─GDL 10BC 與 GDL24BC[7]，同為 SGL GROUP 所開發之產品，其產品規 格如表 4-1 所示。分別將 GDL 10BC 與 GDL24BC 經過觸媒塗佈後與質子交 Areal Weight oz/ft2
g/m2 Electrical Resistance
(through plane)
mΩcm2 <12 <16
經過實際壓合後之觀察，可發現 GDL10BC 在原設定之熱壓條件下，可 成功之壓合。而 GDL24BC 在壓合後，呈現碳纖維脫落之現象。兩者之比較 如圖 4-1 所示。因此藉由改變 GDL24BC 之熱壓條件，探討壓力、溫度對碳 纖維剝落和 MEA 接觸電阻之影響，如表 4-2 所示。
24BC 10BC
圖 4-1 GDL24BC 與 GDL10BC 壓合後之比較
表 4-2 不同壓合條件下 MEA 接觸電阻量測
圖 4-2 不同壓合條件下 MEA 接觸電阻變化圖
壓力80㎏/cm2 壓力70㎏/cm2 壓力60㎏/cm2
MEA接觸電阻
120℃-1 120℃-2 110℃-1 110℃-2
0 100 200 300 400
120℃-1 120℃-2 110℃-1 110℃-2
MEA接觸電阻
壓力80㎏/cm2 壓力70㎏/cm2 壓力60㎏/cm2
圖 4-3 鍍膜後雙極板接觸電阻量測
表 4-3 成品規格 5*5 cm2及 2*5 cm2實體量測雙極板電阻值
規格 電阻值
正面 反面 正反面
5*5 cm2 0.008 0.010 0.008 2*5 cm2 0.009 0.007 0.007
4-1.3 單電池測詴分析
本實驗將 PMMA 鍍金屬薄膜之複合材料雙極板跟一般傳統之金屬雙極 板進行在電性上之比較，為了增加塑膠雙極板之導電性，在電鍍抗腐蝕的 金薄膜前，先進行披覆導電銅層，其金屬薄膜厚度分別為金膜 10-6 m、銅膜 3000 。單電池雙極板的流道設計為蛇型流道設計，使用純度 99.999％的氫 氣做為燃料，氧化劑則為空氣、氫氣，其中氧氣的進氣流量為 100sccm，空 氣則是採自然進氣方式，PMMA 複合雙極板與金屬雙極板之單電池功率比 較如圖 4-4 所示。
圖 4-4 單電池功率比較
圖 4-5 MEA 電極
表 4-4 鋁箔膠帶規格(資料來源：恒裕科技股份有限公司)[69]
此外在堆疊過程中，本研究以矽膠做為兩單電池間之接合劑，在雙極 板之四周塗上矽膠如圖 4-6 所示，並在鋁箔膠帶上割好進氣口對準後黏貼。
接著量測接合好的 MEA 與雙極板之接觸電阻，吾人可發現以矽膠做為接合 之方式，並不會增加過多的接觸電阻值，但在塗佈矽膠時，如果矽膠量塗 得太多，容易對 MEA 造成汙染並增加其電池之內電阻，接合後之電阻情形 如圖 4-7 所示。
圖 4-6 燃料電池接合方式
(A) (B)
圖 4-7 MEA 與雙極板接合後電阻量測(A)矽膠量正常(B)矽膠量過多 在完成堆疊於兩側加上端板與阻氣板及完成燃料電池組裝，其組裝模 型圖如圖 4-8 所示，阻氣板之目的是為使所通入之燃料能流入各單電池之 MEA 中產生反應，而若未加裝阻氣板，在通入燃料後，燃料之流動會經由 雙極板上之進氣口直接流出電池組，因此會產生僅進氣端之單電池發電之 情形，氣體流動示意圖如圖 4-9、 4-10 所示。
圖 4-8 燃料電池組模型圖
(a) (b)
圖 4-9 燃料電池組測詴圖 (a)加裝阻氣板(b)未裝阻氣板
(a) (b)
圖 4-10 燃料流動路徑(a)有裝阻氣板(b)未裝阻氣板
本研究共製作兩種不同雙極板之燃料電池組，其一為塑膠板材鍍膜後 進行雕刻流道之電池組，其次為雙極板射出成型後進行鍍膜處理之電池組，
由圖 4-11、4-12 比較可知鍍膜後再進行雕刻流道之雙極板，由於雙極板側 邊不具備導電物，需以銅鉑使兩單電池間形成通路，但仍然會增加電池之 內電阻，因此射出成型後進行鍍膜處理之雙極板，為較理想之做法。完成 組裝之燃料電池組，重量僅 0.2kg 如圖 4-13 所示，其規格表如表 4-5 所示
(a) (b)
圖 4-11 本實驗所製作燃料電池組(a)雙極板鍍膜後進行雕刻流道(b)雙 極板射出成型後鍍膜
(a) (b)
圖 4-12 本實驗所製作燃料電池組接觸電阻比較(a)雙極板鍍膜後進行 雕刻流道(b)雙極板射出成型後鍍膜
(A) (B)
圖 4-13 PMMA 複合雙極板 5V、6V 電池組重量比較(A)雙極板鍍膜後 進行雕刻流道(B)雙極板射出成型後鍍膜
表 4-5 本研究所製作之 5V、 6V 電池組規格表
本研究所製作之燃料電池組
雙極板種類 鍍膜後雕刻流道 雙極板射出成型
電池數目 12 11
額定電壓 6V 5V
額定功率 12W 10W
工作面積 4.5cm*2.7cm 同左
電池組重量 0.212kg 0.189
材質 PMMA 同左
價位 600 美元(RD)
4-1.5 電池組電性分析
本研究使用 H-recer[70]燃料電池教具中之製氫設備作為本研究燃料之 來源，如圖 4-14 所示，並增加電流量，以 0.2A、0.4A、0.6A、0.8A、1A、
1.2A、1.4A，以增加其製氫之速度。當燃料通入電池組之後，分別量測電 池組兩端電壓與各單電池之電壓值，如圖 4-15 所示。在實驗過程統計中，
發現燃料電池從冷機狀況下，約需要 5min 才能達到穩定電壓輸出。其電壓 輸出值如圖 4-16、4-17 所示。其中各單電池之電壓輸出不一定相同，再進 一步量測電性較差之單電池，可發現其內電阻過大，影響其單電池發電性 能。但其輸出電壓過低，並不會影響其他單電池，或使整顆燃料電池組失 效。根據實驗數據的統計，該電池組中各單電池最高發電電壓可達 0.6V，
最低為 0.02V，總電壓約為 4.5V。
圖 4-14 燃料電池運作情形
圖 4-15 燃料電池量測情形
0.255 0.27 0.27
0.1 0.12 0.36
0.45 0.45
0.43 0.43 0.42
0.48 0.46 0.44 0.44 0.44
0.15 0.18
0.44 0.44
0.42 0.43 0.43 0.42
0.48 0.46 0.44 0.44 0.44
0.16 0.19
0.41 0.43 0.43 0.44 0.47
0.44 0.44
0.51 0.49 0.47 0.47 0.47 0.59 0.58 0.6 0.6 0.6 0.6 0.61 0.61
0.65 0.64 0.63 0.63 0.62
0.12 0.16
0.33 0.31 0.31
0.36 0.35 0.33
0.39 0.36
0.33 0.34 0.36 0.46 0.45 0.47 0.47 0.46 0.46 0.47 0.47
0.53 0.51 0.5 0.49 0.49
0.09 0.09 0.12 0.12 0.09
0.19
0.07 0.59
0.55
0.59 0.56 0.56 0.56 0.56 0.57
0.61 0.59 0.59 0.58 0.59
各單電池電壓值( V)
單電池1 單電池2 單電池3 單電池4
單電池5 單電池6 單電池 單電池8
單電池9 單電池10 單電池11
圖 4-17 燃料電池組發電電壓 使用 KYOTTO 所製造之 KD20C10AX 固態繼電器，做為電力控制之開關，
當利用程式賦予 DAQ 擷取卡輸出訊號，DAQ 擷取卡將輸出 5V 之電壓訊號
製固態繼電器中，將使固態繼電器得以導通，使系統形成通路[71]，而本研 究透過 5 個固態繼電器控制電子負載，3 個繼電器控制電力來源，如圖 4-21 所示，但由於在接上附載情況下，DAQ 擷取卡之輸出電壓會低於 5V，因此 使用達靈頓 IC 來提高 DAQ 擷取卡之輸出電壓[72]，如圖 4-22 所示。
圖 4-18 模擬混合電力電源設備
圖 4-19 電流感測器
圖 4-20 DC TO AC 轉換器
圖 4-21 控制元件
圖 4-22 達靈頓 IC
本研究之混合系統運用，是以太陽能做為白天之主電力來源，當遇到 陰天或者烏雲密布之情況，使得太陽能輸出功率下降，而不足以供應電子 零件之所耗功率時，啟動燃料電池做為輔助電源，在一般操作情形下，為 了避免突然啟動與關閉對燃料電池系統所造成之損害，會將燃料電池處於 一個低輸出功率的待機狀態，再藉由增加燃料電池之燃料質量流率，來提 高燃料電池之電力輸出功率[73]。而本研究為了減少燃料之浪費，因此使用 直流電源供應器在定電壓 12V 之情況下，量測電流之變化量，藉此取得系 統輸出功率，進而模擬燃料電池系統燃料質量流率改變之情形。
為了取得本研究所使用太陽能電池之功率，對本研究之太陽能模組進 行測詴，其電力測詴情形如表 4-6 所示。由測詴之結果可知，當電子零件之 開關未開啟時，其開路電壓為 13.30V、開路電流為 0.35A，而開啟其中檯 燈後，其輸出電壓馬上降為 12.23V、電流升為 1.9A，再繼續開啟其他之電 子零件，太陽能電池輸出電壓降為 11.79V、電流升為 2.05A。最後透過加 溫器來測詴太陽能模組最大輸出功率為 35W，電壓為 7.03V、電流為 4.86V，
帄均輸出功率為 25W，其測詴過程如表 4-6 所示。
圖 4-23 太陽能模組測詴情形
表 4-6 太陽能模組功率測詴
開啟電子零件 輸出電壓值 輸出電流值
無
開啟檯燈
開啟 檯燈 收音機
透過電熱器 測最大功率
4-2.2 系統程式
本研究使用同為美商國家儀器公司所開發之應用軟體 LabView，作為 系統控制與資料擷取之介面[74]。透過 Labview 軟體所建立之程式賦予 DAQ 擷取設備執行動作之命令。本研究所系統程式規劃之功能有以下四點：太 陽能電性量測、電子設備控制、備用電源啟動、與量測燃料質量流率計算，
將分別敘述如下：
1. 擷取太陽能電池電壓與電流資料，並透過計算取得太陽能發電功率，將
04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12
太陽電池電壓(V)
時間(2011年5月5日)
VOLTAGE(V)
(A)
02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12
太陽電池發電電壓(V)
04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12
太陽能電池發電功率(P)
時間(2011年5月5日)
POWER(W)
(B)
圖 4-25 續 太陽能電池電性資料(A)電壓(B)發電功率
2. 設定電子設備驅動控製時間，所使用之電子設備如表 4-7 所示，並依自 行設定時序圖進行控制，將時間以數字設定為 0~1440，如圖 4-26 所示。
當系統時間達到該電子設備啟動之對應數字時，DAQ 擷取卡將發送 5V 電壓至固態繼電器中，使太陽能電池所產生之電力，透過 DC to AC 轉 換器，將直流電轉換成交流電進入電子設備中，使系統形成通路。
0 5 10 15 20 25 30
02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12
太陽能電池發電功率(P)
時間(2011年5月6日)
POWER(W)
表 4-7 養殖系統所使用之設備一覽表
生態養殖系統所使用的設備 耗電量
水質過濾器 使用電源： 110V；50/60Hz。
消耗功率：3W
飼料餵食器 使用電源：110v（60Hz）
消耗功率：4W
打氣機(馬達) 流量：0.8 公升/分
電力：110V 50/60Hz 消耗功率：4W
照明燈 使用電源：110V 50/60Hz、
消耗功率： 5W
備用打氣機 使用電源：110V
消耗功率：4W
圖 4-26 電子設備啟動時序圖
圖 4-27 電子設備消耗功率
圖 4-28 系統時間程式
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
DATETIME 2011/5/6 18:15 2011/5/6 17:51 2011/5/6 17:25 2011/5/6 17:01 2011/5/6 16:35 2011/5/6 16:05 2011/5/6 15:38 2011/5/6 15:16 2011/5/6 14:51 2011/5/6 14:24 2011/5/6 14:01 2011/5/6 13:31 2011/5/6 12:59 2011/5/6 12:33 2011/5/6 12:06 2011/5/6 11:38 2011/5/6 11:13 2011/5/6 10:45 2011/5/6 10:19 2011/5/6 09:53 2011/5/6 09:26 2011/5/6 08:57 2011/5/6 08:31 2011/5/6 08:01 2011/5/6 07:29 2011/5/6 07:03 2011/5/6 06:34 2011/5/6 06:07 2011/5/6 05:41
電子設備消耗功率(P)
圖 4-29 電子設備驅動程式
3. 本研究透過線性疊加之概念，將太陽能電池與備用電源進行規劃。透過 LabView 程式的撰寫，當 DAQ 所得之太陽能發電功率減去電子設備消 耗功率為負時，系統程式將自動使備用電源前端的固態繼電器導通，使 備用電源輸入電力補足負載所需，如圖 4-30、4-31 備用電源啟動與電性 擷取程式。
圖 4-30 備用電源(模擬燃料電池)電性擷取程式
圖 4-31 備用電源(模擬燃料電池)發電情形
02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12
備用電源輸出情形
時間(2011年5月6日)
模擬備用電源輸出情形
模擬備用電源輸出電流(A) 模擬備用電源輸出功率(W)
圖 4-32 根據電流值所推導之燃料質量流率
圖 4-33 太陽能電力與燃料電池電力搭配圖 (量測時間 2011/05/06 5:00~19:00)
0
02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12
質量流率
02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12
系統功率(P)
時間(2011年5月6日)
太陽能輸出功率(W) 負載所需功率(W) 模擬備用電源輸出功率(W)
第五章 結論與未來展望
5-1 結論
質子交換膜燃料電池在未來電力產業中是最具有前瞻性之產品，本研 究透過系統元件設計與開發，大幅降低質子交換膜燃料電池的生產成本與 重量，對 PEMFC 系統在應用上有嶄新的突破。本研究之成果詳述如下：
1. 使 PMMA 材料，經過塑膠表面金屬鍍膜處理，運用於質子交換膜 燃料電池之雙極板，對其整體重量與成本均有明顯的改善，重量大 幅下降約有 70%。
2. 在本研究經過表面改質處理後，使雙極板上之金屬膜具有較佳的附 著力與接觸電阻，所製作之雙極板其表面接觸電阻僅 0.007Ω，並 成功製備兩組分別為 6V、5V 之電池組，其重量皆在 0.5 ㎏以下。
此外本研究在金屬鍍膜時，是以金膜 10-6 m、銅膜 3000 之條件，
可獲得低於 2mA/cm2之條件下與金屬雙極板近似相同之 IV 曲線。
3. 本研究透過矽膠與鋁箔膠帶做為燃料電池組裝之介質，將有效改善
3. 本研究透過矽膠與鋁箔膠帶做為燃料電池組裝之介質，將有效改善