太陽能及燃料電池載具研製與新能源人才培育(III)

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

太陽能及燃料電池載具研製與新能源人才培育(3/3)

研究成果報告(完整版)

計畫類別：個別型計畫編號： NSC 96-2516-S-151-001- 執行期間： 96 年 08 月 01 日至 97 年 10 月 31 日執行單位：國立高雄應用科技大學模具工程系計畫主持人：艾和昌共同主持人：廖明瑜計畫參與人員：碩士班研究生-兼任助理人員：陳瑾鴻碩士班研究生-兼任助理人員：陳睿堅碩士班研究生-兼任助理人員：李恒毅報告附件：出席國際會議研究心得報告及發表論文公開資訊：本計畫可公開查詢

中華民國 98 年 02 月 11 日

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

太陽能及燃料電池載具研製與新能源人才培育（3/3）

國立高雄應用科技大學模具工程系計劃編號：NSC 96-2516-S-151-001 執行期限：民國96年08月01日～民國97年10月31日主持人：艾和昌教授兼應用科學研究所所長共同主持人：廖明瑜樹人醫護管理專科學校資管科講師計畫參與人：陳瑾鴻、陳睿堅、李恒毅

一、摘要

目前人類正面臨化石能源耗竭與環境汙染兩大問題，其中交通載具的排放物占總氣體汙染物的一半以上，發展高效率環保性的運輸載具受到全球的重視，本文探討以燃料電池為電力源，選用1.2kW氣冷式質子交換膜燃料電池系統，將其輸出電壓經脈寬調變技術驅動直流升壓，並設置穩流器將輸出電流加以控制，使燃料電池的輸出電壓、電流保持穩定，接著進行一系列的性能與運轉測試、並解決發電系統的擺設問題，裝設於Apollo Plus號太陽能車上作為輔助的能源系統，使其成為雙動力混合系統原型車，更進一步模擬於不同功率輸出以及負載增加的情況下，馬達是否以預定轉速下運轉，並分析馬達驅動效率、蓄電池效率以及動態燃料消耗率等，此外，本研究藉實測路試數據與理論性能計算公式發展出一半經驗的性能計算公式。關鍵字：雙動力混合系統、質子交換膜燃料電池、動態燃料消耗率

Abstract

At present, mankind is facing two crucial problems of fossil fuel energy

depletion and environmental pollution, that the transport vehicles discharges occupy more than half pollutants of gas .To development the efficient and environmentally friendly transport vehicles is attention-getting in the world. In this article to explore the fuel cell as a source of electricity, selection of the gas-cooled 1.2kW proton- exchange membrane fuel cell systems, Its output voltage via pulse-width modulation technology-driven enhance the voltage, and set the current controller let the output current under control, so that the fuel cell output voltage and current to maintain stability. Further implementation of a series of performance tests with the operation and solve the problem of setting up the power generation system. Installed in the solar car of the Apollo Plus as an auxiliary energy system, make it a hybrid vehicle, further in the simulation of different power output and the load increase, to observe that the

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motor revolution is on the set running speed or not and analyze the efficiency of the motor-drive, battery, and the dynamic fuel consumption rate. In addition, a

semi-experimental equation for modeling the energy consumption had developed to fit the theoretical equations and the road tested data.

Keywords：hybrid vehicle、PEMFC、hydrogen consumption

計畫緣由與目的

人類各項活動對於能源的需求是不可或缺的，因此如何能提供人們一種長久且安全使用的能源便成了目前最為迫切的議題。然而，現今全球所賴以為重且大量使用的石油、煤炭以及核能等能源，其存量均逐年減少且使用時所產生的排放物，更是溫室效應、酸雨、空氣污染等環境災害的元兇，其中交通載具之排放物為一巨大移動性污染源，占總氣體污染物的60%~80%，且隨著國內私人運具使用比例急速攀升，此種污染源排放量勢必會迅速提升，進而危害人們的身體健康，此議題已隨著環保意識逐漸高漲而日益受到重視，對此，尋找替代化石能源且潔淨無汙染的動力源載具為主要研究方向，而燃料電池是近年來最重要之前瞻性能源之一，且燃料電池運輸載具性能與現有燃油運輸載具接近，以其零排放、高效能及適用各車種 [1]等優點。由於燃料電池唯一的副產物是水，所以幾乎對我們生活的環境不會造成任何的衝擊與影響，又因為燃料電池內部不牽涉到熱機的運轉，所以電池在運作過程中不會產生任何噪音，被視為是可取代傳統式內燃機引擎，成為未來新一代車輛動力能量來源。燃料電池的發展已經有近170年之久，早在1838年英國一位威廉葛洛夫爵士，在從事一項電解水的實驗時，即點出從其逆反應中得到電力的可能性，威廉葛洛夫爵士的想法是認為既然電解水的實驗是由電將水分解成氧氣與氫氣，那同樣地我們也可以透過氧氣與氫氣的化學反應而得到電力，此一想法在實驗中得到應證，並將此種電池命名為「氣體電池」，直到1889年才正式被命名為「燃料電池」[2]。

依電解質的不同燃料電池種類可分為鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell；簡稱 AFC)、質子交換膜燃料電池或固體高分子型燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；簡稱PEMFC或PEFC)、磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell；簡稱PAFC)、溶融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell；簡稱MCFC)及固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell；簡稱 SOFC)等五種[3]，本文利用質子交換膜燃料電池作為輔助電力來源，因其具有壽命長、較低的操作溫度、能快速地啟動、可調整輸出功率、高能量密度且對負載改變能迅速反應、具有較低的操作壓力而較安全、具有較低的排放比與較高的轉換比等特點，對於雙動力混合車而言，能進一步達到改善環境與節約能源之目的。

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本計畫執行的主要目的，在安裝低污染的質子交換膜燃料電池於Apollo Plus 號太陽能車上，改善該車於雨天、陽光不足或是夜間行駛時蓄電池充電問題，提供夜間、陰天等電力不足的動力源，提升整體性能及效率，使其成為雙動力源太陽能車，對於該車行駛之動力源依照白天與夜晚模式可參照圖1所示，其白天主要依賴原太陽能作動模式，夜晚則以燃料電池作動為主。圖1、雙動力源太陽能車示意圖

二、研究方法

為了順利達成研究目的，本研究需針對:(1)選擇燃料電池類型；(2) 分析燃料電池系統性能；(3) 擺設裝置之空間運用；(4)模擬太陽能車與燃料電池性能模式等，依序逐步進行研究。

3.1 燃料電池類型的選擇

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依電解質的不同燃料電池種類可分為鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell；簡稱 AFC)、質子交換膜燃料電池或固體高分子型燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell；簡稱PEMFC或PEFC)、磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell；簡稱PAFC)、溶融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell；簡稱MCFC)及固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell；簡稱 SOFC)等五種[3]，本文採用質子交換膜燃料電池作為輔助電力來源，因其具有壽命長、較低的操作溫度、能快速地啟動、可調整輸出功率、高能量密度且對負載改變能迅速反應、具有較低的操作壓力而較安全、具有較低的排放比與較高的轉換比等特點，對於雙動力混合車而言，能進一步達到改善環境與節約能源之目的。

本研究採用氣冷式1.2kW Ballard Nexa power module質子交換膜燃料電池(如圖2所示)，其規格可參照表一。該燃料電池系統本體主要包含散熱子系統、空氣供應子系統、微處理器、燃料電池堆、感測器等零組件組成[4]，各部主要功用是順利進行電化學反應產生電力。此外，燃料電池作用原理是利用電化學能轉換成電能，與傳統式熱機比較，具有高效率、低噪音、低污染等優點。其操作溫度約在常溫至80℃[5]，雖然PEMFC價格較高，但啟動時間短並可在短時間內達到滿載負荷，達到快速輔助電源的作用。表一、Ballard Nexa 1.2 kW燃料電池系統規格表

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圖2、Ballard Nexa 1.2 kW氣冷式燃料電池系統

3.2 燃料電池系統的分析

選定氣冷式1.2kW Ballard Nexa power module質子交換膜燃料電池後，首先了解其影響未來架設相關參數，如性能與效率測試、穩定測試、壓力測試、流量測試、排水量測試、溫度測試，未完成各項測試，本研究需完成實驗測試架設，該設計如圖3所示，圖中由左至右分別為氮、氫氣瓶，及其調壓閥與壓力表，進入質子交換膜燃料電池之氣體均先加熱至依定溫，因此需加裝溫度控制器與加熱裝置，而本實驗使用熱電偶作為系統溫度量測，此外，外界空氣藉一鼓風機將已過濾的空氣送進該燃料電池之本體內。為能於實驗室內模擬真實負載狀況下，其燃料電池之性能表現，本研究以一電子負載系統加諸設定負載於燃料電池系統，並以一電腦作為整體測試之數據擷取與條件控制用。質子交換膜燃料電池測試性能與效率實驗，需將燃料電池系統輸出端連接至電子負載系統，利用電子負載系統的固定電流模式，觀察燃料電池系統在不同的電流之下其電壓輸出情形，並利用攻率的計算公式：功率(W) = 電壓(V) x 電流(I) 並將所獲得數值與原廠操作數據作比較，並了解其作動原理與各方面影響參數。

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圖3、燃料電池實驗架構示意圖

3.2.1 穩定測試

如圖4所示，穩定測試在進行燃料電池不同參數性能測試前，須先測試該燃料電池系統的穩定性，了解燃料電池系統電力的輸出情況，以減少實驗誤差，增加精確度並確保其發電系統是否可保持穩定在充電使用時不會傷害電池或是負載，圖中顯示雖經三次在不同負載狀況下操作，其燃料電池系統電力的輸出由以上的測試結果可以得知，此燃料電池系統不管在小的負載電流和大負載電流下，其電壓輸出都相當定穩，誤差量很小，故在功率性能測試時，無須再進行誤差調。均相同，所以系統呈相對穩定狀態。 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 0.0 5.0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 性能實驗測試圖電壓 1 電壓 2 電壓 3 功率1 功率2 功率3 電流(A) 圖4、性能穩定測試圖

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 0.0 5.0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 壓力測試圖 1bar 電壓 2bar 電壓 3bar 電壓 4bar 電壓 5bar 電壓 1bar 功率 2bar 功率 3bar功率 4bar功率 5bar功率圖5、不同氫氣壓力下之性能測試比較圖

3.2.2 進氣壓力測試

氫氣壓力為影響燃料電池性能主要參數，在以往之燃料電池性能測試，無論是電池堆或單電池其背壓或入口壓力都列入主要的測試條件，利用手動調整儲氫鋼瓶壓力閥來控制燃料進氣壓力，來測試進氣壓力提高是否可提升燃料電池之反應效率。如圖5所示，經過壓力調節器後，系統會將氫氣壓力調整為約1bar的壓力，再進入電池堆進行電化學反應，所以氫氣入口壓只要在調整器可承受範圍內，不管壓力提高到多少，最終進入電池堆的壓力都只有約1bar的壓力，提高氫氣入口壓力，並無法產生更多的電化學反應而提高性能，反而只會增加氫氣的喪失率，造成燃料的浪費，故無須提高氫氣的入口壓力，而軟體介面所顯示的氫氣壓力，則是指未經過系統氫氣壓力調節器的入口壓力。

3.2.3 流量測試

流量測試是利用調整電子負載不斷提升功率能量，所需之氫氣流量亦不同，再進一步測量氫氣的消耗速率(如圖6所示)，本實驗可以反推算儲氫瓶可提供燃料的時間，亦可了解儲氫瓶所必須之出口流量。

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由實驗可知隨著燃料電池發電功率不斷上升排水量也隨著線性增加，在低功率時由於出水量很少所以大部分會積在燃料電池出水口的地方，隨著功率上升則可將水分充份排出。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 0.0 5.0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 氫氣流量需求流量功率 (W) 電流(A) 圖6、氫氣流量測試圖

3.2.3 排水量測試

氣冷式1.2kW Ballard Nexa power module質子交換膜燃料電池在電化學反應過程中會有水分產出，本實驗針對此燃料電池系統進行不同電流下排水量的測試，並且與原廠數據比較，可做為未來雙動力原型車[6]排水架構的設計參考依據。本研究將有冷卻的排水量數據與原廠數據比較(如圖7所示)，在20A電流前，兩條曲線為重疊，但在20A電流後，原廠的曲線漸漸高於實驗數據的曲線，而且隨著電流提高差距而變大，30A電流下差距為0.01公升，40A電流下為0.02公升， 50A電流下，差距更為明顯，這是因為雖有將排水口連接管路至冰水中冷卻，但由於排氣溫與速度都會隨著電流的增加而提高，所以在電流提高下，2公尺的冷卻管路漸漸的無法完全將氣體冷卻所造成的些微誤差。

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0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0.0 5.0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 排水量實際實驗排水量(未冷卻) 實際實驗排水量(冷卻) 原廠排水量電流圖7、燃料電池排水量與原廠數據比較圖

3.2.4 溫度測試

氣冷式1.2kW Ballard Nexa power module質子交換膜燃料電池在進行電化學反應時，除了會產生電力外還會產生餘熱與水，餘熱使得燃料電池的溫度上升(如圖8所示)，由於雙動力原型車的空間較小散熱效果較差，相對的車廂溫度容易提高。圖8所示，燃料電池在0~35A電流下，燃料電池堆的溫度都是慢慢上升到達穩定的固定溫度，當電流為40~50A時，燃料電池堆的溫度則是會超過61.52℃再慢慢的往減少，維持在61.52℃。燃料電池堆的溫度在之所以在超過61.52℃後，會在往下掉，是因為溫度感測監測電池堆的溫度後將訊號傳給微處理器，當溫度超過61.52℃時，微處理器則會發射訊號给冷卻風扇，加速冷卻風扇的速度，抽取更多的空氣來冷卻電池堆的溫度，使電池堆保持在61.52℃，避免過熱造成損壞。

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20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 0.0 10 20 30 40 50 60 穩態溫度溫度電流(A) 圖8、燃料電池堆溫度變化圖

3.3 擺設裝置之空間運用

Apoll o Pl us號為阿波羅車隊所研發製作的第五部車，車長 5 米、寬 1.8米、高 1.05米，車重僅為 150公斤 (不含蓄電池及駕駛 )，但也相對的空間運用上有所侷限 (扣除駕駛座，僅剩側翼以及原電池擺放位置 )，所以在有限的空間之下我們必須額外擺置 1.2kW Ballard Nexa power mo dul e 質子交換膜燃料電池以及 DC/ DC 穩流器 (如圖 9所示 )。圖9、Apollo Plus空間示意圖

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3.3.1 後車體結構空間考量

後車體結構空間為62cmx62cmx28cm，需將原鋰電池取下更換成質子交換膜燃料電池(56cm x 25cm x 13cm)以及DC/DC穩流器(14cm x 40cm x 18cm)，結構圖。

3.3.2 質子交換膜燃料電池擺放

1.2kW Ballard Nexa power module 質子交換膜燃料電池在流道與排水設計上，使得質子交換膜燃料電池無法在傾斜或是橫躺之情況下運作。由於1.2kW Ballard Nexa power module 質子交換膜燃料電池氫氣使用率並非100%而是約 80%，換句話說即有20%的氫氣會直接排放至空氣中，氫氣濃度在密閉空間內，若氫氣濃度達到4%將會有爆炸的危險，因此太陽能車結構設計上電路板需穿孔避免遮蓋燃料電池排放空氣以及確保空氣流通，並把副產物「水」直接排出車外。

3.3.3 氫氣瓶擺放

氫氣是燃料電池之主要燃料之一，一般以低壓合金瓶[7](<10atm)或是高壓鋼瓶(約250atm)、高壓合金瓶來儲存(如表二、三、四所示)，有些更強韌的儲氫瓶如碳纖維複合材料高壓儲氫容器更能在儲氫容量上有一大突破，但目前為實驗之產品並無在市面上販賣，雖然低壓合金儲氫瓶之儲氫量單位重量低，有儲存壓力低、好的體積儲存密度、安全性高等優點，但燃料之流量不足維持燃料電池滿載使用[8]。氫氣瓶在釋放氫氣時會呈現吸熱狀態所以儲氫瓶溫度將會不斷降低且會造成氫氣排放不穩定且不可接觸高溫，而質子交換膜燃料電池在運作中會散發餘熱使得自身溫度會升高所以必須將儲氫瓶遠離質子交換膜燃料電池擺放。 1.2kW質子交換膜燃料電池在滿載的情況之下氫氣消耗量為18.5SLPM，單靠一小型儲氫瓶之氫氣流量來維持是非常不足的所以需將多數的儲氫瓶以流量管將其匯合來提供1.2kW質子交換膜燃料電池在滿載時所需要的氫氣消耗。但因為低壓合金儲氫瓶最大出口流量只有0.3L/min[9]，即使是串聯四個低壓鋼瓶也無法提供1.2kW質子交換膜燃料電池滿載時所需要的流量，在此我們選擇高壓儲氫鋼瓶串聯使用以便提高氫氣流量來供應維持1.2kW質子交換膜燃料電池之運作。

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表二、HB-SC-0250-N 250 Liter Hydrogen Storage 規格

表三、HB-SG02-0500-N 500 Liter Hydrogen Storage 規格

表四、HB-SC-0660-N-L 660 Liter Hydrogen Storage 規格

3.3.4 鋰電池擺放

Apollo Plus原裝載的蓄電池為自行製作的5kW/hr的鋰電池，約為30公斤左右 (如圖10所示)，雖然價格昂高，但具效率高、重量輕等優點[10-11]其規格如表五所示。因為該空間已被燃料電池取代所以本研究改採用鋰高分子電池重新組裝結合放置於車身二側，鋰高分子電池規格[12]說明如表六所示，鋰高分子可以提供更高之電力密度且相對的重量較輕、安全性高等優點，本研究採國產鋰高分子電池取代原鋰電池組。

3.4 太陽能與燃料電池車性能模式

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性能模式之建立，可以使我們了解到載具行駛時能量消耗狀況，性能模式也可以在載具設計時(製作前)可提供重點考慮參考指標，即使整車完成製作並進行實際測試時，性能模式可作理論上解釋並設計實驗測量項目，來了解車子實際性能之表現。本章節所提到空氣阻力、滾動阻力以及電力消耗公式[13-14]經估算後可得知本研究載具高速行進時電力消耗情形。圖10、鋰電池(左)單電池、(右)鋰電池組表五、鋰電池規格

3.4.1 空氣阻力

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車子行進中若車速不快，空氣阻力並不顯著重要，但如超過 40km/ hr以上就必須認真考慮其影響，空氣阻力之基本方程式為 :

D

=

⋅

V

⋅

A

⋅

C

d 2

2

1 _ρ

(1) 其中 D=空氣阻力 ρ=空氣密度約1.17kg/m3 V=車速 A=車體最大斷面積 Cd=阻力係數空氣阻力所造成之消耗功率可直接乘上車子當時之行進速度。 P=F⋅V 錯誤 ! 尚未定義書籤。 P_a = ⋅ ⋅V3⋅A⋅C_d 2 1 _ρ (2) 表六、鋰高分子電池規格

3.4.2 滾動阻力

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滾動阻力在行進中之載具，滾動阻力為載具行進中主要的行進阻力，更會隨著載具重量與速度增加而增加，路況也相對的會隨著路面之粗糙度影響，載具輪胎也會因為材質與厚度有著相對的影響。以下為美國通用汽車公司針對商品化輪胎依據經驗測試，所得到之方程式: D C_rr V ⋅W     + ⋅ = 100 1 (3) 而 D=阻力(lbs) Crr=滾動阻力係數 V=速度(mph) W=載具重量(lbs) 一般太陽能車所使用之輪胎可將滾動阻力係數合理的假設為：粗糙路面 0.006，平滑路面為0.005，再此我們先假設為平均滾動阻力係數(Crr)為0.0055，也就是考慮粗糙路面以及平滑路面各半來估算所消耗之能量。

3.4.3 所需電力消耗估算

載具高速行進時電力消耗是以時速三次方遞增，所以如何推算載具行進時消耗電力與行車速度之間的關係是相當重要之課題。其電力消耗可以以下列公式表示。 Or

P

=

(

P

_a

+

P

_rr

)

/

η

(4) 其中 C rr =胎滾轉摩擦係數 W =重量(包含駕駛) g =重力加速度 ρ=空氣密度 C d‧A=空氣阻力面積(具截面積與空氣阻力係數之積) V=載具行進速度 η=馬達效率與機械傳動效率相對於速度之變化值以下為理論模式計算，目的為驗證該模式與實際行駛之差異。首先需之整車實際重量(如表七所示)，該表顯示Apollo Plus 雙動力載具各部重量並可得知整車重284 kg，考慮續航時速80 km/hr (22.22m/s)時，假設輪胎滾轉摩擦係數C rr = 0.0055、車重(含駕駛)W = 260 kg、重力加速度 g = 9.8 m/s2、空氣密度 ρ= 1.17

η

ρ

/

100

1 )

98 .

1 (

2

1

3













_⋅







 +

⋅

+

⋅

=

V

A

C

V

W

V

P

_d _rr

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kg/m3、空氣阻力面積 C d‧A= 0.125 m2、傳動效率考慮巡航時速之馬達效率，在此設定為 η= 94％、燃料電池與其燃料 Wf = 24 kg，則未裝燃料電池時之 Apollo Plus號太陽能車行進時電力消耗可依公式(4)計算得知P=1400W，在此稱之太陽能車於續航時速下理論性能值。將各設定時速依公式(4)計算可得到一系列太陽能車於不同設定時速下理論性能值，並將其繪製成一下理論性能曲線(如圖11所示)，由於2007年參加澳洲世界太陽能車挑戰賽(WSC)時，再行經 3021公里時已有太陽能車於不同定速巡航時之實際路試數據，本研究藉實測路試數據與理論性能計算公式發展一半經驗的性能計算公式如下:

η

/

100

1 )

98 .

1 (

3













_⋅







 +

⋅

+

⋅

=

a

V

A

C

b

C

V

W

V

P

_d _rr Or

P

=

(

a

⋅

P

_a

+

b

⋅

P

_rr

)

/

η

(5) 其中公式(5)所表示的半經驗的性能計算公式中係數 a及b，依G Graph繪圖軟體中Curve Fitting方法，可求出係數 a=1.001； b=1.778時，圖11內2007年WSC 實際路試數據與公式(5) 之半經驗的性能曲線可吻合，此計算模式為本研究較重要結果之一。然在Curve Fitting過程中，a為之固定數，b為從開始起跑時速(5 km/hr)設定 2.2 可完全吻合實際路試數據，該值隨時速漸增而遞減，時速 80 km/hr 時設定1.6方完全吻合實際路試數據，因此最後選擇一平均數值1.778，作為半經驗的性能曲線之b係數。由此可看出當時速增加，氣動力效應(升力)增強，影響較大的是輪胎與地面滾動阻力係數，而公式(5)之b值可當作該項之修正因子。未來若有機會針對燃料電池動力完成長距離實測路試，亦可應用本研究模式發展燃料電池動力表現之半經驗的性能曲線。表七、 Apollo Plus 雙動力載具各部重量

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圖11、太陽能車依實測路試數據與理論性能公式所發展出半經驗的性能曲線

三、成果討論

選擇質子交換膜燃料電池系統來提供電力，電力需求越大，燃料電池體積與重量也越大，所以必須考慮車體結構能承受的重量範圍。質子交換膜燃料電池之穩定測試(含電流穩定測試)，可得知該系統穩定性在穩定的環境之下可保持穩定的輸出功率，並無過大之鋒值電壓或是電流可以降低對蓄電池傷害的可能性。質子交換膜燃料電池之壓力測試，嘗試提升燃料進口壓力來提高燃料電池之發電效率發現氣冷式1.2kW Ballard Nexa power module質子交換膜燃料電池系統會將升壓後的燃料通過系統中的調壓閥(承受最大壓力為17barg)時被降低至 1barg，再供給燃料電池系統使用，在壓力範圍內對燃料電池之發電效率並無任意影響。質子交換膜燃料電池之排水測試有些許部份是對質子交換膜本身增濕的部份，質子交換膜燃料電池在85%的相對溼度之下，有最好的反應效率[15]，隨著燃料電池輸出功率不斷上升排水量也跟著提昇，需將水排出車外確保蒸氣影響載具之電路。溫度測試，這條件不利於使用氣冷式的散熱系統在此狹小的密閉車廂內，尚須考量擺放在同一空間的儲氫瓶，會因為釋放氫氣時會吸收熱量，而使得氫氣鋼瓶表面溫度降低若在此時儲氫鋼瓶遇到車內不穩定的熱源，容易發生儲氫鋼瓶爆裂的危險。系統散熱風扇會在電池堆溫度達61.52度時啟動，以降溫電池堆 WSC2007路式數據

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避免過熱損壞觸媒層，此時散熱風扇需5.8%功率消耗將降低燃料電池自身的發電效率。多項反應顯示燃料電池溫度狀況的探討相當重要。空間運用上在Apollo Plus上因為原為比賽用車所以在空間上已有相當的限制，經過測量與排定後發現儲氫鋼瓶的擺放位置將影響駕駛及整個環境安全有相當大的影響，車身內空氣流通需更加的注意當氫氣濃度高於4%時就隨時有可能有爆炸的危險，並且活躍的氫氣在釋放過程中是屬於吸熱狀態相對地儲氫鋼瓶四周溫度會開始下降，使得儲氫罐更加的不穩定，若碰觸熱源(如發電中之燃料電池)恐有爆炸之危險，需額外將其溫度控制。安裝燃料電池之太陽能Apollo Plus在時速66.46公里時，若超過則燃料電池無法提供足量的能源來維持速度以及能量之消耗。換句話說若以燃料電池作為輔助電源時車速仍不可超過66.46公里，則無法達到蓄電之功用即消耗殆盡。依據 Apollo 團隊於 2007年參加澳洲世界太陽能車挑戰賽之實際路試數據，配合理論性能計算公式可發展一半經驗的性能計算公式，可知當時速增加，氣動力效應(升力)增強，影響較大的是輪胎與地面滾動阻力係數，且時速適度增加對整車能耗更有效率!

參考文獻

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出席國際學術會議心得報告

計畫編號 NSC 96-2516-S-151-001 計畫名稱太陽能及燃料電池載具研製與新能源人才培育（3/3）出國人員姓名服務機關及職稱艾和昌國立高雄應用科技大學模具工程系教授兼應用科學研究所所長會議時間地點二○○八年八月十七日至二十日/北歐冰島首府雷克雅未克市冰島大學

會議名稱第十九屆國際傳輸現象研討會 (The 19th International Symposium on

Transport Phenomena)

發表論文題目 A Study on Photovoltaic System in Taiwan and its Economic Analysis by NPV

一、 參加會議經過

第十九屆國際傳輸現象研討會 (The 19th International Symposium on Transport Phenomena)在北歐冰島首府雷克雅未克市(Reykjavik)冰島大學(照片一)舉辦，為期 4 天的會議於二○○八年八月十七日至二十日舉行，主辦單位為太平洋熱流工程中心(The Pacific Center of Thermal-Fluids Engineering)。該中心自一九八五年成立以來，已舉辦三系列的國際研討會－國際傳輸現象研討會 (International Symposium on Transport Phenomena, ISTP-series)、國際傳輸現象及旋轉機械動力學研討會(International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, ISROMAC-series) 、及國際流體可視化及影像處理研討會(International Symposium on Flow Visualization and Image Processing)，承辦該屆國際傳輸現象研討會為冰島大學。該研討會幾乎為每年一次的國際研討會，由於成員人數眾多，並遍佈世界各地，且該學會以往所舉辦一系列國際研討會均相當成功，此次研討會亦能承傳以往經驗，匯集不同國家的學術界專業人士齊聚一堂，分享該年對於熱與質傳、電子散熱、環境系統、生醫工程等方面的研究成果與經驗，估計近五百人與會。 8 月 17 日當天為報到日，報到儀式會場位於冰島大學的圖書館暨會議中心，報到當天便開始看到來自各國不同國家的教授與研究所學生，大夥利用這個時間，與其他國家的教授、研究學者等交流。次日(18 日)早上為開幕儀式，首先由冰島教育、科學與文化部長 (Minister of Education, Science and Culture) Þorgerður Katrín Gunnarsdóttir 女士作歡迎演說 (照片二)，接著由日本東京農工大學望月教授介紹整個會議流程(照片三)。依研討會慣例，邀請具學術聲望學者作專業研究領域演講，本次由韓國首爾國立大學(Seoul National University) Sung Tack Ro 教授以「Advancement of Power Systems : Lessons from the Principles of Thermodynamics and Transport Phenomena in Textbooks」主題進行精彩演講(照片四)，其內容對國際能源現狀進行簡要報告，亦對此次研討會主辦地區(冰島)，對自然能

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源利用方式進行詳細的說明。開幕式 250 人座位會場幾乎座無虛席(照片五)，當天晚上為大會安排的正式晚宴，由於此次台灣來參加研討會的教授與研究單位人士為數不少(照片六)，晚宴時幾乎佔了兩桌。 18 日到 20 日皆為各研究群口頭報告或海報張貼的時段。所有論文依其分類，分別安排於三天(18 日到 20 日)在四個會場同時進行宣讀報告，其論文題目可歸納成 16 主題，計有 167 篇；另有一論文張貼場次，計有 45 篇，本屆總計有 212 篇論文。章分別是 Heat and Mass Transfer 計 43 篇、Transport Phenomena in Multi-Phase Systems 計 22 篇、Micro- and Nano-scale Transport 計 16 篇、Thermal Hydraulics of Nuclear Reactors 計 4 篇、Environmental Systems 計 5 篇、Electronic Equipment Cooling 計 5 篇、Experimental / Computational Fluid Dynamics 計 19 篇、Gas Turbine Heat Transfer 計 6 篇，Bioengineering and Biothermal Fluid Dynamics / Chemical Process Systems 計 5 篇，Industrial Aerodynamics and Wind Engineering / Manufacturing and Materials Processing 計 5 篇，Other Topics Related to Transport Phenomena 計 5 篇，Combustion and Reacting Flows 計 16 篇，Advanced Energy Systems 計 7 篇，Heat Exchangers 計 4 篇，Turbulence and Flow Instabilities 計 5 篇，圖一所示為針對以上主題及對應篇數之統計結果。由統計分析可看出 Heat and Mass Transfer、Transport Phenomena in Multi-Phase Systems 為此次發表的研究主題大宗，接序為 Experimental / Computational Fluid Dynamics、Micro- and Nano-scale Transport、Combustion and Reacting Flows。

在正式會議進行時，每篇論文宣讀者有 15 分鐘進行宣讀，宣讀完畢有 5 分鐘發問與問題解說。另外在每個演講廳均配有現代化的投影機、幻燈機、電視機和放影機，並有服務幫忙的人員，場外則貼有該場次發表的論文題目，方便與會者尋找想聽之論文。此外，大會於三天的研討會中針對”Transport Phenomena in Multi-Phase Systems”、” Thermal Hydraulics of Nuclear Reactors”、及” Experimental / Computational Fluid Dynamics” 主題，分別安排三場重要專題課程(keynote lectures)，依序為:” SPREAD-REBOUND TRANSITION CRITERION OF ELECTRICALLY CHARGED

DROPS”、” CFD APPROACHES TO ANISOTROPIC TURBULENT FLOW PHENOMENA IN NUCLEAR”、及” ON THE COMPUTATION OF SOME EXTERNAL OR PARTIALLY ENCLOSED NATURAL”，藉由開幕主題演講及議程中穿插的專題課程，與會人士可一窺最新的研究方針與進程。

二、 與會心得

國際研討會本人已參加過許多次，此次首次帶研究生參加國際研討會(照片七)，希望年輕人能勇於走出國門參與國際學術交流活動。本次本人有兩篇論文發表(照片八)，一篇為 ”Simulated Trachea of The Airway by Particle Image Velocity” ，所屬會議主題為”Experimental / Computational Fluid Dynamics”；另一篇為” A Study on Photovoltaic System in Taiwan and its Economic Analysis by NPV” 所屬會議主題為”Advanced Energy Systems”。本人發表論文中，第一篇協同完成之研究生為王泰華，研究目的藉雷射質點顯像測速方法

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觀測人體氣管之流場行為模式，其結果可與現今計算流體已有論著作比對；第二篇協同完成之研究生為林佐翰，研究目的為評估太陽能光電系統設置之經濟可行性，由淨現值法 (NPV)探討成本，以方程式納入系統設置成本及回收效益等因素，並以台灣地區個案為參照，設計出一套成本計算公式，期能提供計畫使用太陽能光電系統者更具效益之評估方式。此外，除參與研討會的心得外，冰島還有不少另人印象深刻的事。本人認為：「上天給冰島最冷的環境，但也給了他們最熱的水」(照片九)。在如此嚴寒的環境下(照片十)，造就冰島居民就地利用自然資源，創造出最大的經濟效益。冰島長年低溫，夏季可為外國人避暑觀光聖地，冬季可以是觀賞極光的極佳選擇。島內地熱不只是熱水，而是冰島人永續能源應用的熱忱，利用地熱發電讓冰島人有取用不盡的潔淨能源；更重要的是，冰島人能將兩者相容，將天然資源與觀光產業結合。如將地熱發電廠與藍湖溫泉(Blue Lagoon，世界三大海底溫泉之一)結合成一觀光景點。冰島有冰島語，但當地政府明訂官方語言卻是英語，使得大部份的冰島人都能說得一口流利的英語，此與其發展觀光產業的政策是互有助益的。當地人愈能與觀光客互動，觀光產業及英語環境的完善度就愈高。近年來台灣亦想發展國際觀光產業，冰島似乎有不少寶貴經驗可以借鏡。冰島國境約台灣的兩倍，其首都雷克雅未克一年有近六個月會下雪，路面時常結冰。當地政府便部部份街道路面施行埋設地下熱管工程，只要路面結冰，便將地熱引至地下熱管中，便能快速地消除地上的冰霜。冰島政府懂得利用現有資源，並將該資源發揮百分之二百的效果，地熱發電廠亦是一個極佳的例子，近年冰島亦持續發展燃料電池技術，並將部份公車改成燃料電池公車，使原本已是低污染的環境，變得更加潔淨。科技始終來自於人性，創新的研究與設計其最終目地，只為了使人類生活更便利，以最小的損耗達到最高的效益。雖然說這次研討會有部份主題研究並非所學專長，但是藉由吸收各種不一樣的知識與想法，也許會激盪出更多的靈感在研究專長上，而更加的精進。最後，參與國外研討會最大的開銷，本次隨行有兩位碩士研究生，國外研討會開銷除機票外便是住宿費，尤其是物價極高的歐洲國家。在此建議住宿青年之家(Hostel)是一個不錯的選擇，其房價低廉卻能提供舒適的居住環境，只是要以優惠價入住，需先申請 YH 青年旅舍卡，但因房間數量有限，最好能在出國前三個月預訂。國際學生證亦為重要，國外有許多地點會給予學生額外的優惠，如火車票、博物館入場券……等等。三、 攜回資料名稱及內容 第十九屆國際傳輸現象研討會大會手冊，ISTP-19 書面資料一份，ISTP-19 論文光碟一份(照片十一)。

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照片一、冰島大學照片二、冰島教育、科學與文化部長開場演說

照片三、望月教授介紹整個會議流程照片四、Sung Tack Ro 教授專業開幕演講

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照片七、本人及兩位研究生參加國際研討會照片八、論文發表

照片九、地熱噴泉照片十、嚴寒的冰凍下的島—冰島