臺灣博碩士論文加值系統

隨著科技發展日新月異，高生產及高消費伴隨著高汙染，地球漸漸已不堪負荷，各國積極尋找新的替代能源，而燃料電池具有的高效能、低噪音和低汙染之優點，已成為各國寄予厚望之新能源。
雙極板為燃料電池極為重要的部件，目前商業化之雙極板，其開發成本高且重量重不適合應用；鑑此，本研究欲發展質輕並具有導電性佳之雙極板，故以複合雙極板做為研究目標。本研究有別於傳統生產複合雙極板的熱壓成型法，採用能夠快速且大量生產的射出成型法來製備複合雙極板期望以此方法降低時間及成本，並採用本團隊自製研發的新型熱壓法來達到表面改質之效果，而本研究選擇之基材為聚甲基丙烯酸甲脂(Polymethylmethacrylate, PMMA)，表面改質之材料為本團隊自製的茶碳(Tea Graphite, TG)，期望能開發一其質輕、堅固、耐腐蝕與導電之性能之碳流道層複合雙極板效果。
本研究實驗方法是以田口與灰關聯法降低時間與成本同時討論導電率與附著率單一品質最佳化並求取導電率與附著率多重品質最佳化實驗參數，並以SEM與OM觀察熱壓碳流道層複合雙極板其PMMA基板與導電材TG接合的情況，以FTIR、XRD、WCA與EDS觀察其元素以及結構與鍵結，TGA與DSC觀測材料性質與其耐熱性，電化學腐蝕試驗量測其抗腐蝕性，最終組成質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)單電池量測其電壓。
田口導電率最佳化影響最大因子為熱壓溫度，導電率最佳化製程參數之導電率為0.99071S/cm；影響田口附著率最大因子為熱壓時間，附著率最佳化製程參數之附著率為1.3N.mm.；灰關聯分析導電率與附著率多重品質最佳化，導電率與排序第一的L6相比沒有提升，而附著率上升了百分之四十五；此外，XRD實驗結果顯示熱壓碳流道層複合雙極板中均有出現代表PMMA基材之繞射峰30°，以及TG的峰值24.7°(002)及43°(101)，且灰關聯最佳化強度也優於灰關聯排序第一的L6；FTIR觀測其特徵峰位置因TG為異質材料且結合沒有產生化學反應，故沒有產生位移；TGA與DSC觀測，材料於335℃左右開始氣化；440℃完全氣化完，剩下約3%左右的TG，基材方面因沒有TG保護較不耐熱，而因本研究為非結晶故僅顯現玻璃轉移溫度，其溫度約為107℃左右；灰關聯最佳化WCA=127.5°最為疏水，但可能導致氫氣無法附著反應，使電性下降；電性量測結果與雙極板導電率結果相符合，導電率最佳化有最高電壓24.1mv。

With the rapid development of science and technology, overproduction and over consumption come with high pollution; gradually, a series of destruction has overwhelmed. Fuel cells have the advantages of high efficiency, low noise and low pollution, so it has became the highest potential new energy source recently.
Bipolar plate is an extremely important component of fuel cell. At present, the commercial bipolar plate has high development cost and heavy weight, which is not suitable for application. Therefore, this research is to develop a bipolar plate with good light conductivity and good conductivity. As a research goal, the polar plate is expected to have the above two advantages. This research is different from the traditional hot press forming method for producing composite bipolar plates. The rapid and mass-produced injection molding method for preparing composite bipolar plates is expected to reduce the time and cost in this way, and the surface modification is achieved by the new hot pressing method developed by the team. (Polymethylmethacrylate, PMMA) is expected to achieve corrosion resistance and electrical conductivity with its light weight and strong performance combined with the team's own (Tea Graphite, TG).
The experimental method of this study is to reduce the time and cost by Taguchi and gray correlation method, discuss the single quality optimization of conductivity and adhesion rate, and obtain the experimental parameters of conductivity and adhesion rate multiple quality optimization, and observe the heat by SEM and OM. In the case of the carbon-coated runner layer composite bipolar plate, the PMMA substrate is bonded to the conductive material TG. The elements and structures and bonds are observed by FTIR, XRD, WCA and EDS. The properties of the material and its heat resistance and electrochemical corrosion are observed by TGA and DSC. The test measures the corrosion resistance, and finally the Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) single cell is measured for its voltage.
The maximum factor affecting the conductivity of Taguchi is hot pressing temperature, and the conductivity of the process parameters optimized for conductivity is 0.99071S/cm; the maximum factor affecting the adhesion rate of Taguchi is hot pressing time, and the adhesion rate is optimized for the attachment of process parameters. The rate is 1.3N.mm.; the gray correlation analysis optimizes the conductivity and adhesion rate multiple quality, the conductivity is not improved compared with the first order L6, and the adhesion rate is increased by 45%; in addition, the XRD results show that the diffraction peak representing the PMMA substrate is 30° in the composite bipolar plate of the hot-pressed carbon channel layer, and the peaks of TG are 24.7°(002) and 43°(101), and the gray correlation The optimization intensity is also better than the first L6 of gray correlation ordering; the characteristic peak position of FTIR observation is that TG is heterogeneous material and the combination does not produce chemical reaction, so there is no displacement; TGA and DSC observation, the material starts gas at around 335℃ Completely gasified at 440℃, leaving about 3% of TG, the substrate is not heat resistant due to TG protection, and because the study is amorphous, only the glass transition temperature is exhibited, and the temperature is about 107℃. The gray correlation optimization WCA=127.5° is the most hydrophobic, but it may cause the hydrogen to fail to adhere to the reaction, and the electrical property is lowered. The electrical measurement results are consistent with the bipolar plate conductivity results, and the conductivity is optimized to have a maximum voltage of 24.1mv.

摘要………………………………………………………………………………………………i
Abstract………………………………………………………………………… ii
誌謝…………………………………………………………………………….. iv
目錄……………………………………………………………………………... v
表目錄…………………………………………………………………………... x
圖目錄………………………………………………………………… ………xiii
符號說明……………………………………………………………………………………xviii
第一章 前言………………………………………………………………………… 1
1.1 研究背景……………………………………………………………………… 1
1.2 研究動機目的……………………………………………………………… 2
1.3 研究方法………………………………………………………………………… 4
1.4 論文架構………………………………………………………………………… 5
第二章 文獻回顧與基礎理論…………………………………… 7
2.1 燃料電池歷史…………………………………… 7
2.2 燃料電池定義…………………………………… 8
2.3 燃料電池設備…………………………………… 9
2.4 燃料電池分類…………………………………… 10
2.5 燃料電池應用與發展…………………………………… 12
2.6 質子交換膜燃料電池運作原理…………………………………… 13
2.6.1 質子交換膜燃料電池結構…………………………………… 13
2.6.2 電極極化現象…………………………………… 15
2.7 雙極板…………………………………… 16
2.7.1 複合雙極板相關文獻…………………………………… 17
2.8 射出成型簡介…………………………………… 21
2.8.1 射出成型流程…………………………………… 21
2.8.2 射出成型不良原因與解決方法…………………………………… 22
2.9 田口-灰關聯實驗法基礎理論介紹…………………………………… 23
2.9.1 影響因子…………………………………… 23
2.9.2 直交表建立…………………………………… 24
2.9.3 品質損失函數…………………………………… 24
2.9.4 信號雜音比 (Signal-to-noise ratio, S/N)…………………………………… 25
2.9.5 灰關聯基礎理論介紹…………………………………… 26
2.10 表面改質方法…………………………………… 27
2.11 表面改質與田口-灰關聯相關文獻…………………………………… 28
第三章 實驗方法與設備…………………………………… 31
3.1 實驗流程與步驟…………………………………… 32
3.1.1 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板材料製備…………………………………… 33
3.1.2 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板之新型治具介紹…………………………………… 35
3.1.3以田口-灰關聯法熱壓PMMA碳流道層複合雙極板…………………………………… 37
3.2 PMMA碳流道層複合雙極板製備流程之設備介紹…………………………………… 41
3.2.1 射出成型機製備PMMA複合雙極板…………………………………… 41
3.2.2 高溫爐製備PMMA熱壓碳流道層複合雙極板…………………………………… 42
3.2.3 高精度工具顯微鏡(Optical Microscopy, OM)…………………………………… 43
3.2.4 掃描式電子顯微鏡(Field Emission Scanning Electron Mictoscope, FE-SEM) ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………44
3.2.4 能量色散X射線光譜儀(Energy Dispersive Spectroscopy, EDS)…………………………… 45
3.2.4 X-ray繞射分析儀(X-Ray Diffractometer, XRD)…………………………………… 46
3.2.5 拉曼光譜分析 (Raman Spectra, Raman)…………………………………… 47
3.2.6 傅立葉轉換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectrometry, FTIR)…………48
3.2.7 熱重力分析 (Thermogravimetric analysis, TGA)……………………………………49
3.2.8 差示掃描熱量法 (Differential Scanning Calorimetry, DSC)……………………………………49
3.2.9 四點探針 (4-Point Probe)……………………………………50
3.2.10 拉伸試驗機……………………………………51
3.2.11 恆電位儀…………………………………… 53
3.2.11 水滴接觸角 (Water Contact Angle, WCA)…………………………………… 54
3.2.12 PMMA碳流道層複合雙極板之PEMFC組裝與測試…………………………………… 54
3.2.13 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板多重品質最佳化驗證…………………………………… 55
第四章 結果與討論…………………………………… 56
4.1 以田口-灰關聯法探討PMMA熱壓碳流道層複合雙極板之導電率與附著率……………………………………56
4.1.1 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板田口單一品質導電最佳化……………………………………56
4.1.2 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板田口單一品質附著最佳化……………………………………61
4.1.3 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板之導電率/附著率-灰關聯多重品質最佳化……………………………………64
4.1.4 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板之灰關聯驗證……………………………………66
4.2 田口-灰關聯法PMMA熱壓碳流道層複合雙極板之性質分析……………………………………69
4.2.1 田口-灰關聯法PMMA熱壓碳流道層複合雙極板表面形貌觀察……………………………………69
4.3 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板EDS分析……………………………………71
4.4 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板XRD分析……………………………………72
4.5 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板之拉曼光譜分析…………………………………… 73
4.6 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板之傅立葉轉換紅外光譜分析…………………………………… 75
4.7 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板之熱重分析…………………………………… 76
4.8 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板之差示掃描熱量法分析…………………………………… 77
4.9 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板之WCA分析…………………………………… 78
4.10 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板之電化學腐蝕試驗…………………………………… 80
4.11 PMMA熱壓碳流道層複合雙極板之電池實驗…………………………………… 81
第五章 結論與未來展望…………………………………… 83
5.1 結論…………………………………… 83
5.2 未來展望…………………………………… 84
參考文獻…………………………………… 85
Extended Abstract…………………………………… 89

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