行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
質子交換膜燃料電池組之組裝端板最佳化設計
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-002-246- 執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣大學機械工程學系暨研究所 計 畫 主 持 人 ： 鄭榮和 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：陳丁銓、林逸祥 處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 96 年 12 月 07 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
□ 成 果 報 告
□期中進度報告
質子交換膜燃料電池組之組裝端板最佳化設計
Optimization of the end plate of PEMFC stack
計畫類別：□ 個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：NSC 95－2221－E－002－246－
執行期間：95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日
計畫主持人：鄭榮和
共同主持人：
計畫參與人員： 陳丁銓、林逸祥
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
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□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
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□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位： 國立台灣大學機械工程研究所
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(一) 研究內容
本研究為一年期計畫，針對質子交換膜燃料電池的電池堆端板夾持壓力與接 觸電阻的相互關係進行探討；而後利用有限元素分析軟體進行接觸電阻值預測， 並探討壓力分佈情形對接觸電阻的影響。主要研究成果如下所述。 1. 前言 近年來，溫室效應以及能源耗竭的威脅與日劇增，氣候異常、生態環境破壞、 石油價格波動等慘況，讓全世界受到一波波重大衝擊。許多科學家都已明顯指 出，二氧化碳的濃度、全球溫度以及海平面高度都在年年上升，種種跡象顯示危 機早就來臨。 為了解決這些問題，我們必須減少使用石化能源外，並盡快開發替代能源， 燃料電池是目前最具發展遠景的新能源，它的效率高，只要補充氫燃料就能持續 發電，發電過程不需燃燒，不僅噪音低，反應後產物也不會造成污染；綜合以上 優點，燃料電池是非常值得投資、發展的新能源。 2. 研究動機與目的 本實驗室組成燃料電池汽機車開發團隊，進行新能源車輛的研發及製作。目 前主要的燃料電池種類中，以質子交換膜燃料電池（PEMFC）最適合使用在車 輛動力上，所以選擇質子交換膜燃料電池做為車輛的動力來源。 質子交換膜燃料電池是一個多層結構體，由許多單電池（cell）組合成為電 池組。單電池可分解成七層對稱結構，由外到內分別是：雙極板、氣體擴散層、 觸媒層、質子交換膜；最後將大量單電池串聯，組成可提供足夠電壓及功率的燃 料電池組，夾持這些單電池的元件是位於電池組兩端的端板（endplate），夾持力 量則由螺栓提供（見圖一）。 圖一 燃料電池組組裝示意圖端板的重要功能有下列幾項： a. 維持燃料電池結構之完整性； b. 提供夾持壓力，降低元件間之接觸電阻，提升電流輸出及效率； c. 提供密封力，防止燃料外洩； d. 連結燃料氣體及冷卻水的管路系統。 端板必須將電池組內各元件緊貼的關係有效維持住，但在夾持過程中，端板 會發生如圖二所示的彎曲現象，造成中央拱起，而使夾持壓力分佈不均勻，對電 池組造成許多負面影響。基於上述理由，本研究針對端板彎曲的現象進行改良設 計，以提供均勻夾持壓力目標；此外，壓力分佈均勻性對接觸電阻之影響，亦將 一併探討。 圖二 端板中央拱起示意圖 3. 理論背景 圖三為接觸電阻量測之實驗設置圖[1]，由此設置方式量出之電阻值為五項 電阻之和，分別是金板、雙極板、氣體擴散層之片電阻，以及金板/雙極板、雙 極板/氣體擴散層間之接觸電阻；接觸電阻均為未知數，故需另一校準實驗，才 可求得雙極板和氣體擴散層間之接觸電阻。 圖三 接觸電阻量測實驗設置圖 2006 年，P. Zhou 等人[2]以及 L. Zhang 等人[3]使用有限元素分析軟體模擬燃 料電池元件間之接觸，並搭配接觸電阻量測實驗進行接觸電阻之預測，得到相當 準確的結果。之後，他們分別探討夾持壓力分佈對接觸電阻的影響，並得到不同 的結論：P. Zhou 等人做出當夾持壓力完全平均時，接觸電阻會最小之結論；而 L. Zhang 等人則認為夾持壓力分佈並不會造成什麼影響。
除了接觸電阻之外，亦有其他文獻[4、5、6]指出，夾持壓力分佈的均勻性 對電池組內之熱管理、水管理以及燃料輸送也會造成影響。 4. 建立有限元素模型 進行端板改良設計前，須先建立正確的有限元素模型，以模擬實際夾持壓力 的分佈情形，所以本研究透過接觸電阻的預測，驗證有限元素模型的準確性。 圖四為夾持壓力和接觸電阻率之關係曲線圖，由實驗求得，求得此曲線後， 接著建立有限元素模型，然後進行接觸電阻預測以及實驗驗證。 圖四 接觸電阻率－夾持壓力關係曲線圖 實際電池組結構跟材質相當複雜，故建立模型時需適當簡化，簡化主要有下 列兩點： a. 假設氣體擴散層為等向性且均質之材料，減少材料性質設定的麻煩，而且分 析重點在單一方向上，所以此簡化對分析結果影響不大。 b. 忽略接觸面上之摩擦力：燃料電池內有多種接觸面，實際上摩擦力也不大， 故忽略所有接觸面上之摩擦力，縮減計算時間。 圖五為當夾持壓力為1.5MPa 時，雙極板和氣體擴散層接觸面上之夾持壓力分 佈圖，得到各元素上之夾持壓力後，即可進行接觸電阻之預測。 圖五 雙極板與氣體擴散層接觸面之夾持壓力分佈圖
得到預測值後，接著進行實驗驗證，從表一可看出，預測值和實驗值的誤差 在正負10％以內，由此可證明有限元素模型之準確性。 表一 接觸電阻率之預測值、實驗值及誤差百分比 夾持壓力（MPa） 預測值（mΩ） 實驗值（mΩ） 誤差（％） 1.5 0.361207 0.336814 7.24 2.0 0.278939 0.292236 -4.55 5. 壓力分佈均勻性探討 從有限元素模型可以快速得到夾持壓力數據，並算出接觸電阻值；同樣的， 也能夠迅速得知壓力分佈的情形，本研究選擇標準差作為壓力分佈均勻性之判 準，公式如式（1）所示。 1 2 2 1 1 ( ) n i i S P P n = ⎛ ⎞ =⎜ − ⎟ ⎝
∑
⎠ （1） 端板的設計目標是均勻地傳遞夾持壓力，根據此目標，本研究設定一個理想 夾持狀況，假設端板施加的夾持壓力在雙極板上均勻分佈，為了瞭解在此狀況 下，標準差和夾持壓力之關係，選用1.0、1.5、2.0、2.5、3.0MPa 五個壓力值來 比較其標準差。 圖六為五個夾持壓力值對應之標準差，夾持壓力增加會讓標準差增加，代表 夾持壓力分歧的程度上升，而標準差和夾持壓力幾乎成正比；若進一步求出兩者 間之比例關係，也就是把標準差除以當時的夾持壓力，可發現不管壓力多大，標 準差大約為當時夾持壓力的5.61％（見表二），此比例稱為SR值（ratio of standard deviation）。SR值較標準差更能迅速、具體的表現出夾持壓力不均的程度，所以 此比例將取代標準差作為壓力分佈均勻性之判準。 根據理想夾持狀況得到之SR值大約為5.61％，若是改良後之端板能將 SR值 逼近5.61％，就代表改良效果越好。 在理想夾持狀況下SR值為5.6％，那麼使用一般端板時 SR值大約是多少呢？ 接下來將比較使用一般端板以及在理想夾持狀況下之SR值，為了增加樣本數， 選用三種端板厚度，以及兩種夾持壓力，計算其SR值以及對應的接觸電阻值。 圖六 理想夾持狀況下，不同壓力之標準差值 0 50000 100000 150000 200000 1 1.5 2 2.5 3 夾持壓力(MPa) 標準差(Pa)表二 理想夾持狀況下，不同壓力之 SR值 夾持壓力（MPa） 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 SR（％） 5.6183 5.611133 5.60855 5.61372 5.614433 表三及表四分別為1.5MPa 以及 2.0MPa，各種端板厚度之 SR值以及接觸電 阻值，最後兩列也將理想夾持狀況（ideal condition）以及 SR值等於零之極限狀 況的接觸電阻值一起列出；從兩表中可以看出，一般端板的SR值約是理想狀況 的四到五倍，SR值越小，接觸電阻值就越小，當SR值為零時，接觸電阻出現最 小值，但是最佳和最差的狀況相比，接觸電阻也只改善約0.35％；另外，當夾持 壓力改變時，接觸電阻差距和SR值間的趨勢關係，並沒有改變（見圖七）。 表三 夾持壓力為 1.5MPa 時之各類數據 端板厚度 SR（％） 接觸電阻值 （mΩ） 接觸電阻差距（％） 10mm 29.57 0.36554007 0.34548581 12.5mm 26.37 0.36530937 0.28215676 15mm 21.36 0.36496066 0.18643074 I.C. 5.61 0.36432586 0.01217 SR＝0 0 0.36428153 0 表四夾持壓力為 2.0MPa 時之各類數據 端板厚度 SR（％） 接觸電阻值 （mΩ） 接觸電阻差距（％） 10mm 29.57 0.2810835 0.345471 12.5mm 26.37 0.2809061 0.282138 15mm 21.36 0.2806380 0.18643 I.C. 5.61 0.2801498 0.012147 SR＝0 0 0.2801158 0 6. 端板改良設計 SR值可以用來表示夾持壓力分佈的情形，和接觸電阻間的關係也非常明顯， 所以端板的改良設計可以使用SR值來判斷改良成效。 圖七 接觸電阻差距和 SR值之趨勢關係
為了避開電池組中央的眾多元件，螺栓只能鎖固在端板的周圍，故中央拱起 的現象才如此嚴重；針對此彎曲現象，提高端板剛性可稍微改善，但效果有限； 另外也有些特殊的端板改良方法[7]，亦是以彎曲現象為著眼點進行改善。 端板彎曲確實無法避免，但改良設計若只侷限在端板上，改良成果將非常有 限；基於此原因，本研究認為必須跳脫端板之外，另外設計輔助元件，才能達成 更好的改善效果。 6.1 改良雛形 圖八為輔助元件的設計圖，此元件和端板並非連結在一起，而是放置在端板 上，代替端板被螺栓鎖固（見圖九）。螺栓鎖固後，此元件同樣會發生彎曲，彎 曲後此元件和端板的接觸僅剩下斜角部分（見圖十圈起處，以下稱施力斜角）， 透過施力斜角，可將夾持力傳遞到端板上。 使用輔助元件有兩個優點，第一是彎曲由輔助元件承受，不再直接影響端 板；第二是更改端板受力的位置，因為以往端板都是邊緣受力。本研究將此元件 命名為壓力分散件，希望可將夾持壓力均勻分散。 圖八 輔助元件設計圖 圖九 輔助元件組裝示意圖 圖十 輔助元件作用圖 圖十一 壓力分散件部位說明圖 圖十一為壓力分散件的部位說明圖。L 代表施力斜角至端板中心之距離，L 決定端板上受力點之位置，是最重要的參數；TC為分散件中央段之厚度，用來 抵抗中央段承受的力矩；TE代表邊緣段外緣之厚度，也是用來承受力矩。
6.2 趨勢分析 使用壓力分散件能將端板的受力點移動到適當的位置，而哪裡是適當的位置 呢？偏中央或偏邊緣等狀況都是不恰當的，所以L 的初始值訂在受夾持元件的 中心及外緣的中點上，此時L＝32mm；在初始值前後 10mm 的範圍內，各取兩 點進行比較， TC、TE則設為定值，TC＝15mm；TE＝5mm。 表五列出不同L 值對應之 SR值，使用壓力分散件後，SR值都較使用一般端 板為低，在L＝32mm 時，SR值出現最小值，甚至比理想夾持狀況之SR值還低， 這表示理想夾持狀況並非最理想的夾持方式。 表五 不同 L 值對應之 SR值 L 值（mm） SR（％） 22 6.834 27 5.486 32 4.770 37 4.799 42 5.758 6.3 端板減重 從圖十二可看出，使用壓力分散件後，端板上的受力區域遠小於端板大小， 所以這些不必要的部分必須縮減以減輕重量；本研究設定的尺寸，端板原本的長 寬為150mm，而受夾持元件的長寬最大為 100mm，所以將端板尺寸修改為 110mm，然後比較不同厚度時之 SR值，表六為L＝32mm，尺寸縮減後之端板， 在厚度分別為10、12.5、15mm 時之 SR值；當厚度和之前相同時，SR值等於4.877， 幾乎等於原本的4.770，所以長寬方面的縮減對 SR值的影響並不大；而在厚度減 少的過程中，SR值略為上升，這表示厚度會稍微影響夾持壓力的傳遞，但是SR 值依然遠低於使用一般端板。 另外，若計算減重後之端板和壓力分散件之重量總和，可發現比使用一般端 板還輕（見表七）。 圖十二 使用壓力分散件時，端板上之受力圖
表六 尺寸縮小之端板，不同厚度之 SR值 端板厚度（mm） SR（％） 10 6.664 12.5 5.511 15 4.877 表七 減重後端板和壓力分散件重量總和與一般端板之重量比例 減重後端板厚度（mm） 重量比例（％） 10 66.4 12.5 76.0 15 85.6 7. 結論 本研究主要有以下成果： a. 使用有限元素分析軟體建立燃料電池之接觸模型，分析後得到雙極板和氣體 擴散層間之夾持壓力數據，然後配合實驗獲得之接觸電阻率關係曲線進行接 觸電阻預測，實驗驗證後誤差在正負10％內。 b. 使用夾持壓力標準差和夾持壓力的比例（SR值）來描述壓力分佈之均勻性， 並建立此比例和接觸電阻間的關係。在比較不同狀況下之SR值及接觸電阻 後，發現壓力分佈最均勻時，接觸電阻會降到最小；但只改善約0.35％；另 外，接觸電阻值差距和SR值間的趨勢關係不受夾持壓力影響，因此可用來預 測接觸電阻值的落點，前提是SR值在特定範圍內。 c. 進行端板的改良設計，使受夾持元件上之壓力分佈更均勻，本研究跳脫端板 之外，設計一壓力分散件輔助端板夾持，分析結果顯示，使用壓力分散件， 即使在最差的狀況下，其SR值也遠低於使用一般端板，而且還能減輕電池組 的重量。
8. 參考文獻
[1] V. Mishra, F. Yang, R. Pitchumani,“Measurement and prediction of electrical contact resistance between gas diffusion layers and bipolar plate for applications to PEM fuel cells”, Transactions of the ASME, Vol. 1, Nov. 2004.
[2] P. Zhou, C. W. Wu, G. J. Ma, “Contact resistance prediction and structure optimization of bipolar plates”, J. Power Sources 159, 1115-1122, 2006. [3] L. Zhang, Y. Liu, H. Song, S. Wang, Y. Zhou, S.J. Hu, “Estimation of contact
resistance in proton exchange membrane fuel cells”, J. Power Source 162, 1165-1171, 2006.
[4] J. Ihonen, M. Mikkola, G. Lindbergh, “Flooding of gas backings in PEFCs”, J. the Electrochemical Society, 151 (8) A1152-A1161, 2004.
[5] Y. L. Tang, M. H. Santare, A. M. Karlsson, S. Cleghorn, W. B. Johnson, “Stress in proton exchange membranes due to hygro-thermal loading”, J. Fuel Cell Science and Technology, Vol. 3 119-124, May 2006.
[6] P. Zhou, C. W. Wu, G. J. Ma, “Influence of clamping force on the performance of PEMFCs”, J. Power Sources 163, 874-881, 2007.
[7] J. Evertz, M. Günthart, “Structural Concepts for lightweight and cost effective end plates for fuel cell stacks”, Tribecraft AG, Zurich.
