Abstract
本論文針對質子交換膜式燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)進行三維穩態流場濃度場數值模擬，並評估各式流道設計對其電化學性能影響。由於PEMFC在實際動態操作條件下，內部流場、燃料濃度、氧化劑濃度及溫度、溼度分佈等都會隨時間空間多維變化，且液態水在薄膜中的量及分佈也會影響薄膜的導離子性，進而影響整個電池的效能。本論文導出PEMFC完整瞬態三維模式，適用於直接氫氣與直接甲醇燃料電池，但因瞬態非線性偏微分方程式解題較為複雜，本研究先行簡化數學模式成三維穩態線性，假設等溫與單相流，故可以有限差分法求解速度場、濃度場，由於直接氫氣燃料電池陰極擴散層之電位降為影響燃料電池性能最大因素，故本論文針對三種不同幾何形狀流道設計（單條蛇狀、平行三條蛇狀以及三條直通道），評估其流場變化與電能輸出，結論是流道設計直接影響燃料與氧化劑在擴散層中的輸送，若流道形狀能加強流體在擴散層中的對流能力，將有助於電池效能的提升。本論文中平行三蛇狀流道設計能獲得最大電流密度，同時證明流場佈局設計亦為影響燃料電池性能之重要因素，此在未來高動力密度(Power Density)燃料電池設計時，將使機械熱流領域扮演更重要角色。