PEM燃料电池性能测试-中兴大学机械系

PEM燃料霜池性能汨唁式（本的S带纸、肇及随身碟）一、1T瞬目的人I®彝展谩程的能源使用出琪了多冏题，油^不断创下新高，石油地勤谩不安、街突不断，一再K示一（BS重的警轩1,石油的楹f量已日渐枯竭，人若不在本世女已找到替代石油的能源方案，未来的樊展势必曾受到限制，因石油而生的戟手符不可避免。而造槿替代能源有多槿型憨褚如：水力、蜀力、潮汐、地熟、生II能、太隔能、量能（燃料18池）等等。道狸提及到的再生能源，都有一他特性，就是能别在自然琪境中生生不息、循璞不已。氢能源科技以零污染的特色成悬最重要的新典能源，氢能源科技的鹰用包括直接燃燎典使用ft化孥原理的燃料ft池雨槿，而瓢谪就污染，效率，或鹰用靶阐来看，燃料18池都符成悬未来能源科技的重要ilKS。概括而谪，燃料18池是一槿可靠的能源樽换装置，只要不断的供给燃料即可逋^不断而且容易雉^及再生使用，也不曾裂造，惜人的噪音奥琪境污染，能量效率典逋樽稳定性皆敕健统内燃械高，且可迤行模黜化段言十等侵黑占。本^^透谩燃料18池^平台，藉由量测畤霜屋、ft流及功率等来了解II子交换膜燃料ft池（PEMFC）之性能，也使同孥伸整寸燃料18池有更迤一步tgSL、^原理II子交换膜燃料ft池（PEMFC）如圄2.1所示，其是以氢氧典氧氟悬反鹰物，具透谩斶媒使陶趣量分子（H2）催化分解成氢高隹子和18子，18子由隔趣内部蹲至外面，^由外18路形成H流，供？使用彳爰醇至除趣，氮高隹子由随趣透谩可醇高隹子（18子^）之高分子II子交换膜抵连11趣，空氧或氧氟输送至11趣，其中氧分子（02）条墨催化剜典重子（e-）及氢高隹子（H+）反生水，整他I谩程的生物有水、霜能（理谪1.23V）和热能。在25C、1atm下，其反鹰谩程以下氧化反J#氧化反J#，可逆平衡ft位遢原反J#，可逆平衡ft位随趣：H2-2H++2e-Erev,a=0V除趣：1/2O2+2H++2e--H2OErev,c=1.229V余恩反照H2+1/2O2-H2OErev,cell=1.229V平衡重位差catafy^tcatafyst印35drffifxifinlayermembranelayerdiffusionh一一—l工l-layer■2.1:U子交换膜燃料霜池（PEMFC）子交换膜燃料雷池的核心黜件可分悬薄膜（membrane）、（electrode）斶媒/W（catalystlayer）、氟!!振!散屑（gasdiffusionlayer）及4!趣板（bipolarplates）。其中薄膜它是厚II子的高分子膜，具雨面分别悬正、ms趣的斶媒唇，也就是除趣典随趣中^了一屑11子交换膜，可^熟屋程序裂作成型，尴媒屑）奥曼趣板^刖遢有一屑氟散唇（gasdiffusionlayer）。U子交换膜悬高分子聚合物，有健醇氧高隹子的功能，具一11供J#氢氟（随趣），另一11供鹰氧氟（除趣），且能隔^^11的反鹰yas,而逾常水分有助於膜内氢高隹子的健醇，水是在n生，水太多曾留在除趣，使氧氟巾俞送受到影簪，水不足曾使si子交换膜谩於乾燥，增加氢高隹子的阻抗，使si子健醇功能燮差。除趣及隔趣皆使用以白金悬主的ft催化斶媒，也就是斶媒屑(catalystlayer),其是以碳粒作悬戴醴的微系田白金!(粒(Pt/C),混合粘结剜溶液壅敷在碳布一侧而成，斶媒屑是18化孥反鹰彝生的地方，悬了加快反J#速度，斶媒屑要有敕大的反J#面稹，通常以缩小白金粒彳至来增加反J8面稹，但11趣斶媒屑的生成物水若不能迅速移除，反J8面稹符被水淹没，1r降低反J8速度。氟慨股散唇(gasdiffusionlayer)悬多孔性、低孔隙率的浮重材料、^疏水虑理所形成，通常使用Teflon的碳布或碳纸裂成，主要是作悬18子傅醇、反鹰物之通入及物的排出之通路，也可支撑起II子交换膜典斶媒屑，加弓金其械械稳定性。流道板一般是使用石墨板、金JB板、或褪合石墨、碳^雉板悬材料，具高醇18性亦是熟的良醇碓保18子健醇性及散热温度均匀分布，^加工成各I®氟醴的厚流槽，作悬氟醴流道，使反鹰氟醴在整(HU趣各虑均匀分布，有收集18流之功用。PEMFC可在室温下IWS,操作温度余勺悬60C~80C,幢S有腐食虫的曲及H稹小及能量密度高等便黠，在10kW以下的燃料制也以PEMFC的技淅最悬成熟，可J8用在巴士、汽串、一般家庭的18力供,给、可揣式18力供给(睾言己型H月简及手械)和热水回收的彝18系统等。理谪上常反J#悬等温，等屋，且可逆状熊畤，反J#所释出化孥能能完全樽换成18能Wele,能量释出浮■值悬氢氧反J8生成水的自由能(Gibbsfreeenergy)Agf之差，如下所示：TOC\o"1-5"\h\z一一一—一1—g"ggfgfo=WeleH?OH22O2在25C,100kPa畤，(Agf)=-237180J/mole(l),(Agf)=0,(Agf)=0,故反H2OH2。2J1所释出化孥能悬-237180J/mole,即若反J1生成的水悬液熊，JW每1mole的氢氟可出237180J的能量。如自由能完全樽换成雷能，U燃料电池的重位可言十算如下：gf9f=W4le=一nFErev,cell，Erev,cell=一，nF其中Erev,时悬理想重位，n悬交报TB子数目，F四法拉第常数96500(c/mole)。因氢氟反可释放雨低I重子，n=2,故在25C,100kPa畤，燃料电池的输出重位悬1.229Volt。但依摞热力孥第一定律，化孥反鹰所释放的能量浮值悬氢氧反鹰生成水的始值(enthalpy)之差，若反在25C,100kPa的僚件之下迤行，(Ahf)%。=-285830J/mole,(ihf)h2=0,(△hf)02=0,JW反鹰所释放的能量悬：*f=(hf)H2O-(hf)h2--(：hf)O2=-285830J/mole(l)2即若反J1生成的水悬液熊，JW每1mole的氢氧可释放285830J的能量。其中237180J

的能量可樽换成18能，剩下的能量刖樽换成熟能，故理想樽换效率可以表示悬噂a在25C,100kPa的修件下，燃料电池的理想效率悬83%o言十算^除燃料ft池的效率方面，假ISH2流量悬0.1(slpm),刖其mole流率为1105m1105m二8.314273一_310.110——60=7.34x10九mo%又水的生成始悬h0H2O(l)=-285830(K%),U流量悬0.1(slpm)H2之化孥反所释放的能11ioie...C宣除功率量浮值悬mxh0HO(l)=20.98W),故If除燃料ft池的效率悬刈=。H2O(l)20.98

三、三、WWW1、燃料ft池测平台:本研究之燃料雷池测就平台是於2005年由生太燃料雷池科技股份有限公司(APFCT)所建横，型虢悬FCED-P200,如BI3.1.1所示，其所需雷源悬220V/60HZ,氟醴供来源分别融100psig的氮氟(>99.99%)、100psig的氢氟(>99.99%)典100psig的空氟(瓢油)，如H33.1.2所小，刈M平台需放置在2500(W)>2500(D)2500(H)mm空氟流通的空M倭器的操作温度靶阐在5c〜40c(32°F〜104°F),相封湮度在5%〜90%的靶H。重器系糊各配置箱霜子郛虎输出/福入面板BI3.1.1：燃料雷池测重器系糊各配置箱霜子郛虎输出/福入面板BI3.1.1：燃料雷池测IS平台氟聘管路配置箱■3.1.2:氮氟、氧氟典空氟之^瓶本研究之测14平台可分2槿余己金泉方式，分别悬Lifetest典Tafeltest,其中Lifetest畤^操作模式，又可分悬固定H屋模式典固定ft流模式，其中固定H屋模式可以段定我伸号希望的燃料18池巾俞出重屋，常然段定靶阐因燃料18池的性能之不同而不同。而固定18流模式也就是可以段定我伸号希望的燃料18池巾俞出的18流，常然段定靶阐也因燃料18池的性能之不同而不同。而Tafeltest刖悬就彳THJ!-ft流曲^的模式，除此之外遢有三槿数摞撷取方法的逐撵，三槿数摞撷取方法分别TimeCt、SlopeCt典ManualCt,其中TimeCt是依照信系表余己金泉,以畤^悬依at；SlopeCt刖是以is流悬依at,假如ft流建化超谩is定值，此黑占的数at就曾被余己金录；ManualCt刖是禾।J用【space】1ft,自己来决定余己金泉黑占。2、PEM燃料电池：本研究之燃料18池是於2005年由必I®池科技股份有限公司()所提供，如M3.1.3所示，其活性面稹25cm2,操作温度JW不可操谩100C,不谪隔趣或除趣，氟醴皆由上方管道迤入燃料ft池，由下方管道雕K燃料ft池。

■3.1,3:本研究所使用之燃料霜池4.1倭器的H改：1、倭器的操作在空氟流通的空下，温度靶阐5c〜40c(32F-104F),相封湮度的靶阐5%〜90%。2、碓熬除水器内的水已波漏完。3、碓bubbler液位高度是否在高液位。4、碓祷水模黜的^水桶水量。5、燃料雷池anode及cathode迤氟管在氟I1流量小於3.5slpm畤，需装入1/8为^PFA管，以测得型碓的迤氟温度。⑴4$1/8%^PFA管装入迤氟管内，有缺口的一端悬尾端，如M4.1.1所示。■4.1.1:符1/8%^JPFA管装入迤氟管内⑵4$1/8%^PFA缺口朝上，如M4.1.2所示BI4.1.2:符1/8%^PFA缺口朝上（3）装上温度感测探棒，探棒须整寸型1/8%^JPFA管的缺口，M4.1.3所示■4.1.3:装上温度感测探棒，探棒封举1/8”的PFA管的缺口6、符反鹰氟醴的管路逋接至倭器，逋接氟醴管路畤，需注意各氟醴的相封位置，氢氟的出口管路要接到通凰良好的户外。7、在规定的温度典屋力下操作倭器，陶趣Anode及除趣Cathode分别悬氢氟（＞99.99%）及空氟（瓢油），其入口端屋力悬30~60psig,IfflS温度悬室温，IWB8度U悬持在乾燥。8、接好燃料18池的mog典H屋轩序Mg,或且碓IS是否有固定好（缸色是除趣，黑色侪景色］是隔趣），J#避免正短路。9、碓器至燃料18池^的氟醴管路是否有安装正碓。10、言青勿放置任何醇重物在燃料霜池座上。11、符面板上的力湖整至工作靶阐。12、碓加漏瓶水位是否高於低水位，如果是寺^使用段借，可先聘水位加至高水位。13、插上雷源插1g,所需雷源悬220V/60HZ。14、HBWfi器的雷源，3t招警急IWH（EmergencyStop）向右旋出，如M4.1.4所示。■4.1.4:器ft源，15、按下^色「ON」按翅，器18源，如•OFFM4.1.4:按下余景色「ON©且招警急IW在向右旗出M4.1.5所小o•ONJ」按翅，器18源16、naot月简及ft子H戴ft源，K始新行软醴的操作。迤入^^主重面：1、先依（4.1）所叙述，完成倭器的H改。2、新行程式。&首先迤入^^修件1S定重面，修件1S定ilKg分悬5（0,如H4.2.1所示。按下「SettingFinish」彳爰，可优软醴介面上看到燃料ft池巾俞出UJI上升至OCV。■4.2.1:修件段定重面a、CellSetting,雷池黜基本段定（叠）：段定燃料雷池MEA反J1面稹及数量，此值随著燃料霜池规格而改建。第三行悬1S定燃料18池的温度。b、ProtectionSetting,安全操作段定向）：段定每他®雷池最低冏K及燃料雷池警示温度，以防止燃料18池因操作或修件值累常而造成揖壤。c、AnodeFuelSetting,[8H®氟It控制僚件（粉缸）：避撵随趣氧I1流量的控制方式，分悬化孥言十量比典固定流量及燃料18池隔趣氟醴入口温度。另外，此方格下方可段定最小流量。d、CathodeFuelSetting,绍*ffl1控制修件（的：圜？物*ffl1流量的控制方式，分悬化孥言十量比典固定流量及燃料18池除趣氟醴入口温度。另外，此方格下方可段定最小流量。e、Zero-LoadFlowSetting,零负载流量段:定（黄）：鼓:定燃料雷池零负载畤的反J8氟I1流量，主要是避免18能倒灌至燃料18池，及段定IW由械彳爰氮氟purge的畤随趣和隙趣的最小流量值曾他I别K示在各自的段定框中。本^^段定之数摞由表4.2.1所示。表421:本^^修件段定之数at定数St年/月/日/畤/分初始室温（畤/分）?C金同瓶H2M7j32psig金嗣瓶airM7j32psig流量百十H2入口屋力30psig#air入口到30psig燃料雷池H2入口屋力0psig燃料雷池air入口屋力0psigH2fuelcell背J!0psigairfuelcell背H0psig增漏-燃料雷池H2入口温度60C增漏-燃料霜池air入口温度60C金同瓶N2B7J10psigN2purge畤IW3sec活性面稹25cm2甯:池数目118池操作温度NAstack谩温保H85c最低保0.01V零K截流量^定0.3A/cm2.cell固定流量H20.1slpm化孥言h量比H2NA取小流星H2NA固定流量air0.5slpm化孥言h量比airNA取小流里airNAtesttafeltest30秒

4、IS定完^^操作修件，按下「SettingFinish」（IS定完成）彳爰，软H曾花黑秒金童的畤^自勤氮氟purge及值测硬H逋^状熊，接下来即迤入^主重面。主重面可分悬3他部分，如M4.2.2所示。燃料雷池

状熊段定M-Z4上午aijQllIillFCED-P^OT掩料电池黑玳靠地达士。现f■IiKUJli.mufaxt耳|aift,|燃料雷池

状熊段定M-Z4上午aijQllIillFCED-P^OT掩料电池黑玳靠地达士。现f■IiKUJli.mufaxt耳|aift,|•.0-eiu：-25J>二皿a：9;I5J*-1UA二工田严方式IS定[©FCML中第Ln”叮：G上干[©FCML中第Lna4.2.2:主重面5、在「燃料18池状熊段定」癌中按下氟醴加热及燃料18池加熟的碓定翅，K始氟醴及燃料H池加熟勤作。氟I®温度至IS定黑占彳爰即可II始如AnodeInlet1Anode勺工hi定既AnodeoutletAnodeInlet1Anode勺工hi定既Anodeoutlet温度CathodeInlet昌度Cathode加熟酒定近燃料重池加邦硅定坦outlet■.Cathode■4.2.3:氟醴加热及燃料霜池加热的碓定6、测平台基本上可分2槿余己金泉方式，分别悬Lifetest典Tafeltest,其中Lifetest急艮畤^操作模式，而Tafeltest刖悬就彳THJ!-ft流曲^的模式。Lifetest（上^前由助教先改勤Life模式，活化燃料雷池）:1、先依（4.1）及（4.2）所叙述，完成倭器的H改及迤入^^主重面。2、在iMfe主It面之KW斛己磔方式鼓:定的1M域可决定Lifetest或Tafeltest来言己金录，按下余己金泉方式逗撵It,逗撵「lifetestJ余己金泉方式，如BI4.3.1所示区己金象方式方式5S探鲤区己金象方式方式5S探鲤M4.3.1:可:®?Lifetest或Tafeltest来言己金录3、Lifetest又可分悬2槿彝1|方式，分别悬固定UH!模式（ConstantVoltageMode）奥固定雷流模式（ConstantCurrentMode）,可在JWfe主It面之1MB己金录方式鼓:定的模式:来决定，如■4.3.2所示，本^撵固定重屋模式。

模式逗押维■4.3.2模式逗押维■4.3.2：Lifetest模式逗撵It,可退撵固定HJ!模式或固定ft流模式来言己金录4、按下模式逗撵It,逗撵「ModeCV」迤入固定HJ!模式，段定燃料电池输出重屋悬0.45V,按下「!!戴IW/(LoadBtn)JW接上燃料ft池^戴，切^JW再按一次^IW/(LoadBtn)。5、输入东己金录畤IWIW隔60秒，按下东己金录即可新行Lifetest。6、余己金录前需先如BI4.3.3所示按「Open」指定槽案区己金泉路彳至，重面曾出琪楹f存东已金斜g案之路彳至的小视窗，更改一下路彳至，即可^^的数awe金录在我伸号想存放槽案之位置，槽案曾以xxxxx.LIF的形式存，假如此^使用的槽案中有售的数摞，使用者可以接余亶^^或覆盖谩去数at重新k始，而在重面的左下角曾出垣槽案东已金泉的路彳至。TafelTedOpenCtil+OMftijiExitCtrl+XfieC电"7k./Qqft.|111|111|*1||41Bl4.3.3:指定槽案余己金泉路彳至7、巾俞入东己金录畤隔（＞0.5秒），按下「RecordJ（东己金泉）|S即可新行Lifetest8、假如想取消余己金录数St的勤作，按「Record」（东己金录）把东己金录取消即可。9、如LifetestIWfe精束，需切UHM戴。Tafeltest:1、首先需建立跑Tafeltest模式的程序槽。a、Tafeltest的重屋典畤^信割系程序槽建立畤，须把副槽名定悬.SCV或.SCC,且^存起<0b、打HNotepad（言己事本），巾俞入的格式如M4.4.1所示，在槽案上巾俞入霓流7Ml值、畤IW、前虑理或测之资料。另外重屋（ft流）典畤^的段定需符合燃料ft池的规格及性能。同一行的数值^需用「Tab」隔，最彳爰一行输入数值彳爰不要再以「Enter」^跳到下一行。M4.4.1:TafeltestM4.4.1:Tafeltest模式的程序槽c、Tafel信舒系表中「前虑理或^的判断如下：0悬东己金录；1悬测其功能在於可以燃料18池的H屋或18流可以慢的上升或下降至需要余已金泉的黑占，而适期^所^谩的数值软H都不曾余己金冤d、完成IS定彳爰，即可^存槽案（副槽名悬.SCV或.SCC）。本田瞬之Tafeltest模式的程序槽由表4.4.1所示

程序槽SXWM畤^（秒）前虑理（1）或羽很（0）0.33000.353000.43000.453000.53000.553000.63000.653000.73000.753000.83000.853000.93000.853000.83000.753000.73000.653000.63000.553000.53000.453000.43000.353000.33002、依（4.1）及（4.2）所叙述，完成倭器的H改及迤入^^主重面。3、在iMfe主重面之KW斛己磔方式鼓:定的1M域可决定Lifetest或Tafeltest来言己金录，按下余己金泉方式逗撵It,逗撵「TafeltestJ余己金泉方式，如H4.3.1所示。4、余己金录前需先如BI4.3.3所示按「Open」指定槽案区己金泉路彳至，重面曾出琪楹f存东已金斜g案之路彳至的小视窗，更改一下路彳至，即可^^的数awe金录在我伸号想存放槽案之位置，槽案曾以xxxxx.LTF及xxxxx.TAF的形式存，假如此^使用的槽案中有售的数携（，使用者可以接余亶^^或覆盖谩去数at重新K始，而在重面的左下角曾出垣槽案东已金泉的路彳至。

5、由左上角Tafel^中载入^存之程序槽。6、Tafeltest又可分悬2槿描描方式，分别悬重屋模式典ft流模式，可由^^主重面之^^言己金泉方式段定的描描方式逐撵It来决定，如■4.4.2所示，本^^避撵霜屋模式。・^始ScanVott描描方式送撵秒•：：・^始ScanVott描描方式送撵秒•：：5/眇■4.4.2：Tafeltest描描方式逗撵It,可逗撵HJ!模式或ft流模式来描描7、Tafeltest有三槿数St撷取方法的退撵，三槿数St撷取方法分别悬TimeCt、SlopeCt典ManualCt,其中TimeCt是依照信割系表东己金轧以畤IW悬依St;SlopeCtU是以重流悬依St,假如ft流建化超谩IS定值，此黑占的数摞就曾被东已金录；ManualCt刖是利J用【space】心自己来决定余己金泉黑占，逐撵方式如■4.4.3所示，本^^逗撵数摞撷取方法悬TimeCt。.wienraiiejm190secMewiijnr口司内h［一数摞撷取

方法圜？炉CtSifopeCrManualCtILm0.000数摞撷取

方法圜？炉CtSifopeCrManualCtILm0.000二1・%？nnffirlWl.min醇川A■4.4.3:Tafeltest数携（撷取方法之避撵8、巾俞入东己金录畤隔（＞1秒），K始描描即可新行Tafeltest。9、新行Tafeltest寅瞬畤，窗播曾同畤余己金泉Tafeldata（I-V-W）的xxxx.TAF的槽案典（T-I-V-W）的xxxx.LTF的槽案。以上2他槽案余己金泉存放在依第四他I步骤我伸号想存放槽案之位置中。10、结束彳爰程式曾自勤跳出或者使用者按下K始捕描^即可结束东己金丸醴及倭器：1、先结束Lifetest或Tafeltest模式。2、停止氟I1供J8,信氢氧和空氟之!!力^］。一起释放anode及cathode雨端!!力畤，JS避免揖壤燃料ft池。3、碓!§迤口温度停止氟醴加热。4、由左上角槽案中有程式「MainExitJ（高卸!）«S来高卸I操作软H。5、按下程式高卸WS「MainExit」彳爰，曾出琪B4.5.1的重面，逐撵「是」（Yes）即可再卸!操作fd!。谑定购麒©d+XM?［二品1［~~丁<r*l&usur«to«£KHWHQda*•*Mo■4.5.1:高卸I操作fd!之视窗6、械台曾自勤purge反鹰氟H可以完全的优管路中移除。7、手勤按下purge按翅，把氮氟流量湖整成0.5〜1.0SLPM，畤IW悬15~60秒，^反鹰氟醴可以完全的优管路中移除，之彳爰^掉氮氟的氟机8、fflmUKo9、按下缸色「OF