以實驗量測及數值模擬探討氣液雙相流對於Y型微流道燃料電池之效能影響

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

以實驗量測及數值模擬探討氣液雙相流對於 Y 型微流道燃

料電池之效能影響

研究成果報告(精簡版)

計畫類別：個別型計畫編號： NSC 98-2221-E-151-056- 執行期間： 98 年 08 月 01 日至 99 年 09 月 10 日執行單位：國立高雄應用科技大學機械工程系計畫主持人：徐金城共同主持人：苗志銘計畫參與人員：碩士班研究生-兼任助理人員：黃政羚報告附件：出席國際會議研究心得報告及發表論文處理方式：本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中華民國 99 年 11 月 17 日

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以實驗量測及數值模擬探討氣液雙相流對於Y型微流道燃料電池之效能影響

摘要本研究探討以過氧化氫為燃料及氧化劑的微流體燃料電池於不同條件操作之電池性能，以微機電製程技術(MEMS)之黃光微影步驟搭配聚二甲基矽氧烷(PDMS)成型技術製作微流體燃料電池所需的T型流道結構，其長度及高度分別固定為20mm及50μm，並於玻璃上蒸鍍白金做為催化劑及電極結構，將PDMS流道結構及玻璃以氧電漿(O2 plasma)處理後接合完成微流體燃料電池，實驗探討的變數包括微流體燃料電池的流道尺寸(流道寬度分別為1mm、1.5mm、 2mm)、入口體積流率(Re=0.37~218.69)及反應電極面積(0.048cm2、0.088 cm2、0.128 cm2)。實驗結果顯示在固定的流率下，電池性能隨著微流道尺寸縮小而增加。此外，當流道尺寸固定時，入口體積流率愈高也導致電池性能的上升。實驗結果顯示微流道寬度為1mm，在入口體積流率為3mL/min，於0.23V所產生電流密度約為8.92mA/cm2，最大功率密度可以達到2.02 mW/cm2。關鍵字：微流體、燃料電池、過氧化氫 1. 前言 生活在科技發達、全球經濟發展及人口成長快速的時代，人類對能源的需求與日俱增，也造成地球上有限能源日益枯竭，而現今主要的能源來源以化石能源所佔比例最高，包括石油、天然氣及煤炭等，其次為核能，至於水力、風力、地熱、太陽能及海洋能等再生能源的佔有比例目前仍相當低[1]。然而燃燒化石能源所產生的副產物會造成環境的污染及對人體健康的危害，更造成溫室效應而使地球溫度上升。此外，因化石能源屬於不可再生之資源，在人類過去大量的使用下，全球的石油存量大約可再使用五十年[2]。因此國際間已針對這個問題簽訂了「氣候變化綱要公約」和「京都議定書」，以規範溫室氣體的排放，並呼籲各國政府制定相關的能源政策，減少對化石能源的浪費，和致力新能源的開發研究。除了化石能源之外，上述所提到的其餘能源也有不同的缺點。例如，水力和風力發電受到地形和地區的限制，火力發電導致環境污染和全球暖化，太陽能發電的能量轉換效率和製作技術都有待突破。此外，核能發電則有安全的顧慮和核廢料處置問題，使得核能發電在應用上始終存在著許多爭議。更重要的是，上述都是集中式的發電系統，長程的電力傳輸造成電力損耗而降低了發電的可用率。現今世界各國所研究的新能源中，燃料電池為最佳代表之一，因燃料電池為高效率、低噪音、低污染、可分散式供電、多元化之新能源科技，而被喻為「二十一世紀的新能源」。且燃料電池因結構易於模組化、應用領域廣，可開創台灣的綠色科技產業。隨著3C電子產品朝向輕、薄、短、小及高性能的方向發展之際，小型攜帶式電源需求大增，為研發微小型可攜式燃料電池使用於電腦、電子、無線通信產品，以提供長時間且品質良好電源，直接甲醇燃料電池(DMFC)因為電池系統簡單、液態甲醇較易儲存、可快速補充燃料以及高能量密度的優勢，被視為最有可能取代現有的鋰電池應用於3C產品，並作為可攜式電子產品的電力來源。直接甲醇燃料電池(DMFC)構造[3]如圖一，由外而內分別為端板、雙極板、密封墊片、氣體擴散層與質子交換膜，即可完成一個單電池。但傳統的直接甲醇燃料電池(DMFC)因質子交換膜的存在而導致複雜的水及熱管理，而液態甲醇易穿越質子交換膜產生電壓損失、電池系統尺寸不易縮小及質子交換膜成本昂貴等[4]。

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圖一質子交換膜燃料電池構造示意圖[3] 為解決上述的質子交換膜的問題，近年來有一種新式的微型燃料電池技術受到注意，此種燃料電池是由微流體裝置發展而來，藉由微機電系統技術所製造之微流道內液體以層流流動的特性，兩股流體於微流道內流動不易產生混合而具有一明顯界面，使微流道內液體分別與分離於流道兩側之催化劑進行電化學反應，最後將兩側催化劑分別與兩電極連接，即可形成一微型燃料電池，至於陰、陽兩極反應物因電化學反應所產生之離子，則藉由微流道兩液體中間的擴散作用而中和，如圖二所示。此類微流體燃料電池具備體積小、質量輕、可長時間供應電力而不須要經常補充燃料等優勢，被認為未來在可攜式電源系統具有應用潛力。圖二微型燃料電池系統構造示意圖此種微流體燃料電池若以陽極使用的燃料分類，主要可分為甲酸、甲醇和過氧化氫水溶液，而電解液也可分為單一電解液和雙電解液。以甲酸燃料而言，Choban等人[5]設計一直接甲酸微型燃料電池，他們使用Y型流道，陽極為甲酸與硫酸的水溶液，陰極則為含氧氣的硫酸水溶液。至於電池結構為電極設置於主流道之左右垂直兩側，並以電鍍或塗佈的方式將催化劑鉑黑(Platinum black)覆蓋於兩電極表面。他們的實驗結果發現，電極表面的濃度邊界層對電池性能有相當重要的影響，特別是陰極側的氧氣濃度與低質傳率嚴重限制了電池的性能表現，實驗在燃料為2.1M甲酸溶液，搭配氧化劑為飽和氧加0.5M硫酸水溶液，流率為0.5mL/min，所產生的電流密度於0.4V時約為0.4 mA/cm2，最大功率密度可達0.17mW/cm2。 Sun等人[6]探討無薄膜微流體燃料電池在低雷諾數時，利用多股流體的層流狀態來保持燃料和氧化劑的分離。此電池之微流道具有三個入口作為燃料、電解質溶液和氧化劑的入口，將電解質溶液獨立於一個入口供應的原因是避免燃料和氧化劑間的直接接觸和反應，並發現在電池的工作過程中，改變燃料和氧化劑之間的電解質溶液流率會影響電池的輸出電壓和電流。將鈦電極和白金催化劑蒸鍍於微流道底部，實驗結果顯示，當燃料為重量百分率濃度10% 的甲酸溶液，電解質溶液為0.5M硫酸，而氧化劑為0.144M高錳酸鉀時，在流率0.125mL/min 下，於0.9V所產生電流密度約為2.63mA/cm2、最大功率密度可達到2.367mW/cm2。 Li[7]等人利用雷射微加工技術製作聚合物無薄膜燃料電池，此種電池結構有三層壓克力層，使單一微流道中可以保持燃料和氧化劑流體的分離。利用雷射對壓克力加工微流道和電

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極結構，並在鍍金的上下兩層壓克力上方塗佈Pt和Pt/Ru催化劑烤乾以作為電池陰極及陽極。此實驗結果顯示在相同流率1.6mL/min下，當燃料為0.5M甲酸加0.1M硫酸溶液，搭配氧化劑為飽和氧加0.01M硫酸水溶液，於0.45V所產生電流密度約為1.35mA/cm2_{、最大功率密度可以} 達到0.58mW/cm2。當改變氧化劑為0.01M雙氧水加0.01M硫酸溶液時，於0.3V所產生電流密度約為6.75mA/cm2、最大功率密度提升為1.98mW/cm2。 Park[8]等人發現微型電池的流道設計會影響反應物的擴散和流道下游的反應物消耗，並影響電池性能。他們設計一無薄膜電池之流道剖面為H型且在陰極和陽極間有一小通道。小通道限制了主流道內陰、陽兩極液體混合。利用數值模擬電化學反應來觀察濃度分佈和反應物的穿越，並了解系統混合區和消耗區情形。實驗結果顯示陰、陽兩極間，理想的通道尺寸會減少反應物的混合和增加燃料使用率。H型設計使混合區減少了20%，所以降低了燃料穿越的問題且燃料使用率也提升了8%。深寬比較高的H型流道剖面設計燃料使用率比傳統的矩形流道設計高出23%。且陰、陽兩極間通道會影響邊界層厚度、消耗區和電流密度。 Jayashree等人[9]由實驗搭配有限元素分析實驗體積流率、反應物濃度、燃料和電解質流率比、流道設計(電極間距)對無薄膜微流體燃料電池的性能影響。他們實驗在兩種微型燃料電池分別為Y型微流道(G1)和陰極為吸收空氣型(G2)，結果顯示吸收空氣型的微型燃料電池所測得性能較Y型微流道燃料電池佳。吸收空氣型實驗於流率0.3mL/min下(電極間距離為 0.05cm)，0.7V所產生電流密度約為175mA/cm2，最高功率密度可達55mW/cm2(燃料為1M甲酸加0.5M硫酸；氧化劑為飽和氧加0.5M硫酸水溶液中)。他們並提出在低流率下可以得到較高的燃料使用；反之在整體高流率下會得到較好的電池性能。以甲醇燃料而言，Choban等人[10-11]延伸其Y型微流道無膜燃料電的實驗研究，使用甲醇為燃料[10]，分別探討了陽極與陰極的電化學特性，以及系統中限制電池輸出性能的主要物理因素，再考慮陽極與陰極水溶液酸鹼性改變時，對電池輸出性能的影響[11]。他們發現當陽極為強鹼性且陰極為強酸性時，電池的輸出功率密度會有顯著的提升。以過氧化氫燃料而言，Hasegawa等人[12]提出一類似Choban團隊所使用的Y型微流道之無薄膜微型燃料電池之設計，其特色為將過氧化氫水溶液同時作為燃料及氧化劑，以過氧化氫溶液混合氫氧化鈉溶液及硫酸溶液分別作為陽極及陰極之反應物，並將鉑(Pt)催化劑濺鍍於流道底部，為使電極與流體接觸面積增加，所設計之流道具有極小深寬比之特性，其流道寬度及深度分別為1000μm及50μm。他們發現此微型過氧化氫燃料電池可達到與一般吸收空氣的直接甲醇燃料電池(DMFC)相同的功率密度，但不需要複雜的薄膜電極組，當過氧化氫的濃度為 0.75M時，於0.3V所產生的最大電流密度約為80 mA/cm2，功率密度約為23 mW/cm2，可大幅提高類似微流體燃料電池的性能。經由以上文獻回顧可得知，Hasegawa團隊所使用的過氧化氫水溶液發電的實驗，陰極與陽極同時使用過氧化氫作為反應物可得到很高的電流密度，但此實驗數據有限，僅以一個流道尺寸設計操作於一個極大流量(~ 1.5 mL/min)的情況下進行實驗。此外，經由文獻中實驗結果可知，反應物流率及流道尺寸設計對於此類燃料電池性能會有明顯的影響。因此，本研究將針對類似的微流體過氧化氫燃料電池，以微機電製程技術(MEMS)之黃光微影步驟搭配聚二甲基矽氧烷(PDMS)之流道成型技術，製作PDMS材質之微流體燃料電池之流道結構，並以掀舉(lift-off)技術於玻璃上製作觸媒及電極結構，將兩者結合後形成微流體燃料電池，以實驗量測探討不同流道尺寸及流率變化對電池性能的影響，以作為日後此類燃料電池研究開發之參考。 2. 實驗方法 2-1 設備

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本研究的實驗設備如圖三所示，其中包括下列儀器： 1. 雙筒式注射幫浦(KDS201 Syringe pump)：作為陰極及陽極反應流體驅動之用，及控制反應流體入口體積流率，可控制體積流率於1~1500μL/min。 2. 工作流體：使用去離子水(18.3MΩ-cm)來製備，陽極電解液為過氧化氫(Merck KGaA 30-35%) 與氫氧化鈉(SHOWA 96%)水溶液，以體積莫耳濃度比[H2O2]/[NaOH]=1 的比例來調製所需的濃度。陰極反應物為過氧化氫與硫酸水(Merck KGaA 95-97%) 溶液，以體積莫耳濃度 [H2O2]/[H2SO4]=2 的比例來製備。 3. 電子負載(KIKUSUI PLZ-70UA)：量測電池發電時的極化曲線，可量測電壓範圍 0~150V，電流範圍0~15A。 4. 流體管路：注射幫浦和晶片入口與晶片出口和反應物儲存槽之間，以抗酸鹼之透明聚乙烯管來連接。 5. 實驗用晶片：不同深寬比之T型PDMS材質微流道，以蒸鍍白金催化劑的玻璃作為蓋板。圖三實驗設備 2-2製程 本研究使用之晶片製程如圖四所示。步驟 1：矽基材上塗佈光阻，所需要使用的製程儀器為光阻旋佈機。步驟 2：將光罩上的圖形轉移到矽基材上的光阻，所需要使用的製程儀器為光罩對準機(OAI Model 200)。步驟 3：將矽基材上的光阻圖形轉移到 PDMS(以 A、B 劑以 10:1 的比例攪拌調配)。步驟 4：將 PDMS 加熱固化後裁切取下，即可得到透明微流道晶片。步驟 5：玻璃基板上塗佈光阻。步驟 6：將光罩上的圖形轉移到玻璃基材的光阻上。步驟 7：蒸鍍鉻 30nm 和白金 2nm，所需要使用的製程儀器為蒸鍍機(高敦科技)；步驟 8：以掀舉(lift-off)製程在玻璃基材上定義出白金觸媒的形狀，所需要使用的製程儀器為超音波震洗機(DELTA DC200H)；步驟 9：將透明的微流道晶片和玻璃基材經氧電漿處理後對準接合，所需要使用的製程儀器為氧電漿清洗機(HARRICK PLASMA)和光罩對準機。經由以上步驟即可得到本研究的透明微流體燃料電池如圖五。

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圖四實驗製程圖五透明微流體燃料電池改變的物理參數如表一:1.流道尺寸(寬度) 2. 入口體積流率 3.反應電極面積。表一實驗參數電解液陽極[H2O2]=0.1M , [NaOH]=0.1M混合液陰極[H2O2]=0.1M , [H2SO4]=0.05M混合液微流道寬度 1mm，1.5mm，2mm 微流道長度和高度 20mm 和 50μm 反應電極面積 0.3×16mm2(W1)，0.55×16mm2(W1.5)， 0.8×16mm2(W2) 催化劑白金入口體積流率 W1 ： 0.01 mL/min(Re=0.73) ~ 3 mL/min (Re=218.69) W1.5：0.01 mL/min(Re=0.49) ~ 3 mL/min (Re=148.14) W2：0.01 mL/min(Re=0.37) ~ 3 mL/min (Re=112.01) 3. 結果與討論

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0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 5 10 15 20 25 30 Current density(mA/cm^2) P ote ntia l( V ) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 P ow er d en sity ( m W /c m ^2 ) Q0.01 Q0.03 Q0.05 Q0.1 Q0.5 Q0.8 Q1 Q3 圖六微流道寬度為1mm之電池性能曲線，在不同流率下之性能如圖六所示，在流率為0.5、0.8和1mL/min時電流密度曲線相近，所得到的電池性能也很相近，然而流率提升為3mL/min時性能才有明顯提昇。流率為3mL/min的曲線最大功率密度可達2.02 mW/cm2。 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 5 10 15 20 Current density(mA/cm^2) P ote ntia l( V ) 0 0.5 1 1.5 2 P ow er den si ty ( m W /c m ^2) Q0.01 Q0.03 Q0.05 Q0.1 Q0.5 Q0.8 Q1 Q3 圖七微流道寬度為1.5mm之電池性能曲線，在不同流率下之性能如圖七所示，流率增加到0.1mL/min時，電池性能大幅提升(在電壓約為0.2V時，最大功率密度從0.35上升到1.08 mW/cm2)。在此流率下電池性能曲線也優於0.5、0.8和1mL/min之電池性能曲線。流率為3mL/min的曲線最大功率密度可達1.66 mW/cm2。 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 2 4 6 8 10 Current density(mA/cm^2) P ote ntia l( V ) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 P ow er d en sity ( m W /c m ^2 ) Q0.01 Q0.03 Q0.05 Q0.1 Q0.5 Q0.8 Q1 Q3 圖八微流道寬度為2mm之電池性能曲線，在不同流率下之性能如圖八所示，流率增加到0.5mL/min時，電池性能大幅提升(在電壓約為0.2V時，最大功率密度從0.18上升到0.52 mW/cm2)。流率在0.1mL/min以下所量測到的電池性能曲線較不穩定，反之流率0.1mL/min以上的電池性能曲線會較穩定。流率為3mL/min的曲線最大功率密度可達0.58 mW/cm2。

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綜合以上圖六、圖七和圖八可得知，如果將微流道尺寸加大，電池性能曲線會在較大的流率下才會呈現穩定無轉折點(W1在流率為0.03mL/min時穩定；W1.5在流率為0.05mL/min時穩定；W2在流率為0.1mL/min時穩定)。 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 5 10 15 20 Current density(mA/cm^2) P ote ntia l( V ) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 P ow er d en sity ( m W /c m ^2 ) W1 Q0.01 W1 Q3 W1.5 Q0.01 W1.5 Q3 W2 Q0.01 W2 Q3 圖九不同流道尺寸下最大流率和最小流率之電池性能曲線由圖九可得知微流道寬度愈小、流率愈大，則電池性能愈好。在流率為0.01mL/min時，電流密度曲線集中近於y軸，功率密度曲線集中近於x軸，性能較差也不明顯。而在流率為 3mL/min時電流密度曲線和功率密度曲線都大幅上升(以W1為例，在電壓約0.2V時，電流密度由2.06上升至9 mA/cm2，功率密度由0.65上升至2.02 mW/cm2)。 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 50 100 150 200 250 Re M axm um p ow er d en si ty ( m W /c m ^2) W1 W1.5 W2 圖十不同流道尺寸於不同雷諾數之最大功率密度由圖十可得知三種流道尺寸之最大功率密度皆隨著Re增加而上升(以W1為例，最大功率密度從0.65上升至2.02 mW/cm2)。造成此現象的主要原因有兩種，一為兩反應液體之間的混合 (擴散)區會隨著Re增加而變窄，因此降低了燃料穿越的問題。另一原因為反應物和反應電極表面所形成的濃度邊界層而產生的消耗區也會隨著流率增加而變窄，因此降低了轉移阻抗使反應物易達反應表面。W1和W2曲線在大Re時曲線愈接近平緩，因此我們可以推測加大流率來提升功率密度會有一上限值，主要是因反應物所產生的能量有限，超過了其上限值，在加大流率也沒有多餘的反應物可反應。 υ ρVD = Re ( :ρ 密度，V:流速，D:特徵長度，υ 水的運動: 黏滯係數₀_.₈₇₁_×₁₀−6 2 −1 s m )

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0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 20 40 60 80 100 120 140 Time(s) Cu rr en t( mA) W1 W1.5 W2 圖十一不同流道尺寸電流隨時間變化曲線實驗在入口體積流率為1mL/min，0.7-0.2V間(每20秒降0.1V)。由圖上顯示電流-時間曲線為階梯狀並呈現出每穩定20秒跳動到下個階段；而造成電流不穩定的跳動我們推測可能是微流道內氣泡的產生並在反應電極表面成長和排出，阻礙微流道內的流場而形成擾流影響兩股反應流體層流界面。微流道寬度較小的兩個尺寸(W1和W1.5)跳動範圍較小，可能是因氣泡易被流體帶出微流道所以氣泡影響降低。 4. 結論 本研究以MEMS製程技術製作具電極結構之玻璃蓋板和PDMS材質之T型微流道結構的微流體燃料電池，並探討不同實驗條件下，包括電池尺寸、入口體積流率和反應電極面積等參數對電池性能之影響。以0.1M過氧化氫水溶液混合0.1M氫氧化鈉水溶液作為電池的陽極反應物，並以0.1M過氧化氫水溶液混合混合0.05M硫酸溶液做為電池之陰極反應物，將鉑(Pt)催化劑蒸鍍於玻璃蓋板，共有三種流道寬度，分別為1mm、1.5mm、2mm，流道長度及高度皆為20mm及50μm，實驗操作的入口體積流率介於0.01mL/min ~ 3mL/min，所對應的T型流道的主流道內的雷諾數介於0.37 ~ 218.69間，實驗結果顯示: 1. 相同的入口體積流率時，縮小電池流道寬度可以得到較高的功率密度。 2. 當流率較小時，電池流道尺寸較小會有較穩定的電池性能，但在較大流道尺寸時，性能較不穩定。 3. 電池性能隨著雷諾數增加而上升，但也隨著雷諾數增加，性能曲線也越平緩，所以並非一昧的增大雷諾數，就會得到良好的性能，會有一上限值。最後，在微流道寬度為1mm，入口體積流率為3mL/min，成功的實驗出於0.23V所產生電流密度約為8.92mA/cm2，最大功率密度可以達到2.02 mW/cm2。因此電池反應過程中會於微流道內產生氧氣氣泡而形成氣液雙相流，推測氣泡的呈現會造成此電池發電時一些特殊現象，因此本研究未來將針對此透明之電池，同步進行性能量測及流場觀測，以更詳細的瞭解微流體燃料電池內氣泡對於性能的影響。 5. 誌謝 本研究所需經費係由國科會所提供，計畫編號為NSC-98-2221-E-151-056，特此致謝。 6. 參考文獻 [1] 蔡信行，替代燃料與再生能源，科學發展，365期，2003。

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國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告

日期：99 年 11 月 17 日

一、參加會議經過

本次參加會議是2010年7月6日至7月9日在澳洲伯斯(Perth)的西澳大學(The

University of Western Australia)所舉辦的APCOT2010 (Asia-Pacific Conference of

Transducers and Micro-Nano Technology)國際研討會，內容包含十二個大主題，分別

如下：

1 Theory, Design, Analysis of MEMS and NEMS

2 Nano Devices and Nanotechnology

3 Materials and Device Characterization New materials, materials characterization, interaction of materials, and coatings.

4 Fabrication Technologies:

Technology oriented: deposition, coating techniques, etching processes, ion-beam processing, FIB, e-beam techniques, micromachining techniques, and EDM.

Coatings for protection, harsh environment techniques, wafer bonding,

計畫編號

NSC 98-2221-E-151-056

計畫名稱

以實驗量測及數值模擬探討氣液雙相流對於 Y 型微流道燃料電池之效

能影響

出國人員

姓名

徐金城

服務機構

及職稱

國立高雄應用科技大學機械工程

系助理教授

會議時間

99 年 7 月 6 日至

99 年 7 月 9 日

會議地點

澳洲伯斯

會議名稱

5th Asia-Pacific Conference on Transducers and Micro-Nano Technology

發表論文

題目

1. Measurement and visualization of bubble venting in microchannels with a nanoporous membrane

2. Study of bubble generation in microfluidic fuel cells with hydrogen peroxide 3. Characterization of thermal performance induced by piezoelectric fans 附件四

(12)

processes, and hermetic sealing.

6 Mechanical and Physical Sensors

Pressure sensors, accelerometers, flow sensors, temperature sensors, proximity sensors, inclinometers, gyroscope, inertial devices, position, velocity, and magnetic sensors.

7 Chemical Sensors and Microsystems Electro-chemical sensors, potentiometry, amperometry, voltammetry, conductometric, enzymebased sensors, and gas sensors.

8 Bio Microsystems and Fluidic Systems

Lab-on-chip, microTAS, DNA systems, biomolecular devices, PCR, cell handling, and fluidic devices.

9 Actuators Micromotors, electrostatic actuators, piezoelectric actuators, pumps,

valves, nozzles, and active microchannels.

10 Optical MEMS and Nano-optics Mirrors, diffraction gratings, switches, and optical communication

subsystems.

11 RF MEMS/NEMS Micro/Nano components and subsystems for RF communications,

filters and switches, and RF power sensors.

12 Sensing Systems, Algorithms and Sensor Networks

New approaches to sensor data fusion; ultralow-power sensor and communication design, telemetry systems and implantable monitoring systems, power scavengers, inductive powering for sensor and actuator systems; innovative sensor interface circuits.

從2002年迄今，兩年一度的APCOT會議已成功舉辦過四次，前四次分別在中國

廈門（APCOT2002）、日本札幌（APCOT2004）、新加坡（APCOT2006）以及台灣

台南（APCOT2008）舉辦，會議參加人數也逐年成長，自2002年的300餘位增加至

超過500人。

此會議提供了一個相當好的知識交流平台，提供與會的研究者交換最新

的研究成果，並討論傳感器與奈微米科技在未來的研究方向與趨勢。

本人共在此次會議發表三篇論文，題目分別為“M

easurement and visualization of bubble venting in microchannels with a nanoporous membrane”、“Study of bubble generation in

microfluidic fuel cells with hydrogen peroxide”以及“Characterization of thermal performance induced

by

piezoelectric fans”，分別屬於Bio Microsystems and Fluidic Systems以及Actuators領

域。

整體而言，會議所涵蓋的範圍包含了奈微米科技的應用、微致動器的開發、微

光學系統、微生醫科技的應用，微能源等，參與的學者橫跨物理、化學、生醫、熱

傳、流力、結構等領域，大家齊聚一堂共同討論奈微米科技在各種不同領域的最新

研究成果與應用，對於未來在微生醫流體與巨分子力學的研究也有很大的助益。

二、與會心得

(13)

本次大會共安排三天的議程，每天各有一場的plenary lecture，另外還安排了16

場的邀請講者(invited speaker)所提供的演講分佈在某些session，其中的plenary lecture

分別如下：

7

th

July, 2010 講題為“Changing the World with MEMS”, 講者為來自美國Jyve

Inc.的Dr. Janusz Bryzek

。

8

th

July, 2010 講題為“MEMS for Biologic Systems”, 講者為來自瑞士EPFL的Dr.

Nico De Rooji

。

9

th

July, 2010 講題為 “Micro and Nano-structured Optical Fibers for Next

Generation Chemical and Biological Sensors”, 講者為來自澳洲的 University of

Adelaide的Dr. Tanya Monro

。

本次會議的投稿論文超過750篇，總共錄取的篇數為240篇，包括140篇口頭發表

的論文以及100篇海報張貼的論文，這些獲得發表的論文作者總共來自二十六個不同

的國家，以亞洲國家如日本、臺灣、中國及新加坡等為大宗，部分來自歐美等國的

研究成果。

本次所投稿之論文皆以張貼海報的方式呈現研究成果，海報尺寸為A0大小(約

80cm × 120cm)，展示的時間為被安排在會議第一天(7/7)的17:00~18:30，不過從早上

就開始貼出展示，因此實際展示的時間更長，在休息時間也陸陸續續有人參觀並提

出意見進行交流，而此會議所投稿的論文也被邀請轉投國際期刊，目前已投稿審查

中。

(14)

四、建議

由於此會議為全球奈、微米研究領域兩年一次的盛會，對於國內未來奈、微米

科技的發展規劃及瞭解全球於奈、微米科技的最新應用有相當的幫助，下屆的年會

將在中國南京舉辦，因此在未來兩年內，國內正在發展的奈微米及生醫微系統的技

術將必須有妥善的時程規劃，以便及時將研究成果呈現於兩年後於中國舉辦的

APCOT2012，在此國際交流的盛會上與參加會議的各國專家學者交換心得及討論。

在本次會議中，也與許多國內研發機構的專家學者進行交流，對於國內別的學

校目前的研究內容也有了初步的了解，相信在回國後，可以就研究的需求，就近互

相切磋。

五、攜回資料名稱及內容

1. 會議之手冊與論文摘要集。

2. 一些與會議人士討論的資料及當地參展科技廠商的資訊。

六、其他

(15)

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2010/11/17

國科會補助計畫

計畫名稱: 以實驗量測及數值模擬探討氣液雙相流對於Y型微流道燃料電池之效能影響計畫主持人: 徐金城計畫編號: 98-2221-E-151-056- 學門領域: 能源科技

無研發成果推廣資料

(16)

98 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：徐金城計畫編號： 98-2221-E-151-056-計畫名稱：以實驗量測及數值模擬探討氣液雙相流對於 Y 型微流道燃料電池之效能影響量化成果項目實際已達成數（被接受或已發表）預期總達成數(含實際已達成數) 本計畫實際貢獻百分比單位備註（質化說明：如數個計畫共同成果、成果列為該期刊之封面故事 ... 等）期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 1 0 100% 篇論文著作專書 0 0 100% 申請中件數 0 0 100% 專利已獲得件數 0 0 100% 件件數 0 0 100% 件技術移轉權利金 0 0 100% 千元碩士生 1 0 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內參與計畫人力（本國籍）專任助理 0 0 100% 人次期刊論文 1 0 100% ＇Investigation of bubble effect in microfluidic fuel cells by a simplified microfluidic reactor,＇ Appl. Therm. Eng., vol. 30, pp. 1863 – 1871. 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 1 0 100% 篇發表於 APCOT2010(Study of bubble generation in microfluidic fuel cells with hydrogen peroxide) 論文著作專書 0 0 100% 章/本申請中件數 0 0 100% 專利已獲得件數 0 0 100% 件國外

(17)

權利金 0 0 100% 千元碩士生 0 0 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 參與計畫人力（外國籍）專任助理 0 0 100% 人次其他成果

(

無法以量化表達之成果如辦理學術活動、獲得獎項、重要國際合作、研究成果國際影響力及其他協助產業技術發展之具體效益事項等，請以文字敘述填列。) 無成果項目量化 名稱或內容性質簡述 測驗工具(含質性與量性) 0 課程/模組 0 電腦及網路系統或工具 0 教材 0 舉辦之活動/競賽 0 研討會/工作坊 0 電子報、網站 0 科教處計畫加填項目計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0

(18)

(19)

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）

、是否適

合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■達成目標

□未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□實驗失敗

□因故實驗中斷

□其他原因

說明：

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：■已發表 □未發表之文稿 □撰寫中 □無

專利：□已獲得 □申請中 ■無

技轉：□已技轉 □洽談中 ■無

其他：（以 100 字為限）

此研究成果已於 Applied Thermal Engineering 期刊發表一篇論文(2010, vol. 30, pp. 1863 – 1871)，並於今年 7 月於 APCOT2010 發表一篇會議論文，目前正整理其他實驗數據投稿明年舉辦之 Transducers 2011 及投稿期刊論文。

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以

500 字為限）

在此國科會經費的支援下，本實驗室已成功以軟式微影搭配 lift-off 製程獲得具有金屬觸媒的 PDMS 微流體燃料電池，根據本研究的流場觀測結果可知，此類電池於反應過程中會劇烈的在微流道內產生氣泡，導致流動的不穩定，此成果可供未來學術界思索，如何設計較不受氣泡成長影響的微流道，以提高類似微流體燃料電池的性能。而此執行此計畫的過程所建立的製程經驗及參數可供本實驗室未來製作更精良的電池流道。