由電源供應器所提供的電壓改變其轉速，轉速額定為 2500RPM 的風扇，改變電源 供應器輸出電壓分別為12V、6V、3V，風扇在上述三種情形下，所消耗的功分別為 1.8 W、0.42 W、0.09 W。圖中顯示，在低電流密度時，電壓相差不大，是因為低電流密度 時反應速度較慢，所需空氣較少，低轉速下就可以充分供應，而隨電流密度增加，電壓 相差增大，主要因在高電流密度時，低轉速下所提供的空氣已經不足，造成電壓下降，
雖然轉速高所消耗的功率較大，但在高轉速時，功率增加量遠大於所消耗的功，因此轉 速可以根據電流密度大小而改變，可有效轉換及節約能源。
5.5 電池組陰極內部溫度隨時間之變化
圖5.10 為 4-cell 電池組，外部負載為 1 Ω及 0.19Ω，氫氣進氣壓力為 2atm (絕對壓 力)與 80°C 的飽和蒸汽混合，螺栓扭矩為 90 kg-cm，進氣溫度常溫，電池組陰極流道內 部溫度隨著時間而改變的關係圖，圖中顯示 4-cell 電池組以 1Ω為負載時，其溫度約在 56°C 左右可達到穩定，以 0.19 Ω為負載，在 65°C 達到穩定，此負載下，目前所製作的 電池組溫度尚未超過容許的工作溫度，但電流密度如繼續提高，則須適當冷卻。
5.6 電池組穩定性測試
為了探討電池組在經過長時間的使用後，性能可能的變化，故選用 1Ω的負載，比 較氧氣與空氣兩種氧化劑，其輸出電壓隨時間變化之關係，圖5.11 為 2.3*2.3cm2 MEA 製成之4-cell 電池組在 Air 1atm, 2 atm, 及 O2 1atm 三種條件，輸出電壓隨時間變化之比 較。圖中顯示，氧化劑為氧氣時，60 min 之後其電壓下降約為 9%，而氧化劑為 1atm 及 2 atm 壓縮空氣時，其電壓下降幅度皆約為 5%。可能原因在於氧化劑為氧氣時，由於功 率較高，所產生的熱以及陰極產生的水分較多，氧氣出口並不開放，所以排熱與排水都
不易，容易造成電池組溫度過高及水堆積在陰極，使電壓隨時間增加之降幅較大，而氧 化劑為壓縮空氣時，因為出口是開放的，空氣流動可排熱及排水，所以電壓降幅較小，
所以考慮操作成本及排熱、排水問題，製作電池組陰極流道設計可採開放式且以空氣為 氧化劑。
圖5.12 為 4.8*6.8cm2 MEA 之 4-cell 電池組，在有風扇與無風扇時，輸出電壓穩定 性之比較。有風扇時，排水較易電壓較穩定；無風扇時，輸出電壓較低，且電壓較易隨 時間下降。
5.7 200 W 以上電池組電壓與功率
圖5.13 為 4.8*6.8cm2 MEA 之兩組 10-cell 電池組，輸出電壓、功率與電流之關係。
輸出最大功率超過200 W，如須更高功率只需串聯或並聯更多電池祖即可獲得。
5.8 新型雙極板的開發
由於過去三年來受國科會/經濟部能源會能源科技計畫的持續補助，使得本研究室除 了在電池組的開發已有相當進展，有機會對新型雙極板製成的單電池做先期測試。本人 與李明三教授共同負責的燃料電池研究室近日開發一種低成本、低重量、化學穩定性高、
且高導電能力的非均質新型雙極板。此種新型雙極板重量不到石墨雙極板一半，新型雙 極板的製作材料為低成本的塑膠類材料及碳(石墨)纖維材料，預計量產成本將比傳統石 墨雙極板低數倍之多，有助未來燃料電池商業化。本燃料電池研究室新開發的三種新型 雙極板已於去年7 月獲國內專利局審定通過，美國專利則已於去年 1 月送審。
為量測雙極板與兩側電極總電阻，於雙極板兩側分別加上陽極及陰極碳布並在碳布 兩側加上高導電金箔，圖5.14 為所設計(a)石墨雙極板與(b)新型雙極板在與兩電極組合 後的總電阻實驗測試示意圖。圖5.15 為兩種雙極板與兩電極組合後，不同結合壓力下總 電阻值隨結合壓力之變化，圖5.15 顯示兩者電阻值隨結合壓力提高而迅速下降，但石墨 電阻值一直遠高於新型雙極板，在施加壓力8 bar 以上時，新型雙極板與兩側電極結合
後總電阻不到石墨雙極板與兩側電極結合後總電阻的一半。
新型雙極板碳纖維構成的流道其特性與傳統石墨雙極板流道性質完全不同，傳統石 墨雙極板流道為了降低與電極的接觸電阻須施加相當高壓力，使傳統雙極板能與電極緊 密結合，但也因此阻礙反應氣體進入及生成物離開此密合區，在高電流密度時，將更為 嚴重，除非將提高操作壓力到很高，但將增加操作成本及電池組壽命，因此並非良好選 擇。
新型雙極板由柔軟的碳纖維或石墨纖維導電材料製成，因此新型雙極板與電極不須 很高壓力便能有良好接觸，此外纖維容易彎曲與電極可有較大接觸面積，因此相同導電 材料下，新型雙極板總電阻不到石墨雙極板之一半。另外由於新型雙極板與電極接觸壓 力小，不會使導電區下方擴散層產生變形，因而使此區孔隙度降低，影響反應氣體進入 及生成物離開，因此整體有效反應區可提高，進而提昇整體效能。同時由於氣體較易進 出全區，因此亦可降低操作壓力，減少操作成本。
為比較新型雙極板製成的單電池與石墨雙極板製成的單電池在組成電池後的輸出 性能，本實驗室以手工試製新型雙極板，完成的成品如圖5.16 所示。圖 5.17 為 1.15atm 下之輸出電壓與電流密度之關係，圖5.18 則為攝氏 30 及 50 度下性能之比較。由圖 5.17 及5.18 發現不管在低操作壓力或低操作溫度下，新型雙極板製成的單電池，性能皆遠高 於傳統石墨雙極板製成的電池，因此可肯定新型雙極板性能的優越性及可行性。配合本
為比較新型雙極板製成的單電池與石墨雙極板製成的單電池在組成電池後的輸出 性能，本實驗室以手工試製新型雙極板，完成的成品如圖5.16 所示。圖 5.17 為 1.15atm 下之輸出電壓與電流密度之關係，圖5.18 則為攝氏 30 及 50 度下性能之比較。由圖 5.17 及5.18 發現不管在低操作壓力或低操作溫度下，新型雙極板製成的單電池，性能皆遠高 於傳統石墨雙極板製成的電池，因此可肯定新型雙極板性能的優越性及可行性。配合本