MEA Fabrication

HT-MEA

2. Catalyst coating

• Ultrasonic spraying system
• Gas Diffusion Eelctrode, GDE
• Catalyst Coated Membrane, CCM

Modeling of PEMFCs

在燃料電池的流道中，反應物的濃度是隨著流道方向而改變。因為在陰極端，空氣中的氧氣會隨著流道方向逐漸被消耗而產生的水氣會與氣體混合，造成氣體的相對濕度改變；同樣地，在陽極氫氣逐漸消耗而產生的水氣會與氫氣混合。因為反應氣體濃度及濕度不同，會造成各區域反應效率不同，而造成電流密度及溫度呈現不均勻分佈。此外，陰極和陽極的流場型式會依據不同應用系統而設計。當這類的流場採用CFD模型來模擬時，常需要複雜及大量的數值計算，尤其當陰極和陽極的流道不完全重疊時，更增加運算的複雜度及所需時間。目前已發表採用CFD方法來模擬燃料電池的論文中大多描述直線型流道或以簡單的流場來代替整個流場，無法代表實際的流場型式。

在實驗室採用區塊式模型（Segmented model），此模型是將反應面積依據流場型式切割成數個區域，每個區域都假設成一集總式模型（lumped model），即假設每一區域塊內為均勻反應。而每一區塊再依據陽極和陰極的流場型式連結起來，如下圖所示。在區塊式模型中，某一個區塊的輸出反應氣體性質即為下一個區塊的輸入反應氣體之性質，每個區塊根據這些反應氣體性質及給定的電流密度來計算每個區塊電壓。

由於輸入氣體的性質不同，每個區塊算出來的電壓也不一定相同；理論上，每個區塊的電壓應該相同，因為每個區塊可看成數個不同的電阻併聯。每個區塊的電阻不 同，所以流經每個區塊的電流也不同，但是電壓仍是相同。因此本模型即在每一次迭代開始時調整流經每個區塊的電流，再計算每一區塊電壓，直到區塊間的電壓差 距在一極小值之內。此區塊式模型運算結束後可得到電流分佈、質子交換膜含水量、流道中氣體之相對濕度等之分佈情形之數據。

電流密度分布示意圖

Fabrication of MEAs with Non-uniform Catalyst Distribution

當一矩形之燃料電池在不加濕的環境下運作時，可以想像入口區域通常是在高氣體流量及低相對濕度的環境下工作。當膜電極組在此環境下運作時，其工作效率較低，且壽命無法持久。而出口區域是在一高相對濕度的環境，因此其質子交換膜導電度會比較高。可以預期，在氣體入口處的電流密度較低，而氣體出口處的電流密度較高。

如果將入口處附近的觸媒量增加，而出口處的觸媒量減少，而維持總觸媒使用量不變，即可提高入口處的反應效率及產生的水量。這些水可提高氣體的相對濕度，且有助於提高出口處的質子交換膜導電度，因此可減少出口處的觸媒用量而不降低出口處的反應效率太多。

均勻觸媒塗布

非均勻觸媒塗布

非均勻觸媒塗布示意圖